立式砂倉(cāng)全尾砂絮凝沉降實(shí)驗(yàn)研究

秦健春，何裕爵

(1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545005；2.崇左市水利投資有限責(zé)任公司，廣西 崇左 532200)

隨著礦山充填技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)礦山愈多采用或轉(zhuǎn)用充填采礦法開采礦產(chǎn)資源。充填采礦法的關(guān)鍵技術(shù)為充填料漿的制備，充填料漿主要由充填骨料、膠凝材料和水組成。而尾砂因其來源廣泛和成本低廉的原因常作為充填骨料[1]。選礦廠排放的全尾砂漿濃度通常為5%～20%，而全尾砂充填尤其是膠結(jié)充填，對(duì)充填料漿濃度要求達(dá)68%～74%，膏體充填對(duì)充填料漿濃度的要求更高。因此，全尾砂作為充填骨料使用前必須進(jìn)行濃縮脫水[2]。

目前，常見的尾砂脫水濃縮技術(shù)[3]主要分為兩類：一類是立式砂倉(cāng)沉降濃縮脫水；另一類是機(jī)械濃縮脫水。立式砂倉(cāng)濃縮主要是依靠尾砂的自然沉降。尾砂濃縮的動(dòng)力主要靠自身重力以及上部水壓，為取得較高的放砂濃度和較快的沉降速度，往往需建立較大容積的立式砂倉(cāng)。其主要優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，能力大，運(yùn)行成本低；缺點(diǎn)是全尾砂自然沉降速度慢，溢流水的含固量高，沉砂濃度低。為提升沉降速度，減少溢流水的含固量，可利用添加絮凝劑的辦法加快全尾砂的沉降濃縮，按照全尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)來選擇不同種類、不同用量的絮凝劑來加快全尾砂沉降，這種方法已在國(guó)內(nèi)外部分礦山得到推廣應(yīng)用[4-5]。機(jī)械濃縮脫水主要依靠機(jī)械動(dòng)力進(jìn)行脫水，目前主要設(shè)備有陶瓷過濾機(jī)，板式、帶式、箱式壓濾機(jī)以及濃密機(jī)等[6-7]。機(jī)械脫水可以得到質(zhì)量濃度為78%～80%以上的高濃度全尾砂，為膏體充填創(chuàng)造了條件[8]，但其能耗高，效率低，產(chǎn)能小，不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模全尾砂充填，也是限制全尾砂膏體膠結(jié)充填技術(shù)推廣的主要原因。

某礦山采用充填采礦法開采地下礦產(chǎn)資源，其現(xiàn)有的充填系統(tǒng)僅是為滿足井下355 m水平以下礦體充填開采需要而建立的臨時(shí)充填站，充填骨料采用壓濾后的全尾砂濾餅，不涉及全尾砂濃縮脫水工序。但考慮到未來深部礦山項(xiàng)目配套的永久充填系統(tǒng)的充填成本和效率，礦山適合采用立式砂倉(cāng)全尾砂膠結(jié)充填方法，其技術(shù)難點(diǎn)是全尾砂在立式砂倉(cāng)中如何加快濃縮沉降，實(shí)現(xiàn)連續(xù)放砂和充填。

目前，工業(yè)使用過程中，絮凝劑種類繁多，不同性能的全尾砂，要求的絮凝劑種類及其添加比例也不同，為此，需通過大量絮凝實(shí)驗(yàn)加以確定和優(yōu)化。本文在分析絮凝劑選型和全尾砂絮凝沉降實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全尾砂絮凝沉降和最佳供砂濃度實(shí)驗(yàn)，從而確定該礦山全尾砂沉降濃縮的最佳參數(shù)，所得的技術(shù)參數(shù)可為礦山充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

本次實(shí)驗(yàn)采用設(shè)備與材料分別為：1 000 mL量杯1個(gè)、1 000 mL量程量筒8個(gè)、攪拌棒8根、10 mL注射器若干、電子秤3個(gè)(量程10 kg、3 kg、1 kg，精度分別為1 g、0.1 g、0.01 g)、聚丙烯酰胺(APAM) 500萬分子量與1 200萬分子量、聚合氯化鋁(PAC)、去離子水等。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)選用某礦全尾砂作為充填原料。該礦山全尾砂的物理力學(xué)性質(zhì)、壓縮參數(shù)[9-10]、粒徑組成與性狀[11-14]及化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果，分別見表1～表5。

