絮凝劑殘留對超細(xì)全尾砂似膏體流變特性的影響規(guī)律研究

摘要：超細(xì)粒徑尾砂沉降速度慢、濃縮效率低、溢流水濁度高，必須添加絮凝劑加速細(xì)顆粒的沉降，因此絮凝劑會殘留在濃縮后的似膏體中，導(dǎo)致其黏性增加、濃度偏低、易結(jié)塊和管道輸送阻力增大。綜合運(yùn)用理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)等研究手段，對絮凝劑殘留與超細(xì)全尾砂似膏體流變特性的影響機(jī)理進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明：絮凝劑修復(fù)或剪切破壞作用下，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)會包羅或釋放水分子引起自由水和毛細(xì)水之間的遷移和轉(zhuǎn)化，這是超細(xì)全尾砂似膏體剪切流變特性產(chǎn)生變化的根本原因。通過優(yōu)化絮凝劑選型，不僅大大降低了絮凝劑的用量，也顯著改善了絮凝劑的不利影響。研究成果對于系統(tǒng)地發(fā)展似膏體剪切流變和管道輸送理論與方法具有重要意義。

關(guān)鍵詞：超細(xì)全尾砂；似膏體；絮凝劑殘留；流變特性；管道輸送；剪切流變

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2025）01-0064-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250110

引言

2021年，河南中礦能源有限公司柿樹底金礦（下稱“柿樹底金礦”）建成了低成本全尾砂全脫水似膏體充填系統(tǒng)，開展了復(fù)雜難采礦體空場采礦法轉(zhuǎn)充填采礦法現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)及老舊隱蔽采空區(qū)充填治理實(shí)踐，由于尾礦中含有大量的細(xì)粒徑成分，必須添加絮凝劑加速細(xì)顆粒的沉降，保障濃縮過程的穩(wěn)定與高效。因此，絮凝劑不可避免地會殘留在濃縮后的似膏體中，與其中的細(xì)粒徑成分發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)而形成穩(wěn)定的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對似膏體的流變特性和管道輸送特性產(chǎn)生影響。

柿樹底金礦曾開展了多種絮凝劑的現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，最初選擇分子量為1500萬的某廠家特制絮凝劑，達(dá)到了預(yù)期的高濃度底流和澄清的溢流效果。但是，也使得大量的絮凝劑殘留在濃縮后的尾礦漿體中，導(dǎo)致其黏性增加，出現(xiàn)易結(jié)塊和管道輸送阻力增大等問題。針對出現(xiàn)的問題，通過絮凝劑作用機(jī)理分析和絮凝劑優(yōu)選及效果分析，在現(xiàn)場開展了分子量為1000萬的陰離子型聚丙烯酰胺絮凝沉降的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，從而達(dá)到了降低整體充填系統(tǒng)運(yùn)行能耗、增加系統(tǒng)可靠性的目的。

1工程背景 1.1礦山概況

柿樹底金礦位于河南省洛陽市嵩縣，礦區(qū)面積19.883km2，開采規(guī)模為24萬t/a。礦體賦存于含金構(gòu)造蝕變帶中，呈似層狀、板狀，走向長400m、傾向延伸300～400m、平均傾角30°、平均厚度3.39m、平均金品位1.5g/t。多年來，礦山一直采用房柱采礦法開采，產(chǎn)生采空區(qū)體積已達(dá)到80萬～90萬m3，極易發(fā)生冒頂、坍塌等災(zāi)害。2021年，柿樹底金礦建成了低成本全尾砂全脫水似膏體充填系統(tǒng)，開展了復(fù)雜難采礦體空場采礦法轉(zhuǎn)充填采礦法現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)及老舊隱蔽采空區(qū)充填治理實(shí)踐，開發(fā)了廢石與尾礦改性作建筑材料、鋪路、制磚等綜合利用途徑，實(shí)現(xiàn)了礦山固廢100%綜合利用2。

1.2超細(xì)全尾砂工程特性

柿樹底金礦全尾砂礦物組成分析測定結(jié)果如表1所示。由表1可知，全尾砂中主要含有高嶺土、石英、長石等泥質(zhì)成分。這是導(dǎo)致全尾砂粒徑超細(xì)的主要原因3。全尾砂粒徑分布如圖1所示。由圖1可知：柿樹底金礦全尾砂中小于5μm的顆粒占21%，小于38um的顆粒占59%，d1=2.233um，d50=22.385μm， 比表面積為970m2/kg，滲透系數(shù)和不均勻系數(shù)較小、級配較差。

