超細(xì)全尾砂深錐濃密試驗(yàn)研究

譚 偉

(北京金誠(chéng)信礦山技術(shù)研究院有限公司，北京 100070)

隨著“綠色礦山”的大力推廣，充填法在金屬礦山的應(yīng)用已越來(lái)越普遍，膏體充填作為一大趨勢(shì)在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[1-2]，如國(guó)內(nèi)的金川鎳礦、會(huì)澤鉛鋅礦、伽獅銅礦，國(guó)外的中色謙比希銅礦、坦桑尼亞Bulyanhulu金礦等。膏體充填的一大好處就是充分利用礦山選廠出來(lái)的尾砂，不需要進(jìn)行分級(jí)處理，全部用以制作膏體充入井下采場(chǎng)，減少礦山尾砂的排放量，減輕尾礦庫(kù)的壓力。但由此也帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，就是全尾砂的細(xì)顆粒含量多少不一，全部用于制備膏體對(duì)膏體性能有利有弊，對(duì)于很多金屬礦山尾砂，-20 μm顆粒含量達(dá)到40%以上。結(jié)合國(guó)內(nèi)外多數(shù)礦山全尾砂的粒級(jí)特征，可將-20 μm顆粒含量達(dá)到40%以上全尾砂稱(chēng)為超細(xì)全尾砂[3-4]。總之，超細(xì)顆粒含量越多，全尾砂的脫水性能越差。

實(shí)際應(yīng)用中，膏體充填全尾砂通常采用深錐濃密機(jī)脫水，且需添加一定量的絮凝劑，以達(dá)到迅速脫水的目的[5-6]。由此可知，超細(xì)全尾砂的脫水效果研究對(duì)礦山膏體充填的應(yīng)用具有重要意義。本文主要采用試驗(yàn)的方式，對(duì)鉛硐山鉛鋅礦的全尾砂開(kāi)展深錐濃密試驗(yàn)研究。

1 全尾砂特征

1.1 密度及滲透系數(shù)

1)密度

試驗(yàn)采用來(lái)自于鉛硐山鉛鋅礦選廠排放的尾砂，測(cè)試得到其密度為2.879 g/cm3。松散堆積密度為1.345 g/cm3，密實(shí)堆積密度為1.597 g/cm3。

2)滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是代表尾砂滲透性強(qiáng)弱的定量指標(biāo)，主要取決于顆粒的形狀、大小、不均勻系數(shù)和水的黏滯性等。中國(guó)水工規(guī)程規(guī)定以10 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)算滲透系數(shù)。歐美許多國(guó)家以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)算滲透系數(shù)，美國(guó)礦物局規(guī)定，對(duì)于分層充填采礦法用的水砂充鎮(zhèn)材料≥10 cm/h。將這個(gè)規(guī)定折算到中國(guó)的10 ℃標(biāo)準(zhǔn)≥7.7 cm/h。根據(jù)我國(guó)和其他國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，水砂充填材料的10 ℃滲透系數(shù)應(yīng)大于5～7 cm/h，具體數(shù)值按對(duì)充填工藝的要求確定。

試驗(yàn)采用基馬式滲透儀測(cè)得的全尾砂滲透系數(shù)為0.167 cm/h，小于充填法經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，全尾砂的脫水性較差，充于井下易造成采場(chǎng)脫水困難。

1.2 顆粒級(jí)配

尾砂粒級(jí)分布如圖1所示，詳細(xì)的尾砂粒級(jí)組成特征值見(jiàn)表1。

圖1 尾砂粒度分布圖

表1 尾砂試樣粒級(jí)組成特征值一覽表

從表1可知，尾砂-10 μm含量為31.09%，-20 μm含量為46.76%，-74 μm含量為69.37%。結(jié)合圖1分布圖可知，尾砂整體是偏細(xì)的，最大粒徑不到1 000 μm。

從膏體充填的角度出發(fā)，-20 μm顆粒含量在15%～25%是最佳的，超過(guò)這個(gè)范圍，易造成尾砂脫水困難以及輸送過(guò)程中管道阻力大的問(wèn)題。

