難處理鎢礦尾砂沉降性能研究

江 科 ，康瑞海 ，胡天壽 ，彭 亮 ，仵鋒鋒

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙410012；3.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦，江西 上饒 334000）

全尾砂充填是礦山充填開(kāi)采的主要發(fā)展趨勢(shì)，其中全尾砂快速沉降濃縮制備高濃度充填料漿是礦山充填工藝的重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外有眾多關(guān)于尾砂快速沉降方面的試驗(yàn)和研究，取得了一定的研究成果，可以指導(dǎo)類(lèi)似礦山全尾砂預(yù)處理工藝的研究和設(shè)計(jì)。但因不同礦山固有的條件不同，尾砂物理化學(xué)性質(zhì)差別較大，很難達(dá)到眾多研究中預(yù)設(shè)的理想化前提，更難以用普適性的公式來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尾砂沉降濃縮的工藝參數(shù)[1-8]。本研究針對(duì)某難處理鎢礦尾砂的物理化學(xué)特性進(jìn)行研究，結(jié)合選礦工藝分析出尾砂難沉降的原因，對(duì)尾砂漿進(jìn)行預(yù)處理后實(shí)現(xiàn)全尾砂快速絮凝沉降，并得到最優(yōu)的藥劑組合添加量，以解決該鎢礦尾砂漿發(fā)泡難沉降的問(wèn)題。砂難沉降，管道輸送產(chǎn)生震蕩后發(fā)泡嚴(yán)重等現(xiàn)象，泡沫中夾雜大量的尾砂顆粒，致使溢流水固含量高，尾砂的有效利用率低于60%，全尾砂充填系統(tǒng)的立式砂倉(cāng)起到了旋流分級(jí)器的作用，進(jìn)入尾礦庫(kù)的溢流細(xì)顆粒尾砂難以堆壩，回水也受到泡沫的影響，致使選廠用水緊張，解決全尾砂漿發(fā)泡及沉降難題已成為企業(yè)生產(chǎn)的當(dāng)務(wù)之急。如圖1為該礦砂倉(cāng)頂?shù)陌l(fā)泡溢流水。該礦生產(chǎn)中實(shí)行了眾多的措施來(lái)應(yīng)對(duì)這一狀況，如購(gòu)置真空壓濾機(jī)、構(gòu)筑大型澄清池、添加有機(jī)高分子絮凝劑等方式處理溢流水，但投入巨大、收效甚微。壓濾機(jī)處理溢流細(xì)顆粒尾砂具有能耗高、

1 礦山概況

湖南某鎢礦前身是民采企業(yè)，基本采用空?qǐng)龇ú傻V，采富棄貧同時(shí)留下150萬(wàn)m3的空區(qū)有待處理。為保證井下采礦安全，處理老空區(qū)、減少礦石的損失貧化率，該鎢礦的采礦方法由空?qǐng)龇ǜ臑槌涮罘?，建設(shè)了一座地表充填制備站，配備有兩個(gè)立式砂倉(cāng)作為全尾砂的存儲(chǔ)、濃縮裝置。原設(shè)計(jì)該礦尾砂一部分進(jìn)入充填流程，添加水泥制備成全尾砂充填料漿后自流至井下采場(chǎng)，但在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)尾效率低、操作工作量大等問(wèn)題，無(wú)法解決充填尾砂利用率低的問(wèn)題；大型澄清池上部依然漂浮有大量尾砂漿泡沫難以消除，沒(méi)有起到預(yù)期的作用；有機(jī)高分子絮凝劑在生產(chǎn)應(yīng)用中效果很差。因此，需針對(duì)該礦的實(shí)際情況，對(duì)尾砂漿的性質(zhì)進(jìn)行全面研究，探索該難處理發(fā)泡鎢礦尾砂漿的形成機(jī)制與處理手段，從源頭解決尾砂漿的發(fā)泡問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)充填系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1 砂倉(cāng)頂溢流槽中的難處理尾礦溢流水Fig.1 The refractory tailings overflow water in spillway trough of vertical sand tank

2 全尾砂漿性質(zhì)研究

影響尾砂顆粒沉降速度的因素較多，主要有尾砂顆粒大小、顆粒表面形狀、初始尾砂漿濃度以及尾砂漿連續(xù)相介質(zhì)的黏度等，根據(jù)理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，全尾砂細(xì)顆粒含量越多，平均粒徑越小，尾砂的沉降速度越慢；尾砂顆粒表面形狀越凹凸不平，尾砂沉降受到的阻力越大；初始沉降時(shí)尾砂漿濃度越高，尾砂的沉降過(guò)程受到的干擾越大；尾砂漿的連續(xù)相介質(zhì)黏稠度越大，尾砂沉降越困難[9-12]。

