黏结型尾矿库抑尘剂及环境适应性

D01:10.13374.isml00103x.2009.08.002 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag2009 黏结型尾矿库抑尘剂及环境适应性 杜翠凤杜建华王婷 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要基于理论分析和单体实验，初步确定尾和矿库抑尘剂组成和浓度.运用正交试验方法，对抑尘剂配方进行优化，在实验 室对最优配方进行了抗压强度，耐水性能、抗冻融性能和抗风吹性能等多方面环境适应性模拟实验，结果表明，该抑尘剂喷洒 在尾矿表面后，结壳连续完整，壳体抗压强度达到247kP,且具有较强的耐水性能、抗冻融性能和抗风吹性能.应用该配方进 行了工业试验.结果表明，喷洒抑尘剂的尾和广库表面所结壳体历经203d日晒、多次雨淋后，依然连续完整，能承受18m's1强 风吹袭，表现出很强的抑尘效果和环境适用性. 关键词尾矿库：抑尘剂：抗压强度：环境适应性 分类号TD714.4 Cohesive dust suppressant used in tailings dams and its environmental adaptability DU Cui-feng.DU Jian-hua,WANG Ting School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT On the basis of theoretic analy sis and monomer testing.the composition and concentration of a dust suppressant used in tailings dams were determined initially.and then the best prescription was developed by the orthogonal test.The environmental adaptability simulation test of the dust suppressant in the laboratory were carried out.including compressive strength,water resistant. freezethaw resistant and wind erosion resistant.The result show ed that the dust suppressant had a very strong ability of water resis tant,freezethaw resistant and wind erosion resistant,and the shell compressive strength was 247 kPa.The dust suppressant wa tested by fied spraying in the tailings dam of a golden mine The shell was continuous and integrated after going through the weather beaten for 203 days,and could bear strong wind(18 m's)blow ing.It is shown that the dust suppressant has very good dust sup pressing performance and strong environmental adaptability. KEY WORDS tailings dam;cohesive dust suppressant compressive strength;environmental adaptability 尾矿库是金属矿山堆存选矿尾砂的重要设施. 土方法、酒水及化学抑尘法.针对己停止使用的尾 由于尾矿是未经风化的新磨矿物，二氧化硅含量高， 矿库可采取复垦或覆土方法.其优点是治理彻底， 保水能力极差，颗粒间相互分散、缺乏黏性.外界风 防尘效果显著：缺点是需要在表面覆盖土，覆盖土厚 力很容易将其扬起.尾矿库扬尘不仅影响库区环 度应达到30cm以上，工程量大，投资高.不仅如 境而且对矿区周边居民健康也构成威胁.东鞍山 此，现在国家己禁止随意取土破坏耕地.因此，这种 前屿尾矿库在风力达到4~5级时，库区空气中粉尘 方法的应用会受到政策、资金等方面的限制， 质量浓度为1100~1400mgm3,使方圆25km2 洒水（水封）法是在尾矿库表面定期洒水，保持表面 的农作物减产，人、畜得矽肺病，受害村庄达十余 尾矿湿润，使粉体不易被风扬起.但是，尾矿库颗粒 小一).因此采取措施控制尾矿库扬尘是非常必 为研磨得很细的矿岩颗粒，颗粒间黏性小、保水能力 要的. 差，水分极易蒸发和下渗，使洒水有效抑尘期短、耗 尾矿库扬尘抑制方法可概括为：复垦或覆 水量大，因此洒水方法在水资源短缺的地区难以实 收稿日期：200810-21 基金项目：北京市教有委员会共建项目建设计划资助项目(NaXK100080432) 作者简介：杜翠风(1966一），女，副教授，博士，E-maik ducuifeng@126.com

