北洺河鐵礦全尾砂絮凝沉降實驗研究

羅世勇，董平波，原明亮，董恩吉，王炳文，侯運炳(.五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦，河北 邯鄲 056000；.中國礦業(yè)大學(北京)能源與礦業(yè)學院，北京 0008；.山東黃金礦業(yè)(鑫匯)有限公司，山東 青島 6677)

礦業(yè)開發(fā)過程中會產(chǎn)生大量的選礦尾砂，除傳統(tǒng)的地表尾礦庫堆存外，還可以采用尾砂作為充填材料對空區(qū)充填以及尾砂固結排放等方式處置尾砂[1-3]。通常尾砂漿自然沉降速度較慢，難以滿足后續(xù)工序所需物料濃度，采用充填或固結排放的方式處置尾砂時一般都需要將選廠直接排出的尾砂漿進行沉降濃縮以提高濃度，故通常需添加絮凝劑以加快尾砂沉降速度。為了避免絮凝劑種類和單耗選擇的隨意性，進行絮凝沉降試驗來確定并優(yōu)選相關參數(shù)[4-5]。

對于尾砂絮凝沉降，國內外學者開展了較多研究。CHINTHAPUDI等[6]發(fā)現(xiàn)，對于超細鐵礦砂漿，陰離子型絮凝劑的絮凝效果優(yōu)于陽離子型和非離子型。張欽禮等[7]以分子量為800萬的APAM絮凝劑進行全尾砂沉降試驗，研究了添加不同單耗時全尾砂漿渾液面沉降速度的變化規(guī)律，結果表明，隨絮凝劑單耗的增加，渾液面沉降速度先增大后減小。吳愛祥等[8]通過開展全尾砂靜態(tài)絮凝沉降實驗，得到了多因素耦合條件下影響絮凝沉降的重要因素為尾砂入料濃度、絮凝劑溶液濃度和絮凝劑單耗。張美道等[9]通過正交實驗和數(shù)值模擬方法探究了絮凝劑種類、單耗、溶液濃度、尾砂漿濃度等對某鉛鋅銀礦全尾砂漿絮凝沉降的影響并給出4個影響因素的最優(yōu)選擇。苗元豐等[10]、吳和平等[11]、彭乃兵等[12]在分析全尾砂物化性質的基礎上，通過靜態(tài)和動態(tài)絮凝沉降實驗來研究全尾砂絮凝沉降規(guī)律，并給出最加絮凝劑單耗、最佳入料濃度、最佳絮凝劑溶液濃度等參數(shù)。焦華喆等[13]開展了某礦全尾砂摻聚丙烯酰胺的靜態(tài)絮凝沉降實驗，研究給料濃度和絮凝劑單耗對尾砂最大極限濃度和靜止沉降極限濃度的影響，得出最優(yōu)給料濃度為20%、絮凝劑單耗為20 g/t。以往研究表明陰離子型絮凝劑對于尾砂絮凝沉降效果較好，然而沉降效果不僅受絮凝劑種類、單耗和絮凝劑溶液濃度等因素影響，還與尾砂種類、尾砂級配、尾砂入料濃度和尾砂化學成分等相關，因此，針對具體礦山的情況，絮凝劑種類選型及其單耗設計還需進一步研究。

北洺河鐵礦擬采用全尾砂固結堆排方式處理因采礦形成地表塌陷坑，該方案需將濃度為38%的來自選廠的尾砂漿快速沉降濃縮至濃度為46%，同時加入3%左右的膠凝材料混合后用壓濾機將物料壓縮成含水率約為20%的濾餅，然后運輸至地表塌陷區(qū)堆排以填充塌陷坑。為降低壓濾時間和保證壓濾工序流程的銜接，需添加絮凝劑對較低濃度尾砂漿進行絮凝沉降，因此，本文以北洺河鐵礦全尾砂為原材料，通過開展全尾砂漿靜態(tài)絮凝沉降試驗，分析絮凝劑種類和單耗2個因素對絮凝沉降過程的影響，從而篩選出適于北洺河鐵礦全尾砂漿絮凝沉降的最佳絮凝劑種類及其單耗，為礦山提供合理參考。

1 實驗器材及方案

1.1 實驗材料

1.1.1 全尾砂

實驗所用全尾砂來自北洺河鐵礦選廠，采用中國礦業(yè)大學(北京)充填采礦實驗室的歐美克LS-C(Ⅱ)型激光粒度分析儀對其進行粒度分析。全尾砂粒級組成如圖1所示，特征粒徑指標見表1，尾砂部分物理性質見表2，尾砂主要化學成分見表3。

