工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 常规卤化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验 赵筠康魏作安杨永浩路停王文松李世龙 Control of dust from tailings pond using conventional halides and polymer materials ZHAO Jun-kang.WEI Zuo-an,YANG Yong-hao,LU Ting.WANG Wen-song.LI Shi-Long 引用本文： 赵筠康，魏作安，杨永浩，路停，王文松，李世龙.常规卤化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验.工程科学学报，2021， 43(4:486-494.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.04.23.002 ZHAO Jun-kang.WEI Zuo-an,YANG Yong-hao,LU Ting,WANG Wen-song.LI Shi-Long.Control of dust from tailings pond using conventional halides and polymer materials[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(4):486-494.doi: 10.13374-issn2095-9389.2020.04.23.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.04.23.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 从选铜尾矿中选择性还原回收铁 Process of the selective reduction and recovery of iron from copper tailings 工程科学学报.2019,41(6：741 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.06.005 铜尾矿流变特性与管道输送阻力计算 Study of the rheological characteristics of copper tailings and calculation of resistance in pipeline transportation 工程科学学报.2017,395)：663 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.05.003 卤化物钙钛矿量子点0D-2D混合维度异质结构光探测器的研究进展及挑战 Halide perovskite quantum dot based OD-2D mixed-dimensional heterostructure photodetectors:progress and challenges 工程科学学报.2019,41(3)：279 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.03.001 尾矿库遗坝灾害防控现状及发展 Status and development for the prevention and management of tailings dam failure accidents 工程科学学报.2018,40(5：526htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.05.002 尾矿浆沉积室内模拟试验 Indoor scale-down test of tailings 工程科学学报.2017,3910)：1485 https:/loi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.10.004 复合激发剂对铜炉渣活性影响及充填材料制备 Effect of compound activator on copper slag activity and preparation of filling materials 工程科学学报.2017,399%：1305 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.09.002
常规卤化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验 赵筠康 魏作安 杨永浩 路停 王文松 李世龙 Control of dust from tailings pond using conventional halides and polymer materials ZHAO Jun-kang, WEI Zuo-an, YANG Yong-hao, LU Ting, WANG Wen-song, LI Shi-Long 引用本文: 赵筠康, 魏作安, 杨永浩, 路停, 王文松, 李世龙. 常规卤化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验[J]. 工程科学学报, 2021, 43(4): 486-494. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.23.002 ZHAO Jun-kang, WEI Zuo-an, YANG Yong-hao, LU Ting, WANG Wen-song, LI Shi-Long. Control of dust from tailings pond using conventional halides and polymer materials[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(4): 486-494. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.23.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.23.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 从选铜尾矿中选择性还原回收铁 Process of the selective reduction and recovery of iron from copper tailings 工程科学学报. 