對(duì)該鎢礦全尾砂的沉降機(jī)理展開(kāi)研究，采用Mastersizer 3000型激光衍射粒度分析儀對(duì)全尾砂粒徑進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示，粒度分布曲線如圖2所示。高倍光學(xué)顯微鏡觀察全尾砂顆粒的形狀，結(jié)果如圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，該鎢礦全尾砂-20 μm含量為31.097%，-75 μm含量為59.687%，平均粒徑為126.3 μm；細(xì)尾砂顆粒尾砂多呈橢球狀，表面較圓潤(rùn)。與類(lèi)似礦山相比該鎢礦全尾砂顆粒粒徑偏粗，極細(xì)尾砂含量較低，尾砂顆粒形狀規(guī)則且表面圓潤(rùn)，可以判斷該鎢礦全尾砂自身的物理性質(zhì)并不是導(dǎo)致其難以沉降的原因。

表1 全尾砂粒徑分布表Tab.1 The particle size distribution of whole tailings

圖2 全尾砂粒度分布曲線Fig.2 Particle size distribution of whole tailings

圖3 全尾砂顆粒表面形狀Fig.3 The suface shape of whole tailings

圖4 黏度儀測(cè)試尾砂漿連續(xù)相黏度過(guò)程Fig.4 Testing process of continuous viscosity of tailings slurry by viscometer

圖5 尾砂漿連續(xù)相黏度測(cè)試結(jié)果曲線Fig.5 The curve of tailings slurry continuous phase’viscosity testing

應(yīng)用黏度儀HAAKE Viscotester550對(duì)尾砂漿連續(xù)相的黏度進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖5所示。測(cè)試軟件根據(jù)編程算法計(jì)算黏度值結(jié)果為2.76 mpa·s，同等條件下測(cè)試的清水黏度值為0.91 mpa·s，由此可知全尾砂漿的連續(xù)相黏度較大。為進(jìn)一步探究連續(xù)相及初始砂漿濃度對(duì)沉降速度的影響，設(shè)置三種試樣進(jìn)行沉降試驗(yàn)，第1組濃度值為20%尾砂漿（選廠總尾濃度值），第2組濃度值為25%尾砂漿，第3組濃度值為20%尾砂漿（砂漿的連續(xù)相更換為清水），三組試樣的自然沉降對(duì)比曲線如圖6所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，全尾砂漿連續(xù)相介質(zhì)的變換對(duì)尾砂沉降的影響較大，前兩組試樣沉降24 h之后上部液體仍然渾濁，細(xì)顆粒尾砂漂浮于其中，而第三組試樣在沉降的過(guò)程中上層液體逐漸澄清，試驗(yàn)結(jié)果足以說(shuō)明該礦尾砂漿連續(xù)相的性質(zhì)抑制了細(xì)顆粒尾砂的沉降，尾砂漿經(jīng)震蕩后發(fā)泡現(xiàn)象嚴(yán)重也與液相有關(guān)，因而需結(jié)合該礦的選礦工藝對(duì)其尾砂漿液相進(jìn)行深入研究。

圖6 全尾砂漿自然沉降高度對(duì)比曲線Fig.6 Correlation curve of full tailings slurry natural sedimentation

