某礦全尾砂漿靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)研究

張美道 饒運(yùn)章 徐文峰 王文濤 李江紅

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；3.贛州市自然資源局，江西 贛州 341000）

充填采礦法是實(shí)現(xiàn)礦山綠色、無(wú)廢害開(kāi)采最有效的途徑。絮凝劑的使用不僅可以提高尾砂利用率減輕尾礦庫(kù)壓力，還能大大提高充填效率。為避免傳統(tǒng)絮凝沉降參數(shù)選擇的主觀性和隨意性，必須對(duì)絮凝沉降過(guò)程進(jìn)行科學(xué)、合理的判斷［1-3］。

絮凝沉降過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，是將選廠低濃度全尾砂漿快速濃密的關(guān)鍵技術(shù)。一直以來(lái)，在尾砂絮凝沉降方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行過(guò)深入研究。焦華喆等［4］通過(guò)靜態(tài)絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，研究了給料濃度和聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑單耗對(duì)尾礦最大沉降速度和靜止沉降極限濃度的影響。董培鑫等［5］通過(guò)開(kāi)展鞍鋼礦山全尾砂漿絮凝沉淀對(duì)比試驗(yàn)，闡明了絮凝沉降參數(shù)對(duì)砂漿沉降速度及底流礦漿濃度的影響規(guī)律。高志勇等［6］開(kāi)展了以單位面積處理量評(píng)價(jià)尾礦料漿濃度、絮凝劑XT9020溶液濃度和XT9020用量對(duì)全尾礦絮凝沉降規(guī)律的研究。焦華喆等［7］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，用均勻法研究絮凝劑單耗、絮凝劑溶液濃度和給料濃度三因素對(duì)固液分離中沉降速度和沉降濃度的影響。卞繼偉等［8］運(yùn)用濃密機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置，研究了不同條件下全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降的變化規(guī)律。田明明等［9］以山東玲瓏金礦全尾砂和5種絮凝劑為原料，研究了絮凝劑各參數(shù)對(duì)絮凝沉降的影響，并給出了最優(yōu)值。劉培正等［10］研究分析了全尾砂粗細(xì)混合充填中的濃縮效率低、分級(jí)沉降難的問(wèn)題，提出了全尾砂分級(jí)濃縮工藝及其適用范圍。

本研究通過(guò)對(duì)某鉛鋅銀礦全尾砂進(jìn)行靜態(tài)絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，分析全尾砂絮凝沉降過(guò)程中絮凝沉降參數(shù)（如：絮凝劑種類(lèi)、用量、添加濃度及砂漿濃度）對(duì)沉降過(guò)程的影響。通過(guò)對(duì)比分析所有實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的現(xiàn)象，篩選出所研究的絮凝沉降參數(shù)中對(duì)絮凝沉降過(guò)程具有積極促進(jìn)作用的合理參數(shù)值，并運(yùn)用絮凝沉降機(jī)理對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，從而為該礦山全尾砂充填提供合理參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 全尾砂

實(shí)驗(yàn)所用全尾砂均來(lái)自該礦選廠，采用BT-2002型激光粒度分析儀（濕法）對(duì)全尾砂粒級(jí)組成進(jìn)行分析，如表1和表2所示。

1.1.2 絮凝劑

選用4種高分子絮凝劑，分別為APAM 1 200萬(wàn)分子量、CPAM 30離子度、NPAM 1 200萬(wàn)分子量、PAC 28%。

1.1.3 主要儀器

主要儀器有1 000 ml量杯、1 000 ml量筒、攪拌棒、一次性杯子、10 ml注射器、電子秤（量程1 kg，精度為0.01 g）等。

1.2 試驗(yàn)方案

為了探究絮凝劑各個(gè)參數(shù)及尾砂漿濃度對(duì)該礦全尾砂絮凝沉降的影響，優(yōu)選出合適的絮凝沉降工藝參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采用正交設(shè)計(jì)，以絮凝劑添加量、砂漿濃度、絮凝劑添加濃度3因素為參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程：①以50 r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌60 min，配制相應(yīng)質(zhì)量濃度的絮凝劑溶液；②根據(jù)試驗(yàn)要求配制相應(yīng)質(zhì)量濃度的全尾砂漿；③根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的絮凝劑單耗移取絮凝劑溶液；④將絮凝劑溶液與全尾砂漿混合均勻后靜置，在設(shè)計(jì)的時(shí)間點(diǎn)記錄固液分離界面高度。

1.2.1 考察指標(biāo)

試驗(yàn)用沉降速度、極限濃度和上清液含固率對(duì)試驗(yàn)的沉降效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。用澄清液和砂漿液分界面隨時(shí)間的變化表征沉降速度。在上清液與尾砂交界面長(zhǎng)時(shí)間禁止不動(dòng)，尾砂下沉到最低高度，此時(shí)上部是澄清的水柱，下部為沉降壓實(shí)的尾砂，此尾砂濃度即為極限濃度［11］。