2019, 41(6): 741 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.005 铜尾矿流变特性与管道输送阻力计算 Study of the rheological characteristics of copper tailings and calculation of resistance in pipeline transportation 工程科学学报. 2017, 39(5): 663 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.003 卤化物钙钛矿量子点0D-2D混合维度异质结构光探测器的研究进展及挑战 Halide perovskite quantum dot based 0D-2D mixed-dimensional heterostructure photodetectors:progress and challenges 工程科学学报. 2019, 41(3): 279 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.001 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 Status and development for the prevention and management of tailings dam failure accidents 工程科学学报. 2018, 40(5): 526 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.002 尾矿浆沉积室内模拟试验 Indoor scale-down test of tailings 工程科学学报. 2017, 39(10): 1485 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.004 复合激发剂对铜炉渣活性影响及充填材料制备 Effect of compound activator on copper slag activity and preparation of filling materials 工程科学学报. 2017, 39(9): 1305 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.002
工程科学学报.第43卷.第4期：486-494.2021年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.4:486-494,April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.23.002;http://cje.ustb.edu.cn 常规卤化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验 赵筠康2)，魏作安1,2)四，杨永浩)，路停1,2)，王文松2)，李世龙2) 1)重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4000442)重庆大学资源与安全学院.重庆4000443)重庆交通大学省部共建 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室.重庆400074 ☒通信作者，E-mail:weiza@cqu.edu.cn 摘要选取溶液质量浓度、溶液喷洒量以及外部风速作为变量，通过室内试验考察了常规卤化物和高分子材料对扬尘控制 的效果。以抗风蚀能力和结壳抗破坏能力为响应变量.结果表明，随着抑尘剂浓度的增加和喷洒量的增加，结壳的抗风蚀性 和抗破坏性可以得到提高.在肉化物溶液中，CaCl2的抑尘性能最好.在风速为7.5ms的条件下，CCl2喷洒量为4.5Lm2 且其质量浓度为50gL-时，尾矿质量损失量为0.75gm2min,贯入阻力为466kPa在高分子材料中，聚丙烯酰胺的抑尘效 果最好.在风速为7.5ms的条件下，聚丙烯酰胺喷洒量为4.5Lm2,且其质量浓度为0.5gL时，尾矿质量损失量为 0.30gm2min,贯入阻力为248kPa抑尘剂的选取可根据当地年均风速确定，年均风速较大时，可选择聚丙烯酰胺作为尾矿 库抑尘剂，反之则可选择CC2为尾矿库抑尘剂. 关键词铜尾矿；卤化物：高分子材料：抗风蚀能力：贯人阻力 分类号TD862 Control of dust from tailings pond using conventional halides and polymer materials ZHAO Jun-kang2,WEI Zuo-an2 YANG Yong-hao LU Ting2,WANG Wen-song2),LI Shi-Long2 1)State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China 2)School of Resources and Safety Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China 3)State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering,Chongqing Jiao Tong University,Chongqing 400074,China Corresponding author,E-mail:weiza@cqu.edu.cn ABSTRACT Mine tailings,the byproducts of mineral processing,are special solid wastes generally classified as loose sandy silts or silty sands that are vulnerable to wind erosion,especially in arid and semiarid regions.Mine tailings also contain potentially toxic elements such as Cd,Cr,Mn,Ni,Zn,Pb,and As.Thus,fugitive dust from mine tailings is associated with a number