黏结型尾矿库抑尘剂及环境适应性 杜翠凤 杜建华 王 婷 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 基于理论分析和单体实验, 初步确定尾矿库抑尘剂组成和浓度.运用正交试验方法, 对抑尘剂配方进行优化, 在实验 室对最优配方进行了抗压强度、耐水性能、抗冻融性能和抗风吹性能等多方面环境适应性模拟实验 .结果表明, 该抑尘剂喷洒 在尾矿表面后, 结壳连续完整, 壳体抗压强度达到 247 kPa, 且具有较强的耐水性能、抗冻融性能和抗风吹性能.应用该配方进 行了工业试验.结果表明, 喷洒抑尘剂的尾矿库表面所结壳体历经 203 d 日晒、多次雨淋后, 依然连续完整, 能承受 18 m·s -1强 风吹袭, 表现出很强的抑尘效果和环境适用性 . 关键词 尾矿库;抑尘剂;抗压强度;环境适应性 分类号 TD714 +.4 Cohesive dust suppressant used in tailings dams and its environmental adaptability DU Cui-feng, DU Jian-hua, WANG Ting S chool of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT On the basis of theoretic analy sis and monomer testing, the composition and concentration o f a dust suppressant used in tailings dams were determined initially, and then the best prescription w as developed by the orthogonal test .The environmental adaptability simulation test of the dust suppressant in the laboratory were carried out, including compressive strength, water resistant, f reeze-thaw resistant and wind erosion resistant .The result show ed that the dust suppressant had a very strong ability of water resis￾tant, freeze-thaw resistant and wind erosion resistant, and the shell compressiv e strength w as 247 kPa.The dust suppressant w as tested by field spraying in the tailings dam of a g olden mine.The shell was continuous and integrated after going through the weather￾beaten fo r 203 days, and could bear strong wind ( 18 m·s -1 ) blow ing.It is shown that the dust suppressant has very good dust sup￾pressing performance and strong enviro nmental adaptability . KEY WORDS tailing s dam ;cohesive dust suppressant;compressive strength ;environmental adaptability 收稿日期:2008-10-21 基金项目:北京市教育委员会共建项目建设计划资助项目( No.XK100080432) 作者简介:杜翠凤( 1966—) , 女, 副教授, 博士, E-mail:ducuifeng@126.com 尾矿库是金属矿山堆存选矿尾砂的重要设施 . 由于尾矿是未经风化的新磨矿物, 二氧化硅含量高, 保水能力极差, 颗粒间相互分散、缺乏黏性, 外界风 力很容易将其扬起.尾矿库扬尘不仅影响库区环 境, 而且对矿区周边居民健康也构成威胁.东鞍山 前屿尾矿库在风力达到 4 ～ 5 级时, 库区空气中粉尘 质量浓度为 1 100 ～ 1 400 mg·m -3 , 使方圆 2.5 km 2 的农作物减产, 人 、畜得矽肺病, 受害村庄达十余 个 [ 1-3] .因此采取措施控制尾矿库扬尘是非常必 要的 . 尾矿库扬尘抑制方法可概括为[ 2-4] :复垦或覆 土方法、洒水及化学抑尘法.针对已停止使用的尾 矿库可采取复垦或覆土方法 .其优点是治理彻底, 防尘效果显著;缺点是需要在表面覆盖土, 覆盖土厚 度应达到 30 cm 以上, 工程量大, 投资高 .不仅如 此, 现在国家已禁止随意取土破坏耕地 .因此, 这种 方法的应用会受到政策 、资金等方面的限制[ 4-6] . 洒水( 水封) 法是在尾矿库表面定期洒水, 保持表面 尾矿湿润, 使粉体不易被风扬起 .但是, 尾矿库颗粒 为研磨得很细的矿岩颗粒, 颗粒间黏性小 、保水能力 差, 水分极易蒸发和下渗, 使洒水有效抑尘期短、耗 水量大, 因此洒水方法在水资源短缺的地区难以实 第 31 卷 第 8 期 2009 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.8 Aug.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.08.002

