全尾砂絮凝沉降影響因素研究

王楚涵，李富平

?

全尾砂絮凝沉降影響因素研究

王楚涵，李富平

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山市 063009)

尾砂絮凝沉降是制備充填料漿的首要環(huán)節(jié)，為探討不同條件下全尾砂絮凝沉降效果，考慮入料濃度、PAM單耗和PAM溶液濃度為影響因子，尾砂沉降速度和沉降漿體濃度為考察指標(biāo)，利用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)開(kāi)展試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析和響應(yīng)曲面分析。結(jié)果表明：影響尾砂沉降速度的因素敏感性順序?yàn)镻AM單耗＞入料濃度＞PAM溶液濃度，影響沉降漿體濃度的因素敏感性順序?yàn)槿肓蠞舛龋綪AM溶液濃度＞PAM單耗；各因素之間存在一定的交互作用，入料濃度與PAM單耗之間的交互作用對(duì)尾砂沉降速度的影響極為顯著，沉降漿體濃度與入料濃度的關(guān)系受PAM單耗和PAM溶液濃度共同作用的影響。推薦礦山生產(chǎn)中適當(dāng)提高入料濃度，降低PAM溶液濃度，進(jìn)而可以降低PAM單耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

全尾砂；絮凝沉降；響應(yīng)曲面分析；交互作用

0 引 言

充填采礦技術(shù)通過(guò)將地表尾廢制備成料漿輸送至地下空區(qū)，凝固后形成充填體。既能有效減少地表尾廢排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，形成的充填體又能有效控制圍巖變形，防止地表塌陷，維護(hù)采場(chǎng)安全。充填采礦技術(shù)因其具有的眾多優(yōu)勢(shì)必將成為礦山開(kāi)采的主流[1-3]。

料漿制備與輸送是充填采礦技術(shù)的“中樞神經(jīng)”，尾砂絮凝沉降是料漿制備的第一步，由選廠排放的尾砂漿濃度較低，尾砂在砂倉(cāng)中沉降速度過(guò)慢嚴(yán)重影響了充填效率，放砂濃度較低又造成了料漿濃度過(guò)低，充填到井下后大量濾水嚴(yán)重污染井下環(huán)境，同時(shí)溢流水含固率較高影響了水的循環(huán)利用，既浪費(fèi)資源又提高了成本[4]。因此提高砂倉(cāng)內(nèi)尾砂沉降速度與放砂濃度，降低溢流水含固率是急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

固體顆粒沉降過(guò)程中，沉降速度與顆粒直徑的平方成正比[5]，通過(guò)在砂漿中添加絮凝劑，使尾砂吸附在聚合物長(zhǎng)碳鏈上的活性官能團(tuán)，利用“架橋”原理，絮凝聚集成較大的絮團(tuán)，從而能大幅度提高顆粒的沉降速度[6]。牟宏偉[7]、甘德清[8]探討了不同種類(lèi)絮凝劑對(duì)尾砂沉降效果的影響，發(fā)現(xiàn)陰離子聚丙烯酰胺最有利于尾砂迅速形成絮凝團(tuán)，加快沉降速度。除了絮凝劑以外影響尾砂沉降的因素還有很多。吳愛(ài)祥[9]分析了多種因素對(duì)全尾砂絮凝沉降速度的影響，認(rèn)為尾砂漿入料濃度、絮凝劑單耗、溫度、尾砂漿pH值、絮凝劑溶液濃度等因素的影響相對(duì)較為顯著。焦華喆[10]建立了尾砂絮凝沉降模型，認(rèn)為尾砂沉降過(guò)程中經(jīng)歷了紊流段，加速段，壓密段等階段，沉降速度與給料濃度負(fù)相關(guān)，極限濃度與給料濃度正相關(guān)。張欽禮[11]等針對(duì)超細(xì)尾砂，研究發(fā)現(xiàn)在添加陰離子聚丙烯酰胺溶液之前先添加適量聚合氯化鋁有助于細(xì)粒級(jí)尾砂沉降，尾砂漿入料濃度是影響沉降速度最顯著的因素。孫建軍[12]針對(duì)細(xì)粒銅尾礦研究發(fā)現(xiàn)將聚丙烯酰胺和石灰混合使用可以加快沉降速度，降低澄清液濁度。上述研究從不同類(lèi)型尾礦，不同種類(lèi)絮凝劑，不同尾砂漿入料濃度等多方面探討了對(duì)尾砂絮凝沉降效果的影響。但對(duì)于各影響因素之間的交互作用的討論較少。