of environmental and safety concerns.In recent years,dust control has become a hot topic in the environmental management of tailings storage facilities. Using the response variables of wind erosion resistance and penetration resistance,the experimental variables of the solution concentration,spray amount,and external air speed,laboratory tests were conducted to investigate the effects of conventional halides and polymer materials on dust control.The results indicate that the wind erosion resistance and penetration resistance of the crust can be improved with increase in the concentration of the dust-depressor and the amount of spray used.In the halide solution,CaCl exhibited the best dust control effect.When the wind speed is 7.5 m-s and the spraying amount of CaCl2 is 4.5 L'm2 at a concentration of 50 gL,the loss quantity of tailings is 0.75 gm2min-and the penetration resistance is 466 kPa.Among the polymer materials, polyacrylamide exhibits the best dust control effect.The loss quantity of tailings is 0.30 g.m2min and the penetration resistance is 248 kPa when the wind speed is 7.5 ms and the spraying amount of polyacrylamide is 4.5 Lmat a concentration of 0.5 gL.This 收稿日期：2020-04-23 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804609):重庆市自然科学基金资助项目(cstc2019jcyj-bshX0022):重庆市博士后科研项 目特别资助(XmT2018017)
常规卤化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验 赵筠康1,2)，魏作安1,2) 苣，杨永浩3)，路 停1,2)，王文松1,2)，李世龙1,2) 1) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044 2) 重庆大学资源与安全学院，重庆 400044 3) 重庆交通大学省部共建 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074 苣通信作者，E-mail: weiza@cqu.edu.cn 摘 要 选取溶液质量浓度、溶液喷洒量以及外部风速作为变量，通过室内试验考察了常规卤化物和高分子材料对扬尘控制 的效果. 以抗风蚀能力和结壳抗破坏能力为响应变量. 结果表明，随着抑尘剂浓度的增加和喷洒量的增加，结壳的抗风蚀性 和抗破坏性可以得到提高. 在卤化物溶液中，CaCl2 的抑尘性能最好. 在风速为 7.5 m·s−1 的条件下，CaCl2 喷洒量为 4.5 L·m−2 ， 且其质量浓度为 50 g·L−1 时，尾矿质量损失量为 0.75 g·m−2·min−1，贯入阻力为 466 kPa. 在高分子材料中，聚丙烯酰胺的抑尘效 果最好. 在风速为 7.5 m·s−1 的条件下，聚丙烯酰胺喷洒量为 4.5 L·m−2，且其质量浓度为 0.5 g·L−1 时，尾矿质量损失量为 0.30 g·m−2·min−1，贯入阻力为 248 kPa. 抑尘剂的选取可根据当地年均风速确定，年均风速较大时，可选择聚丙烯酰胺作为尾矿 库抑尘剂，反之则可选择 CaCl2 为尾矿库抑尘剂. 关键词 铜尾矿；卤化物；高分子材料；抗风蚀能力；贯入阻力 分类号 TD862 Control of dust from tailings pond using conventional halides and polymer materials ZHAO Jun-kang1,2) ，WEI Zuo-an1,2) 苣 ，YANG Yong-hao3) ，LU Ting1,2) ，WANG Wen-song1,2) ，LI Shi-Long1,2) 1) State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China 2) School of Resources and Safety Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China 3) State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering, Chongqing Jiao Tong University, Chongqing 400074, China 苣 Corresponding author, E-mail: weiza@cqu.edu.cn ABSTRACT Mine tailings, the byproducts of mineral processing, are special solid wastes generally classified as loose sandy silts or silty sands that are vulnerable to wind erosion, especially in arid and semiarid regions. Mine tailings also