尾礦濃密中泥層沉降速度變化及顆粒沉降特性

侯賀子，李翠平，王少勇，顏丙恒

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京，100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083)

隨著生產力的發展和社會的進步，人類對礦產資源有了更多的需求，礦產開采規模也不斷擴大。隨之而來的是，礦山開采產生尾礦量的快速增加，導致出現水體污染、土地破壞、尾礦庫安全等突出問題[1-3]。對于解決尾礦庫環境污染、保證礦山可持續發展，應運而生的膏體充填技術發揮重要作用[4]。膏體充填技術能夠充分利用尾礦，避免分級尾砂只能處理粗顆粒而留下細顆粒的問題，可以真正地建設“無尾”礦山。但是全尾砂膏體充填目前存在一個技術難題，即超細尾礦顆粒的濃密脫水。當前選礦工藝為了更好地實現礦物分離，將礦石粒度越磨越小，導致尾礦含泥量大、沉降困難[5]。并且，超細全尾顆粒沉降速度慢，不及分級尾砂的1/10[6]。深入研究全尾礦絮凝沉降現象，充分揭示絮凝沉降宏觀及微觀規律，對于加快尾礦顆粒沉降速度、提高濃密脫水效率具有重要意義。目前，對應尾礦濃密方面的研究主要側重于尾砂沉降宏觀物理量規律和濃密技術設備，包括不同條件下絮凝沉降變化規律、濃度和添加的絮凝劑對全尾砂沉降的影響、全尾砂沉降參數優化預測、深錐濃密機參數確定、深錐濃密系統分析等[7-13]。在絮凝沉降中，沉降柱呈現出4個沉降區域，即澄清區、自由沉降區、干涉沉降區和壓密區，其中干涉沉降區具有變濃度特性、自由沉降區具有等濃度特性。但對尾礦顆粒絮凝沉降性質研究較少，尾礦顆粒粒徑決定其沉降特性，在絮凝沉降早期階段，由于顆粒沉降特性的差異，最初均勻的全尾砂漿的不同粒徑尾礦顆粒開始發生分離，不同沉降區域的尾礦顆粒粒徑分布不同[14-16]，因此，不同沉降階段的泥層沉降速度發生變化。為了進一步探究全尾礦濃密沉降規律，立足宏觀和微觀2個尺度進行實驗研究。首先，開展全尾礦絮凝沉降宏觀實驗，根據不同料漿濃度、絮凝劑單耗下的沉降速度結果，分析沉降速度的宏觀變化趨勢，獲得全尾砂絮凝沉降速度規律曲線。其次，開展不同沉降區域尾礦顆粒微觀實驗，使用環境掃描電子顯微鏡(ESEM)觀測不同沉降區域尾礦絮凝沉降樣品，獲得不同沉降區域的尾礦顆粒粒徑分布狀況，揭示不同粒徑尾礦顆粒的微觀沉降特性。

1 實驗材料及觀測設備

1.1 全尾砂

實驗尾砂為某金屬礦密度為2.74 g/cm3的全尾砂。使用激光粒度儀測試尾砂粒徑，尾砂粒度分布結果如圖1所示。

圖1 尾砂粒度分布曲線Fig.1 Size distribution curve of tailings

由圖1可知：尾砂d50為20.56 μm，d90為79.75 μm，尾砂中粒徑小于20.00 μm的顆粒超過46.78%，屬于細粒尾砂[17]；尾砂不均勻系數為6.84。通過能譜儀(EDS)得到全尾砂中的化學元素及其質量分數，尾砂化學元素質量分數分析結果如表1所示，尾砂中質量分數較多的元素有O，Si和C等，其中金屬元素主要有Fe，Al，Ca，Mg，Na和K等。

表1 尾砂化學元素質量分數Table 1 Chemical element mass fraction of tailings

1.2 絮凝劑

金屬礦全尾礦漿中含帶有正電荷的顆粒，加入負電性的絮凝劑能夠發生電荷中和作用，降低顆粒表面動電位，導致小顆粒凝結成大絮團，加快沉降速度[18-19]。本次實驗選用對金屬礦山全尾礦具有良好絮凝效果的有機高分子絮凝劑，陰離子聚丙烯酰胺(APAM)[20]。絮凝劑外觀為白色顆粒，無臭、無毒、無腐蝕性，固體質量分數大于等于90%，相對分子質量為1 200萬。

