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、無廢害開采最有效的途徑。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，必須對絮凝沉降過程進(jìn)行科學(xué)、合理的判斷［1-3］。

絮凝沉降過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，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，在尾砂絮凝沉降方面，國內(nèi)外學(xué)者都對其進(jìn)行過深入研究。焦華喆等［4］通過靜態(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］通過開展鞍鋼礦山全尾砂漿絮凝沉淀對比試驗(yàn)，闡明了絮凝沉降參數(shù)對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用量對全尾礦絮凝沉降規(guī)律的研究。焦華喆等［7］通過室內(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。

本研究通過對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程中絮凝沉降參數(shù)（如：絮凝劑種類、用量、添加濃度及砂漿濃度）對沉降過程的影響。通過對比分析所有實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象，篩選出所研究的絮凝沉降參數(shù)中對絮凝沉降過程具有積極促進(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)所用全尾砂均來自該礦選廠，采用BT-2002型激光粒度分析儀（濕法）對全尾砂粒級(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 1 200萬分子量、CPAM 30離子度、NPAM 1 200萬分子量、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；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、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)果見表3，固液分層面高度隨時(shí)間變化見圖1，沉降速度曲線見圖2。

從表3、圖1和圖2中，可以得知絮凝劑對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，通過以上對比分析優(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)。通過對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)量濃度與對應(yīng)最大沉速的擬合曲線（圖4）。

通過試驗(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，而各個(gè)最佳絮凝劑單耗對應(yīng)的最大沉速在逐漸減小。說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)過對圖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)對應(yīng)最大沉速為2.435 mm/s。

2.3 絮凝劑添加濃度對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)置不加絮凝劑的對照試驗(yàn)（6#）。絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果見表5，終點(diǎn)時(shí)刻固液分層面高度隨時(shí)間變化見圖5，沉降速度曲線見圖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），各添加濃度對應(yīng)的1 min平均沉降速度見表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^最優(yōu)值時(shí)，絮凝劑相對來說過多了，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，其高分子長鏈可以和多個(gè)尾砂顆粒鏈接，并在高分子長鏈的活性基團(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鏈進(jìn)一步吸附。絮凝劑用量相對于全尾砂用量過少時(shí)，絮凝劑沒有足夠的鏈環(huán)、鏈尾無法形成更大的絮團(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。絮凝劑用量相對于全尾砂用量過多時(shí)，過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絮凝劑對絮凝沉降過程促進(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量都會(huì)對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。