某細(xì)粒黃金尾礦濃縮沉降及流變特性研究

李 琳，呂劍橋，崔 曼，劉靜靜，婁田田，王俊祥*

(1.山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院； 2.臨朐縣企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)中心)

引 言

在中國(guó)黃金產(chǎn)量連續(xù)多年位居全球第一的背后，黃金尾礦的安全處置也是當(dāng)前諸多黃金礦山面臨的重大難題。國(guó)家發(fā)改委等十部門(mén)印發(fā)的《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出的金屬尾礦有價(jià)組分回收和剩余廢渣的膠凝回填利用為黃金尾礦的大宗利用提供了良好思路。近年來(lái)，有價(jià)元素回收[1]、建材化利用[2-4]和膠結(jié)充填[5]已成為中國(guó)黃金尾礦綜合利用的主要途徑。但是，受限于黃金尾礦累計(jì)堆存量大和產(chǎn)量大的雙重壓力，目前黃金尾礦的綜合利用率仍不足40 %，大部分黃金尾礦仍需采取傳統(tǒng)尾礦庫(kù)堆存的方式進(jìn)行處置，對(duì)周邊環(huán)境和人類生存安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[6-7]。

在“綠水青山就是金山銀山”理念及綠色礦山建設(shè)背景下，“粗粒利用-細(xì)粒充填”技術(shù)路線成為實(shí)現(xiàn)黃金尾礦分級(jí)分質(zhì)大宗利用的有效途徑。然而，粗粒利用后剩余細(xì)粒尾礦的高效濃縮及高濃度膏體料漿的順利輸送成為當(dāng)前黃金礦山面臨的主要問(wèn)題之一。因此，本研究以山東某細(xì)粒黃金尾礦為研究對(duì)象，重點(diǎn)考察了該細(xì)粒尾礦的濃縮沉降特性和不同濃度膠結(jié)料漿的流變特性，以期為黃金礦山尾礦的高效綜合利用提供一定的技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為山東某金礦選礦廠經(jīng)旋流器分級(jí)后的細(xì)粒尾礦。采用激光粒度分析儀對(duì)其進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見(jiàn)表1。采用X射線熒光光譜法對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 細(xì)粒黃金尾礦粒度組成分析結(jié)果

表2 細(xì)粒黃金尾礦化學(xué)成分分析結(jié)果

由表1可知：該細(xì)粒黃金尾礦中-45 μm顆粒達(dá)到90.88 %，d95約為60 μm，d50約為15 μm，整體粒度偏細(xì)。

1.2 試驗(yàn)方法

1)細(xì)粒尾礦沉降特性研究。沉降試驗(yàn)在1 000 mL量筒中進(jìn)行，細(xì)粒尾礦初始濃度為13.60 %，絮凝劑采用FLOPAM AN 934 SH(愛(ài)森(中國(guó))絮凝劑有限公司生產(chǎn))，用量分別為20 g/t、40 g/t、60 g/t、80 g/t和100 g/t。

2)細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿流變特性研究。按照灰砂比1 ∶10配制細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿，在料漿濃度為66 %～74 %時(shí)，采用Brookfield DV-Ⅲ流變儀測(cè)定不同濃度下的剪切速率和剪切應(yīng)力，進(jìn)而計(jì)算不同濃度膠結(jié)料漿的黏度和屈服應(yīng)力，然后基于布金漢方程計(jì)算不同濃度膠結(jié)料漿在現(xiàn)場(chǎng)DN100 mm管道中的輸送特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)粒尾礦沉降特性

該細(xì)粒尾礦自然沉降和絮凝沉降曲線見(jiàn)圖1，基于沉降曲線計(jì)算的沉降速度見(jiàn)表3。

圖1 細(xì)粒尾礦自然沉降和絮凝沉降曲線

表3 細(xì)粒尾礦沉降速度計(jì)算結(jié)果

由圖1和表3可以看出：細(xì)粒尾礦的自然沉降速度僅為0.62 cm/min。添加絮凝劑后細(xì)粒尾礦的沉降速度顯著提高，絮凝劑用量為20 g/t時(shí)，細(xì)粒尾礦的沉降速度迅速提高至4.68 cm/min。隨著絮凝劑用量的進(jìn)一步增加，細(xì)粒尾礦的沉降速度逐漸增大；絮凝劑用量增加至60 g/t時(shí)，細(xì)粒尾礦的沉降速度達(dá)到8.80 cm/min。但是，之后繼續(xù)增加絮凝劑用量至100 g/t時(shí)，細(xì)粒尾礦的沉降速度僅增大至9.07 cm/min，增加幅度較小。絮凝劑加入后對(duì)細(xì)粒尾礦沉降性能的影響主要體現(xiàn)在顆粒電勢(shì)的變化，尾礦顆粒被絮凝劑中和電荷后，在不穩(wěn)定狀態(tài)下相互凝聚形成絮凝體，絮凝體增大到一定體積后沉降速度得以迅速增加。但是，當(dāng)絮凝劑達(dá)到一定用量后，其對(duì)顆粒電荷的中和效果不顯著，橋連形成絮團(tuán)的速度和體積不再明顯增大[8-10]。結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐，同時(shí)兼顧生產(chǎn)成本，絮凝劑用量確定為60 g/t。

2.2 細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿流變特性

為了掌握細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿在充填管道中的輸送性能，本研究在測(cè)定膠結(jié)料漿黏度和屈服應(yīng)力的基礎(chǔ)上，基于布金漢方程計(jì)算了不同濃度膠結(jié)料漿在現(xiàn)場(chǎng)DN100 mm充填管道中的輸送阻力，并通過(guò)料漿在指定采場(chǎng)輸送阻力和垂直壓差的對(duì)比，判定膠結(jié)料漿濃度對(duì)其自流輸送性能的影響。不同濃度細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 不同濃度細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系