本文采用正交試驗(yàn)法[13]，以沉降速度和沉降漿體濃度為考察指標(biāo)，綜合考慮尾砂漿入料濃度，絮凝劑單耗，絮凝劑溶液濃度等因素對(duì)尾砂絮凝沉降效果的影響，利用回歸分析和響應(yīng)曲面分析因素之間的交互作用，為礦山充填提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)尾砂來(lái)源于冀東地區(qū)某鐵礦山全尾砂，尾砂粒級(jí)分布曲線(xiàn)如圖1所示，?200目以下的細(xì)粒級(jí)尾砂約50%，細(xì)粒級(jí)尾砂含量較多，造成沉降較困難。全尾砂化學(xué)成分如表1所示，尾砂中SiO2含量較高，S、P等含量較低，根據(jù)鐵礦尾砂性質(zhì)選用陰離子聚丙烯酰胺(APAM)為絮凝劑，其分子水解反應(yīng)后形成羧基—COO-，將絮凝劑配置成質(zhì)量濃度為0.3%的溶液。

圖1 粒徑分布曲線(xiàn)

表1 全尾砂化學(xué)成分 /%

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在初步探索試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮入料濃度，PAM單耗和PAM溶液濃度等因素的影響，利用正交試驗(yàn)法，選取標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(34)設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，具體的因素水平選取與試驗(yàn)方案見(jiàn)表2和表3。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

表3 正交試驗(yàn)方案和結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法

(1) 按照試驗(yàn)方案分別準(zhǔn)確稱(chēng)量尾砂，絮凝劑等物質(zhì)的質(zhì)量，精確到0.01 g。用來(lái)配置相應(yīng)濃度的尾砂漿放置于1000 mL量筒內(nèi)，制備好PAM溶液以備試驗(yàn)過(guò)程中向尾砂漿中添加。

(2) 按照表3設(shè)計(jì)中各組對(duì)應(yīng)絮凝劑溶液?jiǎn)魏臏?zhǔn)確量取對(duì)應(yīng)的PAM溶液添加到尾砂漿中。

(3) 翻轉(zhuǎn)搖晃量筒，使絮凝劑溶液與尾砂漿充分接觸，靜置，記錄不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的澄清液面高度。

(4) 當(dāng)澄清液面不再變化時(shí)，記錄最終高度，計(jì)算沉降底部尾砂漿的漿體濃度，以及尾砂的沉降速度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)澄清液面的下降高度與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算得到尾砂的沉降速度，當(dāng)澄清界面不再下降時(shí)對(duì)量筒底部的沉降漿體濃度進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

2.2 極差分析

通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析可以直觀看出影響尾砂絮凝沉降效果因素的敏感性順序，并且可以找到各因素的最佳水平。對(duì)尾砂沉降速度和沉降漿體濃度分別進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 極差分析

從表4可以看出，沉降速度的極差值差別較大，本次試驗(yàn)中對(duì)尾砂沉降速度影響最為顯著的是PAM單耗，尾砂漿入料濃度次之，其次是PAM溶液濃度；沉降漿體濃度的極差值相近，各因素的主次順序?yàn)槲采皾{入料濃度＞PAM溶液濃度＞PAM單耗；綜合兩個(gè)考察指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)尾砂漿入料濃度較低時(shí)，尾砂沉降速度越大，但得到的沉降漿體濃度也相對(duì)較低；PAM單耗越大，沉降速度越大，但是沉降漿體的濃度較低。因此需要綜合考慮各因素取值使得尾砂沉降速度較大，得到的沉降漿體濃度也較大。

2.3 回歸分析

使用DPS軟件[14]，將入料濃度，PAM單耗，PAM溶液濃度為輸入因子，沉降速度與沉降漿體濃度為輸出因子，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，分別得到沉降速度和沉降漿體濃度的回歸方程：

