粒級(jí)組成對(duì)尾砂絮凝沉降性能的影響①

盛宇航，李廣波，王增加，王玉亮

（山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實(shí)驗(yàn)室分公司，山東 萊州 261441）

礦業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，大量尾砂隨之產(chǎn)生。尾砂處置方式不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的安全與環(huán)保問(wèn)題［1］。尾砂膏體充填在提高尾砂利用率、改善井下作業(yè)環(huán)境以及降低采礦充填成本等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，已成為礦山實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)被越來(lái)越多的礦山推廣應(yīng)用［2-3］。尾砂膏體充填是指高濃度尾礦漿配以膠凝材料（水泥）經(jīng)活化攪拌制備成膏狀結(jié)構(gòu)流體，借助管路輸送系統(tǒng)泵送或自流至井下采空區(qū)。可見(jiàn)，獲取高濃度尾砂漿是進(jìn)行尾砂膏體充填的前提，目前浮選尾礦深度脫水主要采用深錐濃密工藝［4-5］。

批量靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)常被用來(lái)研究不同因素對(duì)尾砂絮凝沉降性能的影響規(guī)律［6-9］，從而為尾砂深錐濃密關(guān)鍵參數(shù)的選擇提供參考。現(xiàn)有研究多側(cè)重于從物料類(lèi)型、絮凝劑種類(lèi)與用量、入料濃度等方面對(duì)絮凝沉降性能開(kāi)展研究，而尾砂粒級(jí)組成對(duì)絮凝沉降性能影響的研究鮮有報(bào)道。

本文采用人工調(diào)配尾砂粒級(jí)組成的方法，通過(guò)尾砂靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)，系統(tǒng)分析粒級(jí)組成對(duì)尾砂絮凝沉降性能的影響，揭示尾砂粒級(jí)組成與絮凝沉降性能的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用尾砂取自山東某金礦選礦廠(chǎng)浮選尾礦。尾砂密度2.60 g／cm3，采用激光粒度分析方法對(duì)尾砂粒級(jí)組成進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。尾砂粒徑范圍較寬（0～0.666 mm），平均粒徑0.079 mm，尾砂中+0.15 mm粒級(jí)含量20.29%、-0.15+0.074 mm粒級(jí)含量14.51%、-0.074+0.037 mm粒級(jí)含量11.49%、-0.037 mm粒級(jí)含量53.71%。尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

圖1 尾砂粒級(jí)組成

表1 尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

根據(jù)尾砂性質(zhì)，本次試驗(yàn)選用陰離子型聚丙烯酰胺（固體粉末）作為絮凝劑，其分子質(zhì)量為1 200萬(wàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

采用人工篩分的方法將尾砂分成4個(gè)粒徑變化范圍相對(duì)較窄的組分，如表2所示。

表2 尾砂各篩分組分粒度及密度

通過(guò)向組分D中添加不同比例的組分A、B和C來(lái)獲得不同粒級(jí)組成的尾砂，在1 000 mL量筒中進(jìn)行靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)，系統(tǒng)分析粒級(jí)組成對(duì)尾砂絮凝沉降性能的影響。試驗(yàn)方法為：配制質(zhì)量濃度15%的混合尾砂料漿，絮凝劑添加量30 g／t，進(jìn)行靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)，記錄不同時(shí)間段的界面沉降高度。以尾砂絮團(tuán)沉降60 s時(shí)的沉降速率和沉降24 h后的料漿底流濃度作為評(píng)價(jià)絮凝沉降性能的指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 尾砂各篩分組分性質(zhì)

組分A、B、C和D中礦物成分分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，組分A、B、C和D中均含有大量鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石和絹云母，同時(shí)還含有少量黃鐵礦、方解石和符山石。組分A、B和C中石英含量超過(guò)30.0%，不含透鋰長(zhǎng)石；組分D中未檢測(cè)出石英，而透鋰長(zhǎng)石含量較高，為23.80%，另外組分D中還含有1.96%的易泥化礦物高嶺石。各組分礦物成分的差異，造成了各組分間密度的差異，會(huì)對(duì)尾砂絮凝沉降性能產(chǎn)生不同程度的影響。

表3 不同粒級(jí)組分礦物組成分析結(jié)果

2.2 絮凝沉降試驗(yàn)

