关键词：膏体堆存 料浆质量浓度 絮凝剂单耗 渗透系数 渗透破坏

                   0 引言

                    金属矿产资源开发导致大量矿山固废产生，据统计我国尾砂地表堆存量已达 146 亿吨[1]，地下采空区总体积达 12.8 亿立方米[2]。地表尾砂堆存为坝体形成巨大危险源，一旦发生溃坝事故将造成不可估量的人员伤亡和生态环境破坏。坝体稳定性受到多种因素的影响，如坝体的设计结构、尾矿特性、渗透性以及地震液化等。其中，尾矿的渗透性是直接影响尾矿坝浸润线高低的关键因素，进而影响坝体的稳定性。影响尾矿坝渗透性的影响因素众多，比如尾砂的孔隙比、尾砂颗粒的结合水膜、流体介质的性质等。目前为止，国内外学者对水砂直排式尾矿坝渗透规律、稳定性研究相对成熟，但膏体堆存相关文献鲜有报道。膏体堆存可实现“一废两治”，具有解决矿山固废优势[8]。基于此，本文以膏体堆存料浆浓度、絮凝剂单耗为试验设计因素，借鉴煤浆脱水领域相关研究[9-15]，如 Laskowski J S[16]从理论上解释了絮凝剂在洗煤中的吸附、助滤作用。McCormick C L[17]研究了絮凝剂中亲水链和疏水基团的构成，通过调整亲水链与疏水基团，以满足不同用途的需求。我国学者胡筱敏等[18]提出的用疏水絮凝剂强化浓缩过滤过程中的工艺，处理东鞍山浮选铁精矿时，加入非离子型聚丙烯酰胺（PAM），铁精矿滤饼水分下降 1%～2%，处理量提高 5 倍以上。石常省等[19]选用 4 种不同类型絮凝剂进行矿浆脱水实验揭示了絮凝剂“吸附-桥联”作用，其通过改变矿浆的粒径组成形成有利于脱水的絮团结构，从而提高渗透效果。此外，任晓玢[20]采用电镜扫描（SEM）对比空白试验得出添加絮凝剂所形成滤饼结构疏松有利于提高渗透速率。上述研究从侧面反应了料浆浓度、絮凝剂单耗对膏体堆存渗透性的影响。基于此，本文通过室内变水头渗透试验开展料浆浓度、絮凝剂单耗对膏体堆存渗透性影响及破坏规律分析。

                   1. 试验设计及方法

                    1.1 试验材料物化特性

                        试验所用的材料为某矿山全尾砂，其化学成分如表 1 所示，采用欧美克 TopSizer 激光粒度仪分析测定尾砂粒级分布曲线如图 1 所示。采用 x 射线荧光光谱分析仪（XRF）进行化学组成分析。经检测分析可知，全尾砂主要化学物质为 SiO2 和 MgO，具体成分如表 1 所示。全尾砂粒级组成中， =75.991 μm，不均匀系数为 0.087，密实性良好，为均匀细尾砂。

                      1.2 试验装置

                    试验装置由 TST-55 型渗透仪与自制的渗压容器两部分组成。TST-55 型渗透仪由包括上盖、底座、透水石、环刀（内径 φ6.18 cm，高 4 cm，体积 119.92 cm3）、橡皮垫圈等构件组成。此外还需要电子天平（精度 0.1g）、刻度纸（计量液面高度，mm）、皮软管、管夹阀等。整个试验装置结构如图 2 所示。

                  1.3 试验方法

                     （1）选用矿山提供 Rheomax1010、Rheomax1020、Magnafloc5250、Magnafloc336、Rheomax1050 阴离子絮凝剂，分别使用电子天平（精度 0.01 g）称取阴离子絮凝剂 0.5 g，加入到 500 ml 的烧杯中，启动絮凝剂搅拌器（100～300 r/min，配制 0.1%的絮凝剂溶液）搅拌 1～2h 小时。使用注射器将不同类型絮凝剂溶液注入量筒矿浆溶液中，并用毫秒表记录沉降所需时间。絮凝剂种类及试验参数设置如表 2 所示。

                     （2）根据上文试验确定絮凝剂类型，设置试验参数尾矿浓度 15%，絮凝剂浓度0.1%，絮凝剂添加量分别为 15 g/t、20 g/t、25 g/t、30 g/t，确定絮凝剂最佳用量，絮凝剂单耗及试验参数设置如表 3 所示。

                    （3）参照 JTG 3430--2020《公路土工试验规程》 T0130-2007 制作备样，首先配置质量浓度为 64%、66%、68%、70%的料浆（300 g），依次按照絮凝剂溶液用量（0 g/t 、15g/t、20 g/t、25 g/t、30 g/t、35 g/t、40 g/t）添加，并均匀搅拌，共制作 28 组试样，分次进行实验，部分试样如图 3 所示。

                   （4）在 TST-55 型附件套筒底部放入透水石，并将环刀放入渗透仪的套筒内，在套筒内分次加入试样，每加入一定量的试样，轻击震荡套筒，反复循环上述操作，添加试样至212.5 g，压好垫圈，盖上顶盖并用螺丝拧紧。

                   （5）将渗透仪装置与供水装置连接，在供水装置中加入一定量的水，打开止水夹，让水通过 TST-55 型渗透仪流经试样，在打开排气夹，侧立渗透仪，排空渗透仪内的空气直至排气夹在排水过程中无气泡涌出，待出水管口有水排出，关闭排气夹。

                  （6）供水装置中添加水量至需要的高度，再次打开供水管止水夹，测定初始水头高度与终止水头高度 ，记录水位水头高度 与终止水头高度 之间的时间间隔 和水温。每个试样需要重复测定 3 次实验数据，取三次的平均值作为测定的结果。

                       2 试验结果与分析

                      2.1 絮凝剂选型及单耗优化

                     在料浆浓度 15%、絮凝剂浓度 0.1%、絮凝剂单耗 15 g/t 的试验条件下，试验分别采用5 组不同絮凝剂和 1 组无絮凝剂的静态沉降实验，得出泥层高度沉降高度与沉降时间之间的关系曲线，如图 4 所示。通过泥层初始沉降速率分析，得出 0#～5#絮凝剂条件下泥层沉降速率 分别为：2.8×10-4 m/s、8.1×10-4 m/s、7.6×10-4 m/s、7.9×10-4 m/s、10.8×10-4 m/s和 9.6×10-4 m/s，从絮凝沉降速率考虑选用 Magnafloc5250 絮凝剂。在料浆浓度 15%、絮凝剂浓度 0.1%、添加絮凝剂 Magnafloc5250，单耗分别为 15g/t、20 g/t、25 g/t、30g/t，获得泥层沉降高度与沉降时间之间的关系曲线，如图 5 所示。

                      通过泥层初始高度沉降速率分析，获得 4 种絮凝剂单耗泥层沉降速率