1.3充填工藝流程

柿樹底金礦充填能力為60 m3/h，選擇某平硐口附近位置作為充填站站址，充填料漿可實(shí)現(xiàn)全程自流輸送。充填工藝流程為：選礦廠產(chǎn)出濃度為30%左右的全尾砂漿，經(jīng)高頻振動脫水篩篩分后，篩上粗料（占比約30%、含水率≤18%）經(jīng)溜槽和皮帶進(jìn)入堆場；篩下細(xì)料經(jīng)濃密機(jī)濃密后進(jìn)入陶瓷過濾機(jī)進(jìn)行二次脫水，陶瓷過濾機(jī)脫水后的干尾砂（占比約70%、含水率≤15%）進(jìn)入尾砂堆場堆存。干尾砂經(jīng)裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至穩(wěn)料倉，經(jīng)倉底部的板帶式給料機(jī)和皮帶秤計(jì)量后由皮帶輸送至攪拌桶，與水泥和水充分?jǐn)嚢韬螅苽涑珊细竦某涮盍蠞{，經(jīng)鉆孔及井下充填管路輸送至待充點(diǎn)[4-5]。

1.4絮凝劑殘留對超細(xì)全尾砂似膏體的影響

由于柿樹底金礦的尾砂粒徑超細(xì)，必須在濃密機(jī)內(nèi)添加絮凝劑來加速超細(xì)粒徑尾砂的絮凝沉降，以獲得高濃度底流和澄清溢流水。該礦山曾開展了多種絮凝劑的現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，最初選擇分子量為1500萬的某廠家特制絮凝劑。添加該特制絮凝劑后，雖然達(dá)到了預(yù)期的高濃度底流和澄清溢流，但也導(dǎo)致大量的絮凝劑殘留在濃縮后的尾砂漿體中，致其黏性增加，后續(xù)進(jìn)一步脫水中出現(xiàn)了較為突出的結(jié)塊現(xiàn)象（如圖2所示）。因絮凝劑殘留導(dǎo)致的尾砂結(jié)塊現(xiàn)象嚴(yán)重影響了穩(wěn)料倉下料的穩(wěn)定性、給料計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和高速攪拌桶的攪拌效率，極易導(dǎo)致料倉堵塞、計(jì)量不準(zhǔn)確和制備的似膏體充填料漿結(jié)塊（如圖3所示）等。由于大量的絮凝劑殘留在超細(xì)全尾砂似膏體中，導(dǎo)致似膏體的黏性和稠度極高，在濃度為58%～60%時即達(dá)到似膏體狀態(tài)（如圖4所示）。

2絮凝劑作用機(jī)理分析

絮凝劑是污水處理領(lǐng)域常用的藥劑之一，其原理為：絮凝劑帶有正（負(fù)）電性的基團(tuán)和水中帶有負(fù)（正）電性難于分離的一些粒子或者顆粒相互靠近、降低其電勢，使其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并利用其聚合性質(zhì)使得這些顆粒集中，并通過物理或化學(xué)方法分離出來。隨著礦石品位的普遍下降和選礦技術(shù)的不斷進(jìn)步，磨礦粒度越來越細(xì)，金屬礦山尾礦中-74μm的占比普遍超過8 0%，平均粒徑在5 0μm。過細(xì)的磨礦細(xì)度在大幅提高選礦回收率的同時，也給尾礦的濃縮脫水增添了難度。依靠傳統(tǒng)的自然沉降，細(xì)粒徑尾礦沉降速度慢、濃縮效率低、溢流水渾濁，必須添加絮凝劑加速細(xì)顆粒的沉降，保障濃縮過程的穩(wěn)定與高效。

2.1絮凝劑選型及絮凝沉降原理

絮凝劑的品種繁多，按照其化學(xué)成分總體可分為無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑兩大類。在礦山應(yīng)用較多的主要為有機(jī)高分子絮凝劑——聚丙烯酰胺系列。常見聚丙烯酰胺為白色粉末狀，可溶于水，水溶液為均勻透明的液體，水溶液黏度隨聚合物分子量增加而提高。聚丙烯酰胺是長鏈（線）狀聚合物，每個分子是由十萬個以上的單體聚合物構(gòu)成，分子鏈長而細(xì)且有許多化學(xué)活性基團(tuán)，會彎曲或卷曲成不規(guī)則的曲線形狀，就像梁橋一樣搭在2個或多個細(xì)粒徑尾砂顆粒上，活性基團(tuán)與尾砂顆粒表面作用，從而將尾砂顆粒連接形成絮凝團(tuán)，這種作用稱為橋連作用[6（如圖5所示）。

