礦山充填尾砂過(guò)濾脫水性能試驗(yàn)研究

杜加法，宋澤普

(1.海南山金礦業(yè)有限公司，海口 570000；2.山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實(shí)驗(yàn)室分公司，山東 萊州 261441)

以礦山浮選尾礦為充填骨料的充填采礦法因其良好的安全性和環(huán)保性，在國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)采過(guò)程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，隨著礦山開(kāi)采深度的不斷增加，高質(zhì)量的采空區(qū)充填更是成為了深井地壓控制的有效方式之一[1-5]。按照充填工藝和充填材料的不同，充填采礦法經(jīng)歷了干式充填、水砂充填、膠結(jié)充填、膏體充填的發(fā)展過(guò)程[6]。提高充填濃度有利于提高充填體強(qiáng)度，且高濃度充填料漿不分層離析、泌水量少的特點(diǎn)可有效減少管道輸送過(guò)程中的磨損與堵塞，同時(shí)降低充填成本。

尾砂濃密脫水是礦山充填工藝的核心環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)高濃度充填的前提條件之一，尾砂脫水速度及脫水后的含水率分別影響充填料漿濃度及處理能力[7-8]。國(guó)內(nèi)外目前主流的尾砂濃密脫水方式主要有以濃密機(jī)為主要設(shè)備的重力濃密和以過(guò)濾機(jī)/壓濾機(jī)為主要設(shè)備的機(jī)械濃密。但深錐濃密機(jī)處理含粗粒級(jí)較多的尾砂時(shí)，由于尾砂沉降較快，仍然避免不了尾砂的分級(jí)，而且存在壓耙的風(fēng)險(xiǎn)；壓濾機(jī)對(duì)尾砂進(jìn)行壓濾后，存在物料板結(jié)、上料困難、卸料不流暢、不易計(jì)量的問(wèn)題；而過(guò)濾機(jī)因其脫水效果好，過(guò)濾脫水后尾砂處理方式靈活，使脫水后尾砂濃度高，有利于實(shí)現(xiàn)尾砂高濃度充填，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)尾砂綜合利用有很大優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)有許多礦山如大北山鐵礦、本溪礦業(yè)、三家子鐵礦等均采用真空帶式過(guò)濾機(jī)進(jìn)行尾砂干排取得了成功[9-21]。

本文針對(duì)膠東地區(qū)黃金礦山浮選尾礦，開(kāi)展過(guò)濾性能試驗(yàn)研究，對(duì)比不同粒徑組成尾砂、不同質(zhì)量濃度砂漿對(duì)其過(guò)濾脫水性能的影響，以濾液流速、過(guò)濾壓降、過(guò)濾介質(zhì)滲透率、濾餅比阻、濾餅產(chǎn)量等參數(shù)綜合評(píng)估過(guò)濾效果，確定出最優(yōu)尾砂粒徑組成及質(zhì)量濃度范圍；另外，絮凝劑添加有助于提高尾砂沉降速度，同時(shí)也會(huì)增大濾液黏度，探索絮凝劑添加量對(duì)過(guò)濾效果的影響規(guī)律，進(jìn)而確定最佳絮凝劑添加量。通過(guò)本試驗(yàn)研究，可為類(lèi)似尾砂性質(zhì)的礦山采用過(guò)濾脫水工藝進(jìn)行尾砂脫水提供數(shù)據(jù)支撐，有效解決不適宜濃密機(jī)以及壓濾方式的尾砂的脫水問(wèn)題，更好地實(shí)現(xiàn)尾砂綜合利用及礦山無(wú)尾化。

1 試驗(yàn)材料

1.1 尾砂

試驗(yàn)尾砂為膠東地區(qū)某金礦選礦廠浮選產(chǎn)生的全尾砂(砂漿)，以及該全尾砂漿經(jīng)旋流器分級(jí)后的粗尾砂(砂漿)和細(xì)尾砂(砂漿)。該礦目前采用分級(jí)粗尾砂膠結(jié)充填工藝：選礦廠浮選產(chǎn)生的全尾砂漿(質(zhì)量濃度20%)經(jīng)旋流器分級(jí)，粗尾砂進(jìn)入立式砂倉(cāng)濃密后與膠凝材料、拌合水混合充填至井下采空區(qū)，細(xì)尾砂排放至尾礦庫(kù)。不同尾砂的基礎(chǔ)性質(zhì)如表1所示。不同尾砂粒徑分布如表2所示。

