某金礦兩段分級(jí)超細(xì)尾砂靜態(tài)沉降與半工業(yè)濃密試驗(yàn)研究

楊紀(jì)光 吳再海 寇云鵬 王增加 宋澤普 荊曉東 朱庚杰

(1.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;2.山東黃金礦業(yè)股份有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

某金礦地處膠東半島渤海灣畔,1980年投產(chǎn),是一座具有采選冶綜合生產(chǎn)能力的國(guó)家大型黃金礦山企業(yè)。礦山專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)采用尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng),充填站建成運(yùn)行已近20 a的歷史,充填法是提高自然資源回收率和環(huán)境保護(hù)的需要[1],可有效解決采場(chǎng)地壓?jiǎn)栴}[2]。但是現(xiàn)有的充填模式已嚴(yán)重制約了礦山生產(chǎn):一是該礦尾礦庫(kù)即將達(dá)到服務(wù)年限,新建尾礦庫(kù)選址征地工作困難;二是立式砂倉(cāng)造漿質(zhì)量不穩(wěn)定,充填料漿濃度低,充填至采場(chǎng)后存在離析、分層、泌水嚴(yán)重等現(xiàn)象,對(duì)于自流充填倍線(xiàn)較大的采空區(qū),只能降低充填料漿濃度,對(duì)采礦生產(chǎn)接續(xù)及井下安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響,各種安全隱患突出。為解決上述問(wèn)題,該礦建成了尾砂壓濾干排生產(chǎn)系統(tǒng),將分級(jí)后的細(xì)尾砂再次進(jìn)行分級(jí),兩段分級(jí)的粗尾砂作為建筑材料重新利用,兩段分級(jí)超細(xì)尾砂進(jìn)行干堆。隨著尾砂地表大量堆存,占用土地資源,堆存時(shí)極易引起塌陷,揚(yáng)塵破壞了周邊生態(tài)環(huán)境。隨著基于超細(xì)粒級(jí)尾砂速凝早強(qiáng)的充填膠凝材料研發(fā)成功并開(kāi)始應(yīng)用,該礦依托充填工程實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)兩段分級(jí)超細(xì)尾砂井下充填,消除了地表大量堆存的難題。

細(xì)粒級(jí)尾砂高效濃密脫水過(guò)程是充填工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3],濃密機(jī)是尾砂濃密脫水的核心設(shè)備,由于不同參數(shù)的濃密機(jī)投資差別較大,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)絮團(tuán)沉降速度的多種影響因素進(jìn)行了研究[4]。LICK等[5]認(rèn)為較高濃度下,絮團(tuán)間會(huì)發(fā)生劇烈碰撞導(dǎo)致絮團(tuán)破碎,且絮團(tuán)沉降速度隨著砂漿濃度的增大而減小。張欽禮等[6-7]采用多種預(yù)測(cè)模型對(duì)絮凝沉降參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇,得出各個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值。USHER等[8]開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算絮凝沉降的算法,為固體吞吐量、床層高度和底流固體濃度之間的相互關(guān)系提供了理論支撐。李宗楠等[9]建立了關(guān)于絮團(tuán)沉降的數(shù)學(xué)模型,研究得出細(xì)粒尾礦在垂直砂倉(cāng)的沉降規(guī)律。同時(shí),部分學(xué)者對(duì)于絮凝沉降的室內(nèi)試驗(yàn)裝置做出了一些改進(jìn),并開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[10-12]。

前述研究大多是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究絮團(tuán)在沉降過(guò)程中的靜動(dòng)態(tài)規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果與礦山實(shí)際生產(chǎn)匹配度不高。本研究在某金礦開(kāi)展了室內(nèi)靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)和半工業(yè)濃密試驗(yàn),半工業(yè)濃密試驗(yàn)直接將礦山工藝流程中的砂漿接入試驗(yàn)系統(tǒng)。結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際[13-14],分析了砂漿濃度、絮凝劑單耗對(duì)絮團(tuán)沉降行為的影響,固體通量對(duì)溢流水含固量和底流濃度的影響以及泥層高度對(duì)濃密的影響。該礦將試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用到一座1 000 m3無(wú)動(dòng)力高效濃密機(jī)、充填能力60～80 m3/h的基于兩段分級(jí)超細(xì)尾砂充填系統(tǒng),并進(jìn)行了濃密脫水充填工業(yè)應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

