絮凝劑對(duì)超細(xì)尾砂膠結(jié)充填料漿流動(dòng)性影響研究

林之岳，陳思源，涂欣強(qiáng)，鐘貴峰

(江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興市 334201)

0 引言

隨著國民環(huán)保意識(shí)的提升，以及國家對(duì)采礦環(huán)境安全的嚴(yán)格要求，減少產(chǎn)生礦區(qū)廢棄物甚至無廢棄物的采礦法是采礦技術(shù)發(fā)展的必然方向[1]，充填采礦法具備貧化率低、礦產(chǎn)資源回采率高等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)資源的充分利用[2-4]。

江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“銀山礦”）是江西銅業(yè)集團(tuán)公司旗下主力礦山之一，銀山礦井下開采主要采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ā；阢y山礦尾砂細(xì)度高，經(jīng)過深錐濃密機(jī)處理后質(zhì)量濃度達(dá) 60%以上，充填漿體流動(dòng)性較差，且由于傳統(tǒng)的尾砂充填質(zhì)量濃度較低，存在料漿凝固慢、離析分層、強(qiáng)度低且不均勻等現(xiàn)象，在井下脫水時(shí)，膠凝材料及細(xì)粒級(jí)尾砂流失，造成井下廢水、細(xì)泥污染環(huán)境，排水、排泥費(fèi)用高，采場(chǎng)回采周期長(zhǎng)、生產(chǎn)能力低等問題。采用高濃度充填料漿管輸送時(shí)，高濃度料漿固體顆粒在橫斷面上呈均勻分布狀態(tài)，在流動(dòng)過程中很少存在固體顆粒之間的相對(duì)位移，不易發(fā)生離析和沉淀，具有使充填體力學(xué)性能好、強(qiáng)度高、采場(chǎng)脫水量少以及成本低等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，為此需研究和探索實(shí)現(xiàn)料漿高濃度充填。

絮凝劑是一種可以濃縮充填料漿的材料，其主要通過吸附電中和、吸附架橋、壓縮雙電層、沉淀物網(wǎng)捕等機(jī)理實(shí)現(xiàn)絮凝沉淀。為探究如何利用絮凝劑提高細(xì)粒尾砂料漿的質(zhì)量濃度，采用3 種絮凝劑進(jìn)行尾砂料漿靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)，深入探究了不同絮凝劑添加量對(duì)沉降過程的影響，同時(shí)開展了尾砂流動(dòng)性的坍落試驗(yàn)，從而研究摻入絮凝劑對(duì)尾砂漿體流動(dòng)性的影響。

1 試驗(yàn)方法與原理

1.1 尾砂粒徑組成試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的銀山礦尾砂為特細(xì)尾砂，其粒徑組成如圖1 所示。由圖1 可得，尾砂顆粒粒徑 70 μm以下占 75%，該尾砂細(xì)顆粒占比大，造成自然沉降速度慢，料漿濃度低。若尾砂濃度低，堆存或者充填皆會(huì)滲出大量水，既污染環(huán)境，又對(duì)堆積體和充填體的強(qiáng)度產(chǎn)生威脅，可能會(huì)引發(fā)工程災(zāi)害等問題，因此對(duì)全尾砂進(jìn)行沉降處理勢(shì)在必行[7-8]。為了探究如何快速提高尾砂料漿濃度，選擇 3 種絮凝劑進(jìn)行尾砂料漿濃縮試驗(yàn)研究，對(duì)絮凝劑沉降過程的原理進(jìn)行了分析，優(yōu)選出與銀山礦尾砂匹配度最佳的絮凝劑。

圖1 粒徑組成曲線

1.2 靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)

靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)銀山礦尾砂、水、絮凝劑 A、絮凝劑 B、絮凝劑 C 為試驗(yàn)材料。其中絮凝劑 A、絮凝劑 B 均為無機(jī)高分子絮凝劑，其主要通過吸附電中和、吸附架橋、壓縮雙電層、沉淀物網(wǎng)捕等機(jī)理實(shí)現(xiàn)絮凝沉淀，由于氫氧根離子的架橋作用和多價(jià)陰離子的聚合作用而生產(chǎn)的分子量較大、電荷較高的分子，使細(xì)微懸浮粒子和膠體脫穩(wěn)、絮凝、混凝、沉淀；絮凝劑 C 是一種線性高分子聚合物，主要作用機(jī)理是丙烯酰胺單體經(jīng)自由基引發(fā)聚合而成的水溶性線性高分子聚合物，具有良好的絮凝性。

試驗(yàn)步驟如下：

（1）將絮凝劑配置成溶液；

（2）測(cè)定尾砂含水量，按配比將尾砂、水、絮凝劑溶液倒入 1000 mL 量筒中；

（3）用橡膠網(wǎng)孔攪拌棒上下攪拌均勻尾砂料漿；

（4）量筒靜置，觀察上清液和漿液清晰的界面，記錄界面高度；

（5）按照一定時(shí)間間隔，記錄上清液和漿液界面的高度，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制靜態(tài)沉降曲線，分析沉降速度最快的絮凝劑；

