礦山充填尾砂過濾脫水性能試驗研究

杜加法，宋澤普

(1.海南山金礦業有限公司，海口 570000；2.山東黃金礦業科技有限公司充填工程實驗室分公司，山東 萊州 261441)

以礦山浮選尾礦為充填骨料的充填采礦法因其良好的安全性和環保性，在國內外礦山開采過程中得到了越來越廣泛的應用，隨著礦山開采深度的不斷增加，高質量的采空區充填更是成為了深井地壓控制的有效方式之一[1-5]。按照充填工藝和充填材料的不同，充填采礦法經歷了干式充填、水砂充填、膠結充填、膏體充填的發展過程[6]。提高充填濃度有利于提高充填體強度，且高濃度充填料漿不分層離析、泌水量少的特點可有效減少管道輸送過程中的磨損與堵塞，同時降低充填成本。

尾砂濃密脫水是礦山充填工藝的核心環節，是實現高濃度充填的前提條件之一，尾砂脫水速度及脫水后的含水率分別影響充填料漿濃度及處理能力[7-8]。國內外目前主流的尾砂濃密脫水方式主要有以濃密機為主要設備的重力濃密和以過濾機/壓濾機為主要設備的機械濃密。但深錐濃密機處理含粗粒級較多的尾砂時，由于尾砂沉降較快，仍然避免不了尾砂的分級，而且存在壓耙的風險；壓濾機對尾砂進行壓濾后，存在物料板結、上料困難、卸料不流暢、不易計量的問題；而過濾機因其脫水效果好，過濾脫水后尾砂處理方式靈活，使脫水后尾砂濃度高，有利于實現尾砂高濃度充填，同時對實現尾砂綜合利用有很大優勢。目前國內有許多礦山如大北山鐵礦、本溪礦業、三家子鐵礦等均采用真空帶式過濾機進行尾砂干排取得了成功[9-21]。

本文針對膠東地區黃金礦山浮選尾礦，開展過濾性能試驗研究，對比不同粒徑組成尾砂、不同質量濃度砂漿對其過濾脫水性能的影響，以濾液流速、過濾壓降、過濾介質滲透率、濾餅比阻、濾餅產量等參數綜合評估過濾效果，確定出最優尾砂粒徑組成及質量濃度范圍；另外，絮凝劑添加有助于提高尾砂沉降速度，同時也會增大濾液黏度，探索絮凝劑添加量對過濾效果的影響規律，進而確定最佳絮凝劑添加量。通過本試驗研究，可為類似尾砂性質的礦山采用過濾脫水工藝進行尾砂脫水提供數據支撐，有效解決不適宜濃密機以及壓濾方式的尾砂的脫水問題，更好地實現尾砂綜合利用及礦山無尾化。

1 試驗材料

1.1 尾砂

試驗尾砂為膠東地區某金礦選礦廠浮選產生的全尾砂(砂漿)，以及該全尾砂漿經旋流器分級后的粗尾砂(砂漿)和細尾砂(砂漿)。該礦目前采用分級粗尾砂膠結充填工藝：選礦廠浮選產生的全尾砂漿(質量濃度20%)經旋流器分級，粗尾砂進入立式砂倉濃密后與膠凝材料、拌合水混合充填至井下采空區，細尾砂排放至尾礦庫。不同尾砂的基礎性質如表1所示。不同尾砂粒徑分布如表2所示。

表1 尾砂基礎性質

全尾-38 μm顆粒占比34.45%，+75 μm顆粒占比48.65%，不均勻系數α=19.12，粒徑分布不均勻，粗細顆粒兩級分化較嚴重(圖1)；經旋流器分級后粗尾砂+75 μm顆粒占比82.4%，細尾砂-75 μm顆粒占比98.66%。

圖1 全尾砂粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution diagram of whole tailings

表2 尾砂粒徑分布

1.2 絮凝劑

試驗添加劑為聚丙烯酰胺陰離子絮凝劑(PAM)，分子量為1 800萬。絮凝劑可使尾砂形成絮團，加速尾砂沉降。該絮凝劑呈白色顆粒狀(圖2)，試驗時將該絮凝劑配置成1‰的溶液。

圖2 聚丙烯酰胺Fig.2 Polyacrylamide

2 試驗設備

試驗設備采用真空抽濾機，該設備主要由盛料漏斗、壓力表、濾液收集筒及真空泵組成(圖3)，盛料漏斗內鋪設0.006 358 5 m2濾布(型號DZ-PET-35)，濾布網格尺寸30～35 μm(圖4)，試驗采用恒壓過濾，真空度設定為0.05 MPa。

圖3 真空過濾機圖Fig.3 Vacuum filter

圖4 濾布 Fig.4 Filter cloth

3 試驗方案

在礦漿過濾過程中，尾砂的粒徑組成、質量濃度都可能會對過濾效果產生影響。為探究上述各因素對礦漿過濾效果的影響，同時，探索絮凝劑添加量對礦漿過濾效果的影響規律，設計3個變量，共20組過濾試驗，如表3所示。

