極細粒級尾砂絮凝沉降規律試驗研究

李宗楠，郭利杰，許文遠，史采星

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

極細粒級尾砂絮凝沉降規律試驗研究

李宗楠，郭利杰，許文遠，史采星

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

在尾砂充填系統中，細粒級尾砂沉降速率慢、沉降后的底流濃度低，在砂倉中很難靠自然沉降獲得理想的底流濃度，制約了尾砂充填的用料范圍。為了實現全尾砂充填，減少砂倉中細粒級尾砂的溢流跑渾，本文采用聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑，針對極細顆粒細尾砂在立式砂倉中的沉降規律進行了實驗研究，并建立了沉降相關參數的數學模型，得到了細粒級尾砂沉降規律。結果表明：在不添加絮凝劑條件下，漿液濃度與沉降速率基本呈線性規律，當添加絮凝劑之后，沉降速率與絮凝劑添加量的關系表現為非線性凸曲線，漿液濃度越高曲線越凸。對于特定的充填料漿濃度，在最佳絮凝劑添加量之前，沉降速率隨著絮凝劑添加量增大而加快，當絮凝劑添加量超過該最佳添加量，絮凝沉降速率隨絮凝劑添加量增大而減小。

尾砂充填；極細粒尾砂；絮凝沉降；沉降速率

立式砂倉頂部溢流水跑渾問題是充填工藝系統的主要難題之一，溢流跑渾不僅影響了立式砂倉的制砂量，同時也加大了對溢流回水的處理成本，是影響充填效益的主要因素之一。為提高尾砂充填利用率、降低溢流水含砂率，國內外學者進行了廣泛和深入的研究，目前針對極細顆粒尾砂在充填系統中主要采用添加絮凝劑的方法加以解決［1］。

本研究采用量筒沉降實驗［2］針對某銅礦山特細充填尾砂進行絮凝沉降實驗，研究沉降速率與尾砂漿液濃度、絮凝劑添加量之間的關系，為實現高效充填工藝提供基礎資料。實驗采用聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑進行靜態沉降實驗，按照礦山充填料漿液濃度范圍和常用絮凝劑設計添加量進行分組設計，對比實驗分析［3］。

1 靜態絮凝沉降實驗

1.1 實驗材料

1.1.1 絮凝劑

本實驗采用聚丙烯酰胺（PAM）陰離子型有機高分子絮凝劑（品牌：SNF；型號：AN934SH），產品為白色粉末，無毒、無味、無腐蝕性，相對分子量106級［4］。

1.1.2 細尾砂

對某銅礦山充填用細尾砂現場取樣，實驗室進行基礎數據測試，主要測試其容重、密度、孔隙率、粒級組成、滲透性、有害元素等。實驗室內采用比重瓶法SL237－005－1999測定尾砂比重為3.02g/cm3；測定含水率1.48%；XRD譜圖分析尾砂中以堇青石、珍珠云母、皂石為主。

粒度測試采用馬爾文激光粒度測試儀，結果如表1、圖1所示。

表1 尾砂粒級組成

數據分析表明，尾砂的不均勻系數10.27，不均勻系數較大，表明自然級配一般。

1.2 實驗設計

實驗方案設計時選用不同尾砂漿濃度、不同絮凝劑添加量的組合，對比分析，實驗參數如下所示。

尾砂漿濃度（%）：15；20；25。

絮凝劑添加量（g/t）：0；5；10；20；30。

圖1 粒徑分布曲線圖

1.3 實驗過程

實驗過程如圖2所示。

1）稱量與絮凝劑溶液制備：配置0.5%的絮凝劑溶液，按設計比例稱量尾砂和水。

2）漿液制備：按設計要求將稱量好的尾砂和水，并在帶刻度標簽的量筒里充分攪拌，制備設計要求濃度的尾砂漿液。

3）添加絮凝劑：用移液管向制備好的的尾砂漿液里添加絮凝劑溶劑，添加量按設計要求，并用帶網孔橡膠墊的玻璃棒適當攪拌。

4）靜置并讀取尾砂漿液沉降過程中漿液與清水分界面高度。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

實驗數據經整理繪制曲線，如圖3～5所示。

從三種不同濃度的絮凝沉降規律曲線可以看出，尾砂在剛開始沉降時，各濃度分組的沉降高度均勻增加，表明沉降速率均勻，且初期，添加有絮凝劑的沉降速率明顯較快，曲線達到穩定的時間明顯提前。通過曲線變化規律可看出，當達到一定的沉降高度后，各組沉降曲線的高度不再增加，表明沉降速度逐步放慢，并趨于穩定；根據尾砂在立式砂倉中的沉降規律，結合試驗情況，尾砂自然沉降速率應該按照尾砂前期恒定的均勻沉降速度計算。

按照設計參數，分別針對3組濃度5組絮凝劑添加量配比進行實驗測試，整理實驗后數據，可得表2。

表2 實驗結果/（cm/min）

圖2 實驗過程

圖3 絮凝沉降規律曲線（尾砂漿液濃度15%）

圖4 絮凝沉降規律曲線（尾砂漿液濃度20%）

圖5 絮凝沉降規律曲線（尾砂漿液濃度25%）

2.2 實驗分析

1）15%濃度下，溢流尾砂絮凝沉降速率隨絮凝劑添加量增加而增大，且明顯比不添加絮凝劑情況下的沉降速率要大許多。

2）20%濃度下，最大沉降速率對應某一最佳絮凝劑添加量，實驗過程中，對應絮凝劑添加量為10g/t時，具有最大沉降速率，且明顯比不添加絮凝劑情況下的沉降速率要大許多。