1.3 化學(xué)成分

全尾砂化學(xué)成分及其含量如表2所示。

從表2可知，尾砂中含CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、S等膠結(jié)性成分接近50%，SiO2含量較少，尾砂膠結(jié)性能較好。

表2 全尾砂化學(xué)成分分析表

2 試驗(yàn)方法

1)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置采用的是實(shí)驗(yàn)室小型深錐濃密系統(tǒng)，主要設(shè)備包括絮凝溶液制備及添加裝置、深錐濃密試驗(yàn)裝置。深錐濃密試驗(yàn)裝置如圖2所示。

2)絮凝劑的添加

絮凝劑采用的是陰離子型絮凝劑，型號(hào)為BKTG3，分子量為1 700。利用絮凝溶液制備及添加裝置進(jìn)行絮凝劑溶液的制備。制備成0.1%的絮凝劑溶液，根據(jù)進(jìn)料濃度、流量自動(dòng)調(diào)節(jié)添加泵的轉(zhuǎn)速，從而控制絮凝劑溶液的添加量。將絮凝劑的添加量控制在10 g/t。

圖2 深錐濃密試驗(yàn)裝備

3)料漿制備及進(jìn)料方式

尾砂干料由提升機(jī)提升至5 m平臺(tái)，人工倒入尾砂儲(chǔ)料斗，根據(jù)試驗(yàn)配比要求自動(dòng)控制落入給料皮帶和計(jì)量料斗，計(jì)量后經(jīng)皮帶輸送機(jī)送入礦漿制備罐，同時(shí)加水?dāng)嚢柚苽涑稍囼?yàn)礦漿。

將試驗(yàn)尾砂制備成質(zhì)量濃度分別為18%、20%和25%的料漿，進(jìn)料流量均控制為5 m3/h。

配制好的試驗(yàn)礦漿由礦漿儲(chǔ)存罐經(jīng)渣漿泵給料至深錐濃密機(jī)，深錐耙架轉(zhuǎn)速設(shè)定為0.1 rpm。啟動(dòng)加料泵，由儲(chǔ)漿桶向深錐濃密機(jī)中喂料。

3 全尾砂濃密機(jī)理

3.1 深錐濃密機(jī)工作機(jī)理

深錐濃密機(jī)是膏體充填工藝中尾砂脫水的關(guān)鍵設(shè)備，使懸浮液分成澄清液和濃縮礦漿，在重力作用下，尾礦向下沉降，而清水向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。深錐主機(jī)由錐筒形機(jī)體、機(jī)械耙架、進(jìn)料系統(tǒng)、底流泵幾部分構(gòu)成。與傳統(tǒng)重力濃密脫水相比，具有明顯的優(yōu)越性：

1)擁有特殊的給料井，帶有自我稀釋功能，能將進(jìn)入的砂漿稀釋成較低的濃度，從而達(dá)到最佳的絮凝效果。

2)具有較大的高徑比和較陡的底部錐角，其底部錐角通常為30°～45°，在顆粒沉降的同時(shí)，可增加底部砂漿的壓密脫水性能。

3)深錐濃密機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)有用于機(jī)械攪拌的耙架裝置，其主要包括主軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)水桿以及刮泥耙等，其中導(dǎo)水桿為尾礦絮團(tuán)中的水分提供了溢流通道，是提高底流濃度的關(guān)鍵裝置。

3.2 固體顆粒沉降原理

根據(jù)斯托克斯沉降定律[7-8]，固體顆粒在濃密機(jī)中的沉降速度可用式(1)表示：

(1)

式中：v為沉降速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；d為顆粒粒徑，m；δ1為固體顆粒的密度，kg/m3；δ2為液體的密度，kg/m3；η為液體的黏度系數(shù)，kg/m3·s。