表3 過濾試驗方案

4 試驗結果分析

尾砂機械過濾主要分為濾餅過濾和深層過濾兩大類[6]。深層過濾采用較厚的多孔介質，過濾時懸浮液中的顆粒沉積在介質內部的孔道壁面上，而不形成濾餅。本次試驗研究的過濾方式屬于濾餅過濾，濾餅過濾又稱為表面過濾，這種過濾使用織物、多孔材料或膜作為過濾介質，過濾介質的孔徑不一定要小于最小顆粒的粒徑，濾餅過濾開始時，部分小顆?？梢赃M入甚至穿過介質的小孔，但很快由于顆粒的架橋作用使介質的孔徑縮小，形成有效的阻擋。被截留在介質表面的顆粒形成濾渣層(稱為濾餅)，透過濾餅層的則是澄清濾液，隨著濾餅的形成，真正起過濾兼介質作用的是濾餅本身。

對于尾礦漿的過濾脫水過程，壓差是過濾動力，濾餅是過濾介質，二者對于過濾效率和效果都有重要影響，據此試驗過濾效果以壓差、濾餅為核心關鍵參數表征，根據測試參數分別計算濾液流速、過濾壓降、過濾介質滲透率、濾餅比阻、濾餅產量5個參數，以此為依據評價不同組別試驗尾礦漿的過濾性能。

上述各參數計算公式如式(1)～(5)所示。

1)濾液流速

(1)

2)過濾壓降

(2)

3)過濾介質滲透率

(3)

4)濾餅比阻

(4)

5)濾餅產量

(5)

式中：dV為在時間dt內流過介質層的液體體積，m3；△p為壓降，Pa；μ為液體黏度，取0.001 Pa·s，；ε為顆粒的孔隙率，%；S0為顆粒的比表面積，m2/m3；A為介質層的橫截面積，m2；L為介質層厚度，m；Kc為Kozeny常數，無量綱，取5.0；ρs為顆粒的比重，t/m3；M為濾餅產量，kg/(h·m2)；m為濾餅質量，kg；s為過濾面積，0.006 358 5 m2；η為濾餅含水率，%。

4.1 尾砂粒徑組成對過濾效果的影響

1#過濾試驗數據如表4所示。

表4 1#過濾試驗結果

由表4可知，對于不同粒徑組成的尾砂礦漿，分級粗尾砂漿、全尾砂漿、分級細尾砂漿過濾時間依次增大，分級細尾砂漿相比于分級粗尾砂漿抽濾時間更是呈指數增加，且分級細尾砂濾餅水分分別是全尾砂濾餅水分和分級粗尾砂濾餅水分的1.85倍和2.26倍。通過公式(1)～(5)計算得到的過濾參數如圖5所示。由圖5(a)看出，分級粗尾砂漿濾液流速最大，且明顯大于其他兩種粒徑尾砂漿濾液流速，全尾砂漿濾液流速次之，而分級細尾砂漿濾液流速最小，幾乎是以很緩慢的速度滲流，這與三種不同粒徑組成尾砂漿形成的過濾介質滲透率及濾餅比阻的變化規律相一致。如圖5(c)、(d)所示，分級粗尾砂、全尾砂、分級細尾砂形成的過濾介質滲透率依次減小，分級粗尾砂形成的過濾介質滲透率相比于其他兩種粒徑組成尾砂過濾介質的滲透率呈指數增加，相對應的分級粗尾砂、全尾砂、分級細尾砂形成的濾餅比阻依次增大。由此可見，隨著尾砂粗顆粒含量減少、細顆粒含量增多，濾餅比阻增大，過濾滲透性降低。其原因是隨著尾砂中細顆粒含量的增加，尾砂比表面積增大，尾砂屬于惰性材料，顆粒表面上附著一層水化膜，吸附在顆粒表面的結合水具有黏度很大的類固體性質，細粒級顆粒越多，比表面積越大。水化膜所占的比重越大，使濾餅中孔隙的等效直徑減小，孔隙水的等效黏度系數增加，等效滲透系數降低，導致孔隙水的流動阻力增大，在宏觀上表現為滲流速度降低。壓降是由液體流過介質層時的摩擦損失引起的，一般介質層中顆粒表面積越大，壓降越大。本次試驗三種尾砂的比表面積從大到小依次為分級細尾砂、全尾砂、分級粗尾砂，試驗結果得到全尾砂過濾壓降大于分級粗尾砂，但分級細尾砂的過濾壓降明顯低于其他兩種粒徑尾砂，如圖5(b)所示，其原因是分級粗尾砂粗顆粒含量較高，粗顆粒之間有局部接觸，可以起到骨架作用，濾液滲流過分級粗尾砂濾餅介質時受到的摩擦阻力較小，過濾壓降低；全尾砂粒徑分布不均勻，細顆粒充滿粗顆粒骨架之間的孔隙，粗顆粒被細顆粒包裹，從而減少了尾砂的滲透面積，延長了滲透路徑，濾液滲流過程受到的摩擦阻力較大，造成全尾砂濾餅過濾壓降大于分級粗尾砂濾餅壓降；而分級細尾砂濾餅過濾壓降明顯小于其他兩種尾砂濾餅過濾壓降是因為分級細尾砂濾餅滲透性過低，濾液流速過小造成的。另外，由圖5(e)看出，分級粗尾砂的濾餅產量明顯優于全尾砂及分級細尾砂濾餅產量。