3）25%濃度下，絮凝劑添加量對沉降速率影響不是很明顯，從圖6中曲線變化規律來看，隨著絮凝劑添加量增大，沉降速率有所增長，當絮凝劑添加量達到30g/t，出現小幅度的降低，表明，相對較高的濃度，絮凝劑對沉降速率的作用一定程度上受到濃度影響與制約。

圖6反映了沉降速率與絮凝劑添加量的關系趨勢。

圖6 絮凝劑添量與沉降速率關系

圖6表明，絮凝劑對沉降速率的影響趨勢，在同一個濃度條件下隨著絮凝劑增加沉降速率加大，其趨勢基本上成線性；另外，對比三個濃度條件下，趨勢線的增長情況來看，20% 濃度條件具有較大的斜率，反映了絮凝劑對沉降速率的影響與濃度具有很大關系，在10% 濃度條件下，絮凝劑添加量在10g/t及以下范圍能獲得較好的沉降效果。

圖7表明，當添加絮凝劑之后，沉降速率與絮凝劑添加量的關系表現為非線性凸曲線，漿液濃度越高，曲線越凸，說明針對特定的漿液濃度，存在最佳絮凝劑添加量，在此最佳絮凝劑添加量之前，沉降速率隨著絮凝劑添加量增大而加快，當絮凝劑添加量超過該最佳添加量之后，絮凝沉降速率隨絮凝劑添加量增大而減小。

3 數據分析

3.1 數學模型

圖7 尾砂漿濃度與沉降速率關系

根據試驗結果及數據分析，對實驗結果進行簡化以建立數學模型，前提條件：①尾砂漿液濃度對沉降速率影響呈線性變化；②絮凝劑添加量對沉降速率影響呈二次多項式關系。

取應變量z為沉降速率，單位cm/min；自變量x是尾砂漿液濃度x，單位% ；自變量y是絮凝劑添加量，單位g/t。沉降速率z由某函數f（x，y）表示，z＝f（x，y），則上述條件表示為式（1）、式（2）。

式中：a，b，c為待定系數，C，K為常數。

針對不同濃度，最小二乘法擬合沉降速率z與絮凝劑添加量的關系，可以得到常數項K，以向量形式表示：K（k1，k2，k3）＝（0.0991，0.1511，0.0232），數值分別表示濃度x（x1，x2，x3）＝（15%，20%，25%）對應曲線的斜率，如圖6所示。

由式（1）建立矩陣方程（式（3）），求解待定系數（a，b，c）。

解此方程，得到待定系數（a，b，c）＝（－35.98，13.633，－1.1363），則可建立如式（4）所示數學模型。

3.2 數學模型分析

上述數學模型能夠解釋較高濃度砂漿條件下的沉降規律，在本實驗條件下，與25%砂漿濃度吻合較好；在較低砂漿濃度下，絮凝劑對沉降速率影響從數據情況來看，數據變化的“上凸”不是太明顯，式（2）不夠充分，有待進一步研究。

4 結論

本文針對極細尾砂絮凝沉降開展了相關實驗研究，采用聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑對極細顆粒細尾砂的沉降規律進行了試驗研究，得到了細粒級尾砂絮凝沉降規律。結果表明：在不添加絮凝劑條件下，漿液濃度與沉降速率呈線性規律，當添加絮凝劑之后，沉降速率與絮凝劑添加量的關系表現為非線性關系的凸曲線，尾砂漿液濃度越高曲線越凸。這說明對特定的料漿濃度，存在最佳絮凝劑添加量，在此最佳絮凝劑添加量之前，沉降速率隨著絮凝劑添加量增大而加快，當絮凝劑添加量超過該最佳添加量之后，絮凝沉降速率隨絮凝劑添加量增大而減小；同時，對絮凝沉降規律建立了相關數學關系建模，經試驗驗證其模型與較高濃度的充填料漿沉降規律吻合較好。

［1］王方漢，陳德標.立式砂倉絮凝濃縮泥漿技術研究與應用［J］.金屬礦山，2000（1）：21－24.

［2］周興龍，張文斌.量筒內進行礦漿沉降試驗的方法［J］.有色金屬：選礦部分，2005（5）：30－32.

［3］王建軍，許文遠，郭利杰.全尾砂絮凝沉降規律研究［J］.中國礦業，2012，21（6）：92－94.

［4］焦華喆，王洪江，吳愛祥，等.全尾砂絮凝沉降規律及其機理［J］.北京科技大學學報，2010，32（6）：702－707.

Experimental study on flocculation sedimentation of fine tailings

LI Zong－nan，GUO Li－jie，XU Wen－yuan，SHI Cai－xing
（Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China）

In the tailings filling system，more slowly sedimentation rate and more slowly concentration at the bottom in sand tank for fine tailing，are hardly obtain an good requirement of the concentration in the tank bottom by natural sedimentation.This，of cause，restrict the scope of tailings filling material.Experiment using polyacrylamide for fine unclassified tailings has been done and analysis of the low for sedimentation in the tank has been made in this study.It is showing that the tail slurry concentration and sedimentation rate increases linearly.When adding flocculants，the relationship between sedimentation velocity and flocculants addition amount are nonlinear relation，and shown by convex curve，the higher the tailing slurry concentration，the more convex the curve are.This indicate that it must be an optimum flocculants adding amount，less than it，the sedimentation rate speeding up along with the increasing flocculants adding amount，more than it，the sedimentation rate do not speeding up along with the adding amount，but decreased.

tailings filling；fine tailings；flocculating sedimentation；sedimentation rate

李宗楠（1985－），男，貴州六盤水人，助理工程師，碩士研究生學歷，研究方向為采礦工藝與充填技術。E－mail：lizongnanbgrimm＠163.com。

TD926.2

A

1004－4051（2014）S2－0215－04

2014－09－22

國家科技支撐計劃資助（編號：2013BAB02B02）