基于絮凝沉降實(shí)驗(yàn)的膏體充填參數(shù)優(yōu)化

于少峰，張愛卿

（北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

1 引言

近年來，為提高礦山企業(yè)的環(huán)保要求，膏體充填及深錐濃密技術(shù)在國際上逐漸得到了廣泛應(yīng)用，其中，深錐濃密技術(shù)是指對低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尾礦漿在設(shè)備中心進(jìn)料筒內(nèi)與絮凝劑充分?jǐn)嚢?，使得尾砂成為大尺寸的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，然后沉降至深錐設(shè)備的底部，最后絮團(tuán)的尾砂通過濃密脫水而形成高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的底流［1］。研究表明深錐濃密效果主要取決于床層壓縮、絮凝沉降及耙架運(yùn)行狀況等三個(gè)方面，其均與絮團(tuán)大小與結(jié)構(gòu)特性直接相關(guān)。

針對深錐濃密中存在的尾礦絮凝沉降規(guī)律，國內(nèi)外專家進(jìn)行了大量研究。李輝等人［2］對絮凝劑單耗及入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)等多個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究，然而其研究均以單位面積的固體處理量與底流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，而研究表明［3］上述參數(shù)不能完全反映絮凝沉降效果，其結(jié)果可能造成壓耙等事故。尾砂的絮凝沉降為一個(gè)高效動(dòng)態(tài)的沉降過程，其顆粒在絮凝劑的作用下通過架橋而形成較大絮團(tuán)，從而可改變顆粒的表面形態(tài)與尾砂內(nèi)部液體分布［4］，最終提高尾砂壓密脫水性能。尾砂絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律與尾砂的沉降參數(shù)緊密相關(guān)，絮凝劑種類、絮凝劑單耗及入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素的改變能夠明顯改變尾砂深錐濃密性能［5］。

新疆伽師縣拜什塔木銅礦的尾砂粒度較細(xì)且含泥量高，屬于超細(xì)高含泥尾礦。該礦采用下向進(jìn)路全尾砂膏體充填法開采礦體，然而充填過程中發(fā)現(xiàn)其全尾砂的沉降脫水性能較差，此外，利用該全尾砂制備的膏體亦存在著輸送阻力大、充填體強(qiáng)度低等問題，從而難以滿足井下高效、高性能的充填要求。因此，對該礦高含泥尾砂的濃密沉降技術(shù)進(jìn)行研究是十分必要的。本文基于絮凝沉降實(shí)驗(yàn)確定了適用于該礦的合理全尾砂膏體充填參數(shù)，保證了礦山高效、高性能充填效果，這為相似礦山的高含泥膏體充填技術(shù)提供了積極指導(dǎo)。

2 絮凝實(shí)驗(yàn)

2.1 絮凝劑作用機(jī)理

進(jìn)行膏體充填時(shí)，絮凝劑的主要作用為：首先，高分子擴(kuò)張為鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)并捕捉細(xì)小顆粒形成“架橋”；然后，隨著鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)捕捉礦石顆粒數(shù)量的提升而逐漸形成絮團(tuán)結(jié)構(gòu)；最后，較大體積的絮團(tuán)立即進(jìn)入濃密階段［6-9］。絮凝劑的架橋作用如圖1。

圖1 高分子絮凝劑架橋機(jī)理示意圖

2.2 絮凝劑優(yōu)選

為優(yōu)選最為適應(yīng)拜什塔木銅礦膏體充填的絮凝劑，在室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。具體操作過程如下：首先，采用該礦的尾砂配置料漿濃度20%；然后，對安徽天潤（1種）、北京西濤（1種）、巴斯夫（2種）、新疆絮凝劑（1種）、瑞典汽巴（2種，分別稱為Ciba1#、2#）5個(gè)廠家的7種絮凝劑進(jìn)行絮凝劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，以常規(guī)絮凝沉降實(shí)驗(yàn)中的平均絮凝劑濃度與單耗作為本次優(yōu)選實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)取值［10］，即，設(shè)計(jì)絮凝劑濃度為0.3%，絮凝劑單耗20g·t-1；最后，對上述結(jié)果與無絮凝劑情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。絮凝劑沉降高度如圖2（a），根據(jù)沉降高度，計(jì)算不同種類絮凝劑沉降速度如圖2（b）。

圖2 不同絮凝劑下的尾砂沉降曲線

由圖2可知：以沉降速度為判據(jù)，Magnafloc5250絮凝劑明顯優(yōu)于其他6種絮凝劑。Magnafloc5250型絮凝劑是一種無味的黃白色粉末狀的陰離子型絮凝劑，其分子結(jié)構(gòu)排列不同于其他絮凝劑，使其對尾礦中的超細(xì)顆粒網(wǎng)捕效率更高，它可通過吸附高分子跨越兩顆粒間的雙電層而實(shí)現(xiàn)架橋。