表1 尾砂基礎(chǔ)性質(zhì)

全尾-38 μm顆粒占比34.45%，+75 μm顆粒占比48.65%，不均勻系數(shù)α=19.12，粒徑分布不均勻，粗細(xì)顆粒兩級(jí)分化較嚴(yán)重(圖1)；經(jīng)旋流器分級(jí)后粗尾砂+75 μm顆粒占比82.4%，細(xì)尾砂-75 μm顆粒占比98.66%。

圖1 全尾砂粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution diagram of whole tailings

表2 尾砂粒徑分布

1.2 絮凝劑

試驗(yàn)添加劑為聚丙烯酰胺陰離子絮凝劑(PAM)，分子量為1 800萬(wàn)。絮凝劑可使尾砂形成絮團(tuán)，加速尾砂沉降。該絮凝劑呈白色顆粒狀(圖2)，試驗(yàn)時(shí)將該絮凝劑配置成1‰的溶液。

圖2 聚丙烯酰胺Fig.2 Polyacrylamide

2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用真空抽濾機(jī)，該設(shè)備主要由盛料漏斗、壓力表、濾液收集筒及真空泵組成(圖3)，盛料漏斗內(nèi)鋪設(shè)0.006 358 5 m2濾布(型號(hào)DZ-PET-35)，濾布網(wǎng)格尺寸30～35 μm(圖4)，試驗(yàn)采用恒壓過(guò)濾，真空度設(shè)定為0.05 MPa。

圖3 真空過(guò)濾機(jī)圖Fig.3 Vacuum filter

圖4 濾布 Fig.4 Filter cloth

3 試驗(yàn)方案

在礦漿過(guò)濾過(guò)程中，尾砂的粒徑組成、質(zhì)量濃度都可能會(huì)對(duì)過(guò)濾效果產(chǎn)生影響。為探究上述各因素對(duì)礦漿過(guò)濾效果的影響，同時(shí)，探索絮凝劑添加量對(duì)礦漿過(guò)濾效果的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)3個(gè)變量，共20組過(guò)濾試驗(yàn)，如表3所示。

表3 過(guò)濾試驗(yàn)方案

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

尾砂機(jī)械過(guò)濾主要分為濾餅過(guò)濾和深層過(guò)濾兩大類(lèi)[6]。深層過(guò)濾采用較厚的多孔介質(zhì)，過(guò)濾時(shí)懸浮液中的顆粒沉積在介質(zhì)內(nèi)部的孔道壁面上，而不形成濾餅。本次試驗(yàn)研究的過(guò)濾方式屬于濾餅過(guò)濾，濾餅過(guò)濾又稱為表面過(guò)濾，這種過(guò)濾使用織物、多孔材料或膜作為過(guò)濾介質(zhì)，過(guò)濾介質(zhì)的孔徑不一定要小于最小顆粒的粒徑，濾餅過(guò)濾開(kāi)始時(shí)，部分小顆?？梢赃M(jìn)入甚至穿過(guò)介質(zhì)的小孔，但很快由于顆粒的架橋作用使介質(zhì)的孔徑縮小，形成有效的阻擋。被截留在介質(zhì)表面的顆粒形成濾渣層(稱為濾餅)，透過(guò)濾餅層的則是澄清濾液，隨著濾餅的形成，真正起過(guò)濾兼介質(zhì)作用的是濾餅本身。

