細尾砂漿自然濃縮規(guī)律試驗研究

曹三六，李宗楠，余小明，魏曉明

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦， 安徽 安慶 246131；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京100160；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 100160)

濃縮性質(zhì)是尾砂的一個重要特性，在研究尾礦利用方面具有重要的研究價值，尾礦的濃縮性質(zhì)受尾礦固體顆粒粒度的影響，在沉降過程中表現(xiàn)出不同的沉降特征。不同的給料濃度(或稱初始濃度)，尾砂漿的沉降過程和相應(yīng)的工藝指標迥異[1-4]。呂憲俊等[2-3]、李宗楠等[4]以某細粒鐵礦尾礦為研究對象，進行了全尾礦高濃度濃縮試驗研究，結(jié)果表明，采用水力旋流器能夠使低濃度尾礦漿得到有效濃縮，旋流底流能達到70%左右，底流產(chǎn)率達65%；李宗楠等[5]、王寧[6]、王方漢等[7]、周興龍等[8]在大量試驗研究基礎(chǔ)上，對細粒級尾砂絮凝沉降過程進行了深入研究，認為在自然沉降條件下，尾砂漿初始濃度與沉降速率基本呈線性規(guī)律，在絮凝沉降條件下，沉降速率與絮凝劑劑量呈非線性關(guān)系。大量的研究工作對尾砂的濃縮性質(zhì)進行了充分有力的探索，對影響尾砂濃縮性質(zhì)的內(nèi)外因素進行了深入的研究和分析[9-11]。本文在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了低濃度、中-高濃度和高濃度等不同初始濃度的細尾砂漿，開展自然沉降試驗，研究尾砂漿在不同初始濃度條件下的濃縮規(guī)律，可為尾砂利用提供參考。

1　自然沉降原理與方法

1.1　尾砂沉降過程中的分區(qū)特征

細尾砂漿沉降過程可分為四個區(qū)段，清水區(qū)、(自由)沉降區(qū)、干擾區(qū)和沉實區(qū)，見圖1。

圖1　沉降過程分區(qū)

其中，(自由)沉降區(qū)段發(fā)生于尾砂起始沉降段，該區(qū)段內(nèi)，砂漿中的固體顆粒在溶液中自由沉降，受有效自重應(yīng)力作用而下沉，沉降曲線表現(xiàn)為一斜直線；當隨著固體顆粒下沉量數(shù)量增大，固體顆粒之間將在沉降過程中發(fā)生相互干擾，沉降速率逐漸降低，直至進入沉實區(qū)，在沉降曲線中，表現(xiàn)為一曲線段區(qū)域，即為干擾沉降區(qū)；之后，沉降穩(wěn)定，固體顆粒不再發(fā)生明顯的下沉而堆積于漿液體系底部，沉降曲線趨于水平直線，進入沉降穩(wěn)定區(qū)。細顆粒在自然沉降過程中，干擾區(qū)段的曲線規(guī)律在試驗過程中不明顯，且試驗前期，因沉降速率很慢，難以有效觀測到清液面。

1.2　自然沉降試驗方法

試驗采用量筒法測試，采用2 000 mL帶刻度標簽的量筒開展尾砂沉降實驗。按設(shè)計的濃度配料后，裝入量筒中，采用帶孔擾動器對量筒內(nèi)砂漿進行上下擾動，擾動一定次數(shù)后，砂漿渾濁，顆粒懸浮，停止擾動，同時秒表開始計數(shù)，記錄量筒內(nèi)沉縮砂面不同時刻的高度，一定時間后，砂面高度趨于穩(wěn)定，屆時上清液和沉縮體分界明顯，通過記錄的砂面降低高度與時間關(guān)系，繪制沉降曲線，并選取直線段計算沉降速率，靜置24 h后，虹吸排走上清液，通過稱量砂、水、量筒質(zhì)量及虹吸排凈上清液后量筒與沉縮漿體的質(zhì)量，計算得出平均底流濃度。沉降速率的計算公式見式(1)。

v=60×ΔH/Δt

(1)

式中：v為沉降速率，m/min；ΔH為沉降曲線直線段下降高度，cm；Δt為沉降曲線直線段對應(yīng)下降高度的時間，s。

底流濃度的計算公式見式(2)。

(2)

式中：Cw為平均底流濃度，%；ms為砂漿液中砂質(zhì)量，g；mw為砂漿液中水質(zhì)量，g；mbsw為砂漿液與瓶總質(zhì)量，g；mbs為沉降穩(wěn)定、排除上清液后，砂漿液與量筒總質(zhì)量，g。