·952 北京科技大学学报 第31卷 施2,9.化学抑尘作为最有前途的抑尘措施，国内外 强成膜强度.选择了四种填料.与成膜剂M复配进 均进行了相关研究4，一四.这些抑尘剂各自具有特 行成膜实验，根据成膜硬度、完整性和韧性，选定一 点，但也不同程度存在抑尘成本高、抑尘剂本身有 种天然多糖类物质T,该物质不溶于冷水，在温水中 毒、制作工艺复杂和环境适应差等问题.本文针对 可部分溶解，部分颗粒发生溶胀，质量分数为0.5%~ 尾矿颗粒细小、松散、易扬起的特点，基于覆盖固结 2.0%. 抑尘原理，拟研制一种抑尘时间长、抑尘效果稳定、 以溶胀颗粒状存在于抑尘剂溶液中的填料颗粒 环境适应性强且对环境友好的抑尘剂.该物质被喷 随着抑尘剂溶液在尾矿颗粒间渗透时，填料颗粒被 洒在尾矿库表面后能将表面尾矿颗粒黏结起来形成 填充在尾矿颗粒间隙，随着水分蒸发，成膜剂固化成 连续壳体，下层松散尾矿颗粒被覆盖起来，只要壳体 壳时，因填料颗粒在尾矿颗粒间的桥梁”作用，使壳 不破裂，尾矿就不会扬起，从而达到抑制扬尘的 体更致密、连续. 效果. 抑尘剂溶液能够较好湿润尾矿颗粒是实现黏结 1黏结型抑尘剂组成、机理及性能 的前提，为提高抑尘剂溶液的湿润性，在溶液中需要 加入能降低溶液表面张力的表面活性物质F.该物 黏结型抑尘剂组分包括成膜剂、黏结剂、填料及 质为阴离子表面活性剂，质量分数为0.1%左右. 表面活性剂，要求各组分无毒、无腐蚀性以及对环境 友好. 2配方优化实验 选择了四种水溶性聚合物作为成膜剂单体，根 2.1样品制备 据成膜完整性和成本选定了具有网状结构的醇类 本实验所用尾矿来自工业试验矿山，其粒径分 聚合物M作黏结型抑尘剂的成膜剂，该物质在常温 布如表1所示.从表中数据可以看出，尾矿颗粒非 下不溶于水，而溶于90℃以上的热水中，质量分数 常细小，小于0.038mm的粉尘占到70.46%.将上 为005%~0.15%. 述尾矿样品干燥、称重，放入直径为125mm的培养 成膜剂M的水溶液具有黏性，当尾矿表面喷洒 皿中，平整尾矿表面待用 抑尘剂时，液滴在尾矿颗粒间渗透并充满于颗粒间. 表1尾矿粒径分布 随着水分蒸发，成膜剂浓度和黏性加大，其网状分子 Table 1 Distribution of tailings grain size 结构将尾矿颗粒连接起来，并逐渐固化，形成固体壳 粒径/mm 粒径分布/% 累计粒径分布/% 层.由于成膜剂M不溶于常温水中，这就保证了固 +0.15 5.34 534 化后的壳体具有耐水性. +0074 7.32 1266 黏结剂B为硅酸盐类胶体，易溶于水，溶液具 +0038 1688 29.54 有黏性，单体喷洒在散体颗粒表面也能结壳，但结壳 -0038 7046 100 脆性大.与成膜剂联合使用时，不仅可以降低成膜 剂M用量，而且还具有增加成膜强度的功效，质量 2.2正交试验内容及数据分析 分数定在6%以下. 本实验的药剂配方表是参照正交表L9(3)编 填料作为助剂，其主要作用是提高溶液黏性、加 制的，如表2所示. 表2样品结壳硬度测定值 Table 2 Measured hardness vales of the shell 成膜剂M 黏结剂B 填料T 表面活性剂F 样品编号 硬度，HA 水平 质量分数/% 水平 质量分数/% 水平质量分数/% 水平 质量分数% 1 006 2 1 05 1 a08 58 1 006 2 2 1 2 010 15.6 1 006 6 3 2 3 012 221 2 008 3 2 1 3 012 102 2 008 3 2 1 008 30.7 6 2 Q08 6 05 2 010 46.5 > 010 3 2 010 184 010 1 05 3 012 41.1 9 3 010 3 6 2 Q08 43.9

施 [ 2, 4] .化学抑尘作为最有前途的抑尘措施, 国内外 均进行了相关研究[ 4, 7-12] .这些抑尘剂各自具有特 点, 但也不同程度存在抑尘成本高 、抑尘剂本身有 毒、制作工艺复杂和环境适应差等问题.本文针对 尾矿颗粒细小、松散、易扬起的特点, 基于覆盖固结 抑尘原理, 拟研制一种抑尘时间长、抑尘效果稳定 、 环境适应性强且对环境友好的抑尘剂 .该物质被喷 洒在尾矿库表面后能将表面尾矿颗粒黏结起来形成 连续壳体, 下层松散尾矿颗粒被覆盖起来, 只要壳体 不破裂, 尾矿就不会扬起, 从而达到抑制扬尘的 效果 . 1 黏结型抑尘剂组成 、机理及性能 黏结型抑尘剂组分包括成膜剂 、黏结剂、填料及 表面活性剂, 要求各组分无毒 、无腐蚀性以及对环境 友好 . 选择了四种水溶性聚合物作为成膜剂单体, 根 据成膜完整性和成本, 选定了具有网状结构的醇类 聚合物 M 作黏结型抑尘剂的成膜剂, 该物质在常温 下不溶于水, 而溶于 90 ℃以上的热水中, 质量分数 为 0.05 %～ 0.15 %. 成膜剂 M 的水溶液具有黏性, 当尾矿表面喷洒 抑尘剂时, 液滴在尾矿颗粒间渗透并充满于颗粒间 . 随着水分蒸发, 成膜剂浓度和黏性加大, 其网状分子 结构将尾矿颗粒连接起来, 并逐渐固化, 形成固体壳 层.由于成膜剂 M 不溶于常温水中, 这就保证了固 化后的壳体具有耐水性. 黏结剂 B 为硅酸盐类胶体, 易溶于水, 溶液具 有黏性, 单体喷洒在散体颗粒表面也能结壳, 但结壳 脆性大 .与成膜剂联合使用时, 不仅可以降低成膜 剂 M 用量, 而且还具有增加成膜强度的功效, 质量 分数定在 6 %以下 . 填料作为助剂, 其主要作用是提高溶液黏性、加 强成膜强度.