圖1 全尾砂粒經(jīng)分布Fig.1 Distribution of the unclassified tailings

表1 全尾砂特征粒度指標Table 1 Particle size index of unclassified tailings

表2 全尾砂物理性質Table 2 Physical properties of unclassified tailings

表3 全尾砂主要化學成分Table 3 Main chemical composition of unclassified tailings

1.1.2 絮凝劑

選用3類高分子絮凝劑，分別為陰離子聚丙烯酰胺(APAM)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和非離子聚丙烯酰胺(NPAM)；其中每種絮凝劑各有3種型號，APAM的型號為800萬分子量、1 200萬分子量、1 800萬分子量，CPAM的型號為20離子度、40離子度、60離子度，NPAM的型號為500萬分子量、1 000萬分子量、1 500萬分子量。在下文的敘述中，APAM800表示分子為800萬的陰離子絮凝劑，其余絮凝劑類型表述相同。

1.1.3 實驗儀器

1 000 mL塑料標準量筒、玻璃棒、500 mL燒杯、秒表、電子天平(量程300 g，精度0.001 g)和稱量天平(量程5 kg，精度0.1 g)。

1.2 實驗方案

為探究絮凝劑種類、型號和絮凝劑單耗對北洺河鐵礦全尾砂絮凝沉降的影響，設計絮凝沉降實驗如下所述。

1) 全尾砂自然沉降試驗。研究質量濃度為38%的全尾砂漿自然沉降規(guī)律，分別測定沉降時間、沉降后全尾砂漿濃度等相關參數(shù)，以自然沉降組作為對照實驗。試驗時將稱量好的全尾砂和水倒入量筒中，充分攪勻配置成濃度為38%的料漿，觀察其自然沉降時澄清水層和料漿層的分界面，記錄該分界面在量筒坐標紙上對應的高度。

2) 全尾砂絮凝沉降試驗。對質量濃度為38%的全尾砂漿，分別采用前述各種絮凝劑開展量筒絮凝沉降試驗，分析各種絮凝劑和不同絮凝劑單耗對尾砂沉降的速度的影響，對比不同絮凝劑種類和單耗的沉降效果，選出最適合北洺河鐵礦尾砂絮凝沉降的絮凝劑種類和單耗。實驗先對絮凝劑種類和型號進行初選，選擇出最優(yōu)的絮凝劑型號，再進行絮凝劑添加量的優(yōu)選。

絮凝沉降試驗過程：①根據(jù)試驗要求在容積為1 000 mL的貼有標簽紙量筒內配制質量濃度為38%的全尾砂漿；②參考類似實驗[9]，配制濃度為1‰的絮凝劑溶液；③根據(jù)試驗設計的絮凝劑單耗添加絮凝劑溶液；④將絮凝劑溶液與全尾砂漿混合均勻后靜置，采用秒表計時，每隔一定時間觀測量筒內澄清層的高度，記錄不同沉降時間點的澄清層高度。

2 絮凝沉降試驗結果及分析

2.1 絮凝劑類型篩選

配制質量濃度為38%的全尾砂漿，在不添加絮凝劑的情況下，按照實驗設計進行全尾砂漿自然沉降試驗，實驗編號為1#。在全尾砂漿濃度為38%濃度的條件下，將APAM、CPAM和NPAM等3種絮凝劑對應的3個型號，配制成濃度為1‰的絮凝劑溶液，然后按絮凝劑單耗為20 g/t分別添加相應絮凝劑溶液至2#～10#的量筒內(2#～10#分別表示添加絮凝劑為APAM800、APAM1200、APAM1800、CPAM20、CPAM40、CPAM60、NPAM500、NPAM1000和NPAM1500)，進行不同絮凝劑類型的絮凝沉降實驗，得到絮凝沉降時間與尾砂濃度關系(圖2)。以質量濃度為38%的尾砂漿在30 min內平均沉降沉降速度評價全尾砂漿絮凝沉降效果(表4)。

圖2 不同絮凝劑條件下沉降時間-尾砂濃度關系圖Fig.2 Relationship between settlement time and tailingsconcentration under different flocculant conditions

表4 尾砂漿平均沉降速度Table 4 Average settlement speed of tailings mortar

由圖2可知，在不添加絮凝劑時，尾砂沉降濃度大致隨著時間呈現(xiàn)出線性關系增長，添加絮凝劑的各組曲線則沒有顯現(xiàn)出明顯的線性關系，僅成正相關關系，這說明在不添加絮凝劑時，尾砂沉降主要受重力因素影響，而添加絮凝劑后，尾砂顆粒被絮凝劑團聚在一起，從而加快沉降速度；對比圖2中曲線，可以看出試驗所用9類絮凝劑對北洺河鐵礦尾砂沉降均有促進作用。綜合表4可以看出，3#曲線所對應APAM1200絮凝劑效果最好，選擇該絮凝劑作為北洺河鐵礦尾砂漿沉降的最佳絮凝劑選型。