尾砂絮凝沉降過程中，絮凝劑的主要作用機(jī)理包括：

1）雙電層的壓縮作用。有機(jī)高分子絮凝劑或無機(jī)絮凝劑電離產(chǎn)生的電荷會使細(xì)粒徑尾砂的Zeta電位降低，進(jìn)而壓縮雙電子層。

2）吸附凝聚作用。由于絮凝劑水解產(chǎn)物特殊的電荷屬性，會吸引和中和懸浮的異性細(xì)粒徑顆粒，凝聚成大的顆粒。

3）絮凝架橋作用。有機(jī)高分子絮凝劑溶于水后會水解生成長鏈聚合物，進(jìn)而絮凝架橋形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，吸引和網(wǎng)捕細(xì)粒徑尾砂顆粒形成大的絮團(tuán)，進(jìn)而加速絮團(tuán)尾砂沉降。因?yàn)殛栯x子高分子絮凝劑對尾砂顆粒的吸附具有降低表面電荷、壓縮雙電層的作用，因此陽離子高分子絮凝劑引起橋連作用所需的分子長度比非離子型高分子絮凝劑小一些，即相對分子質(zhì)量低些；相反，陰離子型高分子絮凝劑對負(fù)電荷的尾砂顆粒，由于靜電相斥作用，相對分子質(zhì)量較大。

2.2影響絮凝沉降作用效果的因素分析

影響超細(xì)尾砂絮凝作用的因素相對復(fù)雜[7]，主要包括：

1）超細(xì)尾砂的粒徑組成和顆粒級配。粒徑組成和顆粒級配是尾砂最重要的物理特性參數(shù)，對絮凝劑的選型和用量及絮凝沉降效果影響作用也最大。一般情況下，尾砂中細(xì)粒徑尤其是-15μm的泥質(zhì)成分越多，其絮凝用量越大、絮凝沉降速度越慢、濃縮成本越高。

2）絮凝劑的分子量、用量和稀釋濃度。一般情況下，增大絮凝劑的用量和分子量，有利于超細(xì)粒徑顆粒的絮凝沉降，提升絮凝效果；但是，過高的絮凝劑添加量不僅不利于提高絮凝效果，而且大量的絮凝劑殘留在尾水中還會對選礦指標(biāo)產(chǎn)生顯著的影響。因此，礦山充填過程中高分子聚丙烯酰胺類絮凝劑的用量一般控制在5～20g/t。同時，絮凝劑一般為白色粉末狀，必須用水充分溶解和稀釋后才能使用，一般絮凝劑需要提前溶解和攪拌1 h以上才能使用，且必須稀釋至5‰以下才能較好地發(fā)揮絮凝劑的吸附凝聚和絮凝架橋作用。

3）漿體的pH和溫度等參數(shù)。因pH會顯著影響和改變超細(xì)粒徑尾砂顆粒表面電荷和電位、絮凝劑的性質(zhì)和作用，使得顆粒的表面斥力增加、絮凝困難，因此，pH對絮凝作用的影響非常大。同時，尾砂漿體的溫度過高或過低，均會對絮凝劑的作用效果產(chǎn)生不利的影響。但是，考慮到尾砂漿體的處理量極大，礦山充填成本又往往控制得較低，改變漿體的pH和溫度等參數(shù)技術(shù)可行，但明顯經(jīng)濟(jì)不合理。因此，可通過改變藥劑類型、增加藥劑的分子量和用量等措施來改善漿體的絮凝沉降效果。

4）攪拌速度和時間。絮凝劑添加前需要充分溶解和長達(dá)1h以上的攪拌，才能將數(shù)百萬個長鏈（線）狀聚合物分子充分伸展開來。絮凝沉降過程中適度的攪拌有利于尾砂和絮凝劑的充分混合與接觸，但是過長時間和過快頻率的攪拌不僅會使能耗增加，還會破壞已形成的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)。

