某金礦兩段分級超細尾砂靜態沉降與半工業濃密試驗研究

楊紀光 吳再海 寇云鵬 王增加 宋澤普 荊曉東 朱庚杰

(1.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;2.山東黃金礦業股份有限公司,山東 濟南 250101)

某金礦地處膠東半島渤海灣畔,1980年投產,是一座具有采選冶綜合生產能力的國家大型黃金礦山企業。礦山專門設計采用尾砂膠結充填系統,充填站建成運行已近20 a的歷史,充填法是提高自然資源回收率和環境保護的需要[1],可有效解決采場地壓問題[2]。但是現有的充填模式已嚴重制約了礦山生產:一是該礦尾礦庫即將達到服務年限,新建尾礦庫選址征地工作困難;二是立式砂倉造漿質量不穩定,充填料漿濃度低,充填至采場后存在離析、分層、泌水嚴重等現象,對于自流充填倍線較大的采空區,只能降低充填料漿濃度,對采礦生產接續及井下安全生產造成了嚴重影響,各種安全隱患突出。為解決上述問題,該礦建成了尾砂壓濾干排生產系統,將分級后的細尾砂再次進行分級,兩段分級的粗尾砂作為建筑材料重新利用,兩段分級超細尾砂進行干堆。隨著尾砂地表大量堆存,占用土地資源,堆存時極易引起塌陷,揚塵破壞了周邊生態環境。隨著基于超細粒級尾砂速凝早強的充填膠凝材料研發成功并開始應用,該礦依托充填工程實驗室,實現兩段分級超細尾砂井下充填,消除了地表大量堆存的難題。

細粒級尾砂高效濃密脫水過程是充填工藝中的關鍵環節[3],濃密機是尾砂濃密脫水的核心設備,由于不同參數的濃密機投資差別較大,國內外學者對絮團沉降速度的多種影響因素進行了研究[4]。LICK等[5]認為較高濃度下,絮團間會發生劇烈碰撞導致絮團破碎,且絮團沉降速度隨著砂漿濃度的增大而減小。張欽禮等[6-7]采用多種預測模型對絮凝沉降參數進行優化選擇,得出各個參數的最優值。USHER等[8]開發了一種計算絮凝沉降的算法,為固體吞吐量、床層高度和底流固體濃度之間的相互關系提供了理論支撐。李宗楠等[9]建立了關于絮團沉降的數學模型,研究得出細粒尾礦在垂直砂倉的沉降規律。同時,部分學者對于絮凝沉降的室內試驗裝置做出了一些改進,并開展了相關的研究工作[10-12]。

前述研究大多是實驗室內研究絮團在沉降過程中的靜動態規律,試驗結果與礦山實際生產匹配度不高。本研究在某金礦開展了室內靜態絮凝沉降試驗和半工業濃密試驗,半工業濃密試驗直接將礦山工藝流程中的砂漿接入試驗系統。結合礦山生產實際[13-14],分析了砂漿濃度、絮凝劑單耗對絮團沉降行為的影響,固體通量對溢流水含固量和底流濃度的影響以及泥層高度對濃密的影響。該礦將試驗數據應用到一座1 000 m3無動力高效濃密機、充填能力60～80 m3/h的基于兩段分級超細尾砂充填系統,并進行了濃密脫水充填工業應用。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

尾砂的基本物化性質決定了其濃密脫水效果。從該礦生產工藝流程中旋流器組上提取兩段分級超細尾砂漿,采用比重瓶法測得其真密度為2.55 t/m3,采用多功能粉體物理特性測試儀測得松散堆積密度為0.95 t/m3,緊密堆積密度為1.24 t/m3。采用馬爾文3000激光粒度測試儀對尾砂進行粒徑分析,測試結果見表1,粒級分布見圖1。通過ZSX100e型X射線熒光儀進行化學成分分析,測試結果見表2。

表1 尾砂粒徑分布測試結果Table 1 Test results of particle size distribution for tailings

圖1 粒徑分布曲線Fig.1 Distribution curves of particle size

表2 尾砂的化學成分及含量Table 2 Chemical composition and contents of tailings %

通過試驗發現,兩段分級超細尾砂+37μm含量25%以下,-19μm含量60%以上,Dv(50)14.5μm,屬于極細尾砂,級配較差,微細粒級含量較高,尾砂絮凝濃密脫水困難;尾砂化學成分以SiO2、Al2O3為主,可以作為充填骨料。

