粗顆粒對立式砂倉底流濃度及流變性的影響

王邦策 李翠平 陳格仲 顏丙恒 黃振華

(1.安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083)

隨著我國綠色開采理念的深入實踐,尾砂充填成為國內金屬礦山重要的充填技術[1]。尾砂濃密作為礦山充填工藝的首要環節,制備的底流料漿濃度對后續工藝環節的穩定運行產生重要影響[2]。尾砂濃密過程往往在立式砂倉或濃密機內進行,涉及顆粒絮凝、絮團沉降、尾砂床層壓縮、耙架剪切等多個復雜的過程[3],并根據此過程將濃密設備劃分為沉降區和壓密區兩部分。但隨著選礦技術的進步,導致尾礦顆粒呈現超細化的發展趨勢,超細顆粒的尾礦顆粒具有易懸浮、難滲透和高黏度的物理特性[4],為實現礦山高效充填帶來了諸多難題。

現階段沉降區的研究主要涉及尾砂顆粒與絮凝劑等化學藥劑發生的顆粒絮凝作用,分析吸附架橋、電中和以及網捕卷掃等[5-6]作用下對顆粒絮凝效果產生的影響以及不同絮凝劑單耗、絮凝劑濃度、尾砂進料濃度[7-8]對固液分離效率、絮團結構大小以及絮團沉降速度產生的影響[9],分析不同絮凝藥劑以及絮凝劑單耗下絮團的分形維數、等效直徑、沉降速度的變化規律[10]以及絮團在沉降過程中的結構變化和分布趨勢等,而關于粗顆粒尾砂含量變化對床層沉降速度造成的影響鮮有涉及。

壓密區的研究主要涉及不同床層高度和耙架剪切轉速對底流料漿濃度產生的影響,宏觀方面分析了不同床層高度[11]、耙架剪切轉速[12]以及耙架安裝角度對底流濃度的提升效果,微細觀方面多借助環境掃描電子顯微鏡(ESEM)[13]、顯微鏡觀測和計算機斷層掃描技術(CT)等[14-15]手段,研究了不同試驗條件下對壓密區顆粒接觸形式[16]和絮團結構產生的影響,并對不同床層高度和耙架剪切轉速對壓密區孔隙結構分布進行分析[17],為壓密區料漿濃度變化提供了機理解釋。但以上研究對于不同粗顆粒含量添加對壓密區底流料漿濃度產生的影響考慮較少,并且鮮有顧及底流料漿流變性。

為此,本研究基于白象山立式砂倉結構參數,采用自制的小型立式砂倉模型,對不同床層高度、不同料漿停留時間以及不同粗顆粒含量添加下的底流料漿濃度變化進行分析,探究不同床層高度、不同料漿停留時間以及不同粗顆粒含量添加下的底流料漿濃度的變化特征,并對不同粗顆粒含量添加下的底流料漿流變性進行分析,為實際生產中立式砂倉底流的高濃度穩定運行和排放提供參考。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗尾砂為白象山鐵礦4種級配的尾砂,測得尾砂密度為2.898 g/cm3,采用激光粒度儀(Mastersizer 3000)對充填尾砂進行粒度分析,尾砂粒度分布如圖1所示。其中-150μm尾砂中-20μm超過60%,屬于細粒尾砂,是礦山充填尾砂的主要部分,-500、-1 000、-2 000μm是本次試驗中添加的3種粗尾砂顆粒。通過X射線衍射儀(Ultima Ⅳ)測得尾砂中的礦物成分和含量如圖2和表1所示,尾砂中含量較多的物質有 SiO2、Fe2O3、CaMg(CO3)2以 及 KMg3AlSi3O10(OH)2等,其中金屬元素有 Fe、Al、Ca、Mg、K 等。

表1 尾砂主要成分Table 1 Main composition of tailings %

圖1 尾砂粒度分布曲線Fig.1 Grain size distribution curves of tailing sand

圖2 X射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction pattern

1.2 試驗儀器

靜態濃密試驗采用1 000 mL量筒進行,動態濃密試驗采用立式砂倉模型進行,動態濃密試驗裝置如圖3所示,其模型組成為:①主體部分由厚度0.5 cm的透明亞克力管構成,高度113 cm、直徑20 cm,上部有給料管、溢流水排放口,底部設有排料出口;②輔助部分由蠕動泵、攪拌機以及物料桶等組成。