式中：1為沉降速度，cm/min；2為漿體速度，%；1為入料濃度，%；2為PAM單耗，g/t；3為PAM溶液濃度，%。

回歸方程(1)中，=0.9982，值的顯著水平=0.0029＜0.05；回歸方程(2)中，=0.9978，值的顯著水平=0.0045＜0.05；回歸方程顯著。

各因素對(duì)回歸方程的貢獻(xiàn)可以用顯著性水平值來(lái)表示，按照顯著值小于0.2來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，式(1)中，PAM單耗的值為0.0715，PAM單耗與入料濃度乘積的值為0.0571；PAM單耗對(duì)于尾砂沉降速度有顯著影響，PAM單耗與入料濃度有顯著的交互作用。式(2)中，入料濃度的值為0.0852，入料濃度與PAM溶液濃度乘積的值為0.1572；入料濃度對(duì)于沉降漿體有顯著影響，入料濃度與PAM溶液濃度的交互作用對(duì)沉降漿體濃度有一定影響，認(rèn)為是當(dāng)PAM溶液濃度較高，單耗一定時(shí)，PAM溶液添加量越少，而更多的尾砂吸附在聚合物長(zhǎng)碳鏈上，絮凝團(tuán)之間的孔隙越大，最終導(dǎo)致形成的沉降漿體濃度降低。

2.4 響應(yīng)曲面分析

通過(guò)對(duì)尾砂絮凝沉降結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)曲面分析[15]，分別得到了沉降速度和沉降漿體濃度的響應(yīng)曲面模型，由圖2和圖3可以明顯看出各因素之間的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。

通過(guò)分析沉降速度的響應(yīng)曲面，PAM單耗和入料濃度乘積的值小于0.01，這說(shuō)明這兩個(gè)因素之間的交互作用顯著，其次是PAM溶液濃度與PAM單耗之間的交互作用對(duì)尾砂的沉降速度有一定影響，PAM溶液濃度和入料濃度的交互作用對(duì)尾砂沉降速度的影響不顯著。由圖2(a)可知，PAM單耗和入料濃度的等高線(xiàn)不平行，且近似呈橢圓形，可進(jìn)一步說(shuō)明其交互作用顯著，PAM單耗對(duì)沉降速度的響應(yīng)值受入料濃度的顯著影響，當(dāng)入料濃度較低時(shí)，隨著PAM單耗的增加，沉降速度顯著增大；當(dāng)入料濃度較高時(shí)，PAM單耗對(duì)沉降速度的影響較小。當(dāng)PAM單耗較低時(shí)，入料濃度對(duì)沉降速度的影響較小，當(dāng)PAM單耗較高時(shí)，沉降速度與入料濃度負(fù)相關(guān)。

在沉降漿體濃度的響應(yīng)曲面分析中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于沉降漿體濃度的響應(yīng)值，各因素之間均存在一定的交互作用，并且從圖3也可以看出，各因素的等高線(xiàn)均不平行。由圖3(a)可知，當(dāng)PAM溶液濃度一定時(shí)，沉降漿體濃度隨著PAM單耗和入料濃度的增加而逐漸增大。根據(jù)圖3(b)，PAM溶液濃度的增大會(huì)影響沉降漿體濃度，但影響不大，當(dāng)PAM溶液濃度較低時(shí)，入料濃度越大得到的沉降漿體濃度的響應(yīng)值越大。從圖3(c)可以看出，PAM單耗越大，PAM溶液濃度越低，得到的沉降漿體濃度響應(yīng)值越大；當(dāng)PAM溶液濃度較高時(shí)，一味增加PAM單耗反而會(huì)降低沉降漿體的濃度。

(a) PAM單耗和入料濃度；(b) PAM溶液濃度和入料濃度；(c) PAM溶液濃度和PAM單耗

綜上考慮，入料濃度、PAM單耗和PAM溶液濃度對(duì)于尾砂沉降速度以及沉降漿體濃度的響應(yīng)值具有一定的交互作用，入料濃度和PAM單耗之間的交互作用最為顯著；因此在實(shí)際生產(chǎn)中，不用一味增加PAM單耗，可以適當(dāng)提高入料濃度，降低PAM單耗以及PAM溶液濃度，可以獲得更好的絮凝沉降效果，既能得到滿(mǎn)足礦山充填骨料的沉降速度，又能得到較高的沉降漿體濃度，還能減少PAM使用量，降低充填成本。