表1 全尾砂物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of full tailings

表2 全尾砂壓縮參數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 2 Test results of full tailings compression parameters

表3 全尾砂粒徑組成Table 3 Full tailings particle sizecomposition

表4 全尾砂粒徑性狀表Table 4 Table of particle size characters of full tailings

表5 全尾砂化學(xué)成份測(cè)定結(jié)果Table 5 Test results of chemical composition of tailings

2 實(shí)驗(yàn)方案

在礦山行業(yè)中，常將絮凝劑的化合物類型分為：有機(jī)高分子絮凝劑、無機(jī)絮凝劑、礦物類助凝劑和微生物絮凝劑。按照絮凝劑絮凝的作用機(jī)理，聚合氯化鋁(PAC)主要是通過改變顆粒之間的范德華作用能和雙電層靜電排斥能來達(dá)到絮凝沉降的目的。因?yàn)槿采皾{中尾砂顆粒的表面作用能并不容易測(cè)定，故其絮凝沉降效果需通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究來實(shí)現(xiàn)。聚丙烯酰胺屬于高分子絮凝劑，根據(jù)“橋架作用”機(jī)理，在中性偏酸性溶液中陰離子聚丙烯酰胺(APAM)的絮凝作用明顯高于非離子和陽離子聚丙烯酰胺。因此，研究選取APAM和PAC進(jìn)行絮凝劑對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)定的沉降界面下沉速度即為全尾砂沉降速度。為達(dá)到全尾砂在立式砂倉(cāng)中動(dòng)態(tài)沉降，連續(xù)放砂的目的，必須保證立式砂倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)砂量不變，即全尾砂沉降速度大于等于放砂速度。在保證進(jìn)砂量滿足的前提下，全尾砂沉降的沉降速度v應(yīng)滿足放砂能力Q的要求，和其所在的立式砂倉(cāng)截面積S有關(guān)，則要求：v≥Q/S。 該礦充填能力為100 m3/h，放砂速度Q設(shè)計(jì)為80 m3/h，在直徑為11 m的立式砂倉(cāng)中，可計(jì)算其截面積S為94.99 m2，則全尾砂沉降速度v≥84.2 cm/h時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)沉降，連續(xù)放砂。

該礦山選礦廠全尾砂可以采用兩種方式向立式砂倉(cāng)供料：①質(zhì)量濃度10%～20%的全尾砂直接泵送至立式砂倉(cāng)后進(jìn)行絮凝濃縮；②通過濃密機(jī)一次濃密，達(dá)40%濃度底流泵送至立式砂倉(cāng)后再進(jìn)行絮凝濃縮。不同供砂濃度的沉降效果差異較大，須通過實(shí)驗(yàn)確定沉降速度最快、沉降效果最佳、綜合效益最好的初始供砂濃度。

為此，全尾砂絮凝沉降實(shí)驗(yàn)方案主要包括：①定性選擇最佳絮凝劑類型；②500萬分子量APAM的最佳添加比例；③1 200萬分子量APAM的最佳添加比例；④APAM的最佳添加比例對(duì)比分析；⑤APAM添加比例一定時(shí)的最佳供砂濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 絮凝劑類型

由于受到不同絮凝劑間作用效果差異的影響，需開展適宜該礦山全尾砂特性的絮凝劑種類實(shí)驗(yàn)，即不加任何試劑，按20 g/t(即每t砂漿中添加20 g絮凝劑)比例添加500萬分子量APAM，按40 g/t的比例添加PAC，同時(shí)添加APAM和PAC，先添加APAM后添加PAC，先添加PAC后添加APAM等6組實(shí)驗(yàn)。添加不同絮凝劑的全尾砂沉降速度和沉降高度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表6和表7。