圖3 試驗裝置Fig.3 Experimental equipment

1.3 試驗方案

采用單一變量、逐步遞進原則,本次靜態濃密試驗方案為:①探究不同絮凝劑單耗(20～80 g/t),確定合適的絮凝劑單耗值;②分析不同絮凝劑濃度(1∶20000～1∶1000),確定適宜的絮凝劑濃度值;③開展不同尾砂進料濃度試驗(17%～22%),確定合適的尾砂料漿濃度值;④討論不同絮凝劑濃度(1∶10 000～5∶10 000)下的最佳絮凝劑單耗變化;⑤進行3種粗尾砂顆粒(-500、-1 000、-2 000μm)與-150μm的不同比例(3∶1～15∶1)靜置試驗,選出較優的粗尾砂顆粒以及合適的添加量范圍。

本次動態濃密試驗方案為:①分析不同停留時間(6～14 h),確定合適的停留時間值;②探究不同床層高度(0.9～1.2 m),確定適宜的床層高度;③討論粗尾砂與細尾砂顆粒不同比例(6∶1～13∶1),確定底流料漿濃度范圍。

本次流變測量試驗方案為:根據前期探究的粗尾砂與細尾砂顆粒不同比例(6∶1～13∶1)下的濃度范圍,開展不同濃度下料漿流變參數測量,以確定不同粗尾砂顆粒添加量下的底流料漿流動性。絮凝沉降時間前300 s內的床層高度變化較為明顯。

通過床層界面高度變化差值計算得到不同絮凝劑單耗下的界面沉降速度隨時間的變化曲線如圖4(b)所示。分析可知:床層界面沉降速度變化較快,沉降時間前60 s內界面沉降速度變化最快,當沉降時間超過60 s后界面沉降速度逐漸降低并趨于穩定,且沉降速度隨著絮凝劑單耗增加而加快。分析表明:隨著絮凝劑單耗增加有助于尾砂顆粒完全絮凝成絮團結構從而增加沉降速度。

為更加明確不同絮凝劑單耗添加量對尾砂濃密效果產生的影響,以床層界面沉降60 s時的平均沉降速度以及7 200 s時量筒內料漿平均濃度為指標,繪制了不同絮凝劑單耗下的平均沉降速度和底流平均濃度變化曲線,如圖4(c)所示。由圖4(c)可知:前60 s內的床層界面沉降速度隨著絮凝劑單耗增加而加快,底流平均濃度隨著絮凝劑單耗增加而降低,分析發現絮凝劑單耗增加時導致的絮團內水含量增加是平均底流濃度增加的原因。通過對不同絮凝劑單耗下的濃密效果進行評價發現,評價值隨著絮凝劑單耗增加而增高,當絮凝劑單耗達到60 g/t后增長不再明顯,表明該單耗下的濃密效果最佳。評價值計算公式為

2 試驗分析與結果討論

2.1 絮凝條件優選試驗

2.1.1 不同絮凝劑單耗優選

依據試驗方案,開展量筒絮凝靜置沉降試驗。首先進行絮凝劑單耗優選試驗,通過記錄不同絮凝劑單耗添加下的床層界面高度變化發現,不同絮凝劑單耗下的床層界面高度隨著沉降時間持續而緩慢降低,當沉降時間達到7 200 s后床層高度變化不再明顯,達到穩定高度。分析表明:隨著絮凝劑單耗增加,床層高度的下降速度加快,并且絮凝劑單耗越高時床層界面達到穩定高度時所需的時間越短,其中絮凝劑單耗為20 g/t時所需時間為6 000 s,絮凝劑單耗降低至80 g/t時所需時間為2 000 s,如圖4(a)所示,尤其是

圖4 絮凝劑單耗優選過程Fig.4 Optimization process of single consumption of flocculant

式中,y為評價值;S1為沉降速度,cm/min;C1為底流濃度,%;D1為絮凝劑單耗,g/t。

2.1.2 不同尾砂進料濃度優選

在絮凝劑單耗60 g/t、絮凝劑溶液濃度 1∶10 000的基礎上,開展不同尾砂進料濃度的優選試驗,料漿濃度范圍為17%～22%,跨度為1%。床層界面60 s時的平均沉降速度和7 200 s時的料漿平均濃度隨進料濃度的變化曲線如圖5(a)所示。由圖5(a)可知:平均沉降速度隨尾砂進料濃度增加而降低,平均濃度隨尾砂進料濃度增加而增高,分析發現料漿濃度增加時降低了顆粒與絮凝劑鏈的碰撞效率,導致絮團結構較小,沉降速度降低。結合式(1)計算數據繪制了濃密效果評價值隨尾砂進料濃度的變化趨勢曲線如圖5(b)所示。由圖5(b)可知:評價值隨進料濃度增加而降低,表明料漿濃度降低有利于提升尾砂濃密效果,結合生產實際確定的尾砂進料濃度為20%。