2.3絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞和修復(fù)作用演化過程

絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)在絮凝劑作用下的修復(fù)過程如圖6所示。由圖6可知：在絮凝劑數(shù)百萬個長鏈（線）狀聚合物分子的絮凝架橋作用下，尾砂中的細(xì)粒徑被吸附凝聚形成大的絮體，粗顆粒則因很少與絮凝劑發(fā)生反應(yīng)而零散地分布在絮體周邊。由于絮凝劑分子鏈很長，在不斷網(wǎng)捕細(xì)粒徑尾砂顆粒的同時，形成的絮體體積會不斷增大，最終形成穩(wěn)定的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)在剪切作用下的破壞過程如圖7所示。由圖7可知：絮凝架橋和吸附凝聚作用下形成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)只是一個相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在外界剪切力的持續(xù)作用下，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)會因長鏈（線）狀分子的斷裂而分裂成小的絮體，原先凝聚在一起的細(xì)粒徑尾砂顆粒也會分散開來，形成許多小的絮團(tuán)。

當(dāng)不斷提高剪切力或持續(xù)增加剪切時間的情況下，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)會持續(xù)受到破壞，不斷分裂成小的絮團(tuán)和絮體，但最終會達(dá)到一個相對穩(wěn)定的破壞狀態(tài)，即繼續(xù)增加剪切力和剪切時間，也不會再分裂生成更小的絮團(tuán)和絮體。當(dāng)停止剪切作用后，絮凝劑的修復(fù)作用將開始發(fā)揮主導(dǎo)作用，斷裂的長鏈（線）狀聚合物分子開始重新搭接和吸附，小的絮團(tuán)和絮體也開始逐漸重新吸附凝聚形成大的絮體，并最終在形成相對穩(wěn)定的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)后，不會再修復(fù)形成更大的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這便是絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞和修復(fù)作用演化過程[8]。

2.4自由水和毛細(xì)水動態(tài)轉(zhuǎn)化過程

絮凝劑絮凝架橋和吸附凝聚作用下形成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分發(fā)育，在網(wǎng)捕細(xì)粒徑尾砂顆粒生成絮體和絮團(tuán)的同時，也吸附和包羅了大量的水分子。基于細(xì)粒徑尾砂顆粒的雙電子層結(jié)構(gòu)，在靜電作用下，吸附層內(nèi)水分子緊密地排列在尾砂顆粒表面形成結(jié)合水，擴(kuò)散層內(nèi)的水分子附著力稍弱形成毛細(xì)水。因此，添加絮凝劑后的超細(xì)尾砂似膏體黏性和稠度明顯增加，這是絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)吸附和包羅了大量水分子所導(dǎo)致的。在持續(xù)施加剪切力的作用下，隨著絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)持續(xù)受到破壞，不斷分裂成小的絮團(tuán)和絮體，原先吸附和包羅的大量水分子也開始被釋放出來，使得超細(xì)全尾砂似膏體黏性和稠度明顯降低。

絮凝修復(fù)和剪切破壞作用下絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)動態(tài)變化過程如圖8所示。由圖8可知：超細(xì)全尾砂似膏體中含有大量的細(xì)粒徑成分，單位體積內(nèi)固體顆粒的表面積較大，極易在殘留絮凝劑的作用下，發(fā)生電中和、吸附搭橋、卷掃網(wǎng)捕等一系列物理化學(xué)變化，形成穩(wěn)定的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在管道輸送過程中，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)會受到管壁的持續(xù)摩擦作用而發(fā)生剪切破壞。在一定的剪切速率條件下，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)系數(shù)隨著剪切時間的增加而逐漸減小，并最終趨于平衡。此時，絮凝劑修復(fù)作用和剪切破壞作用達(dá)到動態(tài)平衡，自由水和毛細(xì)水之間的遷移和轉(zhuǎn)化也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，漿體的流變特性趨于穩(wěn)定[9-12]。

3絮凝劑優(yōu)選及效果分析

3.1絮凝劑類型和添加量優(yōu)選

在現(xiàn)場以礦山常用的聚丙烯酰胺為例，開展了絮凝沉降的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：分子量為1000萬的陰離子型聚丙烯酰胺對超細(xì)全尾砂表現(xiàn)出較好的效果，不僅溢流水澄清度較高（如圖9所示），而且用量較小。根據(jù)礦山的生產(chǎn)實(shí)際情況，添加1000萬的陰離子型聚丙烯酰胺后，獲得最佳絮凝劑添加量為5 g/t、添加濃度為5%。