由表6和表7可知，在全尾砂漿的沉降速度和沉降高度方面，500萬分子量APAM排序分別為第一和第二，說明了APAM對(duì)全尾砂漿的沉降速度和沉降高度均有顯著改善。反之，添加PAC，全尾砂漿的沉降速度和沉降高度呈下降趨勢(shì)，說明該種絮凝劑不適用于該礦山的全尾砂漿。因此，研究選用APAM作為該礦山全尾砂漿的絮凝劑。

3.2 500萬分子量APAM最佳添加比例

通過測(cè)定不同添加比例條件下沉降面高度隨時(shí)間的變化關(guān)系，確定500萬分子量APAM的最佳添加比例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。從圖1中可知，添加APAM后1 min內(nèi)固液界面迅速下降，隨后下降速度變緩，靜置10 min后，液面基本無變化。實(shí)驗(yàn)取1 min時(shí)的沉降速度為最大沉降速度，2 h后濃度為極限濃度，各添加比例全尾砂最大沉降速度與極限濃度見表8。

表6 添加不同絮凝劑的全尾砂實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of adding different flocculant tofull tailings

表7 添加不同絮凝劑的全尾砂實(shí)驗(yàn)排序Table 7 Test sorting of adding different flocculant tofull tailings

圖1 500萬分子量APAM固液界面高度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.1 The height of solid-liquid interface changes withtime in 5 million molecular weight APAM

表8 不同添加比例全尾砂最大沉降速度和極限濃度Table 8 The maximum settling speed and limit concentrationof total tailings are different proportion

從圖1和表8可知，添加APAM后全尾砂沉降速度明顯提高。不添加APAM時(shí)，全尾砂沉降速度為43.81 cm/h小于84.2 cm/h(實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)沉降，連續(xù)放砂要求的沉降速度)，表明全尾砂漿不添加絮凝劑，無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)砂放砂的連續(xù)作業(yè)。當(dāng)APAM的添加量?jī)H為5 g/t時(shí)，沉降速度高達(dá)686.9 cm/h，遠(yuǎn)大于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)沉降，連續(xù)放砂要求的沉降速度。因此，在500萬分子量APAM中，確定5 g/t的添加比例最佳。

3.3 1 200萬分子量APAM最佳添加比例

通過測(cè)定不同添加比例條件下固液分界面高度隨時(shí)間的變化關(guān)系，確定1 200萬分子量APAM的最佳添加比例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2中可知，不同添加比例的APAM液面下降速度有明顯區(qū)別，添加比例越大，開始時(shí)下降速度也越快，之后下降速度變緩，靜置60 min后，液面變化很小。 實(shí)驗(yàn)取12 min時(shí)的沉降速度為最大沉降速度，4 h后濃度為極限濃度，各添加比例全尾砂最大沉降速度與極限濃度見表9。

圖2 1 200萬分子量APAM固液界面高度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 The height of solid-liquid interface changes withtime in 12 million molecular weight APAM

表9 不同添加比例全尾砂最大沉降速度和極限濃度Table 9 The maximum settling speed and limit concentrationof total tailings are different proportion

從圖2和表9可知，隨著1 200萬分子量APAM添加比例的增加，全尾砂沉降速度的提升不明顯。當(dāng)APAM添加比例為40 g/t時(shí)，全尾砂的沉降速度為106.6 cm/h，略高于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)沉降，連續(xù)放砂要求的沉降速度84.2 cm/h。 因此，在1 200萬分子量APAM中，可確定40 g/t的添加比例最佳。

3.4 APAM添加比例實(shí)驗(yàn)分析

APAM添加比例實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了500萬分子量APAM添加比例實(shí)驗(yàn)和1 200萬分子量APAM添加比例實(shí)驗(yàn)，共安排了8組實(shí)驗(yàn)，即不加任何試劑，按5 g/t、10 g/t、20 g/t比例添加500萬分子量APAM，按10 g/t、20 g/t、30 g/t、40 g/t比例添加1 200萬分子量APAM。根據(jù)全尾砂的沉降速度和沉降高度進(jìn)行對(duì)比排序，排序結(jié)果見表10。

