某礦高濃度全尾砂料漿絮凝沉降特性試驗研究

陳忠熙，　趙奎，　許楊東，　羅濤，　張亮，　陳康

（江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）

某礦高濃度全尾砂料漿絮凝沉降特性試驗研究

陳忠熙a，趙奎a，許楊東a，羅濤a，張亮a，陳康b

（江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）

礦山擬采用全尾砂作為充填骨料，為了確定充填料的輸送濃度、添加絮凝劑種類及添加量等參數(shù)，分別對料漿濃度為68%、70%、72%添加不同添加量的明礬、十二烷基苯磺酸鈉及聚丙烯酰胺3種絮凝劑進行沉降對比試驗，然后對試驗結(jié)果進行對比分析，綜合澄清液液面下降高度及經(jīng)濟成本考慮，最后確定3種絮凝劑添加量沉降回歸模型，經(jīng)濟高效的絮凝沉降參數(shù)：較佳的絮凝劑為明礬、明礬添加量為29 g/t及全尾砂料漿濃度為70%.

全尾砂料漿；明礬；絮凝劑；添加量；沉降

0　引　言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和資源的大量消耗，礦業(yè)主要面臨著兩大難題：資源開采的深部化和地表尾礦廢石的災(zāi)害化[1－2].隨著尾礦充填技術(shù)的不斷發(fā)展，礦業(yè)面臨的難題將會得到較好的解決，地表的尾礦用于回填采空區(qū)不僅能夠控制地下開采的地壓顯現(xiàn)問題，還能夠解決地表尾礦堆存的問題，而且還起到了節(jié)能減排及減少地表環(huán)境污染等作用[3].同時，尾礦充填技術(shù)還具有提高生產(chǎn)效率、增加礦石資源的回收率、降低礦石貧化率及增加企業(yè)的經(jīng)濟效益等優(yōu)點，因此，礦山充填技術(shù)在有色金屬礦山、黑色礦山和煤礦得到了較為廣泛的應(yīng)用[4－5].

目前，全尾砂高濃度料漿充填技術(shù)是以沒有進行分級脫泥的全尾砂作為充填料，將礦山選礦廠生產(chǎn)出的全尾砂，制備成高濃度料漿充填采空區(qū)的一項新型充填技術(shù)，是實現(xiàn)礦山無廢安全高效開采的重要途徑[6]．在沒有對尾砂進行分級脫泥的情況下，全尾砂料漿的含泥量高，滲透系數(shù)低，同時在脫水的過程中要避免細泥物料的排放．因此，全尾砂料漿高濃度充填的難度主要在于細粒尾砂的沉降與脫水[7]．全尾砂料漿高效脫水技術(shù)成為了全尾砂料漿的一項重要工藝與關(guān)鍵技術(shù)．絮凝沉降技術(shù)因其便捷性和可操作性，在礦山尾礦濃縮中得到了廣泛的應(yīng)用[8]．但絮凝沉降過程受懸浮液的pH值、水離子含量、尾砂表面所帶的電量、絮凝劑種類和用量、添加方式、料漿濃度及溫度等多方面因素的影響[9-10]．上饒市某礦山因地下開采方法單一而殘留較多采空區(qū)，為滿足今后安全生產(chǎn)的需要，礦山?jīng)Q定采用嗣后充填采礦法對礦體進行回采，利用全尾砂高濃度料漿對采空區(qū)進行充填．由于尾砂自然沉降速率較慢，滿足不了礦山的實際生產(chǎn)要求，因此，通過在充填料中加入某種絮凝劑來提高尾砂沉降速率．因此，本文主要針對絮凝劑的種類、絮凝劑用量及全尾砂料漿濃度等方面進行試驗分析，通過對料漿濃度分別為68%、70%、72%進行添加不同添加量的不同絮凝劑進行沉降試驗．

