全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)及其工程應(yīng)用

杜加法 侯 晨 朱兆文 劉洪磊 劉曉光 王京生

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.山東黃金集團(tuán)充填工程實(shí)驗(yàn)室，山東煙臺(tái)261438；3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東煙臺(tái)261438）

新城金礦在轉(zhuǎn)入深部開采過程中迫切需要強(qiáng)度更高、質(zhì)量更穩(wěn)定的充填體，膏體充填由于具有尾砂利用率高、力學(xué)性能好、綜合成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為新城金礦深部開采的優(yōu)先選擇。選礦后排出的全尾砂漿，其質(zhì)量濃度一般為10%～25%，膏體充填對質(zhì)量濃度一般要求要達(dá)到70%～85%［1-3］。傳統(tǒng)的全尾砂濃縮一般依靠全尾砂在立式砂倉中自然沉降，但全尾砂由于顆粒粒徑較細(xì)且分布廣泛，顆粒間相互干擾十分劇烈，導(dǎo)致其沉降速度較慢，沉降物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，無法滿足連續(xù)供砂和制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)漿體的要求［4-5］。另外溢流水含固量高，無法滿足工業(yè)水重復(fù)利用要求，并且超標(biāo)排放污水，污染環(huán)境。為此，國內(nèi)外學(xué)者通過添加絮凝劑和改進(jìn)濃縮設(shè)備來解決上述問題［6-8］。如何提高沉降效率是濃密技術(shù)的研究重點(diǎn)，其受濃密設(shè)備、絮凝劑選擇及單耗、進(jìn)料濃度等諸多因素影響。韓亮等［9］采用正交試驗(yàn)法研究了沉降速度、極限濃度和上清液含固率對全尾砂絮凝沉降規(guī)律的影響；朱時(shí)廷等［10］采用均勻設(shè)計(jì)法對配級尾砂沉降性能進(jìn)行了研究；馮巨恩等［11］研究了絮凝劑的添加量對于充填效果的改善作用；高志勇等［12］評估了料漿濃度、溶液濃度等因素對單位面積處理量的影響規(guī)律，并應(yīng)用Design Expert軟件進(jìn)行了絮凝沉降模型回歸擬合。為了選擇全尾砂絮凝沉降最佳參數(shù)組合，周靚等［13］以單位面積固體處理能力為響應(yīng)值，基于響應(yīng)曲面分析法，得到了全尾砂絮凝沉降最佳參數(shù)；王新民等［14-15］、楊寧等［16］運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對絮凝沉降參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。在升級完善濃縮設(shè)備方面，李學(xué)忠等［17］采用旋流器濃縮方案對充填站系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造；劉培正等［18］研制出了一種適用于細(xì)粒尾砂高效濃縮的T 型砂倉。上述絮凝劑的應(yīng)用和設(shè)備的研發(fā)都極大提高了充填料漿的濃縮效率。

上述研究主要集中于室內(nèi)試驗(yàn)，由于試驗(yàn)室環(huán)境和井下采場在空間尺度、養(yǎng)護(hù)條件、應(yīng)力水平都存在很大差別，由室內(nèi)試驗(yàn)獲取的結(jié)果并不能直接驗(yàn)證工業(yè)應(yīng)用的效果。因此本研究采用室內(nèi)試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，首先采用新城金礦全尾砂進(jìn)行室內(nèi)絮凝沉降試驗(yàn)，分析絮凝劑選型、單耗及料漿入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)與料漿沉降速度和底流濃度的關(guān)系，并對上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇最佳參數(shù)組合；而后在新城金礦地下采場進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，以驗(yàn)證絮凝劑對于充填質(zhì)量的改善效果。

1 試驗(yàn)材料

1.1 全尾砂

試驗(yàn)所用全尾砂選自山東新城金礦，其基本物理性能如表1 所示。新城金礦全尾砂的物相組成成分和賦存狀態(tài)采用X射線衍射（XRD）測試方法測定，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知：新城金礦全尾砂物相組成比較單一，主要是石英、長石和云母，并且新城金礦的全尾砂中基本不含硫化物，對充填體強(qiáng)度沒有不利影響，有利于充填體強(qiáng)度的提升。

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新城金礦全尾砂粒徑分布采用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀分析，其粒徑組成如圖1 所示，全尾砂平均粒徑為176 μm，粒度-20 μm 累計(jì)含量達(dá)25%，與膠結(jié)材料結(jié)合后易形成“結(jié)構(gòu)流”體，有利于料漿流動(dòng)。新城金礦全尾砂不均勻系數(shù)為24.08，曲率系數(shù)為0.85，綜合不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，新城金礦全尾砂屬于級配不良材料［19］。

