外加劑作用下細(xì)粒濃縮尾礦二次脫水規(guī)律研究

楊鋼鋒,王 勇,b,吳愛祥,b

(北京科技大學(xué) a.土木與資源工程學(xué)院；b.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

隨著礦產(chǎn)資源的需求量越來越大，國內(nèi)礦產(chǎn)資源的大量開采導(dǎo)致尾礦庫的負(fù)荷不斷加大，堆積高度不斷增加，這就對尾礦壩體的穩(wěn)定性有了更高的要求[1]。還有尾礦庫本身無法徹底消除的安全隱患，威脅著礦山周邊的安全[2]。尾礦傳統(tǒng)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)濕排對尾礦壩體的穩(wěn)定性極為不利[3]，同時對尾礦壩體的維護(hù)需要巨大的成本。排出尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，壩體穩(wěn)定性就越好[4]，因此出現(xiàn)了高質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放[5]。尾礦高質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放與傳統(tǒng)的濕排區(qū)別在于含水量的不同，因此，脫水工藝成了高質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。

尾礦的脫水工藝按照使用設(shè)備和流程不同可分為一段式和多段式兩種[7]。根據(jù)國內(nèi)目前尾礦脫水工藝的發(fā)展現(xiàn)狀[8-10]，雖然多段式工藝對尾礦脫水的效果較好，但由于其工藝復(fù)雜，脫水成本高等諸多問題[7]，使用具有很大的局限性。立式砂倉[11]是傳統(tǒng)的一段脫水工藝，在中國礦山的實際應(yīng)用較多，但普遍存在著放砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的問題[12]，一段脫水后的尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)不到排放要求。近年來隨著尾礦脫水技術(shù)的不斷進(jìn)步，深錐濃密機(jī)由于其生產(chǎn)能力大，工藝簡單，能耗小，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)大等優(yōu)點[13]，在國內(nèi)外的細(xì)粒尾礦濃密脫水中得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[14-16]。

由于細(xì)粒尾礦保水性好、泌水能力差[17]，即使尾礦料漿經(jīng)過深錐濃密機(jī)脫水，依然存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)不達(dá)標(biāo)的情況。另一方面，脫水后的尾礦料漿仍然呈現(xiàn)為泥漿狀，直接堆壩難度大。筆者以某銅尾礦為例進(jìn)行研究，該尾礦較細(xì)，泌水能力差。尾礦料漿經(jīng)過深錐濃密機(jī)濃密脫水后，排放至尾礦庫的料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%，尾礦料漿中還存在大量的自由水。但是由于尾礦顆粒過細(xì)，其間的自由水如果依靠自然泌水，需要泌水時間長，水分泌出困難，或者泌出的同時就已經(jīng)被蒸發(fā)，造成水資源大量流失。因此，嘗試借助外加劑，在料漿排放至尾礦庫之前添加，對細(xì)粒尾礦進(jìn)行主動二次脫水，使得料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速提高，不僅提高回水率，同時也改善尾礦的顆粒黏結(jié)力，有利于尾礦堆積角形成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)增強。

實驗中選用巴斯夫A型和B型2種不同外加劑進(jìn)行對比試驗，分別對A型、B型、不添加外加劑3種情況下尾礦料漿泌水性能進(jìn)行測試，研究濃縮尾礦二次脫水規(guī)律，并對外加劑與尾礦作用機(jī)理進(jìn)行分析，為濃縮尾礦進(jìn)一步脫水提供依據(jù)。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料和裝置

實驗材料來自某銅礦選礦廠，該尾礦容重較小，孔隙率相對較大，理論飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，基本物理性能如表1所示，表1中孔隙率和理論飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)是根據(jù)尾礦真密度、容重計算得到[18]。粒級測量采用人工篩分和激光粒度儀相結(jié)合的方式，測試結(jié)果如圖1所示(其中累計含量指小于或等于該粒徑大小的顆粒質(zhì)量占顆粒總質(zhì)量的比例)。該尾礦74 μm以下顆粒含量為64%，屬于細(xì)粒尾礦。