式中，C極限為尾砂靜水極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；W水為水的質(zhì)量，g；W砂為尾砂的質(zhì)量，g；w水為澄清水柱的質(zhì)量，g。

2 絮凝沉降試驗(yàn)研究

立式砂倉(cāng)內(nèi)全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)主要分兩步進(jìn)行，首先進(jìn)行定性試驗(yàn)，確定絮凝劑種類(lèi)；其次進(jìn)行定量試驗(yàn)，確定絮凝劑添加單耗、砂漿質(zhì)量濃度、絮凝劑添加濃度。絮凝劑單耗Jx（g/t）與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)絮凝劑溶液添加量Mx（mL）的關(guān)系式：

式中，Cw為全尾砂漿質(zhì)量濃度，%；V為試驗(yàn)用全尾砂漿體積，ml；ρj、ρx為全尾砂漿和絮凝劑溶液的密度，t/m3；γn為絮凝劑濃度，%。

2.1 絮凝劑種類(lèi)、型號(hào)優(yōu)選試驗(yàn)

在全尾砂濃度為20%條件下，將APAM、CPAM、NPAM分別制成濃度為1‰的絮凝劑溶液并按噸礦絮凝劑單耗30 g的添加量分別添加到2#、3#、4#量筒，PAC制成濃度3%的絮凝劑溶液按噸礦絮凝劑單耗50 g的添加量添加到5#量筒，設(shè)置不加絮凝劑的1#對(duì)照試驗(yàn)組。

進(jìn)行添加不同絮凝劑的全尾砂漿絮凝沉降試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，固液分層面高度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖1，沉降速度曲線見(jiàn)圖2。

從表3、圖1和圖2中，可以得知絮凝劑對(duì)該礦全尾砂絮凝沉降具有促進(jìn)作用；在沉降初期，沉降速度達(dá)到最大值，后期逐漸趨于穩(wěn)定值；使用PAM的沉降效果明顯優(yōu)于使用PAC的。從表3中可以得出最大沉降速度為APAM>NPAM>CPAM，極限濃度為APAM>NPAM>CPAM，上清液含固率為NPAM>CPAM>APAM，通過(guò)以上對(duì)比分析優(yōu)選APAM絮凝劑作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)絮凝劑。

2.2 全尾砂漿濃度與絮凝劑單耗對(duì)全尾砂絮凝沉降的影響

控制絮凝劑濃度為1‰，分別在全尾砂漿濃度為10%、15%、20%、25%、30%、35%時(shí)，按APAM絮凝劑單耗 0 g/t、10 g/t、20 g/t、30 g/t、40 g/t、50 g/t添加量進(jìn)行全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)不同濃度全尾砂漿的絮凝劑單耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，分析出沉降速度y與絮凝劑單耗x的擬合方程，如表4所示。根據(jù)各砂漿質(zhì)量濃度下的最佳絮凝劑單耗以及對(duì)應(yīng)最大沉速，建立砂漿質(zhì)量濃度與最佳絮凝劑單耗的擬合曲線（圖3）和砂漿質(zhì)量濃度與對(duì)應(yīng)最大沉速的擬合曲線（圖4）。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)絮凝劑溶液濃度一定時(shí)，隨著砂漿質(zhì)量濃度增大，各濃度的最佳絮凝劑單耗呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而各個(gè)最佳絮凝劑單耗對(duì)應(yīng)的最大沉速在逐漸減小。說(shuō)明在給定絮凝劑濃度和絮凝劑單耗時(shí)，砂漿濃度與絮凝沉降速度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。因?yàn)槿采皾{質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，尾砂顆粒間的相互作用力較小，絮凝劑可以較好地作用于尾砂顆粒，形成較大的絮凝團(tuán)，在重力作用下加速沉降；當(dāng)全尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，雖然可以形成較高的沉降質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但由于尾砂顆粒間的相互作用較大，沉降速度慢［12-13］。經(jīng)過(guò)對(duì)圖3和圖4擬合曲線分析可以得出尾砂漿濃度為25.162%時(shí)，最佳絮凝劑單耗為37.925 g/t，此時(shí)對(duì)應(yīng)最大沉速為2.435 mm/s。

2.3 絮凝劑添加濃度對(duì)全尾砂絮凝沉降的影響

控制APAM絮凝劑單耗（37.925g/t），全尾砂質(zhì)量濃度（25.162%），進(jìn)行絮凝劑不同添加濃度（1#0.5‰、2#0.75‰、3#1‰、4#1.25‰、5#1.5‰）的絮凝沉降試驗(yàn)，設(shè)置不加絮凝劑的對(duì)照試驗(yàn)（6#）。絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，終點(diǎn)時(shí)刻固液分層面高度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖5，沉降速度曲線見(jiàn)圖6。