选择了四种填料, 与成膜剂 M 复配进 行成膜实验, 根据成膜硬度、完整性和韧性, 选定一 种天然多糖类物质 T, 该物质不溶于冷水, 在温水中 可部分溶解, 部分颗粒发生溶胀, 质量分数为0.5 %～ 2.0 %. 以溶胀颗粒状存在于抑尘剂溶液中的填料颗粒 随着抑尘剂溶液在尾矿颗粒间渗透时, 填料颗粒被 填充在尾矿颗粒间隙, 随着水分蒸发, 成膜剂固化成 壳时, 因填料颗粒在尾矿颗粒间的“桥梁”作用, 使壳 体更致密、连续. 抑尘剂溶液能够较好湿润尾矿颗粒是实现黏结 的前提, 为提高抑尘剂溶液的湿润性, 在溶液中需要 加入能降低溶液表面张力的表面活性物质 F .该物 质为阴离子表面活性剂, 质量分数为 0.1 %左右. 2 配方优化实验 2.1 样品制备 本实验所用尾矿来自工业试验矿山, 其粒径分 布如表 1 所示.从表中数据可以看出, 尾矿颗粒非 常细小, 小于 0.038 mm 的粉尘占到 70.46 %.将上 述尾矿样品干燥、称重, 放入直径为 125 mm 的培养 皿中, 平整尾矿表面待用. 表 1 尾矿粒径分布 Table 1 Distribution of tailings grain size 粒径/mm 粒径分布/ % 累计粒径分布/ % +0.15 5.34 5.34 +0.074 7.32 12.66 +0.038 16.88 29.54 -0.038 70.46 100 2.2 正交试验内容及数据分析 本实验的药剂配方表是参照正交表 L9( 3 4 ) 编 制的, 如表 2 所示 . 表 2 样品结壳硬度测定值 Table 2 Measured hardness values of the shell 样品编号 成膜剂 M 黏结剂 B 填料 T 表面活性剂 F 水平 质量分数/ % 水平 质量分数/ % 水平 质量分数/ % 水平 质量分数/ % 硬度,HA 1 1 0.06 1 2 1 0.5 1 0.08 5.8 2 1 0.06 2 4 2 1 2 0.10 15.6 3 1 0.06 3 6 3 2 3 0.12 22.1 4 2 0.08 1 2 2 1 3 0.12 10.2 5 2 0.08 2 4 3 2 1 0.08 30.7 6 2 0.08 3 6 1 0.5 2 0.10 46.5 7 3 0.10 1 2 3 2 2 0.10 18.4 8 3 0.10 2 4 1 0.5 3 0.12 41.1 9 3 0.10 3 6 2 1 1 0.08 43.9 · 952 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第8期 杜翠凤等：黏结型尾矿库抑尘剂及环境适应性 ·953。 按正交表配置好的抑尘剂溶液喷洒在培养皿尾 (B3M3TIF1)样品硬度值为49.8HA,较6配方硬 矿表面，每个培养皿内均匀喷洒31mL溶液，喷洒量 度大.因此选定该配方为最优配方，其组成为成膜 为25Lm-2 剂012%、黏结剂6%、填料0.5%、表面活性剂 将制作好的样品放在自然条件下晾干、结壳. 0.08%. 评价结壳性能的指标包括结壳完整性、强度、硬度和 3抑尘剂的环境适应性室内模拟实验 韧性等.为实现快速测定，本次正交试验主要用硬 度指标来评价配方优劣.测量时，用手持LX一A 3.1实验内容及测试方法 型邵氏硬度计.平压于制备好的尾矿样上，直至表面 尾矿表面喷洒黏结型抑尘剂后，固结的壳体要 破裂，记录数据.每次测定均应在不同的位置选测 经受风吹、雨淋、冻融及人为走动等多方面破坏.为 六点，取这六点硬度的算术平均值为该样品的硬度 考察该抑尘剂在环境中的适应性，在实验室对壳体 值.各样品的硬度值如表2所示 抗压强度、耐水性能、抗冻融性能和抗风吹性能等进 从表2可以看出，在1#~9样品中，各样品表 行了测定， 面硬度差别很大，1样品最小，为5.8HA,6样品 3.1.1抗压强度实验 最大，为46.5HA.硬度最大值样品对应的配方是 本次实验采用堆载法来测量表面壳层的抗压强 M2B3T1F2.此配方即为直观法分析得到的最优 度一坶.按照正交试验所得的配方配制溶液，喷洒 配方， 在40cm×40cm试样表面，制成三个样品，待其干 根据表2数据，计算九个配方中各因素不同水 燥后，在表面上放置刚性受力块，依次增加重量，直 平下的硬度值之和，记为K:值，进而计算极差值R 至表面硬壳变形破裂，对刚性受力块称重、测试受力 值，计算结果如表3所示， 面积，计算表面抗压强度，取三次平均值，即为样品 表3各因素极差计算值 的抗压强度.该指标反映的是在壳体表层一定面积 Table3 Calculated mange values of the factors 上施加一定外力时保持壳层完整性的能力，与配方 因素 优化实验中所用硬度指标有所区别，后者主要反映 极差计算值 成膜剂M黏结剂B填料T表面活性剂F 壳体表层某点经受点荷载时所体现出的保持壳体完 K 435 344 934 80.4 整性的能力 K2 87.4 87.4 69.7 80.5 3.1.2耐水性能实验 K3 1034 1125 71.2 73.4 在尾矿样品表面喷洒抑尘剂，待其干燥后测量 R 59.9 781 234 7.1 其表面硬度，然后对样品浸泡4h后取出，待其自然 干燥后，观察其结壳情况，并测定其表面硬度.依次 从表3可以看出，各因素R值由大到小排列依 再进行第2次、第3次、第4次浸泡，测定其硬度损 次是黏结剂B、成膜剂M、填料T和表面活性剂F. 失情况. 这说明用硬度指标来评价结壳硬度时，黏结剂影响 3.1.3抗冻融实验 最大，其次是成膜剂，而表面活性剂极差值最小.