全尾砂絮凝沉降試驗及其工程應用

2020-04-17 03:39:38杜加法朱兆文劉洪磊劉曉光王京生

金屬礦山 2020年1期

杜加法侯晨朱兆文劉洪磊劉曉光王京生

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.山東黃金集團充填工程實驗室，山東煙臺261438；3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東煙臺261438）

新城金礦在轉入深部開采過程中迫切需要強度更高、質量更穩(wěn)定的充填體，膏體充填由于具有尾砂利用率高、力學性能好、綜合成本低等諸多優(yōu)點，已經成為新城金礦深部開采的優(yōu)先選擇。選礦后排出的全尾砂漿，其質量濃度一般為10%～25%，膏體充填對質量濃度一般要求要達到70%～85%［1-3］。傳統的全尾砂濃縮一般依靠全尾砂在立式砂倉中自然沉降，但全尾砂由于顆粒粒徑較細且分布廣泛，顆粒間相互干擾十分劇烈，導致其沉降速度較慢，沉降物質量分數較低，無法滿足連續(xù)供砂和制備高質量分數漿體的要求［4-5］。另外溢流水含固量高，無法滿足工業(yè)水重復利用要求，并且超標排放污水，污染環(huán)境。為此，國內外學者通過添加絮凝劑和改進濃縮設備來解決上述問題［6-8］。如何提高沉降效率是濃密技術的研究重點，其受濃密設備、絮凝劑選擇及單耗、進料濃度等諸多因素影響。韓亮等［9］采用正交試驗法研究了沉降速度、極限濃度和上清液含固率對全尾砂絮凝沉降規(guī)律的影響；朱時廷等［10］采用均勻設計法對配級尾砂沉降性能進行了研究；馮巨恩等［11］研究了絮凝劑的添加量對于充填效果的改善作用；高志勇等［12］評估了料漿濃度、溶液濃度等因素對單位面積處理量的影響規(guī)律，并應用Design Expert軟件進行了絮凝沉降模型回歸擬合。為了選擇全尾砂絮凝沉降最佳參數組合，周靚等［13］以單位面積固體處理能力為響應值，基于響應曲面分析法，得到了全尾砂絮凝沉降最佳參數；王新民等［14-15］、楊寧等［16］運用BP神經網絡對絮凝沉降參數進行了優(yōu)化研究。在升級完善濃縮設備方面，李學忠等［17］采用旋流器濃縮方案對充填站系統進行了升級改造；劉培正等［18］研制出了一種適用于細粒尾砂高效濃縮的T 型砂倉。上述絮凝劑的應用和設備的研發(fā)都極大提高了充填料漿的濃縮效率。

上述研究主要集中于室內試驗，由于試驗室環(huán)境和井下采場在空間尺度、養(yǎng)護條件、應力水平都存在很大差別，由室內試驗獲取的結果并不能直接驗證工業(yè)應用的效果。因此本研究采用室內試驗和工業(yè)試驗相結合的方法，首先采用新城金礦全尾砂進行室內絮凝沉降試驗，分析絮凝劑選型、單耗及料漿入料質量分數等參數與料漿沉降速度和底流濃度的關系，并對上述參數進行優(yōu)化，在室內試驗的基礎上選擇最佳參數組合；而后在新城金礦地下采場進行現場試驗，以驗證絮凝劑對于充填質量的改善效果。

1 試驗材料

1.1 全尾砂

試驗所用全尾砂選自山東新城金礦，其基本物理性能如表1 所示。新城金礦全尾砂的物相組成成分和賦存狀態(tài)采用X射線衍射（XRD）測試方法測定，結果如表2 所示。由表2 可知：新城金礦全尾砂物相組成比較單一，主要是石英、長石和云母，并且新城金礦的全尾砂中基本不含硫化物，對充填體強度沒有不利影響，有利于充填體強度的提升。

新城金礦全尾砂粒徑分布采用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀分析，其粒徑組成如圖1 所示，全尾砂平均粒徑為176 μm，粒度-20 μm 累計含量達25%，與膠結材料結合后易形成“結構流”體，有利于料漿流動。新城金礦全尾砂不均勻系數為24.08，曲率系數為0.85，綜合不均勻系數和曲率系數，新城金礦全尾砂屬于級配不良材料［19］。

1.2 絮凝劑

試驗選取的絮凝劑主要成分為有機高分子陰離子聚丙烯酰胺，分子量均為1 600～1 800 W，分別記為ZYD、ZYZ、ZYJ，該絮凝劑呈白色粉末狀，無毒、無味，能溶于水，為礦山常用的絮凝劑型號。

2 試驗方案

該試驗主要目的是選擇適合新城金礦全尾砂特性的絮凝劑類型以及相應的稀釋礦漿濃度以及絮凝劑添加量。選型試驗中，先固定全尾砂料漿濃度為15%，絮凝劑添加量分別為10、15、20 g/t，從料漿沉降速度、底流濃度、上清液澄清度三方面比較考察不同絮凝劑類型的沉降效果；在選型基礎上，固定絮凝劑添加量為20 g/t，分別配制濃度為8%、10%、13%和18%料漿，從沉降速度、固體通量兩方面比較選擇最佳料漿質量分數；在確定絮凝劑型號、最佳料漿質量分數前提下，分別添加絮凝劑濃度為15、17.5、20、22.5、25、30 g/t，從沉降速度、底流濃度兩方面確定考察最佳絮凝劑單耗量。