1.2 試驗試劑及儀器

通過篩選試驗得到添加不同種類絮凝劑的尾砂沉降結果,其中巴斯夫陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑(BSF)試驗效果最佳,分子量1 800萬。配制成0.1%的絮凝劑溶液,待用。

試驗主要設備為:萬分之一電子天平,1 000mL量筒,橡膠網孔攪拌器,101-0AB干燥箱;真空過濾系統,磁力攪拌機,燒杯,膠頭滴管,直徑1 m、高度10m半工業濃密試驗系統(供砂管網及攪拌槽、絮凝劑制備及添加系統、溢流水管網、底流泵及輸送管網)(圖 2)。

圖2 半工業濃密機Fig.2 Semi industrial thickener

1.3 試驗方案

(1)靜態絮凝沉降試驗。首先配制成不同質量濃度(5%、7.5%、10%、12.5%、15%)的砂漿加入到1 000 mL量筒中,用橡膠網孔攪拌器攪拌均勻后,定容至滿刻度線,加入配制好的絮凝劑溶液,攪拌均勻,用秒表記錄澄清層高度隨時間的變化,記錄時間為10 min,并繪制沉降曲線,得出固體通量最大時的砂漿濃度[15]。然后配制該濃度的砂漿,按照每1 t干尾砂加入絮凝劑干粉的質量,分別加入配制好的絮凝劑溶液(20、25、30、35 g/t),攪拌均勻,用秒表記錄澄清層高度隨時間的變化,記錄時間為10 min,并繪制沉降曲線,得出沉降速率最大時的絮凝劑用量。

(2)半工業濃密試驗。首先將自主研制的半工業濃密試驗系統直接安裝在該金礦生產現場,直接利用生產工藝中兩段分級超細尾砂,通過調節給料流量、稀釋水流量,利用絮凝溶液制備及添加裝置進行絮凝劑溶液制備。制備成0.1%的絮凝劑溶液,根據進料濃度、流量自動調節添加泵的轉速,從而控制絮凝劑溶液的添加量[16]。用于模擬無動力高效濃密機正常生產的情形,分析不同給料速度時,固體通量(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 t/(m2·h))對溢流水含固量和底流濃度的影響以及試驗泥層高度(2、4、6、8、10 m)對底流料漿濃度的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 靜態絮凝沉降試驗

根據試驗方案開展砂漿的靜態絮凝沉降試驗,不同濃度的砂漿絮凝沉降H-T曲線[17]見圖3,不同濃度的砂漿絮凝沉降固體通量曲線見圖4。由圖3可知:沉降H-T曲線由3段組成,第1段斜率較大的直線段表示等速沉降區,第2段彎道曲線為過渡區,第3段平緩曲線表示壓縮區。砂漿濃度為2.5%時,絮團沉降速度最快,砂漿濃度為15%時,絮團沉降速度最慢。砂漿的沉降速率隨著砂漿濃度增大而減小,但是固體通量存在一個最大值,通過曲線擬合計算,并結合試驗數據(圖4)分析,砂漿濃度為7.5%時固體通量最大。

圖3 沉降H-T曲線Fig.3 Settlement H-T curves

圖4 不同濃度的砂漿絮凝沉降固體通量Fig.4 Solid flux of flocculation settlement of mortar with different concentration

不同絮凝劑用量的砂漿絮凝沉降H-T曲線見圖5,沉降測試結果見表3。當絮凝劑添加量從20 g/t增加到35 g/t時,絮團沉降速度呈先增加后減小的趨勢,因此,最佳絮凝劑用量應控制在30 g/t,試驗結果與張欽禮等[12]的研究成果一致,此時底流濃度最大。

表3 不同絮凝劑添加量絮凝沉降測試結果Table 3 Test results of flocculation sedimentation with different dosage of flocculants

2.2 半工業濃密試驗

半工業濃密試驗是在靜態絮凝沉降試驗的基礎上開展的。技術參數為:巴斯夫絮凝劑,最佳砂漿稀釋濃度7.5%,最佳絮凝劑用量30 g/t。利用半工業濃密試驗機分析了泥層高度對底流濃度的影響,同時,試驗了不同固體通量情況下,溢流水含固量的變化規律對底流濃度的影響。

