基于高濃度細粒級尾砂超聲波活化的穩(wěn)態(tài)放砂技術(shù)試驗研究

姜培根 白騰飛 蔚登峰 張愛平 王玉亮

摘要：尾砂濃密是礦山充填工藝的重要環(huán)節(jié)，其主要借助砂倉來實現(xiàn)。然而在應用過程中，砂倉底部極易出現(xiàn)尾砂積料板結(jié)、掛壁的問題。為改善尾砂流動性，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)放砂，提高礦山充填能力，開展了超聲波作用下高濃度細尾砂料漿的流變特性、濃密均勻性及放砂穩(wěn)定性的試驗研究，研究結(jié)果有助于指導礦山應用。

關(guān)鍵詞：超聲波活化;細粒級尾砂;高濃度;穩(wěn)態(tài)放砂;流變特性；濃密

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2023）04-0010-03

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230403

引 言

尾砂高濃度充填是實現(xiàn)礦山安全、綠色、經(jīng)濟開采的一項重要舉措，符合當前國家倡導的節(jié)能減排、保護環(huán)境、防治地質(zhì)災害等基本政策。高濃度細粒級尾砂膏體充填工藝在黃金礦山企業(yè)相繼投入正常生產(chǎn)，系統(tǒng)運行整體良好，實現(xiàn)了礦山無尾排放，提高了尾礦資源利用率，無尾礦山建設取得了實質(zhì)性成果。深錐濃密機作為尾礦濃縮設備，具有大產(chǎn)能、高效率等優(yōu)點，逐漸被更多國內(nèi)外礦山采用^［1-2］。

濃密機底部經(jīng)過濃密壓縮后的高濃度細粒級砂漿密實性高、黏度大，風水造漿效果較差，出現(xiàn)了砂倉掛壁、放砂濃度不穩(wěn)定及流量不均衡現(xiàn)象，為實現(xiàn)高濃度細粒級尾砂穩(wěn)態(tài)放砂，提高尾砂的流變性能，開展此次超聲波半工業(yè)活化試驗研究。

國內(nèi)外科研機構(gòu)、高等院校在尾礦活化技術(shù)方面開展了初步的試驗研究，尤其在超聲波對高濃度尾砂流變性影響方面的試驗研究，DU等^［3］報道了28 kHz超聲波與機械耙在尾礦脫水中的作用，結(jié)果表明超聲波能有效提高料漿底流濃度。RUIZ-HERNANDO等^［4］為提高二次污泥的脫水效果，研究了超聲波、熱處理和氫氧化鈉化學處理的效果，以及處理后污泥的流變特性和脫水性能，試驗結(jié)果表明超聲波能有效提高污泥的固含量，并且污泥的黏度和觸變性能得到改善。

為了進一步提高濃密機底流穩(wěn)態(tài)放砂技術(shù)，本次試驗探究超聲波對不同濃度濃密機底流流變性能的影響。依據(jù)這些研究成果開展了半工業(yè)應用試驗研究。

1 穩(wěn)態(tài)放砂試驗

1.1 試驗原料

穩(wěn)態(tài)放砂試驗所需尾砂取自某金礦壓濾細尾砂。將隔膜壓濾機排出的含水率20%左右的尾砂進行脫水，分析壓濾細尾砂的粒級組成。粒級組成采用馬爾文激光粒度分析儀（MS3000）進行分析，分析結(jié)果如圖1所示。

壓濾細尾砂3次分析結(jié)果平均粒級組成如表1所示。

根據(jù)GB/T 4472—2011 《化工產(chǎn)品密度、相對密度的測定》的要求，測得壓濾細尾砂真密度為2.58 g/cm³。

1.2 試驗裝置及試驗方法

試驗采用自制實驗室濃密機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含超聲波系統(tǒng)（如圖2所示）和濃密機模型2個部分（如圖3所示）。

試驗步驟如下：①按照設計組裝試驗室濃密機系統(tǒng)。②制備所需壓濾尾砂料漿，并用攪拌機對壓濾尾砂料漿進行充分攪拌，得到均質(zhì)料漿（濃度65%、70%、72%）。③將均質(zhì)料漿泵送到濃密機模型，開啟超聲波發(fā)生器（振動頻率24 kHz，振動功率0～400 W）。④試驗過程中通過底部放砂孔取500 mL底流并編號，然后進行流變試驗，測試其屈服應力及黏度。