(a) PAM單耗和入料濃度；(b) PAM溶液濃度和入料濃度；(c) PAM溶液濃度和PAM單耗

3 結(jié) 論

(1) 采用正交試驗(yàn)法對(duì)影響尾砂沉降效果的入料濃度、PAM單耗和PAM溶液濃度等3個(gè)因素進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)尾砂沉降速度影響最敏感的是PAM單耗，其次是入料濃度和PAM溶液濃度；對(duì)沉降漿體濃度影響最敏感的是入料濃度，其次是PAM溶液濃度和PAM 單耗。

(2) 通過(guò)回歸分析和響應(yīng)曲面分析發(fā)現(xiàn)，入料濃度、PAM單耗和PAM溶液濃度之間存在一定的交互作用，PAM單耗和入料濃度之間的交互作用對(duì)尾砂沉降速度的影響極為顯著；沉降漿體濃度與入料濃度不存在正相關(guān)關(guān)系，受PAM單耗和PAM溶液濃度共同作用影響。

(3) 礦山生產(chǎn)過(guò)程中可適當(dāng)提高入料濃度和PAM溶液濃度，減少PAM的使用量，降低成本，提高收益，推薦礦山采用絮凝沉降參數(shù)為入料濃度20%，PAM單耗20 g/t，PAM溶液濃度0.2%。

[1] POKHAREL M, FALL M. Combined influence of sulphate and temperature on the saturated hydraulic conductivity of hardened cemented paste backfill[J]. Cement & Concrete Composites, 2013, 38: 21?28.

[2] Bayram Ercikdi, Hakan Baki, Muhammet Izki. Effect of desliming of sulphide-rich mill tailings on the long-term strength of cemented paste backfill[J]. Journal of Environment Management, 2013, 115: 5?13.

[3] 劉 超,韓 斌,孫 偉,等.高寒地區(qū)廢石破碎膠結(jié)充填體強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究與工業(yè)應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(1): 139?147.

[4] 彭乃兵,吳愛(ài)祥,王洪江,等.全尾砂絮凝沉降工藝研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2015,35(7):35?38.

[5] 王桂蓮.斯托克斯法測(cè)量液體粘度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的研究[J].醫(yī)學(xué)信息,2007,2(3):408?409.

[6] 韓 亮,甘德清,劉志義,等.全尾砂絮凝沉降規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2017,37(3):39?43.

[7] 牟宏偉,呂文生,李樹(shù)磊,等.絮凝劑在膠結(jié)充填應(yīng)用中的試驗(yàn)研究[J].礦冶,2016,25(1):22?25.

[8] 甘德清,韓 亮,劉志義,等.細(xì)粒級(jí)尾砂絮凝沉降特性研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2017,37(9):31?35.

[9] 吳愛(ài)祥,周 靚,尹升華,等.全尾砂絮凝沉降的影響因素[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2016,26(2):439?446.

[10] 焦華喆,王洪江,吳愛(ài)祥,等.全尾砂絮凝沉降規(guī)律及其機(jī)理[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(6):702?707.

[11] 張欽禮,周登輝,王新民,等.超細(xì)全尾砂絮凝沉降實(shí)驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,38(2):451?455.

[12] 孫建軍,黃自力,楊 蘗,等.某細(xì)粒銅尾礦沉降研究[J].礦冶工程,2016,36(5):41?43.

[13] 劉瑞江,張業(yè)旺,聞崇煒,等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(9):52?55.

[14] 薛振林,張友志,鮑亞豪,等.考慮溫度影響的全尾砂料漿流變性能研究[J].金屬礦山,2016,10:35?39.

[15] 周 靚,吳愛(ài)祥,彭乃兵,等.基于響應(yīng)曲面法優(yōu)化全尾砂絮凝沉降實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2016,36(7):26?30.

(2018?07?26)

王楚涵(1994—)，女，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事礦山安全開(kāi)采研究，Email：wangch7@126.com。