contain potentially toxic elements such as Cd, Cr, Mn, Ni, Zn, Pb, and As. Thus, fugitive dust from mine tailings is associated with a number of environmental and safety concerns. In recent years, dust control has become a hot topic in the environmental management of tailings storage facilities. Using the response variables of wind erosion resistance and penetration resistance, the experimental variables of the solution concentration, spray amount, and external air speed, laboratory tests were conducted to investigate the effects of conventional halides and polymer materials on dust control. The results indicate that the wind erosion resistance and penetration resistance of the crust can be improved with increase in the concentration of the dust-depressor and the amount of spray used. In the halide solution, CaCl2 exhibited the best dust control effect. When the wind speed is 7.5 m·s−1 and the spraying amount of CaCl2 is 4.5 L·m−2 at a concentration of 50 g·L−1, the loss quantity of tailings is 0.75 g·m−2·min−1 and the penetration resistance is 466 kPa. Among the polymer materials, polyacrylamide exhibits the best dust control effect. The loss quantity of tailings is 0.30 g·m−2·min−1 and the penetration resistance is 248 kPa when the wind speed is 7.5 m·s−1 and the spraying amount of polyacrylamide is 4.5 L·m−2 at a concentration of 0.5 g·L−1. This 收稿日期: 2020−04−23 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFC0804609）；重庆市自然科学基金资助项目（cstc2019jcyj-bshX0022）；重庆市博士后科研项 目特别资助（XmT2018017） 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期：486−494，2021 年 4 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 4: 486−494, April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.23.002; http://cje.ustb.edu.cn
赵筠康等：常规肉化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验 487 paper emphasizes that the selection of dust-depressor can be determined based on the local annual mean wind speed,whereby polyacrylamide should be selected as the dust suppressant for a tailings pond when the annual mean wind speed is high.Otherwise, CaCl should be selected as the dust-depressor for a tailings pond. KEY WORDS copper tailings;halides;polymer materials;wind erosion resistance;penetration resistance 尾矿是矿石经选矿甄别、提取有用矿物后剩 1 试验材料及方法 余的固体残渣四.尾矿通常以干式和湿式的方式被 1.1试验材料 排放到尾矿库内堆存起来回.目前，我国有将近 1.1.1试验用尾矿 1.2万座尾矿库分布在全国各地（除上海和天津）间 试验用尾矿为四川凉山矿业股份有限公司下 由于排放的尾矿粒度比较细且二氧化硅含量高， 属小打鹅尾矿库的铜矿尾矿（通过浮选工艺产 颗粒间缺乏黏性，保水能力极差，在微风作用下， 生)，属尾粉土，其颗粒级配曲线如图1所示，化学 尾矿颗粒很容易被扬起，形成扬尘扬沙，造成环境污 成分如表1所示.由颗粒分析结果可知，该铜尾矿 染)，扬尘扬沙是尾矿库的主要环境问题之一 的中值粒径为78.64um,其颗粒级配不均匀系数 它不仅污染矿区周边环境，严重影响周围植被的 Cu为6.577，颗粒级配曲率系数C。为1.193，级配良 生长门，还会威胁到矿区周边居民的身体健康，有 好.示例图片如图1 的还可能成为区域性沙尘暴的来源.因此，很有必 要针对尾矿库扬尘扬沙的防治开展研究 100 目前，尾矿库的扬尘抑制方法分为洒水、复垦 80 或覆土方法及化学抑尘法氏割洒水抑尘法有效抑 尘时间短、耗水量大，不适用水资源短缺的干旱地 60 区.复垦或覆土方法主要针对已经闭库的尾矿库， 其治理彻底，防尘效果显著，但需要大量的种植 0 土，成本过高例化学抑尘法被认为是解决开放性 尘源扬尘污染的最佳方法.那琼通过室内外 之 试验，研究出一种无机固化剂，将其用于马钢姑山 铁矿尾矿库防尘效果比较好.