1.3 環境掃描電子顯微鏡（ESEM）

使用FEI Quanta FEG 450場發射環境掃描電鏡微觀觀測尾礦絮凝沉降樣品。ESEM 不僅具有分辨率高、放大倍數大、立體感強的優點，而且能夠直接觀測含有一定水分的尾礦絮凝沉降樣品，無需將樣品干燥噴涂等處理[21-23]，可以滿足尾礦絮凝沉降樣品微觀觀測要求。

2 全尾礦絮凝沉降宏觀實驗

2.1 實驗方法

1)在燒杯中配置質量分數為0.5%的絮凝劑溶液，使用電動攪拌器充分攪拌絮凝劑溶液。

2)制備質量分數為20%，25%和30%的全尾砂料漿，并將料漿分別倒入容量為1 000 mL的量筒中。

3)向不同質量分數料漿的量筒內添加配置好的絮凝劑溶液，之后攪拌5 s使絮凝劑與料漿混合均勻，添加的絮凝劑的單耗分別為20，40和60 g/t。

4)靜置全尾砂料漿，記錄不同時刻的泥層高度，計算出沉降速度。

2.2 泥層沉降速度變化規律

通過全尾砂絮凝沉降實驗，得到不同沉降時間泥層沉降高度表，如表2所示。在表2 中記錄3 種不同質量分數的全尾砂料漿在加入3種不同質量分數單耗絮凝劑后，不同時刻的泥層沉降高度情況。

運用表2中所列數據計算每一時刻泥層沉降速度值。泥層沉降速度，通過下式計算：

表2 不同沉降時間泥層沉降高度Table 2 Sedimentation height of mud layer in different settling time mm

式中：vi為第i時刻的泥層沉降速度；hi+1，hi和hi-1分別為第i+1，i和i-1 時刻的沉降高度，ti+1，ti和ti-1分別為第i+1，i和i-1時刻的沉降時間。

2.2.1 料漿質量分數對沉降速度的影響分析

為分析料漿質量分數對沉降速度的影響，選定絮凝劑單耗40 g/t的情況下，全尾砂料漿質量分數為20%，25%和30%時，沉降速度隨時間的變化情況如圖2所示。

從圖2可以看出：料漿質量分數對沉降速度具有顯著的影響，較低質量分數料漿具有更高的前期沉降速度；在前10 min 內，質量分數為20%的料漿沉降速度超過質量分數為30%的料漿沉降速度的2倍。在前30 min 內，質量分數20%，25%和30%的料漿最大沉降速度分別為11.5，9.5和4.5 mm/min；在這段時間內，不同料漿的沉降速度差距不斷縮小。在30～40 min內，不同質量分數料漿的沉降速度都在2 mm/min左右，較低質量分數料漿還會更早進入壓密區壓密階段，20%，25%和30%的質量分數料漿分別在45，55和90 min進入壓密區壓密階段。

料漿質量分數越低，料漿內尾礦顆粒之間間隙越大，因而顆粒向下沉降和液體上流的阻力相應越小，沉降速度會越高。

圖2 不同料漿質量分數沉降速度變化Fig.2 Variation of settling velocity of different slurry mass fraction

2.2.2 絮凝劑單耗對沉降速度的影響分析

當絮凝劑單耗低于合適單耗時，很多細小的尾礦顆粒難以充分絮凝成為絮團；當絮凝劑過量時，尾礦顆粒表面電位反相增加，尾礦顆粒變得更加穩定，同樣不利于顆粒絮凝。只有在合適的絮凝劑添加量下，絮凝效果發揮最佳，沉降速度才能夠達到最大。

為分析絮凝劑單耗對沉降速度的影響，選定當全尾砂料漿質量分數為25%，加入的絮凝劑單耗為20，40和60 g/t 時，沉降速度隨時間的變化結果如圖3所示。

從圖3可以看出：絮凝劑單耗對沉降速度有明顯影響，合適的絮凝劑添加量才能有更快的沉降速度；在前20 min內，絮凝劑單耗為20，40和60 g/t的料漿最大沉降速度分別為3.0，9.5和5.5 mm/min。在10～50 min時，絮凝劑單耗為40 g/t的料漿沉降速度不斷下降，絮凝劑單耗為60 g/t的料漿沉降速度基本穩定在2.5 mm/min，絮凝劑單耗為20 g/t的料漿沉降速度基本穩定在2 mm/min；在55 min 后，絮凝劑單耗為40 g/t的料漿沉降速度很小，最快進入壓密區壓密階段；絮凝劑單耗為60和20 g/t的料漿分別在60和90 min后，進入壓密區壓密階段。