1　全尾砂料漿特性

充填材料的物理性質(zhì)及成分對絮凝沉降的效果有重要影響[11]，當(dāng)尾砂中含有一些能與絮凝劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有害成分時，加入絮凝劑后并不能產(chǎn)生效果．因此，在試驗之前，必須對全尾砂的物理性質(zhì)、化學(xué)成分及粒徑組成進行定性的分析．

1.1物理性質(zhì)指標

按照 《中華人民共和國行業(yè)標準-土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）對該礦山全尾砂的干密度、天然密度、容重、含水率、孔隙比及孔隙率進行試驗[12]，全尾砂物理性質(zhì)指標見表1．

表1　全尾礦物理性質(zhì)指標Table1　Physical property of tailings

1.2化學(xué)成分分析

利用GM/F97系列密封式化驗制樣粉碎機制備樣本，采用分析天平、原子吸收光譜儀、感耦等離子體原子發(fā)射光譜分析法等設(shè)備方法測定了尾砂中的元素成分及含量參數(shù)見表2．

表2　成分名稱及分析結(jié)果/%Table2　Com ponent nam e and analytical results/%

1.3粒徑分布

通過綜合運用篩分法和激光粒度儀法對該礦山充填實驗全尾砂進行粒度分析試驗，得到各粒級組成結(jié)果．測試結(jié)果見表3．全尾砂顆粒級配曲線見圖1．

表3　全尾砂粒度成分百分含量Table3　Percentages of full tail sand ingredients

圖1　全尾砂顆粒級配曲線Fig.1　Curve of tailing particle size distribution

2　絮凝沉降試驗

絮凝沉降機理[13-16]：微小的膠體顆粒和懸浮物顆粒在膠體物質(zhì)或者電解質(zhì)的作用下，中和顆粒表面電荷，降低或消除顆粒之間的排斥力，使顆粒結(jié)合在一起，體積不斷變大，形成體積龐大的絮狀沉淀物．因為高分子化合物的極性或帶電荷的基團很多，能夠在短時間內(nèi)向許多個顆粒結(jié)合，使絮團體積增大，絮團在重力的作用下沉降速率增加．如果形成絮凝體的速率越快或越大，則絮凝作用將越明顯．

2.1試驗材料

試驗選用的器材：1 000 m L量筒、1 000 mL燒杯、滴定管、電子稱（精度0．01 g）、玻璃棒、坐標紙、秒表計時器．

試驗所用的全尾砂料漿濃度為68%、70%和72%3種，選用硫酸鋁鉀、十二烷基苯磺酸鈉及分子量為300萬的聚丙烯酰胺3種絮凝劑．分別對絮凝劑的添加量為10 g/t、20 g/t及30 g/t進行試驗．

2.2試驗步驟

試驗室利用量筒進行間歇沉降試驗，通常用澄清液面隨時間的改變表示沉降速率．本試驗采用1 000m L的量筒進行室內(nèi)靜置沉降試驗，試驗方法如下：

1）試驗前的準備工作：將坐標紙剪成長條形，貼于量筒側(cè)線上作為刻度尺；準備試驗所需的尾砂，本次沉降試驗均采用風(fēng)干的全尾砂．

2）根據(jù)試驗方案，提前20 min配置好所需1‰溶度的絮凝劑溶液，計算試驗所需的全尾砂量、水及絮凝劑溶液，并分別稱取備用．

3）先將稱取的干全尾砂加入到燒杯中，再將稱取的水及絮凝劑溶液注入燒杯，用玻璃棒將其攪拌1 min，將制備好的溶液倒入1 L的量筒內(nèi)，靜置在試驗平臺上，同時用秒表計時器計時，每隔一段時間記錄澄清液面的高度．開始時沉降速率快，記錄的時間間隔為2 min，隨著沉降速率的減慢，記錄的時間間隔增大．