圖5 尾砂進料濃度優選過程Fig.5 Optimization process of tailings slurry concentration

2.1.3 不同絮凝劑溶液濃度優選

在絮凝劑單耗60 g/t以及尾砂進料濃度20%選定的基礎上開展不同絮凝劑溶液濃度優選試驗,床層界面沉降60 s時的平均沉降速度和7 200 s時量筒內料漿平均濃度隨絮凝劑溶液濃度的變化趨勢如圖6(a)所示。由圖6(a)可知:不同絮凝劑溶液濃度下的料漿平均濃度差異不明顯,但床層界面沉降速度隨絮凝劑溶液濃度增加呈現先增高后降低的趨勢,絮凝劑溶液濃度為1∶10 000時的沉降速度最高,表明該濃度下有利于尾砂顆粒與絮凝劑鏈完成架橋吸附作用。根據式(1)計算數據繪制了濃密效果評價值隨絮凝劑溶液濃度的變化特征曲線(圖6(b)),分析表明:評價值隨絮凝劑濃度增加呈現先增加后降低的趨勢,當絮凝劑濃度為1∶10 000時評價值最高,表明該絮凝劑濃度為最優濃度。

圖6 絮凝劑濃度優選過程Fig.6 Optimization process of flocculant concentration

2.1.4 不同絮凝劑濃度下最佳單耗優選

為進一步明確絮凝劑單耗與絮凝劑溶液濃度之間的關系,采用尾砂進料質量濃度20%,探究不同絮凝劑溶液濃度下的最佳絮凝劑單耗值,不同絮凝劑濃度下床層界面沉降60 s時的平均沉降速度和7200s時量筒內料漿平均濃度隨絮凝劑單耗的變化規律如圖7(a)和圖7(b)所示。分析可知:不同絮凝劑濃度下的界面沉降速度均隨絮凝劑單耗增加呈先增高后降低的規律,且絮凝劑濃度為1∶10 000時的沉降速度優于其他絮凝劑濃度,不同絮凝劑溶液濃度下達到沉降速度最大值時的絮凝劑單耗隨絮凝劑濃度增高而增加,平均濃度隨絮凝劑單耗增加而降低,與圖4(c)的變化特征一致,且相同絮凝劑單耗下的料漿平均濃度隨絮凝劑濃度增加而降低,與圖6(b)的變化特征一致。結合式(1)計算獲得了不同絮凝劑濃度下濃密效果評價值隨絮凝劑單耗增加產生的變化量,進而繪制了不同絮凝劑濃度下的濃密效果最佳值所對應的絮凝劑單耗變化曲線(圖7(c))。由圖7(c)可知:最佳值由 1∶10 000時的60 g/t增高到 5∶10 000時的90 g/t,表明濃密效果最佳值對應的絮凝劑單耗隨絮凝劑濃度增加而增高。

圖7 不同絮凝劑濃度下的最佳絮凝劑單耗變化Fig.7 Variation of optimal flocculant dosage under different flocculant concentration

2.2 尾砂級配靜態濃密優選

根據尾砂絮凝條件的優選結果,開展3種粗尾砂顆粒不同添加量下的優選試驗。3種粗尾砂顆粒分布范圍分別為-500、-1 000、-2 000μm,細顆粒與粗顆粒的添加比例為3∶1～15∶1,外加一組無粗顆粒添加的對照組。通過床層界面的沉降高度計算得到床層界面沉降速度,繪制了床層沉降速度隨添加量的變化曲線,如圖8(a)所示。分析可知:3種粗顆粒不同添加量下的床層界面沉降速度變化規律一致,隨沉降時間增加床層界面逐漸降低并趨于平穩,在試驗時間前60 s內的沉降速度變化最為明顯。采取前60 s的平均沉降速度作為有效值進行分析,不同粗尾砂顆粒添加量下的床層界面平均沉降速度變化曲線如圖8(b)所示。與無粗顆粒添加下相比,添加不同粗顆粒時的沉降速度提高明顯且添加不同粗顆粒時的沉降速度有所差異。相同粗尾砂顆粒添加量下粒徑為-2 000μm時的床層界面沉降速度明顯優于另外2種,粗顆粒添加粒徑為-1 000μm與-500μm 時,不同添加量下的床層界面沉降速度相差較小。

