外加劑作用下細粒濃縮尾礦二次脫水規律研究

楊鋼鋒,王 勇,b,吳愛祥,b

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

隨著礦產資源的需求量越來越大，國內礦產資源的大量開采導致尾礦庫的負荷不斷加大，堆積高度不斷增加，這就對尾礦壩體的穩定性有了更高的要求[1]。還有尾礦庫本身無法徹底消除的安全隱患，威脅著礦山周邊的安全[2]。尾礦傳統低質量分數濕排對尾礦壩體的穩定性極為不利[3]，同時對尾礦壩體的維護需要巨大的成本。排出尾礦質量分數越高，壩體穩定性就越好[4]，因此出現了高質量分數排放[5]。尾礦高質量分數排放與傳統的濕排區別在于含水量的不同，因此，脫水工藝成了高質量分數排放的關鍵環節[6]。

尾礦的脫水工藝按照使用設備和流程不同可分為一段式和多段式兩種[7]。根據國內目前尾礦脫水工藝的發展現狀[8-10]，雖然多段式工藝對尾礦脫水的效果較好，但由于其工藝復雜，脫水成本高等諸多問題[7]，使用具有很大的局限性。立式砂倉[11]是傳統的一段脫水工藝，在中國礦山的實際應用較多，但普遍存在著放砂質量分數低的問題[12]，一段脫水后的尾礦質量分數達不到排放要求。近年來隨著尾礦脫水技術的不斷進步，深錐濃密機由于其生產能力大，工藝簡單，能耗小，底流質量分數大等優點[13]，在國內外的細粒尾礦濃密脫水中得到了廣泛的認可和應用[14-16]。

由于細粒尾礦保水性好、泌水能力差[17]，即使尾礦料漿經過深錐濃密機脫水，依然存在質量分數不達標的情況。另一方面，脫水后的尾礦料漿仍然呈現為泥漿狀，直接堆壩難度大。筆者以某銅尾礦為例進行研究，該尾礦較細，泌水能力差。尾礦料漿經過深錐濃密機濃密脫水后，排放至尾礦庫的料漿質量分數為62%，尾礦料漿中還存在大量的自由水。但是由于尾礦顆粒過細，其間的自由水如果依靠自然泌水，需要泌水時間長，水分泌出困難，或者泌出的同時就已經被蒸發，造成水資源大量流失。因此，嘗試借助外加劑，在料漿排放至尾礦庫之前添加，對細粒尾礦進行主動二次脫水，使得料漿質量分數快速提高，不僅提高回水率，同時也改善尾礦的顆粒黏結力，有利于尾礦堆積角形成和內部結構增強。

實驗中選用巴斯夫A型和B型2種不同外加劑進行對比試驗，分別對A型、B型、不添加外加劑3種情況下尾礦料漿泌水性能進行測試，研究濃縮尾礦二次脫水規律，并對外加劑與尾礦作用機理進行分析，為濃縮尾礦進一步脫水提供依據。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料和裝置

實驗材料來自某銅礦選礦廠，該尾礦容重較小，孔隙率相對較大，理論飽和質量分數低，基本物理性能如表1所示，表1中孔隙率和理論飽和質量分數是根據尾礦真密度、容重計算得到[18]。粒級測量采用人工篩分和激光粒度儀相結合的方式，測試結果如圖1所示(其中累計含量指小于或等于該粒徑大小的顆粒質量占顆粒總質量的比例)。該尾礦74 μm以下顆粒含量為64%，屬于細粒尾礦。

圖1 尾礦粒級組成Fig.1 Particle size distribution of tailings

A型和B型外加劑采用巴斯夫專門針對尾礦二次脫水、地表排放的WPA系列析水劑，其中A型外加劑為白色黏稠狀液體、B型外加劑為黃褐色黏稠狀液體。實驗裝置包括直徑110 mm、容量500 mL的燒杯，精度0.1 g的天平、1 000 mL的量筒、移液管和計時秒表。

1.2 實驗方法

根據某銅尾礦實際排放質量分數為62%左右，因此實驗料漿質量分數也配置為62%。配置好的料漿倒入燒杯內，分別測量1，2，4 h料漿泌水量，其中1 h和2 h料漿泌水量用來衡量料漿快速泌水的能力，而4 h泌水量用來測試評價其長期泌水效果。具體實驗方法如下：

1)按照配料要求稱取全尾砂，使用量筒量取定量的水，倒入容器內進行攪拌，一次將不添加外加劑、添加A型外加劑、B型外加劑3種情況所需的料漿配置好，并攪拌均勻，等質量分為3組。

2)其中第1組料漿迅速倒入燒杯，料漿不要超出燒杯口，將燒杯稍微震動，使料漿表面平整。每隔一段時間，將泌出的水分取出，測量泌出水分的質量。該燒杯內料漿作為基準組，即不添加外加劑。