为 将制备好的抑尘剂溶液喷洒在盛有尾矿的培养 了使样品达到较高硬度配方中黏结剂和成膜剂应 皿表面，立即放入一20士0.5℃的冰柜中冷冻4h,再 取较大值.各因素的Km值由大到小排列次序为 放入20士05℃的培养箱里融化4h,即完成一个循 黏结剂BK3=112.5)、成膜剂M(K3=103.4)、填 环4可.到规定的循环次数时，放入70℃的烘箱进 料T(K1=93.4)和表面活性剂F(K2=80.5),因此 行烘干，时间为12h,从烘箱中取出，待温度恢复至 最佳配方理论上应为B3M3TIF2.对于表面活性剂 室温时测量其抗压强度，计算不同的冻融循环次数 F来说，由于二水平与一水平K:值几乎一样，为节 时试样抗压强度的损失.循环次数分别设为1,3,6. 省抑尘成本，将最佳配方调整成B3M3T1F1,标记为 8,10个循环. 10配方. 3.1.4抗风吹性能 通过正交试验，从直观分析法和极差分析法分 将配制的抑尘剂溶液喷洒在装有尾矿的培养皿 别得到两个配方，但极差分析法所得配方在正交试 表面，待干燥后，用电子天平称量样品的质量.使样 验中没有出现，因此将10配方与6配方一起进行 品表面与风吹方向成30角进行吹风实验，风速设 重复试验.6配方重复试验时硬度值为468HA, 为5,7,10,15,18ms,吹风时间设定为10mim. 与表2中6#样品数值基本一致.10配方 用天平称量试样吹风前后质量，计算质量损尖17

按正交表配置好的抑尘剂溶液喷洒在培养皿尾 矿表面, 每个培养皿内均匀喷洒31mL 溶液, 喷洒量 为 2.5 L·m -2 . 将制作好的样品放在自然条件下晾干 、结壳 . 评价结壳性能的指标包括结壳完整性、强度、硬度和 韧性等 .为实现快速测定, 本次正交试验主要用硬 度指标来评价配方优劣[ 13] .测量时, 用手持 LX-A 型邵氏硬度计, 平压于制备好的尾矿样上, 直至表面 破裂, 记录数据 .每次测定均应在不同的位置选测 六点, 取这六点硬度的算术平均值为该样品的硬度 值.各样品的硬度值如表 2 所示 . 从表 2 可以看出, 在 1 #～ 9 #样品中, 各样品表 面硬度差别很大, 1 #样品最小, 为 5.8 HA, 6 #样品 最大, 为 46.5 HA .硬度最大值样品对应的配方是 M 2B3T1F2 .此配方即为直观法分析得到的最优 配方 . 根据表 2 数据, 计算九个配方中各因素不同水 平下的硬度值之和, 记为 Ki 值, 进而计算极差值 R 值, 计算结果如表 3 所示 . 表 3 各因素极差计算值 Table 3 Calculated range values of the f act ors 极差计算值 因素 成膜剂 M 黏结剂 B 填料 T 表面活性剂 F K 1 43.5 34.4 93.4 80.4 K 2 87.4 87.4 69.7 80.5 K 3 103.4 112.5 71.2 73.4 R 59.9 78.1 23.4 7.1 从表 3 可以看出, 各因素 R 值由大到小排列依 次是黏结剂 B 、成膜剂 M 、填料 T 和表面活性剂 F . 这说明用硬度指标来评价结壳硬度时, 黏结剂影响 最大, 其次是成膜剂, 而表面活性剂极差值最小 .为 了使样品达到较高硬度, 配方中黏结剂和成膜剂应 取较大值.各因素的 K imax值由大到小排列次序为 黏结剂 B( K 3 =112.5) 、成膜剂 M ( K 3 =103.4) 、填 料 T( K 1 =93.4) 和表面活性剂 F( K 2 =80.5) , 因此 最佳配方理论上应为 B3M3T1F2 .对于表面活性剂 F 来说, 由于二水平与一水平 K i 值几乎一样, 为节 省抑尘成本, 将最佳配方调整成B3M3T1F1, 标记为 10 #配方. 通过正交试验, 从直观分析法和极差分析法分 别得到两个配方, 但极差分析法所得配方在正交试 验中没有出现, 因此将 10 #配方与 6 #配方一起进行 重复试验.6 #配方重复试验时硬度值为 46.8 HA, 与表 2 中 6 # 样 品 数 值 基 本 一 致.10 # 配 方 ( B3M3T1F1) 样品硬度值为 49.8 HA, 较 6 #配方硬 度大 .因此选定该配方为最优配方, 其组成为成膜 剂 0.12 %、黏结剂 6 %、填料 0.5 %、表面活性剂 0.08 %. 3 抑尘剂的环境适应性室内模拟实验 3.1 实验内容及测试方法 尾矿表面喷洒黏结型抑尘剂后, 固结的壳体要 经受风吹 、雨淋、冻融及人为走动等多方面破坏.为 考察该抑尘剂在环境中的适应性, 在实验室对壳体 抗压强度、耐水性能、抗冻融性能和抗风吹性能等进 行了测定. 3.1.1 抗压强度实验 本次实验采用堆载法来测量表面壳层的抗压强 度[ 14-16] .按照正交试验所得的配方配制溶液, 喷洒 在 40 cm ×40 cm 试样表面, 制成三个样品, 待其干 燥后, 在表面上放置刚性受力块, 依次增加重量, 直 至表面硬壳变形破裂, 对刚性受力块称重 、测试受力 面积, 计算表面抗压强度, 取三次平均值, 即为样品 的抗压强度 .该指标反映的是在壳体表层一定面积 上施加一定外力时保持壳层完整性的能力, 与配方 优化实验中所用硬度指标有所区别, 后者主要反映 壳体表层某点经受点荷载时所体现出的保持壳体完 整性的能力 . 3.1.2 耐水性能实验 在尾矿样品表面喷洒抑尘剂, 待其干燥后测量 其表面硬度, 然后对样品浸泡 4 h 后取出, 待其自然 干燥后, 观察其结壳情况, 并测定其表面硬度.依次 再进行第 2 次 、第 3 次、第 4 次浸泡, 测定其硬度损 失情况 . 