圖3 不同絮凝劑單耗沉降速度變化Fig.3 Variation image of settling velocity of different flocculant consumption

2.2.3 沉降速度變化趨勢分析

基于料漿質量分數和絮凝劑單耗對沉降速度的影響，根據圖2和圖3所示的沉降速度變化關系能夠看到所有曲線大致具有相同的沉降速度變化趨勢。在前5 min，沉降速度位于曲線最高段，此時曲線斜率的絕對值也較大，沉降速度下降速率較快；在5～10 min內，沉降速度基本保持不變，或者出現小幅度振蕩；在10～40 min內，沉降速度基本不變，或者沉降速度以較慢速率下降，此時曲線斜率的絕對值明顯低于前5 min曲線斜率的絕對值；在40～60 min內，曲線斜率絕對值出現較大增長，沉降速度由相對平穩又轉為快速減小；在60 min 后，沉降速度很小，沉降速度曲線基本與沉降時間軸平行。

在絮凝沉降過程中，沉降柱自上而下出現了澄清區、自由沉降區、干涉沉降區和壓密區共4個沉降區域。同時，伴隨不同沉降區域的形成、過渡和消失，泥層沉降速度發生改變；這在沉降速度變化曲線上得到很好地體現，也是每條沉降曲線具有相同變化趨勢的原因。

2.3 泥層沉降速度規律曲線分析

根據全尾礦絮凝沉降實驗的泥層沉降速度變化趨勢，獲得如圖4所示的全尾砂絮凝沉降速度規律曲線。由圖4可見：靜態絮凝沉降規律曲線表現為5個階段，從沉降區域內微觀顆粒沉降特性角度，初步分析宏觀泥層沉降速度變化規律：

圖4 沉降速度規律曲線Fig.4 Curve of settling velocity regularity

2.3.1 自由沉降前段(AB段)

這是絮凝沉降最開始階段，自由沉降區在量筒中占大部分比例，細小易絮凝的尾礦顆粒絮凝成為絮團，較大顆粒以單顆粒形式存在，顆粒絮團之間相互間隙較大，故沉降阻力較小，顆粒絮團向下運動較快，因而表現為泥層沉降速度較快；在此階段，不同顆粒開始出現分離，主要為部分較大粒徑單顆粒和大密實絮團以更快的沉降速度沉降到量筒底部位置。伴隨著沉降，澄清區、干涉沉降區和壓密區相繼出現和擴大，自由沉降區域體積不斷減小，AB段泥層沉降速度快速減小。

2.3.2 自由沉降末段(BC段)

經過AB段后，速度較快的較大尾礦顆粒、密實絮團等基本沉降到干涉沉降區和壓密區，自由沉降區主要為較小粒徑顆粒，顆粒粒度相差不大，同時自由沉降區的絮團尺寸也都比較均勻，尾礦顆粒、絮團基本保持勻速下降；干涉沉降區和壓密區區域穩步擴大，對自由沉降區沉降的顆粒、絮團有穩定的接收承載能力。因此，BC段泥層沉降速度僅有小幅振蕩，基本保持穩定。

2.3.3 干涉沉降前段(CD段)

在CD段，自由沉降區域已經完全消失，干涉沉降區的干涉沉降決定泥層沉降速度。干涉沉降區越往下部濃度越大，顆粒絮團之間間隙越小，導致沉降阻力增大，沉降速度因而不斷降低，使CD段速度明顯比AB段和BC段的小。若料漿質量分數、絮凝劑單耗等導致前期沉降速度相對較快，則CD段沉降速度表現為不斷減小；反之，料漿質量分數、絮凝劑單耗等使前期沉降速度相對較慢，CD段沉降速度就會保持相對穩定。

2.3.4 干涉沉降末段(DE段)

干涉沉降區域的范圍比較小，同時干涉沉降區域為沉降速度最慢的細小尾礦顆粒和小尾礦絮團。DE段沉降速度較CD段更低，隨著干涉沉降區域逐漸減小消失，泥層沉降速度快速減小。

2.3.5 壓密段(EF段)