2　自然沉降實驗

2.1　尾砂物理化學性質(zhì)

采用比重瓶法對試驗尾砂進行了相對密度測試，測得試驗尾砂相對密度為3.19；采用容砂瓶法開展了試驗尾砂密度(容重)測試工作，測得尾砂密度為1.39 g/mL，結(jié)合相對密度計算其松散狀態(tài)下的孔隙率和孔隙比，分別為56.5%和1.30。

開展了尾砂化學分析工作，其中，S元素采用全元素分析，測得結(jié)果為1.19%。采用ICP發(fā)射光譜半定量分析對尾砂主要礦物(元素)組分進行了分析，從檢測結(jié)果來看，尾砂中Fe元素含量相對較高，約8%，依次為Mg、Al、Ca、Mn等元素，尾砂中有毒有害元素，如Pb、As、S等元素含量較低，滿足礦山充填要求。對試驗用水陰離子含量進行了檢測工作，測定試驗水pH值為7.62，屬于弱堿性。

2.2　尾砂粒度測定

開展了試驗尾砂粒度測試與級配分析，測得尾砂粒度并繪制了級配曲線，見圖2。測得主要粒度指標見表1，其中關(guān)鍵指標有：尾砂比表面積0.894 m2/g；中值粒徑37.592 μm； 0.038 mm以下尾砂顆粒占比49.81%； 0.074 mm以下尾砂顆粒占比65.26%。從礦山應(yīng)用方面分析，試驗尾砂屬于細微砂。

2.3　自然沉降試驗設(shè)計

為了研究自然沉降底流濃度與尾砂漿初始濃度之間的關(guān)系，設(shè)計12組砂漿，砂漿質(zhì)量濃度分別為6%、8%、10%、12%、14%、20%、25%、30%、40%、45%、50%、55%，采用2 000 mL量筒開展量筒法試驗工作，測試過程中記錄沉降現(xiàn)象、澄清界面高度，沉降穩(wěn)定后靜置24 h后排除量筒中上部上清液，測各組底流濃度。

圖2　試驗尾砂級配曲線

表1　試驗尾砂粒級參數(shù)

試驗編號比表面積/(m2/g)相應(yīng)累計顆粒含量的分界粒徑/μmd10d30d50d60-0.038 mm占比/%-0.074 mm占比/%曲率系數(shù)Cc不均勻系數(shù)Cu試樣10.9042.78113.77137.38359.02149.7865.471.164.29試樣20.9162.74712.85733.63653.15252.0867.831.134.13試樣30.8622.94614.80841.75667.25947.5862.491.114.54均值0.8942.82513.81237.59259.81149.8165.261.134.32

3　試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

3.1　自然沉降試驗現(xiàn)象

在試驗過程中，細尾砂漿低濃度系列6%～14%，沉降速度較慢，在試驗開展30 min內(nèi)無明顯的清水區(qū)出現(xiàn)，沉降區(qū)濁度較大，難以準確讀出沉降面高度；對于中高濃度系列20%～30%，出現(xiàn)雙分層現(xiàn)象，上部沉降分界面不明顯，底部迅速產(chǎn)生沉降面，且在1～3 min內(nèi)出現(xiàn)兩層分界面，下部為較粗砂層，中部為細顆粒層，上部為清液層，見圖3；對于高濃度系列44%～55%，存在雙分層現(xiàn)象，但上部沉降區(qū)與清水區(qū)分界線明顯，在1 min內(nèi)出現(xiàn)明顯的沉降面，可讀出沉降高度隨時間的變化情況，清水區(qū)濁度不大。

圖3　自然沉降過程中三分層現(xiàn)象

3.2　自然沉降試驗結(jié)果

24 h后，采用虹吸法，排除上清液，測各組底流濃度，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，總體上，自然沉降底流濃度隨細尾砂漿初始濃度增加而增加，其中，低濃度組底流濃度介于66.4%～68.8%，中等濃度系列底流濃度介于66.4%～68.8%，高濃度系列底流濃度介于73.3%～75.2%。根據(jù)實驗結(jié)果，尾砂漿初始濃度與底流濃度之間的變化規(guī)律曲線見圖4。

由圖4可知，隨著自然沉降砂漿初始濃度逐步增加，從尾砂初始濃度8%， 逐步增加至尾砂漿初始濃度55%，相應(yīng)尾砂漿自然沉降底流濃度從66.4%逐步增加至75.2%，且二者變化規(guī)律趨于直線型，擬合公式見式(3)。

