全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)研究

卞繼偉，王新民，肖崇春

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全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)研究

卞繼偉1，王新民1，肖崇春2

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 飛翼股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410600)

運(yùn)用濃密機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置，通過連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)放砂，以沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溢流水懸浮物質(zhì)量濃度作為動(dòng)態(tài)絮凝沉降效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究不同條件下全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：沉降速度與絮凝劑單耗、供料速度、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈正相關(guān)；底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨絮凝劑單耗的增加先增加后基本保持不變，與供料速度呈負(fù)相關(guān)，與料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)；溢流水懸浮物質(zhì)量濃度與絮凝劑單耗呈正相關(guān)，與供料速度、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈負(fù)相關(guān)。確定該尾砂最佳動(dòng)態(tài)絮凝沉降條件如下：絮凝劑單耗為10 g/t，供料速度為1.5 L/min，全尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%左右。

全尾砂；動(dòng)態(tài)沉降；絮凝沉降

隨著資源的日益匱乏和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，充填采礦法在礦山得到廣泛應(yīng)用[1?2]。尾砂是選廠排放的廢棄物，將礦山產(chǎn)出的尾砂充填至井下采場(chǎng)，不僅解決了礦山充填料來源問題，而且有利于礦山環(huán)境保護(hù)，但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般僅為5%~25%，無法直接制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的充填料漿[3?4]。而全尾砂充填特別是膠結(jié)充填，一般要求充填料漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65%以上，全尾砂濃縮成為充填采礦的主要研究方向之 一[5?7]。傳統(tǒng)的全尾砂濃縮一般依靠全尾砂在立式砂倉(cāng)中自然沉降，但全尾砂沉降速度較慢，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[8]，同時(shí)，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度較高，達(dá)不到工業(yè)用水排放標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在添加絮凝劑[9?11]和改善濃縮設(shè)備等方面進(jìn)行了研究。焦華喆等[12]通過全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)，研究了給料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和絮凝劑單耗對(duì)沉降速度和沉降物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，并構(gòu)建了簡(jiǎn)易的速度沉降模型；張欽禮等[13?14]建立了全尾砂絮凝沉降參數(shù)優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，對(duì)絮凝沉降參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和優(yōu)化。BüRGERA等[15?18]利用沉降裝置研究了絮凝沉降性能，提出了一種連續(xù)沉降和濃縮數(shù)學(xué)模型；王勇等[19]通過添加轉(zhuǎn)子導(dǎo)流系統(tǒng)模擬尾砂動(dòng)態(tài)沉降，提出了不同區(qū)間的絮凝劑對(duì)尾砂濃密的影響機(jī)理；李輝等[20]利用室內(nèi)深錐相似模型，研究了尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和絮凝劑添加量對(duì)絮凝沉降效果的影響。以上研究均以靜態(tài)沉降為基礎(chǔ)，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)放砂，不能真實(shí)體現(xiàn)全尾砂動(dòng)態(tài)沉降的規(guī)律，無法應(yīng)用于深錐濃密機(jī)沉降濃密。為此，本文作者采用濃密機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，通過連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)放砂，探討不同條件下全尾砂料漿沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溢流水懸浮物質(zhì)量濃度的變化規(guī)律，以期為深錐濃密機(jī)的連續(xù)沉降濃密和連續(xù)放砂提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝備

本文試驗(yàn)裝置采用濃密機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置如圖1所示，試驗(yàn)原理示意圖如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)材料

1) 絮凝劑：陰離子聚丙烯酰胺(APAM，相對(duì)分子質(zhì)量分別為800萬和1 200萬)；陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM，相對(duì)分子質(zhì)量為1 200萬)；聚合氯化鋁(PAC)。

2) 全尾砂：其主要物理性質(zhì)及粒徑分布如表1和表2所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)選用3個(gè)蠕動(dòng)泵，分別用于將全尾砂料漿、絮凝劑溶液泵入濃密試驗(yàn)裝置的給料系統(tǒng)中，以及從試驗(yàn)裝置底部泵出底流礦樣，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料、連續(xù)放砂。參考靜態(tài)沉降絮凝劑單耗、全尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本試驗(yàn)初步設(shè)定試驗(yàn)條件如下：絮凝劑單耗為7.5 g/t，全尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，供料速度為 1.5 L/min，并依據(jù)試驗(yàn)過程實(shí)際結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

1.3.1 試驗(yàn)步驟

1) 絮凝劑溶液配制。在1 000 mL量筒中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1‰的絮凝劑溶液，并攪拌均勻。

2) 全尾砂料漿配制。稱取一定的全尾砂放入體積為100 L的桶內(nèi)，加入一定量的水，配制為相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的全尾砂料漿，用電動(dòng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

3) 開啟蠕動(dòng)泵，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使得全尾砂料漿和絮凝劑以設(shè)定速度和相應(yīng)單耗連續(xù)泵入濃密試驗(yàn)裝置。