3 選礦工藝及藥劑制度影響分析

該礦尾砂漿連續(xù)相黏度較大，對(duì)尾砂的沉降產(chǎn)生阻滯作用，細(xì)顆粒尾砂的重力已無(wú)法克服其在密度較大的連續(xù)相液體中所受到的浮力。表2為該礦全尾砂漿自然沉降界面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖7為沉降24 h后量筒內(nèi)尾砂漿的情況。由試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果可知，粗顆粒尾砂在試驗(yàn)開(kāi)始后即快速下沉，細(xì)粒級(jí)尾砂沉降速度很慢，極細(xì)尾砂長(zhǎng)期懸浮于上層液體中不下沉，試驗(yàn)結(jié)果證明上述推斷的正確性。因而應(yīng)了解選礦工藝及其藥劑制度中影響尾砂沉降的物質(zhì)種類(lèi)和添加量，進(jìn)而研究如何消解此種物質(zhì)提供實(shí)現(xiàn)尾砂沉降的有利環(huán)境。如圖8為該礦選礦工藝流程，圖中標(biāo)明了主要工序及其所添加的藥劑，主要有丁黃藥、丁胺黑藥、碳酸鈉、水玻璃及ZL藥劑等。丁黃藥和丁胺黑藥是浮選工藝中廣泛使用的捕收劑，丁胺黑藥同時(shí)兼作起泡劑，兩者均為有機(jī)化合物，溶于水、性質(zhì)穩(wěn)定，在選礦流程中添加量較少；ZL藥劑是白鎢選礦工藝中重要的類(lèi)脂肪酸捕收劑，其選擇性好、穩(wěn)定性高、添加量?。惶妓徕c在白鎢浮選是常見(jiàn)的pH值調(diào)整劑，可消除數(shù)種阻礙白鎢礦浮選的有害離子；水玻璃作為抑制劑吸附于礦物表面而使礦物親水而起到抑制作用，現(xiàn)場(chǎng)使用的水玻璃模數(shù)為2.4，分子式為 Na2O·2.4SiO2[13-18]。

表2 全尾砂漿自然沉降界面高度Tab.2 The interface height of full tailings slurry natural sedimentation

圖7 靜置24 h后的尾砂漿Fig.7 Full tailings slurry after standing for 24 hours

由選礦工藝可知，丁黃藥、ZL藥劑及丁胺黑藥作為捕收劑時(shí)，其添加量較少，均為有機(jī)化合物、溶于水，對(duì)礦漿連續(xù)相的物理性質(zhì)影響較小，不是導(dǎo)致尾砂難以沉降的原因。當(dāng)丁胺黑藥發(fā)揮起泡劑作用時(shí)需添加碳酸鈉來(lái)調(diào)節(jié)礦漿的pH，現(xiàn)場(chǎng)碳酸鈉的添加量為1～2.5 kg/t原礦，礦漿的pH維持在10～11；水玻璃作為選礦抑制劑的添加量為7～12 kg/t原礦，一般為無(wú)色或呈淡黃色、透明的黏稠液體，溶于水，25℃下密度為2.33 g/mL，水玻璃溶于水會(huì)不斷形成氫氧化鈉和硅酸，同時(shí)兩者也不斷中和重新形成水玻璃，同時(shí)氫氧根離子表現(xiàn)出的堿性遠(yuǎn)大于弱酸的酸性，因而水玻璃的添加進(jìn)一步增大礦漿的pH，使環(huán)境更有利于起泡劑發(fā)揮作用。綜上所述，通過(guò)對(duì)選礦工藝的研究，結(jié)合尾砂沉降原理分析白鎢礦尾砂難沉降的機(jī)理可知：大量水玻璃使得尾砂漿連續(xù)相黏度變大，細(xì)顆粒尾砂無(wú)法通過(guò)重力實(shí)現(xiàn)自然沉降過(guò)程，同時(shí)水玻璃及碳酸鈉的加入使礦漿呈現(xiàn)高pH值，利于起泡劑丁胺黑藥發(fā)揮效用，尾砂漿在管道中劇烈震蕩形成大量泡沫進(jìn)一步阻礙細(xì)顆粒尾砂的沉降。

圖8 選礦工藝流程Fig.8 Flowsheet for mineral processing

4 難處理尾砂絮凝沉降試驗(yàn)

針對(duì)該白鎢礦特殊的尾砂漿性質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)砂漿不起泡、細(xì)顆粒尾砂快速沉降，需調(diào)節(jié)礦漿pH至中性，抑制丁胺黑藥的發(fā)泡劑作用，然后添加聚合氯化鐵消解水玻璃，并利用其混凝劑的性質(zhì)使尾砂顆粒產(chǎn)生初步凝聚，最后添加適宜的聚丙烯酰胺絮凝劑完成尾砂的快速沉降，解決難處理白鎢尾砂的沉降難題。通過(guò)稀硫酸對(duì)尾砂漿進(jìn)行中和，中和后的尾砂漿作為下一步沉降試驗(yàn)的材料，首先進(jìn)行絮凝劑的初選，之后再探究聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺絮凝劑在不同添加量下的綜合效果，實(shí)現(xiàn)尾砂快速沉降效果的同時(shí)降低藥劑的使用量及成本。