（6）當(dāng)料漿界面不再下沉?xí)r，采用虹吸的方式將尾砂漿上部清水排出，采用烘干的方法測(cè)定沉降料漿濃度。

1.3 尾砂流動(dòng)性的坍落試驗(yàn)

絮凝沉降試驗(yàn)表明，適當(dāng)摻入絮凝劑可實(shí)現(xiàn)尾砂料漿的快速濃縮，為實(shí)現(xiàn)高濃度尾砂充填奠定基礎(chǔ)。根據(jù)國內(nèi)外高濃度尾砂充填現(xiàn)狀可知，尾砂高濃度充填容易出現(xiàn)運(yùn)輸管道堵塞問題。為此，參照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》（GB/T 2419-2005）[9]，進(jìn)一步探究摻入絮凝劑對(duì)尾砂流動(dòng)性的影響。

（1）試驗(yàn)設(shè)備：砂漿攪拌機(jī)，高 80 mm、內(nèi)徑 80 mm、模具壁厚大于 3 mm、內(nèi)壁表面光滑的圓筒試模，直徑 20±0.5 mm、長(zhǎng)度 200 mm 的金屬搗棒，分度值不大于 0.5 mm 的游標(biāo)卡尺，抹刀；

（2）試驗(yàn)材料：江銅銀山礦尾砂、自來水、絮凝劑A、絮凝劑B。

（3）試驗(yàn)方法：①用潮濕棉布擦拭水平臺(tái)面、試模內(nèi)壁、搗棒以及與漿體接觸的器具；②將制備好的料漿迅速裝入圓筒試模中，裝至與試模高度齊平，用搗棒由邊緣至中心均勻搗壓 15 次，補(bǔ)充料漿至略高于試模邊緣，用抹刀抹平頂面；③將圓筒試模輕輕地快速提起，使料漿自然坍落，10 s 后測(cè)量漿體底面相互垂直的兩個(gè)方向的直徑，取平均值作為該配比的漿體擴(kuò)展度，以擴(kuò)展度大于150 mm判定尾砂漿體流動(dòng)性良好。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果分析

在初始漿體濃度分別為10%及15%，無機(jī)高分子絮凝劑A 和絮凝劑B 添加量5‰和10‰，線性高分子聚合物絮凝劑C 添加量1×10-6和5×10-6的條件下，絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果見圖2 及表1。

圖2 尾砂料漿沉降效果曲線圖

由圖2 可知，絮凝劑C 具有用量少、沉降速度快的特點(diǎn)，其對(duì)低濃度的尾砂料漿的沉降效果明顯優(yōu)于其余兩種絮凝劑，且適當(dāng)提高絮凝劑摻入量可加快尾砂沉降。由表1 可知，絮凝劑A 和絮凝劑C 的終了沉降效果明顯優(yōu)于絮凝劑 B，其中絮凝劑 A 的終了沉降效果最好。銀山礦業(yè)深錐濃密機(jī)的尾砂濃縮濃度可達(dá) 60%，因此，本次研究試驗(yàn)推薦采用絮凝劑A，以實(shí)現(xiàn)尾砂的快速濃縮，提高生產(chǎn)效率。

表1 尾砂料漿沉降結(jié)果

2.2 坍落試驗(yàn)結(jié)果分析

以絮凝劑A 和B 為研究對(duì)象，在尾砂質(zhì)量濃度為63%，灰砂比分別為1:8 及1:13 的條件下開展尾砂流動(dòng)性的坍落試驗(yàn)，改變絮凝劑A 與絮凝劑B的摻量（0，3‰，5‰，7‰），考察絮凝劑對(duì)充填料漿流動(dòng)性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2 及圖3。

圖3 絮凝劑對(duì)充填漿體流動(dòng)性的影響柱狀圖

表2 銀山礦全尾礦坍落試驗(yàn)結(jié)果

由表2、圖3 可知，尾砂漿體擴(kuò)展度均大于150 mm，表明即使加入絮凝劑，尾砂料漿仍然可以保持良好的流動(dòng)性能。在試驗(yàn)結(jié)果中，灰砂比1:8、質(zhì)量濃度63%的漿體中加入絮凝劑A，會(huì)小幅度增加漿體的流動(dòng)性，并且擴(kuò)展度隨絮凝劑A 加入量的增加而增加。灰砂比1:13、質(zhì)量濃度為63%的漿體中加入絮凝劑B，同樣會(huì)小幅度增加漿體的流動(dòng)性，擴(kuò)展度在絮凝劑摻入量為5‰的情況下達(dá)到峰值。綜上所述，適量加入絮凝劑在提高尾砂濃度的同時(shí)，可以小幅度改善尾砂漿體的流動(dòng)性。

3 結(jié)論

通過選擇3 種絮凝劑進(jìn)行尾砂料漿濃縮的靜態(tài)絮凝沉降研究，發(fā)現(xiàn)絮凝劑A 具有用量少、沉降速度快的特點(diǎn)，其對(duì)低濃度的尾砂料漿的沉降效果明顯優(yōu)于其余兩種絮凝劑，通過開展尾砂流動(dòng)性的坍落試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高絮凝劑摻入量可加快尾砂沉降，且絮凝劑摻量在5‰范圍內(nèi)能一定程度上提高尾砂漿體的流動(dòng)性能。