1.2 絮凝劑

試驗(yàn)選取的絮凝劑主要成分為有機(jī)高分子陰離子聚丙烯酰胺，分子量均為1 600～1 800 W，分別記為ZYD、ZYZ、ZYJ，該絮凝劑呈白色粉末狀，無毒、無味，能溶于水，為礦山常用的絮凝劑型號(hào)。

2 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)主要目的是選擇適合新城金礦全尾砂特性的絮凝劑類型以及相應(yīng)的稀釋礦漿濃度以及絮凝劑添加量。選型試驗(yàn)中，先固定全尾砂料漿濃度為15%，絮凝劑添加量分別為10、15、20 g/t，從料漿沉降速度、底流濃度、上清液澄清度三方面比較考察不同絮凝劑類型的沉降效果；在選型基礎(chǔ)上，固定絮凝劑添加量為20 g/t，分別配制濃度為8%、10%、13%和18%料漿，從沉降速度、固體通量兩方面比較選擇最佳料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)；在確定絮凝劑型號(hào)、最佳料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)前提下，分別添加絮凝劑濃度為15、17.5、20、22.5、25、30 g/t，從沉降速度、底流濃度兩方面確定考察最佳絮凝劑單耗量。

全尾砂靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)在1 000 mL 量筒內(nèi)進(jìn)行，按要求稱取適量的絮凝劑溶液，加入與絮凝劑溶液混合的砂漿中，按接觸次數(shù)要求翻轉(zhuǎn)搖晃量筒，靜置，記錄不同時(shí)間點(diǎn)固液分離界面的高度（事先測量1 000 mL 量筒兩個(gè)刻度之間的平均距離，計(jì)算出1 mL體積變化對應(yīng)的高度變化值）。沉降10 min后，倒掉上層清水，測定下部礦漿達(dá)到的濃度。固體通量是指單位面積、單位時(shí)間內(nèi)通過的固體質(zhì)量，可通過尾砂漿密度、固體顆粒沉降速度以及尾砂漿的質(zhì)量濃度計(jì)算［7］。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 絮凝劑選型

根據(jù)試驗(yàn)方案，在料漿濃度為15%，體積為1 000 mL的全尾沙料漿中分別倒入ZYD、ZYZ、ZYJ 3種絮凝劑，絮凝劑添加量分別為10、15、20 g/t，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2 可知：當(dāng)使用ZYD、ZYZ 兩種絮凝劑時(shí)，全尾砂料漿的沉降速率以及底流濃度差別不大，而使用ZYJ絮凝劑時(shí)，料漿的沉降高度與底流濃度都明顯優(yōu)于使用其他2 種絮凝劑。例如絮凝劑添加量為10 g/t 時(shí)，使用ZYJ 絮凝劑的最終沉降高度和底流濃度分比為28.7cm 和59.99%，高于使用ZYZ、ZYD 時(shí)的27.1 cm 和54.1%，且使用ZYJ絮凝劑時(shí)上清液的澄清度最好，因此認(rèn)為選用ZYJ 絮凝劑時(shí)絮凝效果最好。為了進(jìn)一步驗(yàn)證絮凝劑選型結(jié)果，繼續(xù)選用10%、20%2種料漿稀釋濃度，3種絮凝劑按20 g/t添加量進(jìn)行沉降速率、底流濃度試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知：在不同料漿濃度下，ZYJ 絮凝劑的底流濃度和沉降速度都要優(yōu)于使用其他兩種絮凝劑時(shí)的相關(guān)指標(biāo)。根據(jù)以上2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定新城金礦最優(yōu)的絮凝劑選型為ZYJ絮凝劑，后續(xù)試驗(yàn)也以此為基礎(chǔ)繼續(xù)開展工作。

3.2 最佳料漿稀釋濃度

根據(jù)絮凝劑選型試驗(yàn)，選取料漿濃度為8%、10%、13%和18%進(jìn)行最佳料漿稀釋濃度試驗(yàn)，添加絮凝劑類型為ZYJ 絮凝劑，添加量為20 g/t。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知：底流濃度最開始隨著添加料漿濃度的增加而增加，初始料漿濃度達(dá)到13%時(shí)達(dá)到最大底流濃度54.58%，隨后隨著添加料漿濃度的增加而降低；料漿的沉降速度隨著初始料漿濃度的增加而不斷降低；固體通量也與底流濃度變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。綜合料漿濃度、沉降速度、固體通量三者之間的變化規(guī)律，選擇8%～10%作為最佳稀釋料漿濃度。