表10 APAM選型比對(duì)分析Table 10 The contrastive analysis of APAM selection

從表8～表10可知，沉降高度方面，對(duì)比500萬分子量APAM和1 200萬分子量APAM，其不同添加比例的沉降高度之間的差距很小，最大差距僅為1.6 cm，不顯著；而在沉降速度方面，500萬分子量APAM的沉降速度顯著優(yōu)于1 200萬分子量APAM，特別在20 g/t添加比例時(shí)沉降速度最快，是1 200萬分子量APAM中最大沉降速度的10倍，而1 200萬分子量APAM只有在添加比例大時(shí)才會(huì)對(duì)沉降速度產(chǎn)生明顯影響。此外，當(dāng)500萬分子量APAM添加量?jī)H為5 g/t時(shí)，沉降速度就可高達(dá)686.9 cm/h，遠(yuǎn)大于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)沉降，連續(xù)放砂要求的沉降速度84.2 cm/h。因此，從減少絮凝劑用量、保證沉降速度等方面考慮，添加比例為5 g/t的500萬分子量APAM最優(yōu)。

3.5 最佳供砂濃度

將添加比例為5 g/t的500萬分子量APAM加入不同質(zhì)量濃度的全尾砂漿中，測(cè)定不同供砂濃度與沉降速度及極限濃度的關(guān)系，記錄固液分界面高度隨時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3中可知，添加APAM后1 min內(nèi)固液界面迅速下降，隨后下降速度變緩，靜置20 min后，液面變化較小。實(shí)驗(yàn)取1min時(shí)的沉降速度為最大沉降速度，2 h后濃度為極限濃度，各濃度全尾砂最大沉降速度與極限濃度見表11。

圖3 不同供砂濃度固液界面高度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 The height of solid-liquid interface varies withtime at different sand supply concentrations

表11 不同質(zhì)量濃度全尾砂最大沉降速度和極限濃度Table 11 The maximum settling velocity and limitconcentration of total tailings with differentmass concentrations

從圖3和表11可知，不同供砂濃度的沉降速度差別較大，15%質(zhì)量濃度全尾砂的沉降速度幾乎是20%質(zhì)量濃度全尾砂的2倍，是30%質(zhì)量濃度全尾砂的17倍。由此可知，濃度越低、沉降速度越快，沉降濃度越低。因此，全尾砂的質(zhì)量濃度過低或過高均不能均衡沉降速度和沉降濃度的差距。該礦山全尾砂質(zhì)量濃度多為10%～20%，綜合考慮沉降速度和沉降極限濃度的均衡，實(shí)驗(yàn)確定全尾砂質(zhì)量濃度取15%為優(yōu)。選礦廠排放尾砂經(jīng)濃密機(jī)濃縮至15%后直接進(jìn)入立式砂倉(cāng)進(jìn)行絮凝沉降。

4 結(jié) 論

1) 聚丙烯酰胺(APAM)和聚合氯化鋁(PAC)兩類絮凝劑對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，添加500萬分子量APAM的全尾砂漿的沉降速度和沉降高度指標(biāo)最優(yōu)。反之，添加PAC，全尾砂漿的沉降速度和沉降高度呈下降趨勢(shì)。

2) 通過對(duì)全尾砂自然沉降過程中沉降界面、沉降速度的分析，僅靠自然沉降無法滿足礦山動(dòng)態(tài)沉降，連續(xù)放砂要求。APAM添加比例與沉降速度和極限濃度成正比關(guān)系，在500萬分子量APAM添加比例為5 g/t時(shí)，沉降速度就可達(dá)686.9 cm/h，遠(yuǎn)大于礦山實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)沉降，連續(xù)放砂要求的沉降速度84.2 cm/h，而1 200萬分子量APAM在添加比例達(dá)到40 g/t時(shí)，才會(huì)對(duì)沉降速度產(chǎn)生明顯影響。

3) 對(duì)于添加比例為5 g/t的500萬分子量APAM的全尾砂漿實(shí)驗(yàn)，不同供砂濃度的沉降速度差別較大，全尾砂質(zhì)量濃度為15%時(shí)的沉降速度幾乎是20%的2倍、30%的17倍。全尾砂的質(zhì)量濃度過低或過高均不能均衡的沉降速度和沉降濃度的差距。