由圖2可以看出：在高剪切速率條件下，試驗(yàn)設(shè)定濃度范圍內(nèi)的膠結(jié)料漿均符合賓漢流體特性，其剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而逐漸增大，且二者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。由賓漢流體特性可知，二者擬合所得直線的斜率為料漿黏度，直線延伸在y軸的截距為料漿的屈服應(yīng)力[11]。不同濃度細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿的黏度和屈服應(yīng)力見(jiàn)圖3。

由擬合計(jì)算結(jié)果可知，細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿的黏度和屈服應(yīng)力均隨料漿濃度的增大逐漸增加。需要指出的是，當(dāng)料漿濃度超過(guò)68 %后，黏度和屈服應(yīng)力均顯著增大，說(shuō)明膠結(jié)料漿輸送特性存在突變的臨界值，超過(guò)該值后料漿的輸送性能急劇降低。

在自流狀態(tài)下，細(xì)粒尾礦膠結(jié)料漿在充填管道內(nèi)的輸送動(dòng)力PD與料漿密度、充填管道入口和出口之間的垂直高差直接相關(guān)，即PD=ρgh。其中，ρ為膠結(jié)料漿密度(kg/m3)；g為重力加速度(9.8 N/kg)；h為充填管道入口和出口之間的垂直高差(m)。

在已知充填管道內(nèi)徑，膠結(jié)料漿黏度、屈服應(yīng)力及其在管道中的流速時(shí)，膠結(jié)料漿在單位長(zhǎng)度充填管道中的輸送阻力i可由布金漢方程(見(jiàn)式(1))計(jì)算得出[12]。在已知充填管道長(zhǎng)度l時(shí)，膠結(jié)料漿在充填管道中的輸送阻力PZ=il。

(1)

式中：i為料漿在單位長(zhǎng)度充填管道中的輸送阻力(Pa/m)；τ0為料漿屈服應(yīng)力(Pa)；v為料漿在管道中的流速(m/s)；μ為料漿黏度(Pa·s)；D為充填管道內(nèi)徑(mm)。

由上式可以看出，膠結(jié)料漿在充填管道內(nèi)的輸送阻力取決于料漿本身的性質(zhì)(屈服應(yīng)力τ0、黏度μ)、料漿流速和管道內(nèi)徑。在同一充填管道內(nèi)膠結(jié)料漿流速保持恒定時(shí)，料漿黏度和屈服應(yīng)力越大，其在充填管道中的輸送阻力越高。

為了更清晰地說(shuō)明不同濃度膠結(jié)料漿在充填管道中的輸送特性，選擇山東某金礦九中西部-650 m采場(chǎng)進(jìn)行料漿自流特性判定。該采場(chǎng)離充填管道入口和出口的垂直高差為685 m，管徑100 mm，管道長(zhǎng)度2 647 m。根據(jù)相關(guān)充填工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，受彎頭、管道摩擦力不均勻等因素影響，實(shí)際管道阻力比理論計(jì)算值要大。本研究按照原管道長(zhǎng)度增加15 %進(jìn)行輸送阻力計(jì)算?；诂F(xiàn)場(chǎng)充填需求，在料漿流量為38 m3/h 條件下，不同濃度膠結(jié)料漿輸送至九中西部-650 m采場(chǎng)的輸送動(dòng)力PD和阻力PZ及二者之間的差值見(jiàn)表4。

表4 不同濃度膠結(jié)料漿在充填管道中的輸送特性參數(shù)

基于膠結(jié)料漿輸送阻力PZ和輸送動(dòng)力PD之間的差值，可以判定料漿在管道中能否自流輸送。若PZ-PD為負(fù)值，說(shuō)明料漿在管道中的垂直壓差高于輸送阻力，料漿在管道中可以實(shí)現(xiàn)自流輸送；反之，料漿無(wú)法實(shí)現(xiàn)自流輸送。對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知，在充填管道內(nèi)徑和料漿流速不變的情況下，膠結(jié)料漿輸送動(dòng)力隨其濃度的增大略有增加，但其輸送阻力隨濃度的增加顯著增大。當(dāng)膠結(jié)料漿濃度為70 %時(shí)，料漿在管道中的輸送阻力高于其輸送動(dòng)力，料漿不能自流輸送至采場(chǎng)。采用相同的計(jì)算方法，亦可判定不同濃度膠結(jié)料漿能否在其他采場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自流輸送。

3 結(jié) 論

1)細(xì)粒黃金尾礦濃縮沉降特性研究表明：細(xì)粒尾礦在絮凝劑作用下能夠?qū)崿F(xiàn)快速沉降，絮凝劑最佳用量為60 g/t，此時(shí)沉降速度達(dá)到8.80 cm/min。

2)不同濃度細(xì)粒黃金尾礦膠結(jié)料漿流變特性研究發(fā)現(xiàn)，在充填管道內(nèi)徑和料漿流速不變的情況下，料漿濃度是影響膠結(jié)料漿管道輸送性能的關(guān)鍵因素；當(dāng)料漿濃度超過(guò)某臨界值后，其管道輸送性能顯著降低。

3)在已知充填管道參數(shù)的情況下，布金漢方程對(duì)于判定高濃度細(xì)粒尾礦在充填管道中的輸送特性具有良好的指導(dǎo)作用。