繪制了不同粗尾砂顆粒添加量下沉降時間為7 200 s時的量筒內料漿平均濃度變化曲線,如圖8(c)所示。分析可知:無粗顆粒添加下的料漿平均濃度為 45.66%,-500、-1 000、-2 000μm粒徑分布下,不同添加量對應的料漿平均濃度范圍分別為46.36%～47.84%、46.48%～49.1%、47.05%～48.49%,相應地3種粒徑分布的料漿平均濃度最高提升幅度分別為4.8%、7.5%和6.2%,與無粗尾砂顆粒添加下相比,添加粗尾砂顆粒時的料漿平均濃度提高較明顯。料漿平均濃度與粗尾砂顆粒添加量呈線性關系,且3種不同粒徑分布的粗尾砂顆粒隨添加量變化對料漿平均濃度的提升效果也產生差異。當細尾砂顆粒∶粗尾砂顆粒為3∶1～6∶1時,3種粒徑粗顆粒對料漿平均濃度的提升幅度排序為-1 000μm>-2 000μm>-500μm;當細尾砂顆粒∶粗尾砂顆粒超過6∶1時,3種粒徑粗尾砂顆粒對料漿平均濃度的提升幅度排序為-2 000μm>-1 000μm>-500μm。 結合實際生產情況以及粗尾砂顆粒添加試驗結果,選擇粒徑為-2 000μm的粗尾砂顆粒進行動態濃密試驗,細尾砂顆粒∶粗尾砂顆粒為 6∶1～13∶1。

圖8 床層沉降速度和平均濃度隨粗尾砂顆粒添加量的變化Fig.8 Variation of bed settling velocity and average concentration with coarse tailing sand particle addition

2.3 立式砂倉動態濃密試驗

2.3.1 床層高度對立式砂倉底流料漿濃度的影響

相關研究表明,立式砂倉內料漿濃度與床層高度[10]、料漿停留時間[18]、尾砂顆粒級配等因素密切相關。因此,本研究在絮凝條件優選以及粗尾砂顆粒添加量優選的基礎上,開展立式砂倉動態濃密試驗,探究不同試驗條件下底流料漿濃度隨排料時間的變化特征。首先分析了不同床層高度下立式砂倉底流料漿濃度隨排料時間的變化趨勢,如圖9(a)所示。分析可知:不同床層高度下的底流料漿濃度隨排料時間呈現波動狀態,床層高度90 cm時的料漿濃度為46.9%～54.5%,波動幅度為16.2%,料漿狀態如圖10(a)所示;床層高度 105 cm時的料漿濃度為46.4%～54.4%,波動幅度為17.2%,料漿狀態如圖10(b)所示;床層高度 120 cm時的料漿濃度為48.4%～54.3%,波動幅度為12.2%,料漿狀態如圖10(c)所示。上述分析表明:3種不同床層高度下的料漿最高濃度均在54.4%附近,但料漿濃度最低值隨著床層高度增加而增高且料漿濃度波動范圍也隨床層高度增加而降低。進一步分析發現,床層高度增加能夠有效提高立式砂倉底部的壓力,促進床層內間隙水排出進而提高料漿濃度。繪制了不同床層高度下前180

min內料漿濃度平均值隨床層高度的變化特征曲線,如圖9(b)所示,分析可知,料漿平均濃度隨床層高度增加而增高。因此,在實際生產中應盡可能提高床層高度,進而提升料漿濃度以及料漿濃度的穩定性。

圖9 底流料漿濃度隨床層高度的變化Fig.9 Variation of underflow slurry concentration with bed height