杜翠凤等山研究出 1.000 0.100 0.010 0.001 Particle size/mm 一种黏结型抑尘剂，通过室内外测试，尤其半工业 图1铜尾矿粒径分布曲线 性试验，效果也比较好.但有关化学抑尘剂在尾矿 Fig.1 Particle size distribution curve of copper tailings 库防尘方面成功应用的案例，至今少见报道.因 1.1.2卤化物抑尘剂 此，有必要开展化学抑尘法在尾矿库防尘中的试 卤化物具有良好的吸湿性、持水性，且能提高 验研究 土颗粒间的张力等特点]试验选取了3种卤化 文献[12]对化学抑尘的基本原理和方法等进 物(NaCl、MgCl2、CaCl,),其吸湿性是由于卤化物 行了翔实的介绍.化学抑尘方法的关键是寻找合 及其结晶水合物均是易潮解的物质，具有良好的 适的化学抑尘剂.本文以有色金属铜矿浮选尾矿 吸湿性：而持水性则是由于其蒸汽压力比水低，当 为研究对象，选取3种常规的卤化物(NaCI、MgCl2、 卤化物的浓度较大，且蒸汽压小于空气中水蒸气 CaCl2)和3种高分子材料（木质素磺酸钙(LS)、聚 的分压时，将不断吸取周围空气中的水分，直至两 乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM))作为抑尘剂， 者的蒸汽压相等.文献[12]指出常见的3种卤化 针对这些抑尘剂的抑尘效果进行系统研究.研究 物水溶液的抗蒸发性顺序依次为：MgCl2,CaCl2, 成果可为矿山尾矿库的扬尘防治所应用 NaCl. 表1铜尾矿的化学组成 Table 1 Chemical composition of copper tailings Chemical element 易 Ca Fe Al Na Mg P Ti Other Mass fraction 46.84 16.84 13.32 9.813.792.562.06 1.871.02 1.89
paper emphasizes that the selection of dust-depressor can be determined based on the local annual mean wind speed, whereby polyacrylamide should be selected as the dust suppressant for a tailings pond when the annual mean wind speed is high. Otherwise, CaCl2 should be selected as the dust-depressor for a tailings pond. KEY WORDS copper tailings；halides；polymer materials；wind erosion resistance；penetration resistance 尾矿是矿石经选矿甄别、提取有用矿物后剩 余的固体残渣[1] . 尾矿通常以干式和湿式的方式被 排放到尾矿库内堆存起来[2] . 目前，我国有将近 1.2 万座尾矿库分布在全国各地（除上海和天津）[3] . 由于排放的尾矿粒度比较细且二氧化硅含量高， 颗粒间缺乏黏性，保水能力极差，在微风作用下， 尾矿颗粒很容易被扬起，形成扬尘扬沙，造成环境污 染[4−5] . 扬尘扬沙是尾矿库的主要环境问题之一[6] . 它不仅污染矿区周边环境，严重影响周围植被的 生长[7] ，还会威胁到矿区周边居民的身体健康，有 的还可能成为区域性沙尘暴的来源. 因此，很有必 要针对尾矿库扬尘扬沙的防治开展研究. 目前，尾矿库的扬尘抑制方法分为洒水、复垦 或覆土方法及化学抑尘法[5, 8] . 洒水抑尘法有效抑 尘时间短、耗水量大，不适用水资源短缺的干旱地 区. 复垦或覆土方法主要针对已经闭库的尾矿库， 其治理彻底，防尘效果显著，但需要大量的种植 土，成本过高[9] . 化学抑尘法被认为是解决开放性 尘源扬尘污染的最佳方法[10] . 那琼[4] 通过室内外 试验，研究出一种无机固化剂，将其用于马钢姑山 铁矿尾矿库防尘效果比较好. 杜翠凤等[11] 研究出 一种黏结型抑尘剂，通过室内外测试，尤其半工业 性试验，效果也比较好. 但有关化学抑尘剂在尾矿 库防尘方面成功应用的案例，至今少见报道. 因 此，有必要开展化学抑尘法在尾矿库防尘中的试 验研究. 文献 [12] 对化学抑尘的基本原理和方法等进 行了翔实的介绍. 化学抑尘方法的关键是寻找合 适的化学抑尘剂. 本文以有色金属铜矿浮选尾矿 为研究对象，选取 3 种常规的卤化物（NaCl、MgCl2、 CaCl2）和 3 种高分子材料（木质素磺酸钙 (LS)、聚 乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM））作为抑尘剂， 针对这些抑尘剂的抑尘效果进行系统研究. 研究 成果可为矿山尾矿库的扬尘防治所应用. 1 试验材料及方法 1.1 试验材料 1.1.1 试验用尾矿 试验用尾矿为四川凉山矿业股份有限公司下 属小打鹅尾矿库的铜矿尾矿（通过浮选工艺产 生），属尾粉土，其颗粒级配曲线如图 1 所示，化学 成分如表 1 所示. 由颗粒分析结果可知，该铜尾矿 的中值粒径为 78.64 μm，其颗粒级配不均匀系数 Cu 为 6.577，颗粒级配曲率系数 Cc 为 1.193，级配良 好. 示例图片如图 1. 1.000 0.100 0.010 0.001 0 20 40 60 80 100 Percentage smaller/ % Particle size/mm 图 1 铜尾矿粒径分布曲线 Fig.1 Particle size distribution curve of copper tailings 1.1.2 卤化物抑尘剂 卤化物具有良好的吸湿性、持水性，且能提高 土颗粒间的张力等特点[13] . 试验选取了 3 种卤化 物（NaCl、MgCl2、CaCl2），其吸湿性是由于卤化物 及其结晶水合物均是易潮解的物质，具有良好的 吸湿性；而持水性则是由于其蒸汽压力比水低，当 卤化物的浓度较大，且蒸汽压小于空气中水蒸气 的分压时，将不断吸取周围空气中的水分，直至两 者的蒸汽压相等. 文献 [12] 指出常见的 3 种卤化 物水溶液的抗蒸发性顺序依次为：MgCl2，CaCl2， NaCl. 表 1 铜尾矿的化学组成 Table 1 Chemical composition of copper tailings % Chemical element Si Ca Fe Al Na Mg P S Ti Other Mass fraction 46.84 16.84 13.32 9.81 3.79 2.56 2.06 1.87 1.02 1.89 赵筠康等： 常规卤化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验 · 487 ·