尾砂的基本物化性質(zhì)決定了其濃密脫水效果。從該礦生產(chǎn)工藝流程中旋流器組上提取兩段分級(jí)超細(xì)尾砂漿,采用比重瓶法測(cè)得其真密度為2.55 t/m3,采用多功能粉體物理特性測(cè)試儀測(cè)得松散堆積密度為0.95 t/m3,緊密堆積密度為1.24 t/m3。采用馬爾文3000激光粒度測(cè)試儀對(duì)尾砂進(jìn)行粒徑分析,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1,粒級(jí)分布見(jiàn)圖1。通過(guò)ZSX100e型X射線(xiàn)熒光儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 尾砂粒徑分布測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of particle size distribution for tailings

圖1 粒徑分布曲線(xiàn)Fig.1 Distribution curves of particle size

表2 尾砂的化學(xué)成分及含量Table 2 Chemical composition and contents of tailings %

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),兩段分級(jí)超細(xì)尾砂+37μm含量25%以下,-19μm含量60%以上,Dv(50)14.5μm,屬于極細(xì)尾砂,級(jí)配較差,微細(xì)粒級(jí)含量較高,尾砂絮凝濃密脫水困難;尾砂化學(xué)成分以SiO2、Al2O3為主,可以作為充填骨料。

1.2 試驗(yàn)試劑及儀器

通過(guò)篩選試驗(yàn)得到添加不同種類(lèi)絮凝劑的尾砂沉降結(jié)果,其中巴斯夫陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑(BSF)試驗(yàn)效果最佳,分子量1 800萬(wàn)。配制成0.1%的絮凝劑溶液,待用。

試驗(yàn)主要設(shè)備為:萬(wàn)分之一電子天平,1 000mL量筒,橡膠網(wǎng)孔攪拌器,101-0AB干燥箱;真空過(guò)濾系統(tǒng),磁力攪拌機(jī),燒杯,膠頭滴管,直徑1 m、高度10m半工業(yè)濃密試驗(yàn)系統(tǒng)(供砂管網(wǎng)及攪拌槽、絮凝劑制備及添加系統(tǒng)、溢流水管網(wǎng)、底流泵及輸送管網(wǎng))(圖 2)。

圖2 半工業(yè)濃密機(jī)Fig.2 Semi industrial thickener

1.3 試驗(yàn)方案

(1)靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)。首先配制成不同質(zhì)量濃度(5%、7.5%、10%、12.5%、15%)的砂漿加入到1 000 mL量筒中,用橡膠網(wǎng)孔攪拌器攪拌均勻后,定容至滿(mǎn)刻度線(xiàn),加入配制好的絮凝劑溶液,攪拌均勻,用秒表記錄澄清層高度隨時(shí)間的變化,記錄時(shí)間為10 min,并繪制沉降曲線(xiàn),得出固體通量最大時(shí)的砂漿濃度[15]。然后配制該濃度的砂漿,按照每1 t干尾砂加入絮凝劑干粉的質(zhì)量,分別加入配制好的絮凝劑溶液(20、25、30、35 g/t),攪拌均勻,用秒表記錄澄清層高度隨時(shí)間的變化,記錄時(shí)間為10 min,并繪制沉降曲線(xiàn),得出沉降速率最大時(shí)的絮凝劑用量。

(2)半工業(yè)濃密試驗(yàn)。首先將自主研制的半工業(yè)濃密試驗(yàn)系統(tǒng)直接安裝在該金礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),直接利用生產(chǎn)工藝中兩段分級(jí)超細(xì)尾砂,通過(guò)調(diào)節(jié)給料流量、稀釋水流量,利用絮凝溶液制備及添加裝置進(jìn)行絮凝劑溶液制備。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[16]。用于模擬無(wú)動(dòng)力高效濃密機(jī)正常生產(chǎn)的情形,分析不同給料速度時(shí),固體通量(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 t/(m2·h))對(duì)溢流水含固量和底流濃度的影響以及試驗(yàn)?zāi)鄬痈叨?2、4、6、8、10 m)對(duì)底流料漿濃度的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)方案開(kāi)展砂漿的靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn),不同濃度的砂漿絮凝沉降H-T曲線(xiàn)[17]見(jiàn)圖3,不同濃度的砂漿絮凝沉降固體通量曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。由圖3可知:沉降H-T曲線(xiàn)由3段組成,第1段斜率較大的直線(xiàn)段表示等速沉降區(qū),第2段彎道曲線(xiàn)為過(guò)渡區(qū),第3段平緩曲線(xiàn)表示壓縮區(qū)。砂漿濃度為2.5%時(shí),絮團(tuán)沉降速度最快,砂漿濃度為15%時(shí),絮團(tuán)沉降速度最慢。砂漿的沉降速率隨著砂漿濃度增大而減小,但是固體通量存在一個(gè)最大值,通過(guò)曲線(xiàn)擬合計(jì)算,并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖4)分析,砂漿濃度為7.5%時(shí)固體通量最大。