2.3.2 料漿停留時間對立式砂倉底流料漿濃度的影響

選定床層高度為120 cm,開展床層料漿不同停留時間的動態濃密試驗,繪制了料漿不同停留時間下立式砂倉底流料漿濃度隨排放時間的變化曲線,如圖11(a)所示。分析可知:不同停留時間下的底流料漿濃度隨排放時間呈波動狀態,床層停留6、8、10、12、14h的料漿濃度分別為47.7%～54.5%、47.1%～55.3%、49.6%～54.4%、50.9%～58.7%、51.1%～64.8%。進一步分析圖11(a)可知:隨著料漿停留時間不斷增加,不同料漿停留時間對應的底流濃度最值(最高值和最低值)均有所提升,分析發現床層內間隙水在床層壓力作用下通過內部孔隙結構向上排出,由于孔隙通道的曲折性和床層料漿阻力作用,增加了間隙水的排出難度,因此延長床層料漿的停留時間有助于間隙水排出。

圖10 不同床層高度下的料漿狀態Fig.10 Slurry states with different bed height

不同床層高度下前180 min內的料漿濃度平均值隨床層高度的變化特征如圖11(b)所示。分析可知:料漿平均濃度隨料漿停留時間增加而增高,當料漿停留時間超過10 h后平均濃度提升效果不再明顯,為此在實際生產中應盡可能確保立式砂倉內料漿停留時間達到10 h,進而有效提升料漿濃度以及料漿濃度的穩定性。

2.3.3 粗顆粒含量對立式砂倉底流料漿濃度的影響

在選定床層高度120 cm以及停留時間10h的基礎上,探究不同粗顆粒添加量對底流料漿濃度產生的影響,其變化規律如圖12(a)所示。分析可知:不同粗尾砂顆粒添加量下的底流濃度波動較為明顯,無粗尾砂顆粒添加時的底流濃度為47.4%～51.5%,細顆粒∶粗顆粒添加比例由13∶1改變為6∶1,底流濃度由46.8%～52%提高到51.8%～59.7%,底流料漿濃度最值隨粗尾砂顆粒含量增加而增高,表明添加粗尾砂顆粒能夠有效提高底流料漿濃度。

180 min內的底流料漿平均濃度隨不同粗尾砂顆粒添加量的變化趨勢如圖12(b)所示。分析可知:底流平均濃度與粗顆粒添加量呈線性關系,其中粗尾砂顆粒添加量為9∶1～12∶1時的平均濃度提升最為明顯,分析發現粗尾砂顆粒尾砂重力作用較明顯,底部尾砂顆粒在上部床層壓力作用下使顆粒間密實度更高進而使得料漿濃度得到提高。

2.4 立式砂倉底流料漿流變性能測試

充填料漿的流變性會對充填工藝的輸送環節產生影響,結合立式砂倉動態濃密的底流料漿濃度范圍,對不同粗顆粒添加下的底流料漿流變參數進行測量,繪制了不同粗顆粒添加下料漿靜態屈服應力以及動態屈服應力的變化趨勢曲線,如圖13所示。分析表明:不同粗尾砂顆粒添加量下的料漿靜態屈服應力隨料漿濃度增加而提升(圖13(a)),并且在相同料漿濃度下靜態屈服應力隨粗尾砂顆粒添加量增加而降低,表明在相同料漿濃度下粗尾砂顆粒的添加能夠提高料漿的流動性,便于輸送。本研究采用Herschel and Bulkley(H-B)模型[19]對不同粗尾砂顆粒添加量下的不同濃度料漿的動態屈服應力進行了擬合分析,發現料漿動態屈服應力隨料漿濃度增加而增高(圖13(b)),并且相同料漿濃度下的動態屈服應力隨粗尾砂顆粒添加量增加而降低。

3 結 論

(1)通過添加粗尾砂顆粒開展了靜態絮凝優選和小型動態濃密試驗,分析了不同粗尾砂粒徑范圍以及不同添加量對絮凝結果和立式砂倉底流料漿性質的影響,該研究有助于提高礦山立式砂倉底流高濃度排放的穩定性。

(2)靜態濃密試驗結果表明,床層界面沉降速度和料漿平均濃度隨粗尾砂顆粒添加量增加而增高;小型動態濃密試驗結果表明,底流平均濃度與床層高度、料漿停留時間和粗尾砂顆粒添加量成正比關系,且底流料漿的屈服應力隨濃度增高而增加,相同濃度下的料漿屈服應力隨粗尾砂顆粒添加量增加而降低。

(3)本研究靜態絮凝優選試驗均采用單因素變量分析,對絮凝劑單耗、濃度以及尾砂進料濃度三者間的相互作用體現不明顯。粗尾砂顆粒對立式砂倉底流濃度和流變性會產生較大影響,需進一步明確各粒級粗尾砂顆粒對底流性質產生的作用。