488 工程科学学报，第43卷，第4期 许钥以海藻酸钠和CaCl2为原料，研究了它 q=mg.(s.t)-1 (2) 们的抑尘效果.卤化物能提高土颗粒之间的张力， 其中，mg为质量损失，g:mo为初始质量，g:m1为吹 原因是卤化物溶解在土体的孔隙水中，其解离出 风后剩余质量，g:t为吹风时间，min;s为培养皿底 的阳离子与土中的阳离子进行交换，吸附于颗粒 面积，约为0.0156m2;g为尾矿单位时间、单位面 表面，使得颗粒聚集，并提供了增强相邻颗粒间的 积的质量损失，gm2-min 静电引力，进而将颗粒黏结，粒径变大，不易被风 1.2.2表面结壳抗破坏能力的试验 扬起，从而减小扬尘量.但卤化物的含量过高，则 喷洒水或试剂溶液后，沙土表面会形成相对 会影响水质，并使土壤盐碱化因此，在试验时 致密的硬壳，称为结壳结壳强度越大、越完 要考虑控制卤化物的含量 整，沙土颗粒越不易被风扬起.实验室内用于检测 1.1.3高分子材料抑尘剂 尾矿结壳抗破坏能力的方法主要有堆载法和硬度 试验用高分子材料分别为木质素磺酸钙 计法等山，2)本文基于土工试验中沙土承载强度测 (LS)、聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAM).这 试方法，采用微型贯入仪来测试尾矿表面结壳的 3种材料具有环境友好、化学性质相对稳定和成 抗破坏能力的大小.试验设备为MPT微型贯入仪. 本低廉等特点16-1黄河等、刘瑾等20以高分 1.3试验方案 子化学物（聚醋酸乙烯酯和聚氨酯）作为抑尘剂， 选用了3种卤化物和3种高分子材料作为抑 针对它们的抑尘效果进行了室内测试与分析.Wang等2 尘试剂.试验中，除了考虑了3种风速外，还考虑 研究了粉煤灰与聚丙烯酰胺的混合料对沙漠表面 了抑尘试剂浓度和喷洒量对尾矿库防尘的影响. 抗风蚀性能的影响.高分子材料溶液具有较高的 将抑尘剂喷洒量设置为1.5、3.0、4.5Lm2, 分子量以及各类分子长链2-1例如，C-一C长链 卤化物抑尘剂的质量浓度设置为10、30、50gL, 上连接有大量亲水基团，如羧基(COOH一)和羟 高分子材料抑尘剂的质量浓度设置为0.1、0.3、 基（一OH),它们能起到固定水分子的作用，而 0.5gL,将喷洒水的尾矿试样作为空白对照. C一C长链是疏水性的，它能够包裹沙粒，并起到 吸附作用（物理作用）、架桥作用（絮凝作用），使得 2尾矿样品制备及试验过程 细小沙粒聚集形成团聚体，从而不易被风扬起，起 将由现场运至实验室的尾矿样进行自然风干 到抑尘的效果.Teo等2指出聚丙烯酰胺可以提 后，将结块碾压粉碎，并过2mm土工筛.然后将过 高土壤团聚体稳定性 筛的尾矿分别装人皿器中（每个皿器中尾矿的质 1.2试验方法 量相等)，用削土刀将皿器中的尾矿试样表面做平 1.2.1抗风蚀性能测试 整处理，使得尾矿均匀分布于培养皿中.之后，按 风力是扬尘扬沙产生的动力因子2阿.当风力 照试验方案配制不同浓度的抑尘剂溶液，均匀喷 对颗粒作用产生的浮力大于颗粒本身的重力时， 洒于皿器中尾矿试样的表面，静置10min,待溶液 颗粒便被扬起，形成扬尘扬沙26-2刃.风力的大小常 下渗稳定后将皿器移至温度为45℃的烘箱中，烘 用风速来表征.为了更加贴合自然情况，选择3种 干24h后取出，最后进行抗风蚀能力测试和结壳 风力(3、4、5级)做试验测试，并以这3种风力的 抗破坏能力测试 风速作为控制指标（表2） 抗风蚀能力试验设置的吹风时间为10min 表2试验风速等级 为避免温度及空气相对湿度等因素对试验结果的 Table 2 Test wind levels 影响，每组试验均在相同环境中进行，即室温为 Test wind levels Wind speed /(m's) Wind class (25±1)℃、空气相对湿度50%士2%.试验时，为了 1 3.4-5.4 3 保证尾矿样品受风均匀，将样品表面均分为6份 2 5.5-7.9 4 (图2)，每份吹风时间为100s.选取试样表面的五 8.0-10.7 J 个点进行结壳抵抗破坏能力测试（图3） 尾矿的抗风蚀性能通常以单位时间吹风前、 3试验结果及分析 后样品单位面积的损失量作为判断依据-2，计 31抗风蚀性能试验结果及分析 算公式如下： 3.1.1卤化物抑尘剂的抗风蚀性能效果 ma mo-m (1) 卤化物抑尘剂的抗风蚀性能试验结果如图4
许钥[14] 以海藻酸钠和 CaCl2 为原料，研究了它 们的抑尘效果. 卤化物能提高土颗粒之间的张力， 原因是卤化物溶解在土体的孔隙水中，其解离出 的阳离子与土中的阳离子进行交换，吸附于颗粒 表面，使得颗粒聚集，并提供了增强相邻颗粒间的 静电引力，进而将颗粒黏结，粒径变大，不易被风 扬起，从而减小扬尘量. 但卤化物的含量过高，则 会影响水质，并使土壤盐碱化[15] . 因此，在试验时 要考虑控制卤化物的含量. 1.1.3 高分子材料抑尘剂 试验用高分子材料分别为木质素磺酸钙 （LS）、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酰胺（PAM）. 这 3 种材料具有环境友好、化学性质相对稳定和成 本低廉等特点[16−18] . 黄河等[19]、刘瑾等[20] 以高分 子化学物（聚醋酸乙烯酯和聚氨酯）作为抑尘剂， 针对它们的抑尘效果进行了室内测试与分析. Wang 等[21] 研究了粉煤灰与聚丙烯酰胺的混合料对沙漠表面 抗风蚀性能的影响. 高分子材料溶液具有较高的 分子量以及各类分子长链[22−23] . 例如，C—C 长链 上连接有大量亲水基团，如羧基（COOH—）和羟 基 （—OH） ，它们能起到固定水分子的作用 ，而 C—C 长链是疏水性的，它能够包裹沙粒，并起到 吸附作用（物理作用）、架桥作用（絮凝作用），使得 细小沙粒聚集形成团聚体，从而不易被风扬起，起 到抑尘的效果. Teo 等[24] 指出聚丙烯酰胺可以提 高土壤团聚体稳定性. 1.2 试验方法 1.2.1 抗风蚀性能测试 风力是扬尘扬沙产生的动力因子[25] . 当风力 对颗粒作用产生的浮力大于颗粒本身的重力时， 颗粒便被扬起，形成扬尘扬沙[26−27] . 风力的大小常 用风速来表征. 为了更加贴合自然情况，选择 3 种 风力（3、4、5 级）做试验测试，并以这 3 种风力的 风速作为控制指标（表 2）. 