2.2 最佳絮凝劑單耗

對質量濃度為38%的全尾砂漿，按10 g/t、20 g/t、30 g/t、40 g/t的單耗加入優(yōu)選出APAM1200絮凝劑，觀測其前20 min內的沉降速度和沉降高度變化趨勢，分析兩者之間關系，沉降高度隨時間變化如圖3所示。

由圖3可知，開始后10 min內，隨著絮凝劑單耗的增加，沉降高度值增大；10 min以后，除了絮凝劑單耗為10 g/t時沉降高度依舊保持最小外，其余3個絮凝劑單耗的沉降高度隨著絮凝劑添加量的增加而降低，即在前10 min內，絮凝沉降速度隨著絮凝劑單耗的增加而增大，此后，除絮凝劑單耗為10 g/t的曲線外，絮凝沉降速度隨著絮凝劑單耗的增加而減小。本次試驗主要是為了篩選出將全尾砂漿從38%質量濃度濃縮到46%時的最佳絮凝劑單耗。結合沉降時間-尾砂濃度關系圖(圖4)可知，在沉降濃度為52%之前，所有絮凝劑單耗的沉降速度都是隨著絮凝劑添加量的增大，最適合北洺河鐵礦全尾砂漿沉降的絮凝劑單耗為40 g/t，但結合20 g/t和30 g/t的曲線來看，工程實際中為考慮成本等因素是可選絮凝劑單耗為20～40 g/t。

圖3 沉降高度隨時間變化圖Fig.3 Changes of settlement height with time

圖4 不同絮凝劑單耗條件下沉降時間-尾砂濃度關系圖Fig.4 Relationship between settlement time andtailings concentration under different flocculantunit consumption conditions

2.3 極限底流濃度分析

采用優(yōu)選出的APAM1200絮凝劑進行絮凝沉降試驗時，發(fā)現(xiàn)添加絮凝劑溶液4 h以后量筒內砂漿與澄清水層液面不再變化，此時砂漿濃度在56%以上，遠大于所要求的絮凝沉降砂漿濃度值46%，故現(xiàn)以4 h時的砂漿濃度作為極限底流濃度，分析其在絮凝劑單耗為0 g/t、10 g/t、20 g/t、30 g/t、40 g/t情況下的極限底流濃度關系(表5)，得到不同絮凝劑單耗的極限底流濃度變化關系(圖5)。

表5 尾砂漿絮凝沉降濃度值Table 5 Flocculation settlement concentration valueof tailing mortar

圖5 不同絮凝劑單耗極限底流濃度圖Fig.5 Limit underflow concentration diagram ofdifferent flocculant unit consumption

由表5可知，在絮凝沉降前期，砂漿濃度的提高隨著絮凝劑單耗的增加而加快，但當砂漿達到一定濃度后，砂漿濃度的提高速度先隨絮凝劑單耗的增加而增大，在單耗超過20 g/t以后又隨其增大而減小。由圖5可知，隨著絮凝劑單耗的增加，極限底流濃度反而減小，不添加絮凝劑時底流濃度最高。造成這種現(xiàn)象的原因可能是隨著絮凝劑添加量進一步的增加，尾砂顆粒被絮凝劑層層包裹，同時會有大量水分積聚在絮團內部及絮團之間，無法及時排除，從而導致極限底流濃度隨著絮凝劑單耗的增加而減小[14-15]。

3 結 論

在北洺河鐵礦全尾砂漿質量濃度38%、絮凝劑溶液濃度為1‰的條件下，通過靜態(tài)絮凝沉降試驗得到以下結論。

1) 所試驗的不同種類的絮凝劑，均對北洺河鐵礦全尾砂漿絮凝沉降具有促進作用，但以APAM1200絮凝劑的效果最優(yōu)。

2) 隨著全尾砂漿絮凝沉降過程的進行，沉降速度可能會隨著絮凝劑添加量的增大而減小，絮凝劑摻量過少或過多都會對沉降速度有不利影響。

3) 采用優(yōu)選出的APAM1200絮凝劑進行絮凝沉降試驗時，隨著絮凝劑單耗的增加，極限底流濃度逐漸減小。

4) 根據(jù)試驗結果，最適合北洺河鐵礦全尾砂漿絮凝沉降的絮凝劑是分子量為1 200萬的APAM絮凝劑，最佳絮凝劑單耗為40 g/t，實際工程運用中可調整參考用量為20～40 g/t，試驗達到的尾砂濃度能夠滿足塌陷區(qū)尾砂固結堆排技術研究對尾砂絮凝沉降的濃度要求。