2.3 絮凝劑單耗實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程如下：采用拜什塔木銅礦尾砂配置料漿濃度為12%、Magnafloc5250型絮凝劑濃度為0.3%的料漿進(jìn)行絮凝劑單耗5g·t-1、10g·t-1、15g·t-1、20g·t-1、25g·t-1、30g·t-1、35g·t-1及40g·t-1共8組實(shí)驗(yàn)［11-13］，得到沉降參數(shù)隨沉降時(shí)間的變化曲線如圖3?？梢钥闯觯弘S著單耗的增加，前期沉降速度越來越快，絮凝劑添加量15g·t-1較10g·t-1時(shí)尾砂沉降速度有明顯提升，而當(dāng)絮凝劑單耗達(dá)到40g·t-1時(shí)，尾砂的沉降速度最快；10min后，絮凝劑單耗25g·t-1的沉降高度最大，此時(shí)尾砂底流濃度最大。

圖3 不同絮凝劑單耗條件下的尾砂沉降規(guī)律

對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：如圖4(a)，當(dāng)絮凝劑的濃度相對較低時(shí)，一定數(shù)量的尾礦未能與絮凝劑生成架橋，因此，尾礦的沉降速度小，尾礦處理效率不高；如圖4(b)，當(dāng)尾礦中絮凝劑摻量恰好為尾礦所需濃度，則二者易產(chǎn)生架橋結(jié)構(gòu)，尾礦沉降與處理效率高；如圖4(c)，當(dāng)絮凝劑摻量相對較高時(shí)，過多的絮凝劑會覆蓋尾砂的表面，不會再產(chǎn)生搭橋；如圖4(d)，當(dāng)繼續(xù)提高絮凝劑的濃度，此時(shí)，絮凝劑密實(shí)地包裹著尾砂，表現(xiàn)出包裹的作用［14］。

圖4 不同摻量的絮凝劑與尾砂顆粒作用機(jī)理圖

由上述分析可知，伴隨著絮凝劑單耗的不斷提高，尾砂顆粒的直徑會不斷增大，從而使得沉降速度亦不斷加快，進(jìn)而使得尾砂處理效率得以加快，這表現(xiàn)出絮凝劑在尾礦濃密過程中的重要價(jià)值，同時(shí)，這也說明適量的絮凝劑單耗，不僅能夠保證較高的尾礦沉降速度，亦可獲取相對較高的底流濃度，不致浪費(fèi)?？紤]沉降速度、上清液含固量和經(jīng)濟(jì)性，確定絮凝劑單耗為25g·t-1。

3 沉降實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖5所示為自制的深錐模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置能很好地模擬現(xiàn)場深錐濃密機(jī)運(yùn)行［15-16］。

圖5 自制尾砂顆粒濃密裝置

3.2 動(dòng)態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定絮凝劑單耗25g·t-1，耙架轉(zhuǎn)速0.1r·min-1，進(jìn)行動(dòng)態(tài)攪拌下濃密時(shí)間和濃度的確定。繪制不同濃密時(shí)間沉降高度變化如圖6(a)，進(jìn)一步得到沉降速度、沉降濃度，并分別繪制沉降速度和沉降濃度圖如圖6(b)和6(c)?？梢钥闯觯寒?dāng)濃密時(shí)間達(dá)到3h時(shí)，底流濃度為69.75%；當(dāng)濃密時(shí)間為8h，則底流濃度為71.74%。

圖6 尾砂沉降參數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

3.3 動(dòng)態(tài)壓密取樣

對動(dòng)態(tài)壓密后的尾礦進(jìn)行取樣烘干，實(shí)測底流濃度。在95℃的烘箱中烘干48h，測得動(dòng)態(tài)濃密裝置上部和底部試樣濃度分別為69.54%和73.71%，平均濃度約為71.63%。實(shí)測濃度值與觀測刻度換算濃度71.74%基本一致。

綜上，從動(dòng)態(tài)壓密、底流取樣兩個(gè)角度對底流濃度進(jìn)行了研究，其相應(yīng)的底流濃度分別為71.74%與71.63%；由于在實(shí)際膏體制備時(shí)，還需要添加水泥、粗骨料等，因此，為了保證膏體良好的輸送性能，全尾底流濃度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低一些，建議不超過71%。由動(dòng)態(tài)壓密取樣結(jié)果，壓密后的礦漿上部料漿濃度即可達(dá)到69.54%，因此確定濃密機(jī)底流濃度為70%～71%。

4 結(jié)論

對有無絮凝劑及不同絮凝劑種類下拜什塔木銅礦的尾砂沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明絮凝劑可以明顯改善尾砂沉降效果，且以沉降速度為判據(jù)，Magnafloc5250絮凝劑明顯優(yōu)于其他6種絮凝劑。

對絮凝劑單耗分別為 5g·t-1、10g·t-1、15g·t-1、20g·t-1、25g·t-1、30g·t-1、35g·t-1及 40g·t-1條件下的尾砂沉降規(guī)律進(jìn)行了分析，考慮沉降速度、上清液含固量和經(jīng)濟(jì)性，確定絮凝劑單耗為25g·t-1。

從動(dòng)態(tài)壓密、底流取樣兩個(gè)角度對底流濃度進(jìn)行了研究，確定濃密機(jī)底流濃度為70%～71%。