表 2 试验风速等级 Table 2 Test wind levels Test wind levels Wind speed / (m·s−1) Wind class 1 3.4–5.4 3 2 5.5–7.9 4 3 8.0–10.7 5 尾矿的抗风蚀性能通常以单位时间吹风前、 后样品单位面积的损失量作为判断依据[28−29] ，计 算公式如下： mq = m0 −m1 （1） q = mq ·(s·t) −1 （2） 其中，mq 为质量损失，g；m0 为初始质量，g；m1 为吹 风后剩余质量，g；t 为吹风时间，min；s 为培养皿底 面积，约为 0.0156 m 2 ；q 为尾矿单位时间、单位面 积的质量损失，g·m−2·min−1 . 1.2.2 表面结壳抗破坏能力的试验 喷洒水或试剂溶液后，沙土表面会形成相对 致密的硬壳，称为结壳[11] . 结壳强度越大、越完 整，沙土颗粒越不易被风扬起. 实验室内用于检测 尾矿结壳抗破坏能力的方法主要有堆载法和硬度 计法等[11, 23] . 本文基于土工试验中沙土承载强度测 试方法，采用微型贯入仪来测试尾矿表面结壳的 抗破坏能力的大小. 试验设备为 MPT 微型贯入仪. 1.3 试验方案 选用了 3 种卤化物和 3 种高分子材料作为抑 尘试剂. 试验中，除了考虑了 3 种风速外，还考虑 了抑尘试剂浓度和喷洒量对尾矿库防尘的影响. 将抑尘剂喷洒量设置 为 1.5、 3.0、 4.5 L·m−2 ， 卤化物抑尘剂的质量浓度设置为 10、30、50 g·L−1 ， 高分子材料抑尘剂的质量浓度设置为 0.1、 0.3、 0.5 g·L−1，将喷洒水的尾矿试样作为空白对照. 2 尾矿样品制备及试验过程 将由现场运至实验室的尾矿样进行自然风干 后，将结块碾压粉碎，并过 2 mm 土工筛. 然后将过 筛的尾矿分别装入皿器中（每个皿器中尾矿的质 量相等），用削土刀将皿器中的尾矿试样表面做平 整处理，使得尾矿均匀分布于培养皿中. 之后，按 照试验方案配制不同浓度的抑尘剂溶液，均匀喷 洒于皿器中尾矿试样的表面，静置 10 min，待溶液 下渗稳定后将皿器移至温度为 45 ℃ 的烘箱中，烘 干 24 h 后取出，最后进行抗风蚀能力测试和结壳 抗破坏能力测试. 抗风蚀能力试验设置的吹风时间为 10 min. 为避免温度及空气相对湿度等因素对试验结果的 影响，每组试验均在相同环境中进行，即室温为 （25±1）℃、空气相对湿度 50%±2%. 试验时，为了 保证尾矿样品受风均匀，将样品表面均分为 6 份 （图 2），每份吹风时间为 100 s. 选取试样表面的五 个点进行结壳抵抗破坏能力测试（图 3）. 3 试验结果及分析 3.1 抗风蚀性能试验结果及分析 3.1.1 卤化物抑尘剂的抗风蚀性能效果 卤化物抑尘剂的抗风蚀性能试验结果如图 4 · 488 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期
赵筠康等：常规肉化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验 489. Wind Tailings samples 卤化物对尾矿抗风蚀性能具有较好的提升作 用.如图4(b)所示，取试剂喷洒量为1.5Lm2,试 剂浓度为30gL,外界风速取7.5ms,对比三种 卤化物及纯水对尾矿吹风试验的结果，其中，仅喷 洒水（试剂浓度为0）的尾矿单位面积损失量最大， 图2抗风性能试验图 达到l5.13gm2min:喷洒NaCl、MgCl2、CaCl2 Fig.2 Schematic of blow test 试剂的尾矿试样单位面积损失量依次为2.76、 2.63和2.31gm2min,相比于只喷洒水的尾矿损 失量有明显降低的趋势.综合图4和图5，在浓 度、喷洒量以及风速相同的情况下，喷洒CaCl2试 剂的尾矿单位面积损失量最少，尾矿试样抗风蚀 效果稳定.为此选取CaCl2为卤化物类的尾矿抑 尘剂. 卤化物试剂浓度对尾矿抗风蚀性能具有较大 的影响.以图4(b)为例，取试剂喷洒量为1.5Lm2, 当风速为7.5ms时，喷洒浓度分别为10、30和 图35个贯人测试点的位置 50gL'的CaCl2试剂的尾矿试样单位面积损失量 Fig.3 Photograph of the locations of the five penetrating test points in 依次为2.50、2.31和2.12gm2min.综合图4和 the tailings samples 图5，可以看出，浓度为50gL时，CaCl2试剂的 和图5所示，由于试验结果较多且具有一定的规律 抗风蚀效果最好.为此，选取CaCl2试剂浓度为 性，实验结果只展示喷洒量为1.5Lm2和4.5Lm2 50gL- 的情况.（为便于叙述与说明，3种风速分别记为 试剂喷洒量对尾矿抗风蚀性能有很大影响 4.5、7.5和10ms). 将图4(b)和图5(b)作对比，以浓度为50gL的 16 115 (a) Dust suppressant concentration (b) ( (c) Dust ☐0 10g-L- 30g-L50gL-t 14 110 10g-Lm 30g-L50g-L 四30gL50gL 105 4 10 2 三 0 0 NaCl MgCl,CaCl, 三 Water NaCl MgCl,CaCl, 0 Water Water NaCl MgCl CaCl, Name of dust suppressant Name of dust suppressant Name of dust suppressant 图4卤化物抑尘剂在不同风速下的抗风蚀性能试验结果（喷洒量为1.5Lm2).(a)风速为4.5ms,(b)风速为7.5ms:(c)风速为10ms Fig.4 Test result of wind erosion resistance of halide sprayed tailings (spraying amount of 1.5 L'm):(a)wind speed of 4.5 m's;(b)wind speed of 7.5 m's;(c)wind speed of 10 m's 1.2 3.0 (a) Dust suppressant concentratior (b) Du ☐0 10gL- st suppressant ntratioe 1.0 30g-L50gL □0 ☑10gL - ☑10g-L 30 g-L 50 gL- S30 g-L-828 50 g-L" 0.8 2.0 0.6 1.5 0.4 1.0 .)/ssol eam 3 2 02 0.5 0 Water NaCl MgCl, 0 CaCl, Water NaCl MgCl, CaCl, Water NaCl MgCl, CaCl, Name of dust suppressant Name of dust suppressant Name of dust suppressant 图5卤化物抑尘剂在不同风速下的抗风蚀性能试验结果（喷洒量为4.5Lm2).(a)风速为4.5ms:(b)风速为7.5ms:(c)风速为10ms1 Fig.5 Test result of wind erosion resistance of halide sprayed tailings(spraying amount of 4.5 Lm)(a)wind speed of 4.5ms(b)wind speed of 7.5 m's;(c)wind speed of 10 m's