對(duì)于尾礦漿的過(guò)濾脫水過(guò)程，壓差是過(guò)濾動(dòng)力，濾餅是過(guò)濾介質(zhì)，二者對(duì)于過(guò)濾效率和效果都有重要影響，據(jù)此試驗(yàn)過(guò)濾效果以壓差、濾餅為核心關(guān)鍵參數(shù)表征，根據(jù)測(cè)試參數(shù)分別計(jì)算濾液流速、過(guò)濾壓降、過(guò)濾介質(zhì)滲透率、濾餅比阻、濾餅產(chǎn)量5個(gè)參數(shù)，以此為依據(jù)評(píng)價(jià)不同組別試驗(yàn)尾礦漿的過(guò)濾性能。

上述各參數(shù)計(jì)算公式如式(1)～(5)所示。

1)濾液流速

(1)

2)過(guò)濾壓降

(2)

3)過(guò)濾介質(zhì)滲透率

(3)

4)濾餅比阻

(4)

5)濾餅產(chǎn)量

(5)

式中：dV為在時(shí)間dt內(nèi)流過(guò)介質(zhì)層的液體體積，m3；△p為壓降，Pa；μ為液體黏度，取0.001 Pa·s，；ε為顆粒的孔隙率，%；S0為顆粒的比表面積，m2/m3；A為介質(zhì)層的橫截面積，m2；L為介質(zhì)層厚度，m；Kc為Kozeny常數(shù)，無(wú)量綱，取5.0；ρs為顆粒的比重，t/m3；M為濾餅產(chǎn)量，kg/(h·m2)；m為濾餅質(zhì)量，kg；s為過(guò)濾面積，0.006 358 5 m2；η為濾餅含水率，%。

4.1 尾砂粒徑組成對(duì)過(guò)濾效果的影響

1#過(guò)濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 1#過(guò)濾試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，對(duì)于不同粒徑組成的尾砂礦漿，分級(jí)粗尾砂漿、全尾砂漿、分級(jí)細(xì)尾砂漿過(guò)濾時(shí)間依次增大，分級(jí)細(xì)尾砂漿相比于分級(jí)粗尾砂漿抽濾時(shí)間更是呈指數(shù)增加，且分級(jí)細(xì)尾砂濾餅水分分別是全尾砂濾餅水分和分級(jí)粗尾砂濾餅水分的1.85倍和2.26倍。通過(guò)公式(1)～(5)計(jì)算得到的過(guò)濾參數(shù)如圖5所示。由圖5(a)看出，分級(jí)粗尾砂漿濾液流速最大，且明顯大于其他兩種粒徑尾砂漿濾液流速，全尾砂漿濾液流速次之，而分級(jí)細(xì)尾砂漿濾液流速最小，幾乎是以很緩慢的速度滲流，這與三種不同粒徑組成尾砂漿形成的過(guò)濾介質(zhì)滲透率及濾餅比阻的變化規(guī)律相一致。如圖5(c)、(d)所示，分級(jí)粗尾砂、全尾砂、分級(jí)細(xì)尾砂形成的過(guò)濾介質(zhì)滲透率依次減小，分級(jí)粗尾砂形成的過(guò)濾介質(zhì)滲透率相比于其他兩種粒徑組成尾砂過(guò)濾介質(zhì)的滲透率呈指數(shù)增加，相對(duì)應(yīng)的分級(jí)粗尾砂、全尾砂、分級(jí)細(xì)尾砂形成的濾餅比阻依次增大。由此可見(jiàn)，隨著尾砂粗顆粒含量減少、細(xì)顆粒含量增多，濾餅比阻增大，過(guò)濾滲透性降低。其原因是隨著尾砂中細(xì)顆粒含量的增加，尾砂比表面積增大，尾砂屬于惰性材料，顆粒表面上附著一層水化膜，吸附在顆粒表面的結(jié)合水具有黏度很大的類(lèi)固體性質(zhì)，細(xì)粒級(jí)顆粒越多，比表面積越大。水化膜所占的比重越大，使濾餅中孔隙的等效直徑減小，孔隙水的等效黏度系數(shù)增加，等效滲透系數(shù)降低，導(dǎo)致孔隙水的流動(dòng)阻力增大，在宏觀上表現(xiàn)為滲流速度降低。壓降是由液體流過(guò)介質(zhì)層時(shí)的摩擦損失引起的，一般介質(zhì)層中顆粒表面積越大，壓降越大。本次試驗(yàn)三種尾砂的比表面積從大到小依次為分級(jí)細(xì)尾砂、全尾砂、分級(jí)粗尾砂，試驗(yàn)結(jié)果得到全尾砂過(guò)濾壓降大于分級(jí)粗尾砂，但分級(jí)細(xì)尾砂的過(guò)濾壓降明顯低于其他兩種粒徑尾砂，如圖5(b)所示，其原因是分級(jí)粗尾砂粗顆粒含量較高，粗顆粒之間有局部接觸，可以起到骨架作用，濾液滲流過(guò)分級(jí)粗尾砂濾餅介質(zhì)時(shí)受到的摩擦阻力較小，過(guò)濾壓降低；全尾砂粒徑分布不均勻，細(xì)顆粒充滿粗顆粒骨架之間的孔隙，粗顆粒被細(xì)顆粒包裹，從而減少了尾砂的滲透面積，延長(zhǎng)了滲透路徑，濾液滲流過(guò)程受到的摩擦阻力較大，造成全尾砂濾餅過(guò)濾壓降大于分級(jí)粗尾砂濾餅壓降；而分級(jí)細(xì)尾砂濾餅過(guò)濾壓降明顯小于其他兩種尾砂濾餅過(guò)濾壓降是因?yàn)榉旨?jí)細(xì)尾砂濾餅滲透性過(guò)低，濾液流速過(guò)小造成的。另外，由圖5(e)看出，分級(jí)粗尾砂的濾餅產(chǎn)量明顯優(yōu)于全尾砂及分級(jí)細(xì)尾砂濾餅產(chǎn)量。