3.1.3 抗冻融实验 将制备好的抑尘剂溶液喷洒在盛有尾矿的培养 皿表面, 立即放入 -20 ±0.5 ℃的冰柜中冷冻 4h, 再 放入 20 ±0.5 ℃的培养箱里融化 4 h, 即完成一个循 环[ 4, 15] .到规定的循环次数时, 放入 70 ℃的烘箱进 行烘干, 时间为 12 h, 从烘箱中取出, 待温度恢复至 室温时测量其抗压强度, 计算不同的冻融循环次数 时试样抗压强度的损失.循环次数分别设为1, 3, 6, 8, 10 个循环. 3.1.4 抗风吹性能 将配制的抑尘剂溶液喷洒在装有尾矿的培养皿 表面, 待干燥后, 用电子天平称量样品的质量.使样 品表面与风吹方向成 30°角进行吹风实验, 风速设 为 5, 7, 10, 15, 18 m·s -1 , 吹风时间设定为10min . 用天平称量试样吹风前后质量, 计算质量损失[ 17] , 第 8 期 杜翠凤等:黏结型尾矿库抑尘剂及环境适应性 · 953 ·

。954 北京科技大学学报 第31卷 来考察样品抗风吹能力 算硬度损失率，冻融次数与壳体硬度损失率的关系 3.2实验数据分析 如图2所示. 3.2.1壳体抗压强度实验数据分析 30r 三个样品的抗压强度数据如表4所示，经计算 25 是20 得到样品平均抗压强度为247kPa. 假设人的体重为80kg、双脚触地面积按照 0.08m2计算，人对地压应力是100kPa.样品平均 抗压强度是人对地压强的247倍，可见壳体表层强 度足以支撑人体重量，表明人为走动不会破坏壳体 冻融次数 完整性. 图2壳体冻融次数与硬度损失率关系 表4壳体抗压强度测试值 Fig.2 Relation betw een the freeze-thaw times and the hardness los Table 4 Measured compressive strength values of the shell rate of the shell 样品编号 抗压强度/kPa 1 247 从图2中看，抑尘剂样品所结壳体经过一次冻 2 245 融循环之后，表面壳的硬度不但没有减小反而增加 3 249 了26%.分析原因认为，由于尾矿样品在冻融的循 环过程中，温度不断变化，尤其是在温度升高而融化 3.2.2壳体耐水性能实验数据分析 时，分子之间的运动加速，使得一些没有起到成膜作 壳体经过四次泡水后，尾矿样品表面结壳没有 用的抑尘剂分子经过冻融的过程提高了自身的能 出现断裂和不连续的现象.将每次浸水干燥后测量 量，虽然表面壳热胀冷缩会对壳的结构有所破坏，但 得到的硬度值与初始值相比，得到壳体硬度损失率， 分子运动加剧，加强了抑尘剂的支撑作用，因而在冻 壳体浸水次数与硬度损失率关系如图1所示， 融循环一次时硬度没有下降反而有所上升.在循环 次数增加以后，温度变化次数过多，表面壳体不断地 8 热胀冷缩，破坏了硬壳的结构，当循环次数增加到一 6 定程度时，硬度又有所下降.到第10个循环时，硬 4 3 度降低了24.5%，依然具有一定硬度. 0+ 3.24风吹性能实验数据分析 使喷洒抑尘剂样品所结壳体与风吹方向呈30 浸水次数 吹风，即使风速达到18ms1,壳体表面仍然连续完 图1壳体浸水次数与硬度损失率关系 整，没有裂隙产生.样品经吹风后，质量损失率数值 Fig.I Relation betw een the water immersion times and the hard 如表5所示. ness loss rate of the shell 表5样品质量损失率测定值 从图1中数据可以看出，经水第1次浸泡后，壳 Table5 Measured values of the mass loss rate of the samples 体硬度不仅没有减少，还增加了1.4%.分析原因后 风速/(ms一) 损失率/% 认为，部分填料在喷洒之初滞留在样品表面，没能进 5 0010 入尾矿颗粒间.经第1次浸水后，这部分填料能够 个 0010 随着水流继续下渗进入尾矿旷颗粒之间，当样品再次 10 0.015 干燥结壳时，填料的“架桥和支撑”作用得以充分发 15 0018 挥，从而使硬度增加.随着第2次浸水后，表面硬度 18 0019 逐渐降低，这主要是因为有效组分逐渐下渗流失导 致的，但降低幅度不大.到第4次时，表面硬度降低 从表5中可以看出，样品质量损失率随风速变 了9.0%，仍有较强硬度. 化不大，即使风速达到18ms,样品损失率仍不足 3.2.3抗冻融性能实验数据分析 0.02%.这表明该抑尘剂所结壳体具有很强的抵御 壳体经过10次冻融循环后，依然连续、完整 风吹的能力，壳体只要保持完整，粉尘就不会被 将每次冻融后测定得到的硬度值与初始值比较，计 扬起

来考察样品抗风吹能力. 3.2 实验数据分析 3.2.1 壳体抗压强度实验数据分析 三个样品的抗压强度数据如表 4 所示, 经计算 得到样品平均抗压强度为 247 kPa. 假设人的体重为 80 kg 、双脚触地面积按照 0.08 m 2 计算, 人对地压应力是 10.0 kPa .样品平均 抗压强度是人对地压强的 24.7 倍, 可见壳体表层强 度足以支撑人体重量, 表明人为走动不会破坏壳体 完整性. 表 4 壳体抗压强度测试值 Table 4 Measured compressive strength values of the shell 样品编号 抗压强度/ kPa 1 247 2 245 3 249 3.2.2 壳体耐水性能实验数据分析 壳体经过四次泡水后, 尾矿样品表面结壳没有 出现断裂和不连续的现象 .将每次浸水干燥后测量 得到的硬度值与初始值相比, 得到壳体硬度损失率, 壳体浸水次数与硬度损失率关系如图 1 所示 . 