和图 5 所示，由于试验结果较多且具有一定的规律 性，实验结果只展示喷洒量为 1.5 L·m−2 和 4.5 L·m−2 的情况. （为便于叙述与说明，3 种风速分别记为 4.5、7.5 和 10 m·s−1）. 卤化物对尾矿抗风蚀性能具有较好的提升作 用. 如图 4（b）所示，取试剂喷洒量为 1.5 L·m−2，试 剂浓度为 30 g·L−1，外界风速取 7.5 m·s−1，对比三种 卤化物及纯水对尾矿吹风试验的结果，其中，仅喷 洒水（试剂浓度为 0）的尾矿单位面积损失量最大， 达 到 15.13 g·m−2·min−1； 喷 洒 NaCl、 MgCl2、 CaCl2 试剂的尾矿试样单位面积损失量依次 为 2.76、 2.63 和 2.31 g·m−2·min−1，相比于只喷洒水的尾矿损 失量有明显降低的趋势. 综合图 4 和图 5，在浓 度、喷洒量以及风速相同的情况下，喷洒 CaCl2 试 剂的尾矿单位面积损失量最少，尾矿试样抗风蚀 效果稳定. 为此选取 CaCl2 为卤化物类的尾矿抑 尘剂. 卤化物试剂浓度对尾矿抗风蚀性能具有较大 的影响. 以图 4（b）为例，取试剂喷洒量为 1.5 L·m−2 ， 当风速为 7.5 m·s−1 时，喷洒浓度分别为 10、30 和 50 g·L−1 的 CaCl2 试剂的尾矿试样单位面积损失量 依次为 2.50、2.31 和 2.12 g·m−2·min−1 . 综合图 4 和 图 5，可以看出，浓度为 50 g·L−1 时 ，CaCl2 试剂的 抗风蚀效果最好. 为此，选取 CaCl2 试剂浓度为 50 g·L−1 . 试剂喷洒量对尾矿抗风蚀性能有很大影响. 将图 4（b）和图 5（b）作对比，以浓度为 50 g·L−1 的 Wind Tailings samples 图 2 抗风性能试验图 Fig.2 Schematic of blow test 图 3 5 个贯入测试点的位置 Fig.3 Photograph of the locations of the five penetrating test points in the tailings samples 0 1 2 3 4 5 CaCl NaCl MgCl2 2 Per unit area loss/(g·m−2·min−1 ) Water (a) Name of dust suppressant 0 30 g·L−1 10 g·L−1 50 g·L−1 Dust suppressant concentration CaCl NaCl MgCl2 2 Per unit area loss/(g·m−2·min−1 ) Water (b) Name of dust suppressant 0 2 4 12 14 16 0 30 g·L−1 10 g·L−1 50 g·L−1 Dust suppressant concentration CaCl NaCl MgCl2 2 Per unit area loss/(g·m−2·min−1 ) Water (c) Name of dust suppressant 0 5 10 105 110 115 0 30 g·L−1 10 g·L−1 50 g·L−1 Dust suppressant concentration 图 4 卤化物抑尘剂在不同风速下的抗风蚀性能试验结果（喷洒量为 1.5 L·m−2）. （a）风速为 4.5 m·s−1；（b）风速为 7.5 m·s−1；（c）风速为 10 m·s−1 Fig.4 Test result of wind erosion resistance of halide sprayed tailings (spraying amount of 1.5 L·m−2): (a) wind speed of 4.5 m·s−1; (b) wind speed of 7.5 m·s−1; (c) wind speed of 10 m·s−1 CaCl NaCl MgCl2 2 Per unit area loss/(g·m−2·min−1 ) Water (a) Name of dust suppressant 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 30 g·L−1 10 g·L−1 50 g·L−1 Dust suppressant concentration CaCl NaCl MgCl2 2 Per unit area loss/(g·m−2·min−1 ) Water (b) Name of dust suppressant 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 30 g·L−1 10 g·L−1 50 g·L−1 Dust suppressant concentration CaCl NaCl MgCl2 2 Per unit area loss/(g·m−2·min−1 ) Water (c) Name of dust suppressant 0 1 2 3 4 5 6 0 30 g·L−1 10 g·L−1 50 g·L−1 Dust suppressant concentration 图 5 卤化物抑尘剂在不同风速下的抗风蚀性能试验结果（喷洒量为 4.5 L·m−2）. （a）风速为 4.5 m·s−1；（b）风速为 7.5 m·s−1；（c）风速为 10 m·s−1 Fig.5 Test result of wind erosion resistance of halide sprayed tailings (spraying amount of 4.5 L·m−2): (a) wind speed of 4.5 m·s−1; (b) wind speed of 7.5 m·s−1; (c) wind speed of 10 m·s−1 赵筠康等： 常规卤化物和高分子材料抑制尾矿库扬尘的试验 · 489 ·