3　試驗結(jié)果及分析

全尾砂沉降試驗在不添加絮凝劑時及添加不同量的絮凝劑時的各組試驗數(shù)據(jù)見表4～表6，同時根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制成澄清液高度隨時間的變化曲線見圖2～圖4．

表4　全尾砂濃度為68%沉降試驗數(shù)據(jù)Table4　Settlem ent test data of 68%tailing concentration

表5　全尾砂濃度為70%沉降試驗數(shù)據(jù)Table5　Settlement test data of 70%tailing concentration

表6　全尾砂濃度為72%沉降試驗數(shù)據(jù)Table6　Settlem ent test data of 72%tailing concentration

圖2　全尾砂濃度為68%澄清液高度隨時間變化曲線Fig.2　Supernatant height curve of 68%tailing concentration

圖3　全尾砂濃度為70%澄清液高度隨時間變化曲線Fig.3　Supernatant height curve of 70%tailing concentration

圖4　全尾砂濃度為72%澄清液高度隨時間變化曲線Fig.4　Supernatant height curve of 72%tailing concentration

3.1全尾砂濃度的影響

由澄清液高度變化曲線圖（圖2～圖4），可知3種濃度澄清液高度變化趨勢：在0～10 min變化較快，該時期全尾砂處于沉降階段，10 min之后變化較為緩慢，此時全尾砂處于壓密階段．對于某種特定的全尾砂，在某種絮凝劑作用下，不同濃度的全尾砂的沉降特性也完全不同[17]，通過對比不同濃度全尾砂料漿的澄清層液面高度變化，濃度70%全尾砂料漿沉降速率及效果明顯優(yōu)于濃度68%和72%的全尾砂．

3.2絮凝劑種類的影響

絮凝過程是絮凝劑分子通過將分散尾砂顆粒結(jié)合成比較大的絮團，進而加速沉降．當(dāng)全尾砂中加入明礬后，開始可以看到量筒中全尾砂顆粒渾濁，較大的絮凝顆粒沉降，但是澄清層界面不明顯；而添加聚丙烯酰胺或十二烷基苯磺酸鈉后，全尾砂沉降速率明顯提高，澄清層的濁度減?。^察曲線圖（圖2～圖4）可知，全尾砂在添加絮凝劑后，沉降速率及沉降效果得到顯著提升，但綜合各絮凝劑的絮凝沉降速率及效果對比，聚丙烯酰胺優(yōu)于十二烷基苯磺酸鈉優(yōu)于明礬．

3.3絮凝劑添加量的影響

由于3種濃度澄清液高度變化趨勢大體相同，而濃度為70%的全尾砂沉降速率最快，因此僅對濃度為70%的全尾砂的試驗結(jié)果進行分析，通過對比添加絮凝劑后的澄清層液面變化，絮凝劑的添加在一定程度上加快了全尾砂的沉降速率，然而全尾砂沉降速率受絮凝劑的添加量限制．根據(jù)絮凝沉降規(guī)律，一般情況下，絮凝劑添加量并非越大越好，過高會使絮凝效果失效，過低絮凝效果不明顯，因此絮凝劑添加量存在一個最佳的添加量[18]．采用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行回歸處理分析．絮凝劑明礬、十二烷基苯磺酸鈉和聚丙烯酰胺沉降回歸模型如式（1）、式（2）和式（3）所示．對于回歸模型的負相關(guān)系數(shù)R2、顯著水平檢驗值Ft及水平標準值F0．05（3，3），F(xiàn)0．05（3，3）=9．28，對式（1）有：R2=0．906 3，F(xiàn)t=19．339 5＞F0．05（3，3），回歸模型顯著；對式（2）有：R2=0．948 0，F(xiàn)t=36．432 8＞F0．05（3，3），回歸模型顯著；對式（3）有：R2=0．966 3，F(xiàn)t=57．368 5＞F0．05（3，3），回歸模型顯著．3種絮凝劑的回歸模型具有一定的可信度．