全尾砂靜態(tài)絮凝沉降試驗在1 000 mL 量筒內進行，按要求稱取適量的絮凝劑溶液，加入與絮凝劑溶液混合的砂漿中，按接觸次數要求翻轉搖晃量筒，靜置，記錄不同時間點固液分離界面的高度（事先測量1 000 mL 量筒兩個刻度之間的平均距離，計算出1 mL體積變化對應的高度變化值）。沉降10 min后，倒掉上層清水，測定下部礦漿達到的濃度。固體通量是指單位面積、單位時間內通過的固體質量，可通過尾砂漿密度、固體顆粒沉降速度以及尾砂漿的質量濃度計算［7］。

3 試驗結果與分析

3.1 絮凝劑選型

根據試驗方案，在料漿濃度為15%，體積為1 000 mL的全尾沙料漿中分別倒入ZYD、ZYZ、ZYJ 3種絮凝劑，絮凝劑添加量分別為10、15、20 g/t，試驗結果如圖2所示。

由圖2 可知：當使用ZYD、ZYZ 兩種絮凝劑時，全尾砂料漿的沉降速率以及底流濃度差別不大，而使用ZYJ絮凝劑時，料漿的沉降高度與底流濃度都明顯優(yōu)于使用其他2 種絮凝劑。例如絮凝劑添加量為10 g/t 時，使用ZYJ 絮凝劑的最終沉降高度和底流濃度分比為28.7cm 和59.99%，高于使用ZYZ、ZYD 時的27.1 cm 和54.1%，且使用ZYJ絮凝劑時上清液的澄清度最好，因此認為選用ZYJ 絮凝劑時絮凝效果最好。為了進一步驗證絮凝劑選型結果，繼續(xù)選用10%、20%2種料漿稀釋濃度，3種絮凝劑按20 g/t添加量進行沉降速率、底流濃度試驗，所得試驗結果如圖3 所示。由圖3 可知：在不同料漿濃度下，ZYJ 絮凝劑的底流濃度和沉降速度都要優(yōu)于使用其他兩種絮凝劑時的相關指標。根據以上2組試驗數據，可以確定新城金礦最優(yōu)的絮凝劑選型為ZYJ絮凝劑，后續(xù)試驗也以此為基礎繼續(xù)開展工作。

3.2 最佳料漿稀釋濃度

根據絮凝劑選型試驗，選取料漿濃度為8%、10%、13%和18%進行最佳料漿稀釋濃度試驗，添加絮凝劑類型為ZYJ 絮凝劑，添加量為20 g/t。試驗結果如表3所示。

由表3可知：底流濃度最開始隨著添加料漿濃度的增加而增加，初始料漿濃度達到13%時達到最大底流濃度54.58%，隨后隨著添加料漿濃度的增加而降低；料漿的沉降速度隨著初始料漿濃度的增加而不斷降低；固體通量也與底流濃度變化規(guī)律一致，呈現先增大后減小的規(guī)律。綜合料漿濃度、沉降速度、固體通量三者之間的變化規(guī)律，選擇8%～10%作為最佳稀釋料漿濃度。

3.3 最佳絮凝劑添加量

為確定ZYJ 型絮凝劑的最佳添加比例，本節(jié)試驗采用質量濃度為9.75%的全尾砂料漿，分別按15、17.5、20、22.5、25、30 g/t的添加量加入ZYJ型絮凝劑，研究全尾砂料漿在不同絮凝劑添加量情況下的沉降速度、底流濃度變化規(guī)律，以此確定最佳絮凝劑添加量。所得試驗結果如圖4所示。

由圖4 可知：絮凝劑單耗不超過22.5 g/t 時，沉降高度變化差異不大，而單耗超過22.5 g/t時，料漿沉降速度大大降低且最終沉降高度也會明顯降低；比較不同絮凝劑單耗對于料漿最終濃度的影響可以看出，絮凝劑單耗為20 g/t 時，充填料漿的最終濃度最高，當絮凝劑單耗為15 g/t 和17.5 g/t 時，最終充填體料漿濃度差異并不明顯，當絮凝劑濃度超過22.5 g/t時，料漿濃度會明顯降低，這與高濃度下料漿沉降高度表現規(guī)律是一致的。綜合以上分析，結合不同絮凝劑單耗的實際使用效果以及經濟成本控制因素，絮凝劑單耗為15 g/t 時可以獲得理想的絮凝沉降效果并且最大限度地降低使用成本。

綜上所述，根據室內試驗結果分析，當采用絮凝劑類型為ZYJ，料漿濃度為8%～10%，絮凝劑單耗為15 g/t時，充填料漿的絮凝沉降效果最佳。

4 工程驗證

為評價室內試驗結果對于現場充填效果的影響，在新城金礦兩進路式采場進行了絮凝劑充填效果現場驗證試驗，設計充填濃度為67%，充填流量為80 m3/h，采用的充填體灰砂比為1∶6，采用的絮凝劑類型為ZYJ 絮凝劑，單耗為15 g/t。為評價絮凝劑使用效果，在兩進路采場內分別測試溢流水含固濃度以及不同位置的充填體28 d 強度，試驗結果如圖5 和表4 所示。由圖5（a）和表4 可知：添加絮凝劑后，在采場不同位置的充填體取樣強度都有了明顯提高，充填體不添加絮凝劑的強度為0.88～1.29 MPa，添加絮凝劑后的強度為1.21～1.43 MPa，最終平均強度從1.09 MPa（無絮凝劑）上升到1.3 MPa（有絮凝劑），上升幅度約19.3%。另外從圖5（a）可以看出充填體添加絮凝劑后，其強度離散型明顯降低。圖5（b）則顯示充填體添加絮凝劑后，其溢流水含固量在各個時間段的監(jiān)測結果都明顯低于不添加絮凝劑的充填體料漿，尤其是在充入采場后的前2 h，溢流水含固量兩者相差在4 倍以上，這也最終影響了充填體的最終力學特性。以上對比都說明充填料漿加入絮凝劑后，采場充填效果得到了明顯改善。