從式(1)可知，固體顆粒的沉降速度隨顆粒粒徑的增大而增大。所以尾砂中細(xì)顆粒含量越多，沉降效率越慢，越難達(dá)到理想的底流濃度。

絮凝劑的添加，有效解決了尾砂中細(xì)顆粒沉降速度慢的問(wèn)題。絮凝劑是長(zhǎng)分子鏈的有機(jī)物質(zhì)，利用其暴露在外面的基團(tuán)吸附砂漿中的懸浮顆粒。其中陰離子型絮凝劑是靠陰離子基團(tuán)間的靜電排斥作用使分子鏈伸展，并以伸展?fàn)顟B(tài)附著在顆粒表面。絮凝劑通過(guò)架橋作用將砂漿中懸浮的細(xì)顆粒凝結(jié)成一個(gè)個(gè)大的絮團(tuán)，從而達(dá)到快速沉降的目的。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別對(duì)進(jìn)料質(zhì)量濃度為18%、20%和25%的料漿進(jìn)行深錐濃密試驗(yàn)，將進(jìn)料流量均控制為5 m3/h。試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)料的方式，進(jìn)料完成后，每隔15 min進(jìn)行一次取樣，得到不同時(shí)段的底流濃度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 深錐濃密試驗(yàn)結(jié)果

不同進(jìn)料濃度對(duì)應(yīng)的底流濃度變化曲線如圖3所示。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，3種進(jìn)料濃度的砂漿沉降速度均較快，在完成進(jìn)料后1 h的沉降時(shí)間基本可達(dá)到最大底流濃度。當(dāng)進(jìn)料濃度為18%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)底流濃度最大值為66%左右；當(dāng)進(jìn)料濃度為20%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的底流濃度最大值為64%左右；當(dāng)進(jìn)料濃度為25%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的底流濃度最大值為67%左右。

數(shù)據(jù)顯示，隨著進(jìn)料濃度的增加，底流濃度無(wú)顯著提升，其原因可能為進(jìn)料濃度普遍偏大，進(jìn)入濃密機(jī)后很快達(dá)到沉降過(guò)程的壓縮沉降階段，隨著進(jìn)料濃度的增大，沉降過(guò)程無(wú)實(shí)質(zhì)性的變化；另外一個(gè)原因即67%約為尾砂沉降的最大底流濃度，其濃度很難進(jìn)一步提升。

圖3 不同進(jìn)料濃度條件下底流濃度變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文以鉛硐山鉛鋅礦全尾砂作為試驗(yàn)材料，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室深錐濃密試驗(yàn)研究，得到主要結(jié)論如下：

1)試驗(yàn)所用全尾砂密度為2.879 g/cm3，滲透系數(shù)為0.167 cm/h，尾砂中-10 μm含量為31.09%，-20 μm含量為46.76%，-74 μm含量為69.37%，最大粒徑不到1 000 μm，屬于脫水性較差的超細(xì)全尾砂。

2)試驗(yàn)采用的是實(shí)驗(yàn)室小型深錐濃密系統(tǒng)，主要設(shè)備包括絮凝溶液制備及添加裝置、深錐濃密試驗(yàn)裝置，在絮凝劑的添加量控制為10 g/t，砂漿進(jìn)料流量控制在5 m3/h的情況下，分別開(kāi)展了進(jìn)料濃度為18%、20%和25%的深錐濃密試驗(yàn)。

3)試驗(yàn)結(jié)果顯示，3種進(jìn)料濃度的砂漿沉降速度均較快，在完成進(jìn)料后1 h的沉降時(shí)間基本可達(dá)到最大底流濃度。當(dāng)進(jìn)料濃度為18%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)底流濃度最大值為66%左右；當(dāng)進(jìn)料濃度為20%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的底流濃度最大值為64%左右；當(dāng)進(jìn)料濃度為25%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的底流濃度最大值為67%左右；隨著進(jìn)料濃度的增加，底流濃度無(wú)顯著提升。由此可知，鉛硐山全尾砂砂漿可實(shí)現(xiàn)的底流質(zhì)量濃度約為67%。試驗(yàn)結(jié)果為超細(xì)全尾砂充填工藝設(shè)計(jì)及深錐濃密機(jī)選型提供了重要依據(jù)。