從表5、圖5和圖6可以看出，全尾砂漿固液分界面15 s內(nèi)沉降速度最快，最快可達(dá)4.611 mm/s，15～30 s仍能保持較快的沉降速度，之后沉降速度急劇降低，2～5 min后沉降速度變慢，僅有15 s內(nèi)的10%～20%，5 min后沉降速度降為0.05 mm/s以下，10 min后沉降速度降為0.01 mm/s以下。當(dāng)添加的APAM溶液濃度不同時(shí)，全尾砂漿固液分界面沉降速度有一定區(qū)別，添加濃度為1‰的APAM溶液的全尾砂漿沉降效果最好，15 s內(nèi)的平均沉降速度可達(dá)4.611 mm/s，極限濃度達(dá)到65.574%。

2.3.1 最佳絮凝劑添加濃度回歸分析

為得出最佳絮凝劑添加濃度，在APAM絮凝劑單耗37.925 g/t，全尾砂質(zhì)量濃度25.162%時(shí)進(jìn)行全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)，取該試驗(yàn)下1 min內(nèi)的平均沉降速度v作為擬合相關(guān)參數(shù)，建立絮凝劑濃度影響曲線（如圖7），各添加濃度對(duì)應(yīng)的1 min平均沉降速度見(jiàn)表6。

由絮凝劑濃度與平均沉速擬合曲線能夠看出，絮凝沉降速度并沒(méi)有跟隨絮凝劑濃度的增大而相應(yīng)增大，而是在一定的范圍內(nèi)隨絮凝劑濃度增大而增大。因?yàn)樵谛跄砑訚舛瘸^(guò)最優(yōu)值時(shí)，絮凝劑相對(duì)來(lái)說(shuō)過(guò)多了，在尾砂顆粒與絮凝劑的空隙中會(huì)形成很多的絮團(tuán)水，使尾砂粒徑變大，而絮凝體體積增大密度就會(huì)和水的密度更接近導(dǎo)致絮凝沉速更慢［14］。分析擬合曲線可以得出當(dāng)絮凝劑濃度為1.032‰時(shí)，可得平均沉速最大值3.304 mm/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析

絮凝劑在內(nèi)聚力與絮凝劑長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的共同作用下使尾礦顆粒吸附聚集形成較大絮凝團(tuán)，從而加快尾礦顆粒的沉降速度［15］。APAM作為一種陰離子型高分子絮凝劑，其高分子長(zhǎng)鏈可以和多個(gè)尾砂顆粒鏈接，并在高分子長(zhǎng)鏈的活性基團(tuán)與尾砂顆粒表面作用下，把各個(gè)尾砂顆粒橋連成一個(gè)大的絮凝團(tuán)。要使APAM絮凝劑發(fā)揮出的絮凝沉降效果最好，必須確保①高分子絮凝劑的鏈環(huán)、鏈尾可以自由地和尾砂顆粒進(jìn)行鏈接；②尾砂顆粒表面的空位可以提供高分子長(zhǎng)鏈進(jìn)一步吸附。絮凝劑用量相對(duì)于全尾砂用量過(guò)少時(shí)，絮凝劑沒(méi)有足夠的鏈環(huán)、鏈尾無(wú)法形成更大的絮團(tuán)，渾液面中還有很多細(xì)顆粒尾砂難以下沉，絮凝沉降效果差。絮凝劑用量相對(duì)于全尾砂用量過(guò)多時(shí)，過(guò)多的高分子絮凝劑分子將部分尾砂顆粒表面完全覆蓋，絮凝劑不能起到很好的架橋作用，阻止了部分尾砂顆粒聚集形成絮團(tuán)，沉降速度變慢。

4 結(jié)論

（1）絮凝劑對(duì)該礦全尾砂絮凝沉降具有促進(jìn)作用，在APAM、NPAM、CPAM、PAC 4種絮凝劑中尤以APAM絮凝劑對(duì)絮凝沉降過(guò)程促進(jìn)作用最好。

（2）絮凝沉降速度并不會(huì)一直隨著絮凝劑添加量的增大而增大，絮凝劑添加量太少或過(guò)量都會(huì)對(duì)沉降速度的增加起到抑制作用。

（3）在添加的絮凝劑濃度和單耗合理的條件下，隨著全尾砂漿濃度的增大，絮凝沉降的速度會(huì)逐漸減小。

（4）該礦全尾砂漿濃度最優(yōu)值為25.162%，APAM絮凝劑最佳絮凝濃度為1.032‰，最佳絮凝單耗為37.925 g/t。