2 超聲波對底流流變性能影響

2.1 底流流變性能測試結(jié)果

料漿流變參數(shù)的測定選用美國Brookfield RST-SST流變儀（如圖4所示），轉(zhuǎn)子為四葉槳式，直徑為20 mm，高度為40 mm?；诂F(xiàn)場料漿輸送工況，采用以下測試步驟：整個測試時間為200 s，分為恒定剪切段和下降段，其中，恒定剪切段為100 s內(nèi)剪切速率100 s^-1恒定剪切，每秒取1個數(shù)據(jù)點；下降段100 s內(nèi)剪切速率由100 s^-1線性遞減至0，每秒取1個數(shù)據(jù)點。流變參數(shù)測試路徑見圖5。為消除管壁滑移的影響，轉(zhuǎn)子上下邊界、側(cè)邊界距離測試容器邊界的距離大于ASTM D4648/D4648M—2016 《對飽和細粒粘性土壤進行實驗室十字板剪切試驗的方法》標準中規(guī)定的尺寸要求。采用Bingham模型對下降段流變曲線進行擬合，從而獲取料漿的流變參數(shù)，即屈服應力和黏度。

試驗結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：通過超聲波活化，料漿的屈服應力變化并不明顯，而料漿的黏度呈下降趨勢。其中，在濃度70%，活化時間15 min時，料漿的黏度變化值最大。

2.2 超聲波影響流變性能機理分析

尾砂濃密效果主要由料漿的微結(jié)構(gòu)決定。尾砂顆粒由于雙電層交疊斥力與范德華力交互作用，使得顆粒之間相互黏結(jié)形成小尺寸絮團。小尺寸絮團與尾砂顆粒及小尺寸絮團之間相互黏結(jié)，形成大尺寸絮團，甚至形成絮團結(jié)構(gòu)^［5］。絮團結(jié)構(gòu)中存在大量的封閉性水團，所以大尺寸的絮團往往流變性能較差。絮團結(jié)構(gòu)變化示意圖如圖6所示。

超聲能夠改善料漿流變性能的機理可以歸結(jié)為：超聲造成的空化通過高頻高壓使得絮團結(jié)構(gòu)中大尺寸絮團破裂，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞，分裂成為小尺寸絮團。而且顆粒與顆粒之間、絮團與顆粒之間及絮團與絮團之間通過超聲作用，重新形成更為復雜的連接方式，間隙減少，原網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大尺寸絮團中固定的間隙水得到釋放，并且新形成的小尺寸絮團之間或與尾砂顆粒之間形成的新水膜重新組合。絮團結(jié)構(gòu)中大尺寸絮團破裂、小尺寸絮團形成及新形成的水膜重新組合使得料漿的流變性得到有效改善。

3 結(jié) 論

1）超聲作用對于尾砂料漿的流變性能具有促進作用，通過超聲處理的尾砂料漿的流變性能得到了有效提高。

2）超聲能夠改善料漿流變性能，其作用機理為：超聲造成的空化使得絮團結(jié)構(gòu)中大尺寸絮團破裂，分裂成為小尺寸絮團，然后這些顆粒和絮團等在超聲的作用下，重新形成更為復雜的連接方式，形成的新水膜重新組合。絮團結(jié)構(gòu)中大尺寸絮團破裂、小尺寸絮團形成及新形成的水膜重新組合使得料漿的流變性得到有效改善。

［參 考 文 獻］

［1］ 李輝，王洪江，吳愛祥，等.基于尾砂沉降與流變特性的深錐濃密機壓耙分析［J］.北京科技大學學報，2013，35（12）：1 553-1 558.

［2］ 勾金玲，趙福剛.高效深錐濃密機在梅山選廠的應用［J］.礦業(yè)快報，2007，23（3）：70-72.

［3］ DU J H，MCLOUGHLIN R，SMART R S.Improvingthickener bed density by ultrasonic treatment［J］.International Journal of Mineral Processing，2014，133：91-96.

［4］ RUIZ-HERNANDO M，MARTINEZ-ELORZA G，LABANDA J，et al.Dewaterability of sewage sludge byultrasonic，thermal and chemical treatments［J］.Chemical Engineering Journal，2013，230（16）：102-110.

［5］ 楊宮印，崔鵬艷，陳玉明.絮凝劑對溢流超細尾砂沉降特性影響的試驗研究［J］.黃金，2019，40（11）：31-35.

Experimental study on steady tailings discharge technology based

on ultrasonic activation of high-concentration fine tailings

Jiang Peigen^1，2，Bai Tengfei^1，2，Yu Dengfeng^1，2，Zhang Aiping^1，2，Wang Yuliang^1，2

（1.Shandong Gold Mining （Linglong）Co.，Ltd.;

2.Filling Engineering Laboratory Branch of Shandong Gold Mining Technology Co.，Ltd.）

Abstract：Thickening of tailings slurry is an important part of the mine backfilling process and is mainly realized by sand bin.However，compaction and sticking of tailing deposits are likely to occur in the application.To improve the fluidity of tailings，achieve steady tailings discharge，and improve the mine backfilling capacity，the rheological properties，thickening uniformity，and tailings discharge stability of high-concentration fine tailings slurry under ultrasonic activation were studied.The results help guide the mine application.

Keywords：ultrasonic activation;fine tailings;high concentration;steady tailings discharge;rheological characteristics;thickening