图 1 壳体浸水次数与硬度损失率关系 Fig.1 Relation betw een the w at er immersion times and the hard￾ness loss rate of the shell 从图 1 中数据可以看出, 经水第 1 次浸泡后, 壳 体硬度不仅没有减少, 还增加了1.4 %.分析原因后 认为, 部分填料在喷洒之初滞留在样品表面, 没能进 入尾矿颗粒间.经第 1 次浸水后, 这部分填料能够 随着水流继续下渗进入尾矿颗粒之间, 当样品再次 干燥结壳时, 填料的“架桥和支撑”作用得以充分发 挥, 从而使硬度增加 .随着第 2 次浸水后, 表面硬度 逐渐降低, 这主要是因为有效组分逐渐下渗流失导 致的, 但降低幅度不大.到第 4 次时, 表面硬度降低 了 9.0 %, 仍有较强硬度. 3.2.3 抗冻融性能实验数据分析 壳体经过 10 次冻融循环后, 依然连续 、完整 . 将每次冻融后测定得到的硬度值与初始值比较, 计 算硬度损失率, 冻融次数与壳体硬度损失率的关系 如图 2 所示 . 图 2 壳体冻融次数与硬度损失率关系 Fig.2 Relation betw een the freeze-thaw times and the hardness loss rate of the shell 从图 2 中看, 抑尘剂样品所结壳体经过一次冻 融循环之后, 表面壳的硬度不但没有减小反而增加 了 2.6 %.分析原因认为, 由于尾矿样品在冻融的循 环过程中, 温度不断变化, 尤其是在温度升高而融化 时, 分子之间的运动加速, 使得一些没有起到成膜作 用的抑尘剂分子经过冻融的过程提高了自身的能 量, 虽然表面壳热胀冷缩会对壳的结构有所破坏, 但 分子运动加剧, 加强了抑尘剂的支撑作用, 因而在冻 融循环一次时硬度没有下降反而有所上升 .在循环 次数增加以后, 温度变化次数过多, 表面壳体不断地 热胀冷缩, 破坏了硬壳的结构, 当循环次数增加到一 定程度时, 硬度又有所下降.到第 10 个循环时, 硬 度降低了 24.5 %, 依然具有一定硬度. 3.2.4 风吹性能实验数据分析 使喷洒抑尘剂样品所结壳体与风吹方向呈 30° 吹风, 即使风速达到18m·s -1 , 壳体表面仍然连续完 整, 没有裂隙产生 .样品经吹风后, 质量损失率数值 如表 5 所示 . 表5 样品质量损失率测定值 Tabl e 5 Measured values of the mass loss rat e of the samples 风速/ ( m·s -1 ) 损失率/ % 5 0.010 7 0.010 10 0.015 15 0.018 18 0.019 从表 5 中可以看出, 样品质量损失率随风速变 化不大, 即使风速达到 18m·s -1 , 样品损失率仍不足 0.02 %.这表明该抑尘剂所结壳体具有很强的抵御 风吹的能力, 壳体只要保持完整, 粉尘就不会被 扬起. · 954 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第8期 杜翠凤等：黏结型尾矿库抑尘剂及环境适应性 ·955· 27日在山东某金矿尾矿库进行，现场技术人员对喷 4工业试验 洒后65d内的天气进行了详细记录，期间共有11次 41试验概况 降雨，其中小雨7d,中雨3d,大雨1d,期间最高气温 试验矿山是一座日处理500t金矿石的采选联 达到32℃.此后没有再继续详细记录气象资料，试 合企业，尾矿一部分用于井下充填，另一部分经800m 验点历经整个夏天，夏季最高气温达到37℃，又有 管道自流到尾矿库堆放.为抑制尾矿扬尘，矿方采 多次降雨 用表面覆土措施，覆土成本为1.5元m2.覆土抑 (2)壳体变化情况.尾矿表面喷洒抑尘剂后 尘不仅成本高，而且因覆土占据库容，会减少尾矿库 24h就结壳，所结壳体连续致密，由于喷洒量偏少， 的使用寿命. 结壳厚度不足5mm.期间共到现场四次，分别为喷 在试验现场选取了两块地方，一块位于尾矿排 洒后2,65,147和203d.在喷洒后65d到现场时， 放口附近的平面，面积为50m2,称为1试验点.另 壳体经受了11次降雨的侵蚀，与喷洒后2d相比，壳 一块位于用松散尾矿堆成与平面呈75°角的坡面， 体完整性没有变化，但壳体厚度有较大增加，达到 称为2试验点，面积也为50m2,喷洒总面积合计 25mm左右.壳体强度足以支撑人体重量.说明该 100m2.按照实验室研制的最优配方，在现场配制 抑尘剂所结壳体经受65d日晒、11次雨淋后，降解 了260kg溶液，用泵作动力通过除尘喷头喷洒在选 性不明显.图3为147d时试验点的结壳情况 定的试验块表面，喷洒量为26kg°m2. 在图3(a)中，喷洒抑尘剂的表面结壳致密连 42试验数据测定及分析 续，没有植物生长，而在边缘位置由于喷洒量少或没 (1)试验气象条件.喷洒试验于2008年3月 有喷洒抑尘剂，土质疏松有植物长出. (b) 图3147d时试验点的结壳情况.(1试验点：(b)2试验点 Fig 3 Fomed shell of the measure point at the 147th day:(a)1 measure point;(b)2measure point 在图3(b)中，边坡上部喷洒了抑尘剂，表面平 前采用覆土抑尘，抑尘成本为1.5元°m2,按每年 整无裂隙，而下部由于没有喷洒抑尘剂，表面粗糙且 覆土两次来说，覆土抑尘费用需要30万元.采用黏 有裂隙存在，同时也有植物生长. 结型抑尘剂抑尘时，每年也喷洒两次，需要的成本费 (3)壳体抗风吹能力.