圖1 尾礦粒級組成Fig.1 Particle size distribution of tailings

A型和B型外加劑采用巴斯夫?qū)ｉT針對尾礦二次脫水、地表排放的WPA系列析水劑，其中A型外加劑為白色黏稠狀液體、B型外加劑為黃褐色黏稠狀液體。實驗裝置包括直徑110 mm、容量500 mL的燒杯，精度0.1 g的天平、1 000 mL的量筒、移液管和計時秒表。

1.2 實驗方法

根據(jù)某銅尾礦實際排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%左右，因此實驗料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)也配置為62%。配置好的料漿倒入燒杯內(nèi)，分別測量1，2，4 h料漿泌水量，其中1 h和2 h料漿泌水量用來衡量料漿快速泌水的能力，而4 h泌水量用來測試評價其長期泌水效果。具體實驗方法如下：

1)按照配料要求稱取全尾砂，使用量筒量取定量的水，倒入容器內(nèi)進(jìn)行攪拌，一次將不添加外加劑、添加A型外加劑、B型外加劑3種情況所需的料漿配置好，并攪拌均勻，等質(zhì)量分為3組。

2)其中第1組料漿迅速倒入燒杯，料漿不要超出燒杯口，將燒杯稍微震動，使料漿表面平整。每隔一段時間，將泌出的水分取出，測量泌出水分的質(zhì)量。該燒杯內(nèi)料漿作為基準(zhǔn)組，即不添加外加劑。

3)第2組和第3組料漿分別加入5 g A型外加劑和5 g B型外加劑(根據(jù)前期探索實驗和廠家建議，最終選擇每組實驗外加添加量為5 g，添加量是尾砂干量的5‰)，再次攪拌均勻，迅速倒入另外2個燒杯，料漿液面高度與基準(zhǔn)組料漿保持一致。與基準(zhǔn)組間隔相同時間，將泌出的水分取出，測量泌出水分的質(zhì)量。

4)按照式(1)計算不添加外加劑、添加A型外加劑、添加B型外加劑3種情況泌水率：

(1)

式中：S為泌水率，%；m為靜置某一時間的泌水量，g；M為料漿質(zhì)量，g；ρω為料漿初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 外加劑作用下尾礦二次脫水規(guī)律

不添加外加劑、添加A型和B型外加劑情況下泌水率實驗結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2，繪制不同實驗組別泌水率和質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨泌水時間變化情況如圖2～3所示。由圖2和圖3可知，添加外加劑的漿體初期(1 h、2 h)泌水量明顯大于不添加的料漿。其中添加A型外加劑1 h泌水率達(dá)到19.89%，2 h泌水率達(dá)到28.26%，分別比不添加外加劑時的泌水率12.61%、22.02%高出7.28%和6.24%。添加B型外加劑1 h和2 h的泌水率分別比不添加時高出7.9%和6.9%。對添加2種外加劑的1 h和2 h泌水率進(jìn)行對比，添加B型外加劑的泌水率略高于添加A型外加劑的泌水率，但相差不大?？偟膩碚f，添加外加劑對泌水性能改善較為明顯。在4 h時，3種情況料漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于71%～72%之間，這表明，隨著泌水時間的持續(xù)增加，添加與不添加外加劑的泌水量逐漸趨于相等。

表2 不添加外加劑、添加A型和B型外加劑泌水實驗結(jié)果Table 2 Bleed test results of 3 groups:without admixtures,with type A and B admixtures

圖2 泌水率隨泌水時間的變化Fig.2 Variation of bleeding rate with bleeding time

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨泌水時間的變化Fig.3 Variation of mass fraction with bleeding time