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3.3 最佳絮凝劑添加量

為確定ZYJ 型絮凝劑的最佳添加比例，本節(jié)試驗(yàn)采用質(zhì)量濃度為9.75%的全尾砂料漿，分別按15、17.5、20、22.5、25、30 g/t的添加量加入ZYJ型絮凝劑，研究全尾砂料漿在不同絮凝劑添加量情況下的沉降速度、底流濃度變化規(guī)律，以此確定最佳絮凝劑添加量。所得試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4 可知：絮凝劑單耗不超過22.5 g/t 時(shí)，沉降高度變化差異不大，而單耗超過22.5 g/t時(shí)，料漿沉降速度大大降低且最終沉降高度也會(huì)明顯降低；比較不同絮凝劑單耗對于料漿最終濃度的影響可以看出，絮凝劑單耗為20 g/t 時(shí)，充填料漿的最終濃度最高，當(dāng)絮凝劑單耗為15 g/t 和17.5 g/t 時(shí)，最終充填體料漿濃度差異并不明顯，當(dāng)絮凝劑濃度超過22.5 g/t時(shí)，料漿濃度會(huì)明顯降低，這與高濃度下料漿沉降高度表現(xiàn)規(guī)律是一致的。綜合以上分析，結(jié)合不同絮凝劑單耗的實(shí)際使用效果以及經(jīng)濟(jì)成本控制因素，絮凝劑單耗為15 g/t 時(shí)可以獲得理想的絮凝沉降效果并且最大限度地降低使用成本。

綜上所述，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)采用絮凝劑類型為ZYJ，料漿濃度為8%～10%，絮凝劑單耗為15 g/t時(shí)，充填料漿的絮凝沉降效果最佳。

4 工程驗(yàn)證

為評價(jià)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對于現(xiàn)場充填效果的影響，在新城金礦兩進(jìn)路式采場進(jìn)行了絮凝劑充填效果現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)計(jì)充填濃度為67%，充填流量為80 m3/h，采用的充填體灰砂比為1∶6，采用的絮凝劑類型為ZYJ 絮凝劑，單耗為15 g/t。為評價(jià)絮凝劑使用效果，在兩進(jìn)路采場內(nèi)分別測試溢流水含固濃度以及不同位置的充填體28 d 強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 和表4 所示。由圖5（a）和表4 可知：添加絮凝劑后，在采場不同位置的充填體取樣強(qiáng)度都有了明顯提高，充填體不添加絮凝劑的強(qiáng)度為0.88～1.29 MPa，添加絮凝劑后的強(qiáng)度為1.21～1.43 MPa，最終平均強(qiáng)度從1.09 MPa（無絮凝劑）上升到1.3 MPa（有絮凝劑），上升幅度約19.3%。另外從圖5（a）可以看出充填體添加絮凝劑后，其強(qiáng)度離散型明顯降低。圖5（b）則顯示充填體添加絮凝劑后，其溢流水含固量在各個(gè)時(shí)間段的監(jiān)測結(jié)果都明顯低于不添加絮凝劑的充填體料漿，尤其是在充入采場后的前2 h，溢流水含固量兩者相差在4 倍以上，這也最終影響了充填體的最終力學(xué)特性。以上對比都說明充填料漿加入絮凝劑后，采場充填效果得到了明顯改善。

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5 結(jié) 論

（1）室內(nèi)靜態(tài)自然沉降試驗(yàn)中，隨著料漿濃度的增加，底流濃度呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，沉降速度隨著初始料漿濃度的增加而不斷降低；絮凝劑單耗在不超過22.5 g/t時(shí)，沉降高度變化差異不大，但超過22.5 g/t 單耗時(shí)，絮凝沉降速度和底流濃度都下降明顯。

（2）室內(nèi)靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)中，絮凝劑選型為ZYJ絮凝劑時(shí)，單耗為15 g/t，料漿濃度為8%～10%，可以獲得最佳絮凝沉降效果和性價(jià)比。

（3）采用室內(nèi)試驗(yàn)推薦的絮凝劑組合參數(shù)時(shí)，現(xiàn)場工業(yè)實(shí)踐表明充填體強(qiáng)度增加明顯，且離散度大大降低，溢流水含固量也顯著降低，絮凝沉降效果顯著。