3.2優(yōu)選絮凝劑對尾砂特性的影響

在對絮凝劑的類型和用量進(jìn)行優(yōu)化后，絮凝劑殘留在尾砂中的量大大減少，尾砂結(jié)塊現(xiàn)象得到有效緩解，陶瓷過濾機(jī)不再出現(xiàn)明顯的黏性結(jié)塊，穩(wěn)料倉堵塞的問題也得到了解決，經(jīng)高速活化攪拌后充填料漿內(nèi)不再有明顯的結(jié)塊（如圖1 0所示）。由于尾砂的黏性大大降低，重新進(jìn)行了充填配比試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在其他條件相同的情況下，黏性較低的尾砂漿體的充填濃度可進(jìn)一步提高至7 0%，即濃度為7 0%的尾礦漿體是比較適宜的似膏體充填濃度。由此可見，絮凝劑對充填料漿的似膏體狀態(tài)產(chǎn)生了十分明顯和重要的影響[13-14]。

3.3優(yōu)選絮凝劑對似膏體管道輸送特性的影響

在自流輸送條件下，若垂直管道的高度為h，水平管道的長度為1，取局部阻力及出口損失之和為管道沿程阻力的1 5%，則根據(jù)能量守恒原理，可得：

式中：p為充填料漿密度（t/m3）;h為垂直管道的高度（m）;i為管道沿程阻力（Pa/m）;l為水平管道的長度（m）。

由式（1）可以得出，在充填料漿特性、充填系統(tǒng)一定情況下，自流充填的最大充填倍線[15-16]為：

式中：N為最大充填倍線。

在對絮凝劑的類型和用量進(jìn)行優(yōu)化后，超細(xì)全尾砂似膏體的流變特性得到有效改善，結(jié)塊現(xiàn)象大大減少，因此其管道輸送特性也得到了有效優(yōu)化。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，在相同的充填條件下，改善后的漿體出礦流速高達(dá)3.2m/s，在首充采空區(qū)充填結(jié)束后，最大的自流充填倍線可達(dá)6～7。

4結(jié)論

1）基于常用絮凝劑的工程特性，研究了絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞和修復(fù)作用演化機(jī)理，分析了自由水和毛細(xì)水動態(tài)轉(zhuǎn)化過程。結(jié)果表明，絮凝劑修復(fù)或剪切破壞作用下，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)會包羅或釋放水分子引起自由水和毛細(xì)水之間的遷移和轉(zhuǎn)化，這是超細(xì)全尾砂似膏體剪切流變特性產(chǎn)生變化的根本原因。

2）基于柿樹底金礦的現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了絮凝劑殘留是導(dǎo)致超細(xì)全尾砂似膏體黏性增加、濃度偏低、易結(jié)塊和管道輸送阻力增大的原因；通過優(yōu)化絮凝劑選型，不僅大大降低了絮凝劑的用量，也顯著改善了絮凝劑的不利影響。

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Study on the influence of flocculant residue on the rheological properties of ultrafine ungraded tailings paste-like slurry

Wang Wenbo1，Li Shuai2，Yu Zheng2，Li Zhenlong3，Wang Hongtao3

（1.Henan Yudi Science and Technology Group Co.，Ltd.;

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University;

3.Henan Zhongkuang Energy Co.，Ltd.）

Abstract：Ultrafine tailings exhibit slow settling rates，low thickening efficiency，and high overflow water turbidity，necessitating the use of flocculants to acelerate fine particle sedimentation.However，flocculant residues remain in the thickened paste-like slurry，increasing its viscosity，reducing its concentration，promoting agglomeration，and raising pipeline transport resistance.This study employed theoretical analysis and field experiments to explore the mechanism by which flocculant residue influences the rheological properties of ultrafine ungraded tailings paste-like slurry.Results indicate that under flocculant restoration or shear damage，the floc network structure either encapsulates or releases water molecules，inducing migration and transformation between free and capillary water.This phenomenon is the fundamental cause of changes in the shear rheological properties of ultrafine ungraded tailings paste-like slurry.By optimizing flocculant selection，the study achieved a significant reduction in flocculant dosage and effectively mitigated its adverse effects.The findings hold substantial significance for systematically advancing the theory and methods of paste-like slurry shear rheology and pipeline transport.

Keywords：ultrafine ungraded tailings;paste-like slurry;flocculant residue;rheological properties;pipeline transport;shear rheology