泌出水分取出過程發(fā)現(xiàn)，同一泌水時間內(nèi)添加外加劑的料漿形狀容易固定，而不添加外加劑料漿仍然呈現(xiàn)“泥漿”狀態(tài)，取出水分后放平燒杯，料漿形態(tài)差別明顯，如圖4所示。圖4(a)是不添加外加劑料漿的形態(tài)，可以看到取出泌出的水分后，料漿含水量仍然較大，具有較好的流動性，呈泥漿狀態(tài)。圖4(b)是添加B型外加劑后料漿的形態(tài)，取出泌出的水分后，料漿形狀比較固定，結(jié)構(gòu)密實，形成了一定的堆積角度。

圖4 不添加外加劑和添加B型外加劑料漿取水形態(tài)對比Fig.4 Comparison of water form of groups without adding admixture and with adding type B admixture

2.2 濃縮尾礦二次脫水?dāng)?shù)學(xué)模型

根據(jù)表2不添加外加劑、添加A型和B型外加劑的實驗結(jié)果，通過Matlab軟件分別擬合出3組實驗料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨泌水時間的演化關(guān)系，見式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

式中：f1(t)，f2(t)，f3(t)分別表示不添加外加劑、添加A型、B型外加劑的二次脫水時間為t的尾礦料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由式(2)～(4)可以看出，當(dāng)泌水時間為0時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為二次脫水前的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)的62%；隨著尾礦料漿泌水時間不斷增加，二次脫水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近于極限值。需要注意的是，當(dāng)添加外加劑后，雖然由于負(fù)電荷間斥力作用，尾礦間的水會進(jìn)一步快速脫出，但由于外加劑形成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍然會包裹一些水分。為此，添加外加劑的極限脫水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71.60%(A型)和71.65%(B型)，比不添加外加劑的極限脫水質(zhì)量分?jǐn)?shù)74.20%要小一些[19]。需要注意的是，式(2)不添加外加劑的方程極限脫水質(zhì)量分?jǐn)?shù)74.20%與表1中理論飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)74.50%較為接近，進(jìn)一步驗證了回歸方程的合理性。3組實驗質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨泌水時間變化擬合曲線如圖5所示。

實際上，由式(2)～(4)以及圖5還可以看出，不論是否添加外加劑，濃縮尾礦二次脫水的規(guī)律較為相似，對其共性規(guī)律進(jìn)行歸納，發(fā)現(xiàn)其均符合如下數(shù)學(xué)模型。

(5)

式中：f(t)表示二次脫水時間為t的尾礦料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)；b代表長時間脫水的極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)；b-a(指b減去a)代表脫水時間為0時的濃縮尾礦初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)；c為回歸常數(shù)，因尾礦種類、基本物化性能、外加條件等不同。

根據(jù)式(5)，繪制濃縮尾礦二次脫水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨泌水時間演化規(guī)律如圖6所示。橫坐標(biāo)是泌水時間，h；縱坐標(biāo)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；截距代表初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)b-a，隨著尾礦料漿泌水時間不斷增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨近于極限脫水質(zhì)量分?jǐn)?shù)b。

圖6 濃縮尾礦二次脫水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨泌水時間演化規(guī)律Fig.6 Evolution law of mass fraction of secondary deep dewatering of concentrated tailings with bleeding time

3 外加劑對濃縮尾礦二次脫水作用機(jī)理及工程價值分析

3.1 外加劑與尾礦料漿作用機(jī)理

添加外加劑后可以明顯改善尾礦的泌水性能，使得尾礦料漿中的自由水快速析出，達(dá)到提高料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目的。因此，分析所添加外加劑的作用機(jī)理對于外加劑更好地應(yīng)用在工程實踐中具有非常重要的意義。

3.1.1 快速脫水機(jī)理

在未添加外加劑的情況下，尾礦顆粒與水混合形成尾礦懸浮體系，體系中不同的礦物顆粒所帶的電荷存在差異，相互吸引形成了包含大量水的絮凝結(jié)構(gòu)。添加的外加劑對尾礦存在靜電斥力和空間位阻2種作用[20]，在這2種作用下，尾礦漿中的水分得以快速脫出。