表2　自然沉降底流濃度測試結(jié)果

圖4　自然沉降砂漿初始濃度與底流濃度關(guān)系曲線

Cw=0.16C0+66.4%C0∈(8%,55%)

(3)

式中：Cw為自然沉降底流濃度，%；C0為自然沉降尾砂漿初始濃度或稱為入料濃度，%。

尾砂漿自然濃度速率普遍較低，對于可讀出沉降高度的高濃度系列，根據(jù)沉降高度與時間的關(guān)系繪制沉降曲線，見圖5。從沉降曲線擬合沉降速率結(jié)果分析，對于高濃度系列沉降速率隨著砂漿濃度增加有降低的趨勢，40%、45%、50%和55%砂漿濃度沉降速率分別為0.280 cm/min、0.164 cm/min、0.131 cm/min和0.09 cm/min。

圖5　高濃度尾砂漿自然沉降曲線

3.3　自然沉降試驗分析

1) 試驗尾砂為細尾砂，其中0.038 mm以下顆粒占比49.8%， 0.074 mm以下顆粒占比65.26%。在沉降過程中，細顆粒比表面積較大，顆粒沉降過程中的黏滯阻力較大，沉降速率因而較大；而對于粗顆粒部分，因其比表面積相對較小，沉降過程中的黏滯阻力較小，沉降速率因而較小。對于低濃度系列，單位體積漿液中，顆?？偭可?，少量的粗顆?？焖傧鲁?，進入沉實區(qū)，因其量少，難以在量筒底部觀測出分層界面，而細顆粒部分懸浮在液體中，緩慢下沉，因其沉降速率極慢，沉降區(qū)范圍較寬，因而難以讀出漿液清濁分層界面；對于中等濃度系列尾砂漿，粗顆?？焖傧鲁吝M入沉實區(qū)，與沉降速率較慢的細顆粒部分發(fā)生離析、分層，沉降區(qū)上部為細顆粒部分，沉降緩慢，下部粗顆粒部分則快速堆積、沉縮，因而出現(xiàn)粗細分層界面(圖3)，從試驗現(xiàn)象來看，細顆粒部分沉降界面出現(xiàn)時間在30 min以上，而粗顆粒堆積成層所需時間大約在1 min左右，表明粗顆粒部分的沉降速率要大大超過細顆粒沉降速率；對于高濃度的尾砂漿，粗、細顆粒在沉降過程中受顆粒比表面積差異影響，發(fā)生粗細分層離析，在量筒下部出現(xiàn)粗、細顆粒分層界面，而沉降過程中上部的細顆粒，其濃度較高，顆粒沉降能較快的進入干擾沉降階段，沉降過程中，顆粒之間相互干擾，顆粒與顆粒間的沉降速率大致相當，因而，在清水與濁液間出現(xiàn)明顯的分界面。

2) 高入料濃度形成高底流濃度，與漿體沉實區(qū)壓力有很大關(guān)系。隨著砂漿濃度增加，密度增大，高濃度尾砂漿底部沉實區(qū)壓力較大、密實度高、孔空隙率相對較低，飽和自由水含量少，因而平均底流濃度要高，試驗結(jié)果見圖4。當濃度為10%時，底流濃度為68.4%；濃度為20%時，底流濃度為69.6%；濃度為30%時，底流濃度為71.0%；濃度為40%時，底流濃度為73.3%；濃度為50%時，底流濃度為74.3%。這些數(shù)據(jù)表明底流濃度隨入料濃度的變化規(guī)律呈近似直線型，可用式(3)表征這一特征。

4　結(jié)　論

1) 本文根據(jù)細尾砂漿沉降過程，設(shè)計了低濃度、中-高濃度和高濃度等不同初始濃度的細尾砂漿自然沉降試驗。通過分析細尾砂漿自然沉降底流濃度的測試結(jié)果，得出尾砂漿初始濃度在范圍8%～55%內(nèi)與其自然沉降底流濃度之間的擬合公式。中低濃度尾砂漿自然沉降過程中，“清水區(qū)”濁度較高，沉降面不明顯，且出現(xiàn)“三分層現(xiàn)象”，表明在沉降過程中有明顯粗細分層現(xiàn)象。

2) 根據(jù)高濃度尾砂的沉降曲線變化規(guī)律可知，沉降速率隨著砂漿濃度增加呈降低趨勢。其中，40%、45%、50%和55%砂漿濃度沉降速率分別為0.280 cm/min、0.164 cm/min、0.131 cm/min和0.09 cm/min，研究成果可為細尾砂利用提供參考。