3)第2組和第3組料漿分別加入5 g A型外加劑和5 g B型外加劑(根據前期探索實驗和廠家建議，最終選擇每組實驗外加添加量為5 g，添加量是尾砂干量的5‰)，再次攪拌均勻，迅速倒入另外2個燒杯，料漿液面高度與基準組料漿保持一致。與基準組間隔相同時間，將泌出的水分取出，測量泌出水分的質量。

4)按照式(1)計算不添加外加劑、添加A型外加劑、添加B型外加劑3種情況泌水率：

(1)

式中：S為泌水率，%；m為靜置某一時間的泌水量，g；M為料漿質量，g；ρω為料漿初始質量分數，%。

2 結果與分析

2.1 外加劑作用下尾礦二次脫水規律

不添加外加劑、添加A型和B型外加劑情況下泌水率實驗結果如表2所示。根據表2，繪制不同實驗組別泌水率和質量分數隨泌水時間變化情況如圖2～3所示。由圖2和圖3可知，添加外加劑的漿體初期(1 h、2 h)泌水量明顯大于不添加的料漿。其中添加A型外加劑1 h泌水率達到19.89%，2 h泌水率達到28.26%，分別比不添加外加劑時的泌水率12.61%、22.02%高出7.28%和6.24%。添加B型外加劑1 h和2 h的泌水率分別比不添加時高出7.9%和6.9%。對添加2種外加劑的1 h和2 h泌水率進行對比，添加B型外加劑的泌水率略高于添加A型外加劑的泌水率，但相差不大。總的來說，添加外加劑對泌水性能改善較為明顯。在4 h時，3種情況料漿的質量分數介于71%～72%之間，這表明，隨著泌水時間的持續增加，添加與不添加外加劑的泌水量逐漸趨于相等。

表2 不添加外加劑、添加A型和B型外加劑泌水實驗結果Table 2 Bleed test results of 3 groups:without admixtures,with type A and B admixtures

圖2 泌水率隨泌水時間的變化Fig.2 Variation of bleeding rate with bleeding time

圖3 質量分數隨泌水時間的變化Fig.3 Variation of mass fraction with bleeding time

泌出水分取出過程發現，同一泌水時間內添加外加劑的料漿形狀容易固定，而不添加外加劑料漿仍然呈現“泥漿”狀態，取出水分后放平燒杯，料漿形態差別明顯，如圖4所示。圖4(a)是不添加外加劑料漿的形態，可以看到取出泌出的水分后，料漿含水量仍然較大，具有較好的流動性，呈泥漿狀態。圖4(b)是添加B型外加劑后料漿的形態，取出泌出的水分后，料漿形狀比較固定，結構密實，形成了一定的堆積角度。

圖4 不添加外加劑和添加B型外加劑料漿取水形態對比Fig.4 Comparison of water form of groups without adding admixture and with adding type B admixture

2.2 濃縮尾礦二次脫水數學模型

根據表2不添加外加劑、添加A型和B型外加劑的實驗結果，通過Matlab軟件分別擬合出3組實驗料漿質量分數隨泌水時間的演化關系，見式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

式中：f1(t)，f2(t)，f3(t)分別表示不添加外加劑、添加A型、B型外加劑的二次脫水時間為t的尾礦料漿質量分數。

由式(2)～(4)可以看出，當泌水時間為0時，質量分數為二次脫水前的初始質量分數的62%；隨著尾礦料漿泌水時間不斷增加，二次脫水的質量分數接近于極限值。需要注意的是，當添加外加劑后，雖然由于負電荷間斥力作用，尾礦間的水會進一步快速脫出，但由于外加劑形成的絮網結構仍然會包裹一些水分。為此，添加外加劑的極限脫水質量分數分別為71.60%(A型)和71.65%(B型)，比不添加外加劑的極限脫水質量分數74.20%要小一些[19]。需要注意的是，式(2)不添加外加劑的方程極限脫水質量分數74.20%與表1中理論飽和質量分數74.50%較為接近，進一步驗證了回歸方程的合理性。3組實驗質量分數隨泌水時間變化擬合曲線如圖5所示。

實際上，由式(2)～(4)以及圖5還可以看出，不論是否添加外加劑，濃縮尾礦二次脫水的規律較為相似，對其共性規律進行歸納，發現其均符合如下數學模型。

(5)

式中：f(t)表示二次脫水時間為t的尾礦料漿質量分數；b代表長時間脫水的極限質量分數；b-a(指b減去a)代表脫水時間為0時的濃縮尾礦初始質量分數；c為回歸常數，因尾礦種類、基本物化性能、外加條件等不同。