在尾矿库喷洒黏结型抑 用为5.6万元，抑尘费用可节省246万元，同比降 尘剂203d后，用5.5kW的风机对准1#试验点结壳 低82%.可见，黏结型抑尘剂不仅抑尘效果显著，而 表面进行吹风，当壳体表面风速达到18ms1时，壳 且也具有显著的经济效益. 体不发生破裂.测得的扬尘质量浓度为Q45mgm3, 5结论 稍高于环境本底质量浓度.说明喷洒了黏结型抑尘 剂的尾矿库表面，在经历了203d风吹、高温日晒和 ()基于无毒、无腐蚀性，对环境友好的原则确 多次雨淋条件下，壳体依然完整，仍具有显著的抑尘 定抑尘剂组分，并对各组分的性能进行分析.通过 效果，反映出该抑尘剂具有较强的环境适应性， 正交试验，对黏结型抑尘剂配方进行优化，其组成为 43经济分析 0.12%成膜剂十6%黏结剂十0.5%填料+008%的 黏结型抑尘剂的成本约为109元·t,喷洒量 表面活性剂. 为26kg°m2,每1t溶液喷洒385m2,则喷洒1m2 (2)用优选出的黏结型抑尘剂配方溶液喷洒在 成本为028元. 尾矿表面，所结壳体表层抗压强度可达247kP是 对该金矿来说，其尾矿库总面积近10万m2,目 人体对地压强的200多倍.因此，壳体可以经受因

4 工业试验 4.1 试验概况 试验矿山是一座日处理 500 t 金矿石的采选联 合企业, 尾矿一部分用于井下充填, 另一部分经 800m 管道自流到尾矿库堆放.为抑制尾矿扬尘, 矿方采 用表面覆土措施, 覆土成本为 1.5 元·m -2 .覆土抑 尘不仅成本高, 而且因覆土占据库容, 会减少尾矿库 的使用寿命. 在试验现场选取了两块地方, 一块位于尾矿排 放口附近的平面, 面积为 50 m 2 , 称为 1 #试验点 .另 一块位于用松散尾矿堆成与平面呈 75°角的坡面, 称为 2 #试验点, 面积也为 50 m 2 , 喷洒总面积合计 100 m 2 .按照实验室研制的最优配方, 在现场配制 了260 kg 溶液, 用泵作动力通过除尘喷头喷洒在选 定的试验块表面, 喷洒量为 2.6 kg·m -2 . 4.2 试验数据测定及分析 ( 1) 试验气象条件 .喷洒试验于 2008 年 3 月 27 日在山东某金矿尾矿库进行, 现场技术人员对喷 洒后65 d 内的天气进行了详细记录, 期间共有11 次 降雨, 其中小雨 7d, 中雨 3d, 大雨 1d, 期间最高气温 达到 32 ℃.此后没有再继续详细记录气象资料, 试 验点历经整个夏天, 夏季最高气温达到 37 ℃, 又有 多次降雨. ( 2) 壳体变化情况.尾矿表面喷洒抑尘剂后 24 h 就结壳, 所结壳体连续致密, 由于喷洒量偏少, 结壳厚度不足 5mm .期间共到现场四次, 分别为喷 洒后 2, 65, 147 和 203 d .在喷洒后 65 d 到现场时, 壳体经受了 11 次降雨的侵蚀, 与喷洒后 2d 相比, 壳 体完整性没有变化, 但壳体厚度有较大增加, 达到 25 mm 左右.壳体强度足以支撑人体重量.说明该 抑尘剂所结壳体经受 65 d 日晒 、11 次雨淋后, 降解 性不明显.图 3 为 147 d 时试验点的结壳情况. 在图 3 ( a) 中, 喷洒抑尘剂的表面结壳致密连 续, 没有植物生长, 而在边缘位置由于喷洒量少或没 有喷洒抑尘剂, 土质疏松有植物长出 . 图 3 147 d 时试验点的结壳情况.( a) 1 #试验点;( b) 2 #试验点 Fig.3 Formed shell of the measure point at the 147 th day :( a) 1 # measure point ;(b) 2 #measure point 在图 3( b) 中, 边坡上部喷洒了抑尘剂, 表面平 整无裂隙, 而下部由于没有喷洒抑尘剂, 表面粗糙且 有裂隙存在, 同时也有植物生长. ( 3) 壳体抗风吹能力 .在尾矿库喷洒黏结型抑 尘剂 203 d 后, 用 5.5 kW 的风机对准1 #试验点结壳 表面进行吹风, 当壳体表面风速达到18 m·s -1时, 壳 体不发生破裂.测得的扬尘质量浓度为 0.45 mg·m -3 , 稍高于环境本底质量浓度 .说明喷洒了黏结型抑尘 剂的尾矿库表面, 在经历了 203 d 风吹 、高温日晒和 多次雨淋条件下, 壳体依然完整, 仍具有显著的抑尘 效果, 反映出该抑尘剂具有较强的环境适应性 . 4.3 经济分析 黏结型抑尘剂的成本约为 109 元·t -1 , 喷洒量 为 2.6 kg·m -2 , 每 1 t 溶液喷洒 385 m 2 , 则喷洒 1 m 2 成本为 0.28 元 . 对该金矿来说, 其尾矿库总面积近 10 万 m 2 , 目 前采用覆土抑尘, 抑尘成本为 1.5 元·m -2 , 按每年 覆土两次来说, 覆土抑尘费用需要 30 万元 .采用黏 结型抑尘剂抑尘时, 每年也喷洒两次, 需要的成本费 用为 5.6 万元, 抑尘费用可节省 24.6 万元, 同比降 低 82 %.可见, 黏结型抑尘剂不仅抑尘效果显著, 而 且也具有显著的经济效益. 5 结论 ( 1) 基于无毒、无腐蚀性, 对环境友好的原则确 定抑尘剂组分, 并对各组分的性能进行分析 .通过 正交试验, 对黏结型抑尘剂配方进行优化, 其组成为 0.12 %成膜剂+6 %黏结剂 +0.5 %填料+0.08 %的 表面活性剂 . ( 2) 用优选出的黏结型抑尘剂配方溶液喷洒在 尾矿表面, 所结壳体表层抗压强度可达 247 kPa, 是 人体对地压强的 200 多倍 .因此, 壳体可以经受因 第 8 期 杜翠凤等:黏结型尾矿库抑尘剂及环境适应性 · 955 ·