不同粒級(jí)組成的尾砂絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，尾砂絮凝沉降速率隨著尾砂中組分A、B和C含量不同存在明顯差異，沉降速率隨組分A、B和C含量增加而增加。隨著單一組分A、B和C的摻入，尾砂沉降速率均得到明顯提高；但組分A、B和C粒級(jí)間的差異對(duì)尾砂沉降速率的影響不明顯。當(dāng)2種組分AB、AC和BC摻入D時(shí)，尾砂沉降速率隨著2種組分總含量增加而增加；2種組分總含量一定時(shí)，組分A含量增加更有助于尾砂沉降速率的增加。3種組分A、B和C同時(shí)摻入D時(shí)，尾砂沉降速率與3種組分的總含量呈正比關(guān)系。分析其原因，尾砂的沉降速率分別與尾砂密度、尾砂粒徑的平方呈正比［10］，組分D尾砂粒徑超細(xì)且密度小，使得沉降速率緩慢。具有大分子長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的絮凝劑加入料漿后，通過(guò)“架橋吸附”作用將若干個(gè)超細(xì)粒級(jí)尾砂顆粒聚集形成“單個(gè)”大尾砂絮團(tuán)，呈現(xiàn)出尺寸和密度均增大的“整體效應(yīng)”，加快了尾砂的沉降速率。僅有組分D形成的絮團(tuán)雖增大了尾砂尺寸和密度，但增大效果有限。隨著粗粒級(jí)和密度大的組分A、B和C的摻入，絮凝劑在吸附組分D的同時(shí)也吸附組分A、B和C，從而形成更大、更重的尾砂絮團(tuán)，使絮團(tuán)的“整體效應(yīng)”更顯著；但絮凝劑的吸附可能存在選擇性，尾砂粒徑越大，其被絮凝劑吸附的可能性降低，導(dǎo)致大粒徑尾砂吸附量減少，使得尾砂沉降速率不因組分A、B和C粒級(jí)差異而表現(xiàn)出差異性。料漿中組分A、B和C總含量增加，粗粒級(jí)（+0.037 mm）尾砂顆粒數(shù)量亦增多，能夠形成的大尺寸絮團(tuán)就越多，尾砂沉降速率增加。

表4 不同粒級(jí)組成尾砂絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果

同樣，尾砂底流濃度隨著組分A、B和C含量增加而增加。組分D自然沉降所形成的底流濃度為56.90%，加入絮凝劑后尾砂底流濃度降低了12.13%。隨著單一組分A、B和C的摻入，絮凝沉降底流濃度均提高。2種組分AB、AC和BC摻入D時(shí)，絮凝沉降底流濃度隨著2種組分總含量增加而增加。3種組分A、B和C同時(shí)摻入D時(shí)，3種組分總含量增加有助于提高底流濃度；總含量一定時(shí)，降低組分A含量，利于絮凝沉降底流濃度的提高。分析其原因，組分D因尾砂粒徑超細(xì)且比表面積大，沉降過(guò)程中會(huì)吸附大量的水使得自然沉降底流濃度偏低；絮凝劑吸附尾砂所形成的絮團(tuán)以及絮團(tuán)與絮團(tuán)間會(huì)包裹水，與自然沉降底流相比，絮凝沉降底流因包裹水而變得“蓬松”，造成了濃度進(jìn)一步降低。隨著組分A、B和C的摻入，組分D能夠有效地填充于組分A、B和C所形成的空隙中，同時(shí)組分A、B和C之間也相互填充，尾砂堆積密度增加，進(jìn)而絮凝沉降底流濃度得到提高。

利用MATLAB軟件對(duì)沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分別建立絮凝沉降速率（v）和底流濃度（q）與組分A（X1）、B（X2）、C（X3）和D（X4）含量的函數(shù)關(guān)系式，其中式（1）的擬合相關(guān)系數(shù)R2＝0.98，式（2）的擬合相關(guān)系數(shù)R2＝0.94。

將組分A、B、C和D不同摻量代入式（1）和（2），得到沉降速率和底流濃度的預(yù)測(cè)值如表4所示。與試驗(yàn)值相比，預(yù)測(cè)沉降速率最大誤差為9.61%；預(yù)測(cè)底流濃度最大誤差為2.16%。因此，式（1）和（2）可用于尾砂絮凝沉降性能的預(yù)測(cè)，系統(tǒng)誤差能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用的要求。

3 結(jié) 論

1）不同粒級(jí)組分A（+0.15 mm）、B（-0.15+0.074 mm）、C（-0.074+0.037 mm）和D（-0.037 mm）的礦物成分和密度不同，組分A、B和C中含有大量石英；組分D中未檢測(cè)出石英，但含有對(duì)絮凝沉降產(chǎn)生負(fù)面影響的高嶺石；各組分間密度關(guān)系為：組分A＞組分B＞組分C＞組分D，粒級(jí)越粗，密度越大。

2）不同粒級(jí)組成的尾砂絮凝沉降性能存在顯著差異。尾砂沉降速率隨組分A、B、和C總含量增加而增加，究其原因是粗粒級(jí)（+0.037 mm）尾砂能夠提高尾砂絮團(tuán)的“整體效應(yīng)”，增加絮團(tuán)的沉降速率；同時(shí)絮凝劑的吸附具有選擇性，使得組分A、B和C粒級(jí)間的差異對(duì)沉降速率影響不明顯；底流濃度亦隨組分A、B和C總含量增加而增加，究其原因是細(xì)粒級(jí)尾砂可填充于粗粒級(jí)尾砂堆積所形成的空隙中，使尾砂級(jí)配更合理，增加了尾砂的堆積密度。

3）根據(jù)不同粒級(jí)尾砂絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)回歸分析建立了絮凝沉降速率和底流濃度與各粒級(jí)含量的函數(shù)關(guān)系，可用于尾砂絮凝沉降性能的預(yù)測(cè)，誤差小于10%。