量筒只有澄清區和壓密區，顆粒、絮團全部沉降到壓密區位置，隨著沉降時間的增加，顆粒、絮團之間孔隙不斷減小，壓密區更為密實，泥層沉降越來越不明顯。

微觀顆粒沉降特性不同，在沉降過程中造成不同沉降區域尾礦顆粒差異分布，并隨著沉降區域的形成、過渡和消失，使宏觀泥層沉降速度表現出階段變化特征。

3 不同沉降區域尾礦顆粒微觀實驗

3.1 實驗方法

基于全尾砂絮凝沉降實驗，在全尾礦絮凝沉降早期，針對量筒的不同刻度位置取樣，使用ESEM微觀觀測樣品。

首先，在燒杯內配置好質量分數為0.5%的絮凝劑溶液，使用攪拌器將絮凝劑溶液充分攪拌均勻；之后，配置質量分數為20%的全尾砂料漿，將混合均勻的料漿倒入容量為1 000 mL的量筒中；按照40 g/t的絮凝劑添加量，向裝有全尾砂料漿的量筒中添加配置好的絮凝劑溶液，絮凝劑溶液加入料漿后，在量筒中快速攪拌5 s 使絮凝劑在全尾砂料漿中混合均勻；然后，靜置全尾砂料漿，觀察到料漿液面從初始高度870 mL刻度處開始緩緩下降。

當靜置的全尾砂料漿的泥層高度到達量筒的600 mL刻度位置時，進行尾礦絮凝沉降樣品的取樣工作。分別在量筒的600，400和200 mL刻度處及量筒最底部，使用取樣器在量筒內取樣。取樣后，立即使用ESEM 對尾礦絮凝沉降樣品進行微觀觀測。ESEM 設置為環境真空模式，樣品室氣壓200 Pa，加速電壓10 kV。

3.2 不同位置處尾礦顆粒情況與分析

根據全尾砂絮凝沉降實驗，600 mL 刻度位置附近是泥層，澄清區與沉降區的分界面；400 mL 刻度處上部尾礦顆粒與絮團比較均勻、運動穩定，400 mL刻度處下部顆粒、絮團運動不均衡、擠壓增多，大量絮團被擠壓破碎；200 mL 刻度下部比其上部明顯更為密實，顆粒、絮團在200 mL 刻度處沉降后基本靜止，200 mL 刻度處附近大致是沉降區與壓密區分界面；底部處，顆粒基本保持靜止，從上到下孔隙越來越小，底部屬于壓密區。因此，600 mL 刻度以上為澄清區，200～600 mL刻度區間為沉降區(包含自由沉降區和干涉沉降區)，200 mL 刻度以下為壓密區。

3.2.1 沉降區尾礦顆粒情況與分析

使用ESEM 觀測600，400和200 mL 刻度處的樣品，觀測結果如圖5所示。

圖5 不同位置處樣品尾礦顆粒電鏡觀測圖Fig.5 Electron microscopic observation of tailings particles at different positions of samples

為了能夠定量分析電鏡圖像中尾礦顆粒粒徑情況，對圖5電鏡圖像進行處理，獲取所有尾礦顆粒的粒徑，如表3所示，并進一步繪制不同粒徑顆粒數量直方圖，如圖6所示。由表3可知：600，400 mL 刻度處的顆粒粒徑情況相近，200 mL 刻度位置顆粒粒徑情況與前兩處相差甚大。200 mL 刻度處顆粒d10分別超過400和600 mL刻度處的4倍和6倍；200 mL刻度處顆粒d50超過了600和400 mL刻度處的3倍；200 mL 刻度處最大顆粒粒徑為26.39 μm，是400和600 mL 刻度處粒徑的2 倍和3 倍；200 mL 刻度處的顆粒平均粒徑也約為600和400 mL 刻度處顆粒平均粒徑的2 倍；對粒徑方差進行比較200 mL 刻度處顆粒粒徑不均勻性更為顯著；最后，通過計算峰態系數和偏度，能夠看到200 mL 刻度處顆粒的峰度和偏度比600，400 mL刻度處的更大。

3.2.2 壓密區尾礦顆粒情況與分析

使用ESEM觀測量筒底部壓密區處的樣品，觀測結果如圖7所示。從圖7可以看出：底部處的較大粒徑顆粒比較多，部分清晰完整的尾礦顆粒粒徑為82～174 μm，大粒徑尾礦顆粒粒徑明顯比上部沉降區顆粒大。另外，很多較小尾礦顆粒粘結成絮網狀，吸附在大顆粒表面。在圖7 右下方位置，有1 個直徑為150 μm的絮團，其中絮凝的尾礦顆粒粒徑基本都是在10 μm以下。