添加過(guò)量的聚合氯化鐵消除水玻璃的影響后選取三種不同的絮凝劑，分別為FA6000s、BSF5250和AD9020，根據(jù)絮凝劑性質(zhì)及使用經(jīng)驗(yàn)，初選添加量設(shè)定為30 g/t干尾砂，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。分析可知添加AD9020絮凝劑的沉降速度最快，其次是FA6000s，BSF5250效果最差，但沉降過(guò)程中添加BSF5250和AD9020絮凝劑的上層液體渾濁，只有添加FA6000s絮凝劑的上清液清澈，因而選擇FA6000s絮凝劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

表3 預(yù)處理后的尾砂漿絮凝初選試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Preliminary testing results of tail flurry flocculation after pre-treatment

在實(shí)現(xiàn)尾砂快速沉降的同時(shí)探究最佳的藥劑添加量，節(jié)約處理成本并避免過(guò)量藥劑的二次污染，選擇聚合氯化鐵的添加量分別為80 g/t、75 g/t和70 g/t，F(xiàn)A6000s絮凝劑的添加量分別為30g/t、25g/t和20g/t，共需進(jìn)行9組試驗(yàn)，最終比較試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖9、圖10所示。結(jié)果表明尾砂的沉降速度隨著絮凝劑添加量的增加而增大；隨聚合氯化鐵的添加量增加而增大；底流濃度隨藥劑用量的加大而有所減少，但減少的幅度不大，與自然沉降相比約降低2%～4%；絮凝劑添加量的變化對(duì)底流濃度的影響比聚合氯化鐵大。比較180s時(shí)的沉降高度及上部液體的清澈程度，由結(jié)果可知當(dāng)聚合氯化鐵添加量為75 g/t、FA6000s絮凝劑添加量為25 g/t時(shí)尾砂漿上層液體清澈，沉降速度較快，是技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的藥劑制度。如圖11為處置后的尾砂漿絮凝沉降與未處置尾砂漿沉降180 s后的對(duì)比照片。

圖9 尾砂沉降藥劑定量試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Quantitative test for tail sand sedimentation agent

圖10 尾砂沉降藥劑添加量?jī)?yōu)選散點(diǎn)圖Fig.10 Scatter plot for the adding amount optimizing of tailings sedimentation agent

圖11 經(jīng)處置和未處置尾礦漿沉降效果對(duì)比Fig.11 Sedimentation effect comparison between the disposed and un-disposal slurries

表4 尾砂沉降藥劑添加量?jī)?yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Optimization testing results for tail sand sedimentation agent addition amount

5 結(jié)論和建議

（1）不同礦山選礦工藝及尾砂特性影響全尾砂沉降性能的主導(dǎo)因素差異較大。該鎢礦尾砂平均粒級(jí)為 126.3 μm，-20 μm 顆粒含量為 31.097%，尾砂呈橢球狀且表面較光滑，但由于礦漿連續(xù)相黏度較大及浮選起泡劑等原因致使其難以沉降，給企業(yè)充填生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的影響。結(jié)合尾砂沉降機(jī)理對(duì)選礦工藝進(jìn)行深入研究，分析得到大劑量水玻璃是尾砂難以沉降的主要原因、強(qiáng)堿性的礦漿環(huán)境使礦漿易于發(fā)泡，因而制定適宜的工藝，即先中和礦漿使其pH呈中性，然后加入聚合氯化鐵起到消解水玻璃和凝聚尾砂顆粒的作用，最后添加高分子FA6000s絮凝劑使尾砂快速沉降。

（2）對(duì)聚合氯化鐵和高分子絮凝劑FA6000s進(jìn)行添加量?jī)?yōu)化試驗(yàn)，通過(guò)沉降速度及上層液體澄清度的比較，最終選擇聚合氯化鐵添加量為75 g/t、FA6000s絮凝劑添加量為25 g/t為最佳藥劑添加制度。

（3）添加酸對(duì)尾砂漿進(jìn)行中和在充填站難以操作，由于選礦生產(chǎn)具有波動(dòng)性，如何控制酸的添加量是一個(gè)難題，過(guò)量的酸會(huì)對(duì)管道、充填設(shè)施造成腐蝕，造成資源的浪費(fèi)；酸量不足則難以達(dá)到預(yù)期沉降效果。針對(duì)該礦山的實(shí)際情況，其堿性主要產(chǎn)生于碳酸鈉和水玻璃的加入，今后需進(jìn)一步研究以尋找價(jià)廉、易得的藥劑，同時(shí)消解碳酸鈉和水玻璃，再對(duì)處置后的尾砂漿進(jìn)行絮凝劑的定性與定量試驗(yàn)，得到更優(yōu)、更具操作性的尾砂快速沉降藥劑制度。