圖1 濃密機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

表1 全尾砂的物理特性

表2 全尾砂粒徑分布

4) 測(cè)定底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、沉降速度和溢流水懸浮物質(zhì)量濃度。

1.3.2 絮凝劑選型試驗(yàn)

本組安排5個(gè)試驗(yàn)，即：不加任何試劑，按7.5 g/t分別添加相對(duì)分子質(zhì)量分別為800萬和1 200萬的APAM、相對(duì)分子質(zhì)量為1 200萬的CPAM和PAC，對(duì)比全尾砂的沉降速度和溢流水澄清度。

1.3.3 全尾砂動(dòng)態(tài)沉降條件優(yōu)化試驗(yàn)

1) 控制料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、供料速度不變，測(cè)定不同絮凝劑單耗下全尾砂絮凝沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溢流水懸浮物質(zhì)量濃度的變化規(guī)律。

2) 控制料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、絮凝劑單耗不變，測(cè)定不同供料速度下全尾砂絮凝沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溢流水懸浮物質(zhì)量濃度的變化規(guī)律。

3) 控制絮凝劑單耗、供料速度不變，測(cè)定不同料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)下全尾砂絮凝沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溢流水懸浮物質(zhì)量濃度的變化規(guī)律。

1.4 濃密效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 溢流水懸浮物質(zhì)量濃度。當(dāng)泥層高度為120 mm時(shí)開始取樣測(cè)溢流水。首先稱取濾膜質(zhì)量，將1 000 mL溢流水用抽濾機(jī)進(jìn)行抽濾，對(duì)濾膜在(105±2) ℃下進(jìn)行烘干，稱質(zhì)量，放入烘箱，在同樣條件下處理30 min。取出稱質(zhì)量，如此重復(fù)2次。比較3次質(zhì)量，看質(zhì)量是否達(dá)到恒定，精確至0.1 mg。

2) 底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)泥層高度為240 mm時(shí)開始取樣測(cè)底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。取1 kg左右底流稱質(zhì)量，烘干，稱質(zhì)量，放入烘箱，在同樣條件下處理30 min，復(fù)取出稱質(zhì)量，如此重復(fù)2次。比較3次質(zhì)量，看質(zhì)量是否達(dá)到恒定。

3) 沉降速度。記錄泥層高度由120 mm上升至240 mm的時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 絮凝劑選型試驗(yàn)

絮凝劑種類對(duì)全尾砂絮凝沉降的效果影響很大，定性對(duì)比添加不同類型絮凝劑全尾砂料漿的沉降速度和溢流水澄清度，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。無論從沉降速度還是從清液澄清度，添加絮凝劑的效果都好于不添加絮凝劑的效果，即所有類型的絮凝劑都可以改善全尾砂沉降效果。聚丙烯酰胺分子上的極性基團(tuán)吸附尾砂顆粒，連接而形成較大的絮凝物，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全尾砂料漿沉降。與陽(yáng)離子聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁相比，陰離子聚丙烯酰胺更適合此料漿的絮凝沉降。

表3 絮凝劑選型測(cè)試結(jié)果

2.2 全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降條件優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 絮凝劑單耗對(duì)全尾砂絮凝沉降效果的影響

在全尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，供料速度為1.5 L/min時(shí)，全尾砂絮凝動(dòng)態(tài)沉降指標(biāo)(沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溢流水懸浮物質(zhì)量濃度)隨絮凝劑單耗變化的曲線如圖3和圖4所示。從圖3可見：隨著絮凝劑單耗增加，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降速度先增加后基本保持不變，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；當(dāng)絮凝劑單耗為7.5 g/t時(shí)，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降效果達(dá)到最佳，底流沉降速度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.384 mm/min和69.766%。從圖4可見：隨著絮凝劑單耗增大，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度逐漸降低；當(dāng)絮凝劑單耗大于7.5 g/t時(shí)，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度小于工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)懸浮物質(zhì)量濃度(300 mg/L)。經(jīng)綜合考慮，當(dāng)絮凝劑單耗為10 g/t時(shí)，全尾砂的動(dòng)態(tài)絮凝沉降效果最佳。

當(dāng)絮凝劑單耗較低時(shí)，部分全尾砂顆粒無法與絮凝劑發(fā)生作用，導(dǎo)致沉降速度較慢；部分細(xì)尾砂顆粒隨溢流水流出，導(dǎo)致溢流水懸浮物質(zhì)量濃度較高；沉降區(qū)以粗顆粒為主，顆粒間的孔隙較大，故底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。隨著絮凝劑單耗增加，尾砂顆粒與絮凝劑充分作用，有效擾動(dòng)打破了部分絮團(tuán)或顆粒受力平衡，同時(shí)使得處于松散狀態(tài)的尾砂顆粒重新排列，周圍微細(xì)顆粒落入孔隙內(nèi)，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步升高，沉降效果隨之提升。隨著絮凝劑單耗進(jìn)一步增大，尾砂顆粒被絮凝劑層層包裹，同時(shí)會(huì)有大量水分積聚在絮團(tuán)內(nèi)部以及絮團(tuán)之間，無法及時(shí)排出，導(dǎo)致底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