3.3 不同粒徑尾礦顆粒沉降特性分析

在絮凝沉降早期，在量筒越低位置，尾礦顆粒平均粒徑越大、大顆粒尾礦數目越多。因此，在絮凝沉降過程中，大粒徑尾礦顆粒能夠以較快的沉降速度沉降。

在200 mL 刻度下部的壓密區，會有許多大于26.5 μm的尾礦顆粒，該區域顆粒粒徑范圍很大。特別是在量筒底部壓密區，小粒徑尾礦顆粒、顆粒絮團較少，觀測到粒徑82～174 μm的顆粒堆積在這個區域。幾十至上百微米的尾礦顆粒比表面積較小，不會發生絮凝作用；同時，大粒徑的尾礦顆粒有很快的沉降速度，甚至在料漿攪拌過程中都可能會發生沉降，因此，能夠在絮凝沉降開始階段就快速沉降到量筒底部。

表3 顆粒粒徑情況統計表Table 3 Statistical table of particle sizes

在400～200 mL 刻度范圍內的下部沉降區域，區域內尾礦顆粒粒徑主要在26.5 μm以下。該區域越低位置，顆粒粒徑范圍越大，顆粒越不均勻，粒徑10.0 μm 以下顆粒減少，10.0～26.5 μm的顆粒增多。粒徑10.0～26.5 μm 顆粒的絮凝效果不如10.0 μm 以內顆粒的絮凝效果好，更易于以單顆粒形式沉降，說明粒徑大于10.0 μm的尾礦顆粒絮凝作用影響較小，沉降速度與顆粒粒徑關系更為緊密，顆粒越大沉降速度越快，量筒越低位置處尾礦粒徑越大。

在600～400 mL 刻度范圍內的上部沉降區域，區域內尾礦顆粒粒徑基本在10 μm以下。一方面，由于粒徑10 μm 以內的超細尾礦顆粒具有很難沉降特性，多停留在沉降區上部；另一方面，根據ESEM觀測的絮團圖像以及前人研究[24]，發生良好絮凝效果的顆粒粒徑范圍是在10 μm以下，上部沉降區以10 μm以內尾礦顆粒為主，與絮凝作用有很大關系。粒徑10 μm內尾礦顆粒絮凝形成大量絮團，細小顆粒絮凝形成的絮團密度相對較小、結構疏松、包裹水分，導致這些絮團沉降速度有限；在高質量分數(>20%)的砂漿中，絮團會發生相互搭接，甚至連接成為一個整體結構，導致絮團的沉降速度降低，同時，量筒邊壁效應也會進一步減緩絮團沉降。小于10 μm顆粒形成的絮團的沉降速度比大粒徑的尾礦顆粒的低，所以粒徑小于10 μm的尾礦顆粒在上部沉降區域。

最后，根據不同沉降區域尾礦顆粒觀測實驗的觀測分析，給出不同粒徑的尾礦顆粒沉降特性情況，如表4所示。

表4 尾礦顆粒沉降特性Table 4 Sedimentation characteristics of tailings particles

4 結論

1)全尾礦沉降過程中，不同沉降區域內部顆粒分布狀況不同，沉降區域的形成、過渡和消失，導致沉降速度呈現出階段變化趨勢，全尾砂絮凝沉降速度規律曲線分為5個階段，分別是自由沉降前段、自由沉降末段、干涉沉降前段、干涉沉降末段和壓密段。

2)在絮凝沉降早期，量筒最底部的壓密區，部分尾礦顆粒粒徑為82～174 μm，尾礦顆粒粒徑明顯更大；在量筒400～200 mL 刻度的沉降區間內，主要是粒徑小于26.5 μm的尾礦顆粒，細小尾礦顆粒數目減少，10.0～26.5 μm顆粒出現，使顆粒粒徑不均勻性增加；在量筒600～400 mL 刻度的沉降區間內，主要是粒徑小于10 μm的尾礦顆粒，顆粒粒徑分布相對均勻。

3)不同粒徑尾礦顆粒具有不同的沉降特性，粒徑大于82.0 μm的尾礦顆粒不發生絮凝作用，沉降速度快，短時間能沉降到量筒底部；粒徑26.5～82.0 μm的尾礦顆粒難以發生絮凝作用，更易于單顆粒形式沉降，沉降速度與粒徑關系緊密，沉降速度快；粒徑10.0～26.5 μm的尾礦顆粒不易發生絮凝作用，沉降速度與粒徑關系較緊密，沉降速度較快；粒徑小于10 μm的尾礦顆粒容易絮凝沉降，顆粒沉降速度同絮團沉降速度，顆粒沉降速度相差不大，沉降較慢。