根據式(5)，繪制濃縮尾礦二次脫水質量分數隨泌水時間演化規律如圖6所示。橫坐標是泌水時間，h；縱坐標是質量分數，%；截距代表初始質量分數b-a，隨著尾礦料漿泌水時間不斷增加，質量分數趨近于極限脫水質量分數b。

圖6 濃縮尾礦二次脫水質量分數隨泌水時間演化規律Fig.6 Evolution law of mass fraction of secondary deep dewatering of concentrated tailings with bleeding time

3 外加劑對濃縮尾礦二次脫水作用機理及工程價值分析

3.1 外加劑與尾礦料漿作用機理

添加外加劑后可以明顯改善尾礦的泌水性能，使得尾礦料漿中的自由水快速析出，達到提高料漿質量分數的目的。因此，分析所添加外加劑的作用機理對于外加劑更好地應用在工程實踐中具有非常重要的意義。

3.1.1 快速脫水機理

在未添加外加劑的情況下，尾礦顆粒與水混合形成尾礦懸浮體系，體系中不同的礦物顆粒所帶的電荷存在差異，相互吸引形成了包含大量水的絮凝結構。添加的外加劑對尾礦存在靜電斥力和空間位阻2種作用[20]，在這2種作用下，尾礦漿中的水分得以快速脫出。

1)靜電斥力作用。實驗所添加外加劑屬于陰離子型表面活性劑，其分子帶有許多在尾礦中呈現負電性的基團，由于尾礦顆粒的表面帶有正電荷，加入外加劑后，如圖7所示，呈負電性的離子將尾礦顆粒包圍，被負離子包圍的尾礦顆粒相互之間帶有同種負電荷，這些尾礦顆粒相互靠近時，由于靜電斥力作用使尾礦顆粒相互排斥而遠離，從而釋放出自由水，起到減水的效果。

2)空間位阻作用。陰離子型表面活性劑的主鏈和側鏈上帶有的帶電基團使其能夠吸附在尾礦顆粒的表面形成聚合物分子吸附層，如圖8所示。當尾礦顆粒相互靠近時，這些吸附層會發生重疊，在尾礦顆粒間產生斥力作用，使尾礦顆粒相互遠離，從而釋放出自由水。

圖7 尾礦顆粒間的靜電斥力作用Fig.7 Electrostatic repulsion between tailings particles

圖8 空間位阻作用Fig.8 Space steric hindrance effect

3.1.2 內部結構強化機理

添加外加劑后，通過外加劑內高分子量聚合物分子間及與水分子間的相互作用，在分子周圍形成水分子膜，若干個由水分子膜包裹著的分子借助分子間作用力，形成空間分子網格結構，從而建立一個高度結構化的尾礦漿體系，在尾礦變形過程中，這樣的尾礦漿體系像一個流動的矩陣，如圖9所示，在帶動其流動的同時，始終保持一定的勻質性和穩定性。因此，添加外加劑脫水后，使得尾礦結構更加密實，更加穩定，更有利于尾礦的堆積和筑壩，可以提高尾礦庫的安全性。

圖9 添加外加劑后尾礦漿結構強化示意圖Fig.9 Schematic diagram of strengthened tailings structure with adding admixture

3.2 工程價值分析

通過添加外加劑改善泌水性能，快速將料漿中自由水析出，對于濃縮尾礦進一步脫水具有明顯效果，不僅是尾礦不能達到預期脫水質量分數的一種補救措施，同時還可以使得尾礦結構更加密實，增強細粒尾礦排放或堆壩的穩定性，具有較好的潛在工程價值，主要體現在以下3個方面。第1，使用外加劑對尾礦進行快速脫水，可以提高水的利用率，減少了水資源的浪費；第2，添加外加劑后易于尾礦排放堆積角的形成，可以在占地面積不變的情況下，增加尾礦庫的庫容；第3，由于尾礦結構的提升，可以適當提升堆積高度而不影響壩體穩定性，易于細粒全尾堆壩，從而減少部分筑壩成本。

4 結 論

1)通過3組脫水實驗，不添加外加劑1 h泌水率為12.61%，2 h泌水率為22.02%，而添加A型外加劑和B型外加劑1 h泌水率分別可達到19.89%和20.51%，2 h泌水率分別可達到28.26%和28.92%，明顯高于不添加外加劑。實驗結果表明添加外加劑可以對細粒尾礦泌水性能進行改善，達到料漿內水分快速泌出的目的。

3)對實驗所添加外加劑的作用機理進行分析。實驗所添加外加劑對尾礦存在靜電斥力和空間位阻兩種作用，可以達到快速泌水的目的。同時通過外加劑內高分子量聚合物分子間及與水分子間的相互作用，保持了尾礦漿體系的穩定性。添加外加劑對濃縮尾礦二次脫水，不僅可以提高回水率，還可增加尾礦庫庫容，有利于尾礦排放和堆壩，具有較好的潛在工程價值。