1—沉降速度；2—底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1—懸浮物質(zhì)量濃度；2—標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2.2 供料速度對(duì)全尾砂絮凝沉降效果的影響

在全尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，絮凝劑單耗為 10 g/t時(shí)，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降指標(biāo)(沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溢流水懸浮物質(zhì)量濃度)隨供料速度變化的曲線如圖5和圖6所示。從圖5可見：隨著供料速度增加，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降速度逐漸變大，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸變小。從圖6可見：隨著供料速度增大，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度逐漸上升；當(dāng)供料速度大于1.7 L/min時(shí)，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度大于工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)懸浮物質(zhì)量濃度(300 mg/L)。經(jīng)綜合考慮，當(dāng)供料速度為1.5 L/min時(shí)，全尾砂的動(dòng)態(tài)絮凝沉降效果最佳。

1—沉降速度；2—底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1—懸浮物質(zhì)量濃度；2—標(biāo)準(zhǔn)值。

當(dāng)供料速度較低時(shí)，料漿與絮凝劑溶液在試驗(yàn)裝置停留時(shí)間較長(zhǎng)，使得尾礦顆粒發(fā)生絮凝反應(yīng)的時(shí)間延長(zhǎng)，絮凝反應(yīng)更徹底，絮凝沉降效果較好；隨著供料速度增加，尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，沉降速度逐漸增加，料漿在試驗(yàn)裝置中停留時(shí)間減少，絮凝劑無法與尾砂顆粒充分作用，部分細(xì)尾砂顆粒隨溢流水流出，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度增加，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。

2.2.3 料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)全尾砂絮凝沉降效果的影響

在全尾砂料漿供料速度為1.5 L/min，絮凝劑單耗為10 g/t時(shí)，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降指標(biāo)(沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溢流水懸浮物質(zhì)量濃度)隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖7和圖8所示。從圖7可見：隨著料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降速度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)先上升后基本維持平衡。從圖8可見：隨著料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度逐漸上升；當(dāng)料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過13%時(shí)，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度大于工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)懸浮物質(zhì)量濃度(300 mg/L)。經(jīng)綜合考慮，當(dāng)料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%時(shí)，全尾砂的動(dòng)態(tài)絮凝沉降效果最佳。

1—沉降速度；2—底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1—懸浮物質(zhì)量濃度；2—標(biāo)準(zhǔn)量。

當(dāng)料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，故沉降速度較慢；隨著料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，絮凝劑與尾砂顆粒接觸的概率增加，絮凝沉降效果提高；料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加導(dǎo)致尾砂顆粒與絮凝劑的接觸困難，故溢流水懸浮物質(zhì)量濃度增加。

3 結(jié)論

1) 本試驗(yàn)采用濃密機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)放砂，更能體現(xiàn)全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降的規(guī)律。

2) 隨著絮凝劑單耗增加，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降速度先增加后基本保持不變，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度逐漸降低；隨著供料速度增加，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降速度逐漸增大，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸變小，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度逐漸上升；隨著料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降速度呈上升趨勢(shì)，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)先上升后基本維持平衡，溢流水懸浮物質(zhì)量濃度逐漸上升。

3) 通過全尾砂動(dòng)態(tài)沉降條件優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降條件進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定最佳動(dòng)態(tài)絮凝沉降條件如下：絮凝劑單耗為10 g/t，供料速度為1.5 L/min，全尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%左右。

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(編輯 陳燦華)

Experimental study on dynamic flocculating sedimentation of unclassified tailings

BIAN Jiwei1, WANG Xinmin1, XIAO Chongchun2

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Feny Ltd., Changsha 410600, China)

Taking sedimentation velocity, underflow density and suspended solid concentration of overflow water as the evaluation indexes of dynamic flocculating sedimentation effect, the changing laws of dynamic flocculating sedimentation of unclassified tailings were experimented at different conditions using the dynamic test apparatus of thickener for continuous feeding and continuous sands-discharge. The results show that there is a clear positive correlation between the sedimentation velocity and the changes of flocculant consumption, feed velocity and solution concentration. The underflow density increases firstly with the increase of the flocculant consumption, then remains unchanged, and it has negative correlation with the feed velocity and positive correlation with solution concentration. The suspended solid concentration of overflow water is positively correlated with flocculant consumption, but is negatively correlated with feed velocity and solution concentration. The best conditions for dynamic flocculating sedimentation are as follows: flocculant consumption is 10 g/t; the feed velocity is 1.5 L/min, and the solution concentration is about 13%.

unclassified tailings;dynamic sedimentation;flocculating sedimentation

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.019

TD853

A

1672?7207(2017)12?3278?06

2016?12?29；

2017?03?11

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC09B02) (Project(2012BAC09B02) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the “12th Five-Year” Plan Period of China)

王新民，博士，教授，從事采礦工藝與充填技術(shù)研究；E-mail：wxm1958@126.com