其中：V1、V2、V3分別為使用絮凝劑明礬、十二苯烷基磺酸鈉和聚丙烯酰胺的沉降平均速率，基于綱量分析：

x1、x2、x3分別為使用絮凝劑明礬、十二苯烷基磺酸鈉和聚丙烯酰胺的添加量，g/t；

然后對V1求x1的偏導(dǎo)、對V2求x2的偏導(dǎo)和對V3求x3的偏導(dǎo)，令確定出各絮凝劑的最佳添加量：明礬為29 g/t，十二烷基苯磺酸鈉為28 g/t，聚丙烯酰胺為29 g/t．

3.4經(jīng)濟成本分析

從經(jīng)濟成本上分析，通過市場調(diào)查可知，各絮凝劑用量及絮凝劑成本見表7．

綜上分析可得，明礬與另外2種絮凝劑相比，經(jīng)濟成本低，而且澄清液液面下降也較低，因此，選用明礬作為該礦山充填添加的絮凝劑．

4　結(jié)　論

1）全尾砂在不添加任何絮凝劑的情況下沉降速率較慢，絮凝劑添加后，沉降速率明顯提高．絮凝劑對全尾砂沉降效果有重要影響．

表7　絮凝劑用量及絮凝劑成本Table 7　Flocculant dosage and flocculant costs

2）不同濃度全尾砂的沉降速率與效果有明顯差異，濃度為70%的全尾砂沉降速率及效果優(yōu)于濃度為68%和72%的全尾砂.全尾砂沉降效果受尾砂濃度影響.

3）全尾砂在絮凝劑添加量不同的情況下，沉降速率及效果有所不同；在添加量相同的情況下，聚丙烯酰胺絮凝沉降效果優(yōu)于十二烷基苯磺酸鈉，且十二烷基苯磺酸鈉絮凝沉降效果優(yōu)于明礬.絮凝劑種類和絮凝劑添加量都是影響全尾砂沉降效果的重要因素.

4）確定了3種絮凝劑的沉降模型：明礬為V1=十二烷基苯磺酸鈉為V2=聚丙烯酰胺為 V3=0.990 6·同時確定出3種絮凝劑最佳添加量：明礬為29 g/t，十二烷基苯磺酸鈉為28 g/t，聚丙烯酰胺為29 g/t.

5）綜合經(jīng)濟成本的考慮，明礬經(jīng)濟成本最低，而且沉降效果也較好.因此，建議礦山選用明礬作為充填使用的絮凝劑，添加量為29 g/t，全尾砂濃度為70%.

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Experimental study on high solubility total tailings flocculation settlem ent properties in am ine

CHEN Zhongxia，ZHAO Kuia，XU Yangdonga，LUO Taoa，ZHANG Lianga，CHEN Kangb
(a.School of Resources and Environmental Engineering；b.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

Flocculant settlement tests are performed by adding different amounts of flocculation agents,alum, sodium dodecylbenzenesulfonate and polyacrylamide into varied slurry concentrations,68%,70%and 72%，respectively，to determine the transport solubility of fillingmaterial,type and adding flocculant amount.The results are compared and analyzed by taking the supernatant liquid drop height and economic cost into account.The settlement regressionmodels for the three kinds of flocculant addition amounts are determined by working out the economic efficiency of flocculation and sedimentation parameters.The results show that the best flocculant is alum with additive amountof 29 g/t and the total tailings concentration is 70%.

total tailing;alum；flocculation;additive amount;settlement

TD853.34

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.017

2014－11－10

江西省研究生創(chuàng)新專項資金項目（YC2014-S350）

陳忠熙（1989-），男，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)方面的研究，E-mail：563812836@qq.com.

趙奎（1969-），男，博士，教授，主要從事巖石力學(xué)測試與分析技術(shù)、數(shù)值模擬、巖體穩(wěn)定性等方面的研究，E-mail：296931654@qq.com.