圖5 過(guò)濾參數(shù)隨粒徑組成的變化規(guī)律Fig.5 Variation of filtration parameters with particle size compositions

4.2 礦漿濃度對(duì)過(guò)濾效果的影響

2#過(guò)濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 2#過(guò)濾試驗(yàn)結(jié)果

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于不同質(zhì)量濃度的全尾砂礦漿，隨著礦漿質(zhì)量濃度的增大，礦漿完成過(guò)濾的時(shí)間也增加，且礦漿質(zhì)量濃度越大，過(guò)濾時(shí)間增幅越大；濾餅水分也隨礦漿質(zhì)量濃度的增大而增加。對(duì)于同一種尾砂，其過(guò)濾介質(zhì)滲透率和濾餅比阻是相同的，根據(jù)式(1)、(2)、(5)計(jì)算得到的過(guò)濾參數(shù)如圖6所示，由圖6(a)看出濾液流速隨礦漿質(zhì)量濃度的增大而減小，這是因?yàn)殡S著礦漿質(zhì)量濃度的增加，粗細(xì)顆粒尾砂相互包裹填充形成的濾餅更加致密，有效孔隙減少，單位時(shí)間可通過(guò)的濾液體積減少，導(dǎo)致濾液流速降低；由圖6(b)看出，過(guò)濾壓降隨著礦漿質(zhì)量濃度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，質(zhì)量濃度從10%增加至20%時(shí)過(guò)濾壓降增加，隨著礦漿質(zhì)量濃度的繼續(xù)增大，過(guò)濾壓降持續(xù)減小，其原因是當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量濃度從10%增加至20%時(shí)，不均勻粗細(xì)顆粒增多，延長(zhǎng)了滲流路徑，雖然濾液流速減小，但滲流過(guò)程中摩擦損失增大，因此過(guò)濾壓降增大，但隨著質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，濾液流動(dòng)阻力迅速增大，濾液流速迅速降低，造成過(guò)濾壓降降低；由圖6(c)看出，濾餅產(chǎn)量隨礦漿質(zhì)量濃度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，此現(xiàn)象說(shuō)明了尾礦過(guò)濾工藝中，過(guò)濾礦漿濃度過(guò)大不利于提高濾餅產(chǎn)量，在礦漿質(zhì)量濃度為40%時(shí)，濾餅產(chǎn)量達(dá)到最大值。