圖3 沉降H-T曲線(xiàn)Fig.3 Settlement H-T curves

圖4 不同濃度的砂漿絮凝沉降固體通量Fig.4 Solid flux of flocculation settlement of mortar with different concentration

不同絮凝劑用量的砂漿絮凝沉降H-T曲線(xiàn)見(jiàn)圖5,沉降測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。當(dāng)絮凝劑添加量從20 g/t增加到35 g/t時(shí),絮團(tuán)沉降速度呈先增加后減小的趨勢(shì),因此,最佳絮凝劑用量應(yīng)控制在30 g/t,試驗(yàn)結(jié)果與張欽禮等[12]的研究成果一致,此時(shí)底流濃度最大。

表3 不同絮凝劑添加量絮凝沉降測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of flocculation sedimentation with different dosage of flocculants

2.2 半工業(yè)濃密試驗(yàn)

半工業(yè)濃密試驗(yàn)是在靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展的。技術(shù)參數(shù)為:巴斯夫絮凝劑,最佳砂漿稀釋濃度7.5%,最佳絮凝劑用量30 g/t。利用半工業(yè)濃密試驗(yàn)機(jī)分析了泥層高度對(duì)底流濃度的影響,同時(shí),試驗(yàn)了不同固體通量情況下,溢流水含固量的變化規(guī)律對(duì)底流濃度的影響。

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)中,濃密機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要一定的泥層高度來(lái)保證井下充填要求的放砂濃度,泥層高度由濃密機(jī)進(jìn)砂量和底部放砂量?jī)煞矫婵刂?。由于泥層的壓縮作用,絮團(tuán)內(nèi)部的一些孔隙水會(huì)被擠壓出來(lái),擠壓出的水分逐漸積累并形成導(dǎo)水通道且被排至泥層上部,從而使底流料漿濃度升高。由此可知,泥層壓力在底流濃度升高過(guò)程中起到了極其重要的作用[2]。

試驗(yàn)的底流濃度有兩部分,一是以絮凝沉降達(dá)到泥層高度時(shí)的底流濃度,二是以泥層沉降至穩(wěn)定時(shí)的底流濃度(極限底流濃度)。不同泥層高度的底流濃度曲線(xiàn)如圖6所示。分析圖6可知:隨著泥層高度增加,在整個(gè)壓密階段底流濃度與泥層高度呈正相關(guān)性,呈非線(xiàn)性關(guān)系,泥層高度4 m前底流濃度增加明顯,4 m以后增速放緩。底流濃度的高低與濃密機(jī)壓實(shí)區(qū)絮團(tuán)以及絮團(tuán)所受的有效應(yīng)力有關(guān),隨著泥層高度不斷加厚,有效應(yīng)力增大,絮團(tuán)之間的吸附作用加強(qiáng),絮團(tuán)空隙間的水被擠出,底流濃度因此加大。

圖6 底流濃度隨泥層高度的變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curves of underflow concentration with mud bed height

試驗(yàn)分析了半工業(yè)濃密試驗(yàn)機(jī)在不同固體通量的情況下,底流濃度、極限底流濃度的變化規(guī)律,研究了溢流水含固量的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。圖7為不同泥層高度下固體通量與底流濃度的關(guān)系曲線(xiàn),圖8為不同泥層高度下固體通量與溢流水含固量的關(guān)系曲線(xiàn)。通過(guò)半工業(yè)濃密試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),最佳砂漿稀釋濃度、最佳絮凝劑用量與靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)一致,底流濃度遠(yuǎn)大于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,底流的屈服應(yīng)力和塑性黏度試驗(yàn)結(jié)果表明,屈服應(yīng)力隨著濃度的增加而增大,當(dāng)屈服應(yīng)力大于(200±25)Pa時(shí),可以視為膏體或者達(dá)到膏體狀態(tài)[18-19],底流濃度為62%時(shí)已達(dá)到膏體狀態(tài)。