圖5 過濾參數隨粒徑組成的變化規律Fig.5 Variation of filtration parameters with particle size compositions

4.2 礦漿濃度對過濾效果的影響

2#過濾試驗數據如表5所示。

表5 2#過濾試驗結果

由表5試驗結果可知，對于不同質量濃度的全尾砂礦漿，隨著礦漿質量濃度的增大，礦漿完成過濾的時間也增加，且礦漿質量濃度越大，過濾時間增幅越大；濾餅水分也隨礦漿質量濃度的增大而增加。對于同一種尾砂，其過濾介質滲透率和濾餅比阻是相同的，根據式(1)、(2)、(5)計算得到的過濾參數如圖6所示，由圖6(a)看出濾液流速隨礦漿質量濃度的增大而減小，這是因為隨著礦漿質量濃度的增加，粗細顆粒尾砂相互包裹填充形成的濾餅更加致密，有效孔隙減少，單位時間可通過的濾液體積減少，導致濾液流速降低；由圖6(b)看出，過濾壓降隨著礦漿質量濃度的增加呈先增大后減小的趨勢，質量濃度從10%增加至20%時過濾壓降增加，隨著礦漿質量濃度的繼續增大，過濾壓降持續減小，其原因是當礦漿質量濃度從10%增加至20%時，不均勻粗細顆粒增多，延長了滲流路徑，雖然濾液流速減小，但滲流過程中摩擦損失增大，因此過濾壓降增大，但隨著質量濃度繼續增大，濾液流動阻力迅速增大，濾液流速迅速降低，造成過濾壓降降低；由圖6(c)看出，濾餅產量隨礦漿質量濃度的增大呈先增大后減小的趨勢，此現象說明了尾礦過濾工藝中，過濾礦漿濃度過大不利于提高濾餅產量，在礦漿質量濃度為40%時，濾餅產量達到最大值。

圖6 過濾參數隨質量濃度的變化規律Fig.6 Variation of filtration parameters with mass concentrations

4.3 絮凝劑對過濾效果的影響

3#過濾試驗數據如表6所示。

表6 3#過濾試驗結果

由圖7可知，對于不同粒徑組成的尾砂漿，隨著絮凝劑添加量的增大，濾液流速、過濾壓降、濾餅產量均呈先增大后減小的趨勢，全尾砂礦漿和分級粗尾砂礦漿臨界絮凝劑添加量為20 g/t，分級細尾砂臨界絮凝劑添加量為40 g/t。絮凝劑是長分子鏈的有機物質，其鏈狀分子含有可與顆粒表面相互作用的化學基團，可以產生黏結架橋作用，溶解后暴露的活潑基團吸附礦漿中的懸浮顆粒，形成絮團，增大了濾餅空間，宏觀表現為濾液流速增大，同時，過濾壓降和濾餅產量也增大；但絮凝劑的添加要適量，過少不能很好地起到絮凝架橋作用，過多也不利于絮團形成，因為過多的絮凝劑會使尾砂顆粒表面被絮凝劑分子全部吸附占據，尾砂顆粒表面就沒有吸附空位而使絮凝劑失去架橋作用，形成無空位穩定粒子，同時，由于高分子吸附膜的空間位阻效應使尾砂顆粒之間相互排斥，顆粒重新處于穩定分散狀態，無法形成大尺寸絮團，被絮凝劑包裹的尾砂顆粒形成較為致密的結構，不利于濾液滲透，另外，過多的絮凝劑會增大濾液黏度，增加滲流阻力，進一步降低濾液滲透速度，過濾壓降和濾餅產量也降低。

圖7 過濾參數隨絮凝劑添加量的變化規律Fig.7 Filtration parameter changes with the addition of flocculant

5 結論

本文針對膠東地區某金礦尾砂開展過濾性能試驗研究，分析了尾砂粒徑組成、礦漿質量濃度、絮凝劑添加量對尾砂漿過濾性能的影響，得到主要結論如下：

1)分級粗尾砂及全尾砂過濾性能較好，過濾速度快，濾餅含水量少(分級粗尾砂12.5%，全尾砂15.24%)，濾餅產量較大(分級粗尾砂830 kg/(h·m2)，全尾砂270 kg/(h·m2)，滿足工業生產要求，適用于采用過濾脫水工藝；分級細尾砂過濾速度慢，濾餅含水率較大(28.2%)且濾餅產量低27 kg/(h·m2)，不適合采用過濾工藝進行脫水。

2)砂漿質量濃度的增大會降低過濾速度，濾餅含水量也會有所增大；對于全尾砂礦漿，在礦漿質量濃度為40%時，濾餅產量達到最大值。

3)適量的絮凝劑添加能促進礦漿過濾，但過量添加絮凝劑反而不利于礦漿過濾，全尾砂礦漿和分級粗尾砂礦漿臨界絮凝劑添加量為20 g/t，分級細尾砂臨界絮凝劑添加量為40 g/t。