圖6 過(guò)濾參數(shù)隨質(zhì)量濃度的變化規(guī)律Fig.6 Variation of filtration parameters with mass concentrations

4.3 絮凝劑對(duì)過(guò)濾效果的影響

3#過(guò)濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 3#過(guò)濾試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，對(duì)于不同粒徑組成的尾砂漿，隨著絮凝劑添加量的增大，濾液流速、過(guò)濾壓降、濾餅產(chǎn)量均呈先增大后減小的趨勢(shì)，全尾砂礦漿和分級(jí)粗尾砂礦漿臨界絮凝劑添加量為20 g/t，分級(jí)細(xì)尾砂臨界絮凝劑添加量為40 g/t。絮凝劑是長(zhǎng)分子鏈的有機(jī)物質(zhì)，其鏈狀分子含有可與顆粒表面相互作用的化學(xué)基團(tuán)，可以產(chǎn)生黏結(jié)架橋作用，溶解后暴露的活潑基團(tuán)吸附礦漿中的懸浮顆粒，形成絮團(tuán)，增大了濾餅空間，宏觀表現(xiàn)為濾液流速增大，同時(shí)，過(guò)濾壓降和濾餅產(chǎn)量也增大；但絮凝劑的添加要適量，過(guò)少不能很好地起到絮凝架橋作用，過(guò)多也不利于絮團(tuán)形成，因?yàn)檫^(guò)多的絮凝劑會(huì)使尾砂顆粒表面被絮凝劑分子全部吸附占據(jù)，尾砂顆粒表面就沒(méi)有吸附空位而使絮凝劑失去架橋作用，形成無(wú)空位穩(wěn)定粒子，同時(shí)，由于高分子吸附膜的空間位阻效應(yīng)使尾砂顆粒之間相互排斥，顆粒重新處于穩(wěn)定分散狀態(tài)，無(wú)法形成大尺寸絮團(tuán)，被絮凝劑包裹的尾砂顆粒形成較為致密的結(jié)構(gòu)，不利于濾液滲透，另外，過(guò)多的絮凝劑會(huì)增大濾液黏度，增加滲流阻力，進(jìn)一步降低濾液滲透速度，過(guò)濾壓降和濾餅產(chǎn)量也降低。

圖7 過(guò)濾參數(shù)隨絮凝劑添加量的變化規(guī)律Fig.7 Filtration parameter changes with the addition of flocculant

5 結(jié)論

本文針對(duì)膠東地區(qū)某金礦尾砂開(kāi)展過(guò)濾性能試驗(yàn)研究，分析了尾砂粒徑組成、礦漿質(zhì)量濃度、絮凝劑添加量對(duì)尾砂漿過(guò)濾性能的影響，得到主要結(jié)論如下：

1)分級(jí)粗尾砂及全尾砂過(guò)濾性能較好，過(guò)濾速度快，濾餅含水量少(分級(jí)粗尾砂12.5%，全尾砂15.24%)，濾餅產(chǎn)量較大(分級(jí)粗尾砂830 kg/(h·m2)，全尾砂270 kg/(h·m2)，滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，適用于采用過(guò)濾脫水工藝；分級(jí)細(xì)尾砂過(guò)濾速度慢，濾餅含水率較大(28.2%)且濾餅產(chǎn)量低27 kg/(h·m2)，不適合采用過(guò)濾工藝進(jìn)行脫水。

2)砂漿質(zhì)量濃度的增大會(huì)降低過(guò)濾速度，濾餅含水量也會(huì)有所增大；對(duì)于全尾砂礦漿，在礦漿質(zhì)量濃度為40%時(shí)，濾餅產(chǎn)量達(dá)到最大值。

3)適量的絮凝劑添加能促進(jìn)礦漿過(guò)濾，但過(guò)量添加絮凝劑反而不利于礦漿過(guò)濾，全尾砂礦漿和分級(jí)粗尾砂礦漿臨界絮凝劑添加量為20 g/t，分級(jí)細(xì)尾砂臨界絮凝劑添加量為40 g/t。