表4 不同固體通量下的半工業(yè)濃密測(cè)試結(jié)果Table 4 Semi industrial thickening test results under different solid fluxes

圖7 不同固體通量下泥層高度與底流濃度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relationship curves between mud layer height and underflow concentration under different solid fluxes

由表4和圖7、圖8可知:根據(jù)絮凝動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論[20],隨著固體通量增大,溢流水上升速度提高,溢流水含固量增多,底流濃度降低。溢流水含固量與固體通量呈正相關(guān),底流濃度與固體通量呈負(fù)相關(guān)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是:絮凝沉降過(guò)程中絮凝劑形成高分子鏈靜電中合或者吸附尾砂顆粒,形成粒徑較大的絮團(tuán),隨著固體通量增大,濃密機(jī)單位面積處理量增加,尾砂顆粒與絮凝劑分子反應(yīng)的時(shí)間縮短,絮凝反應(yīng)不充分,形成的絮團(tuán)較小,絮凝效果降低;達(dá)到同樣的泥層高度,不同固體通量時(shí)泥層的壓縮時(shí)間、脫水時(shí)間逐漸縮短,所以底流濃度逐漸降低。

圖8 不同固體通量下泥層高度與溢流水含固量關(guān)系曲線(xiàn)Fig.8 Relationship curves between mud layer height and solid content of overflow water under different solid flux

3 工業(yè)性試驗(yàn)

該金礦建成1套1 000 m3無(wú)動(dòng)力高效濃密機(jī)處理分級(jí)細(xì)尾砂,將該濃密機(jī)中心給料筒、絮凝劑添加點(diǎn)進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)旋切入料,多點(diǎn)加料,進(jìn)行了充填自動(dòng)化改造;將靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)和半工業(yè)濃密試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用到該濃密機(jī),開(kāi)展了工業(yè)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用。分別充填-50 m中段、-480 m中段、-1 030 m中段,累計(jì)充填2萬(wàn)m3,消耗超細(xì)尾砂3.4萬(wàn)t,穩(wěn)定放砂濃度為62%～64%,充填能力為60～80 m3/h,達(dá)到預(yù)期效果,實(shí)現(xiàn)了濃密脫水充填工業(yè)應(yīng)用。改造后的濃密機(jī)外觀見(jiàn)圖9。

圖9 無(wú)動(dòng)力高效濃密機(jī)Fig.9 No power high efficiency thickener

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)室內(nèi)靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)確定了該金礦適合BSF型絮凝劑,即最佳絮凝劑用量為30 g/t,最佳砂漿稀釋濃度為7.5%。在砂漿濃度超過(guò)12.5%后,絮凝沉降速度的主要影響因素為砂漿濃度,絮凝劑添加量對(duì)沉降速度的影響逐漸減小。

(2)現(xiàn)場(chǎng)半工業(yè)濃密試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨著泥層高度增加,在整個(gè)壓密階段底流濃度與泥層高度呈正相關(guān)性,呈非線(xiàn)性關(guān)系。泥層高度4m前底流濃度增加明顯,4 m以后增速放緩;隨著泥層高度不斷加厚,有效應(yīng)力增大,絮團(tuán)之間的吸附作用加強(qiáng),絮團(tuán)空隙間的水被擠出,底流濃度因此加大。

(3)現(xiàn)場(chǎng)半工業(yè)濃密試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨著固體通量增大,溢流水上升速度提高,溢流水含固量增多,底流濃度降低。溢流水含固量與固體通量呈正相關(guān),底流濃度與固體通量呈負(fù)相關(guān)。

(4)結(jié)合靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)和半工業(yè)濃密試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)的砂漿稀釋濃度和絮凝劑用量可用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn),而其底流濃度、固體通量與實(shí)際生產(chǎn)差別較大,需采用半工業(yè)濃密試驗(yàn)結(jié)果;半工業(yè)濃密試驗(yàn)得到的固體通量、溢流水含固量、底流濃度和底流屈服應(yīng)力等均與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)情況相吻合,可為類(lèi)似礦山設(shè)計(jì)選型濃密機(jī)提供借鑒。