1)靜電斥力作用。實驗所添加外加劑屬于陰離子型表面活性劑，其分子帶有許多在尾礦中呈現(xiàn)負(fù)電性的基團(tuán)，由于尾礦顆粒的表面帶有正電荷，加入外加劑后，如圖7所示，呈負(fù)電性的離子將尾礦顆粒包圍，被負(fù)離子包圍的尾礦顆粒相互之間帶有同種負(fù)電荷，這些尾礦顆粒相互靠近時，由于靜電斥力作用使尾礦顆粒相互排斥而遠(yuǎn)離，從而釋放出自由水，起到減水的效果。

2)空間位阻作用。陰離子型表面活性劑的主鏈和側(cè)鏈上帶有的帶電基團(tuán)使其能夠吸附在尾礦顆粒的表面形成聚合物分子吸附層，如圖8所示。當(dāng)尾礦顆粒相互靠近時，這些吸附層會發(fā)生重疊，在尾礦顆粒間產(chǎn)生斥力作用，使尾礦顆粒相互遠(yuǎn)離，從而釋放出自由水。

圖7 尾礦顆粒間的靜電斥力作用Fig.7 Electrostatic repulsion between tailings particles

圖8 空間位阻作用Fig.8 Space steric hindrance effect

3.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)強化機(jī)理

添加外加劑后，通過外加劑內(nèi)高分子量聚合物分子間及與水分子間的相互作用，在分子周圍形成水分子膜，若干個由水分子膜包裹著的分子借助分子間作用力，形成空間分子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而建立一個高度結(jié)構(gòu)化的尾礦漿體系，在尾礦變形過程中，這樣的尾礦漿體系像一個流動的矩陣，如圖9所示，在帶動其流動的同時，始終保持一定的勻質(zhì)性和穩(wěn)定性。因此，添加外加劑脫水后，使得尾礦結(jié)構(gòu)更加密實，更加穩(wěn)定，更有利于尾礦的堆積和筑壩，可以提高尾礦庫的安全性。

圖9 添加外加劑后尾礦漿結(jié)構(gòu)強化示意圖Fig.9 Schematic diagram of strengthened tailings structure with adding admixture

3.2 工程價值分析

通過添加外加劑改善泌水性能，快速將料漿中自由水析出，對于濃縮尾礦進(jìn)一步脫水具有明顯效果，不僅是尾礦不能達(dá)到預(yù)期脫水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的一種補救措施，同時還可以使得尾礦結(jié)構(gòu)更加密實，增強細(xì)粒尾礦排放或堆壩的穩(wěn)定性，具有較好的潛在工程價值，主要體現(xiàn)在以下3個方面。第1，使用外加劑對尾礦進(jìn)行快速脫水，可以提高水的利用率，減少了水資源的浪費；第2，添加外加劑后易于尾礦排放堆積角的形成，可以在占地面積不變的情況下，增加尾礦庫的庫容；第3，由于尾礦結(jié)構(gòu)的提升，可以適當(dāng)提升堆積高度而不影響壩體穩(wěn)定性，易于細(xì)粒全尾堆壩，從而減少部分筑壩成本。

4 結(jié) 論

1)通過3組脫水實驗，不添加外加劑1 h泌水率為12.61%，2 h泌水率為22.02%，而添加A型外加劑和B型外加劑1 h泌水率分別可達(dá)到19.89%和20.51%，2 h泌水率分別可達(dá)到28.26%和28.92%，明顯高于不添加外加劑。實驗結(jié)果表明添加外加劑可以對細(xì)粒尾礦泌水性能進(jìn)行改善，達(dá)到料漿內(nèi)水分快速泌出的目的。

3)對實驗所添加外加劑的作用機(jī)理進(jìn)行分析。實驗所添加外加劑對尾礦存在靜電斥力和空間位阻兩種作用，可以達(dá)到快速泌水的目的。同時通過外加劑內(nèi)高分子量聚合物分子間及與水分子間的相互作用，保持了尾礦漿體系的穩(wěn)定性。添加外加劑對濃縮尾礦二次脫水，不僅可以提高回水率，還可增加尾礦庫庫容，有利于尾礦排放和堆壩，具有較好的潛在工程價值。