現場生產作業中,濃密機運轉需要一定的泥層高度來保證井下充填要求的放砂濃度,泥層高度由濃密機進砂量和底部放砂量兩方面控制。由于泥層的壓縮作用,絮團內部的一些孔隙水會被擠壓出來,擠壓出的水分逐漸積累并形成導水通道且被排至泥層上部,從而使底流料漿濃度升高。由此可知,泥層壓力在底流濃度升高過程中起到了極其重要的作用[2]。

試驗的底流濃度有兩部分,一是以絮凝沉降達到泥層高度時的底流濃度,二是以泥層沉降至穩定時的底流濃度(極限底流濃度)。不同泥層高度的底流濃度曲線如圖6所示。分析圖6可知:隨著泥層高度增加,在整個壓密階段底流濃度與泥層高度呈正相關性,呈非線性關系,泥層高度4 m前底流濃度增加明顯,4 m以后增速放緩。底流濃度的高低與濃密機壓實區絮團以及絮團所受的有效應力有關,隨著泥層高度不斷加厚,有效應力增大,絮團之間的吸附作用加強,絮團空隙間的水被擠出,底流濃度因此加大。

圖6 底流濃度隨泥層高度的變化曲線Fig.6 Variation curves of underflow concentration with mud bed height

試驗分析了半工業濃密試驗機在不同固體通量的情況下,底流濃度、極限底流濃度的變化規律,研究了溢流水含固量的變化規律。試驗結果見表4。圖7為不同泥層高度下固體通量與底流濃度的關系曲線,圖8為不同泥層高度下固體通量與溢流水含固量的關系曲線。通過半工業濃密試驗發現,最佳砂漿稀釋濃度、最佳絮凝劑用量與靜態絮凝沉降試驗一致,底流濃度遠大于室內試驗結果,底流的屈服應力和塑性黏度試驗結果表明,屈服應力隨著濃度的增加而增大,當屈服應力大于(200±25)Pa時,可以視為膏體或者達到膏體狀態[18-19],底流濃度為62%時已達到膏體狀態。

表4 不同固體通量下的半工業濃密測試結果Table 4 Semi industrial thickening test results under different solid fluxes

圖7 不同固體通量下泥層高度與底流濃度關系曲線Fig.7 Relationship curves between mud layer height and underflow concentration under different solid fluxes

由表4和圖7、圖8可知:根據絮凝動力學相關理論[20],隨著固體通量增大,溢流水上升速度提高,溢流水含固量增多,底流濃度降低。溢流水含固量與固體通量呈正相關,底流濃度與固體通量呈負相關。造成這種現象的主要原因是:絮凝沉降過程中絮凝劑形成高分子鏈靜電中合或者吸附尾砂顆粒,形成粒徑較大的絮團,隨著固體通量增大,濃密機單位面積處理量增加,尾砂顆粒與絮凝劑分子反應的時間縮短,絮凝反應不充分,形成的絮團較小,絮凝效果降低;達到同樣的泥層高度,不同固體通量時泥層的壓縮時間、脫水時間逐漸縮短,所以底流濃度逐漸降低。

圖8 不同固體通量下泥層高度與溢流水含固量關系曲線Fig.8 Relationship curves between mud layer height and solid content of overflow water under different solid flux

3 工業性試驗

該金礦建成1套1 000 m3無動力高效濃密機處理分級細尾砂,將該濃密機中心給料筒、絮凝劑添加點進行改造,實現旋切入料,多點加料,進行了充填自動化改造;將靜態絮凝沉降試驗和半工業濃密試驗得到的試驗數據應用到該濃密機,開展了工業試驗和工業應用。分別充填-50 m中段、-480 m中段、-1 030 m中段,累計充填2萬m3,消耗超細尾砂3.4萬t,穩定放砂濃度為62%～64%,充填能力為60～80 m3/h,達到預期效果,實現了濃密脫水充填工業應用。改造后的濃密機外觀見圖9。

圖9 無動力高效濃密機Fig.9 No power high efficiency thickener

4 結 論

(1)通過室內靜態絮凝沉降試驗確定了該金礦適合BSF型絮凝劑,即最佳絮凝劑用量為30 g/t,最佳砂漿稀釋濃度為7.5%。在砂漿濃度超過12.5%后,絮凝沉降速度的主要影響因素為砂漿濃度,絮凝劑添加量對沉降速度的影響逐漸減小。

(2)現場半工業濃密試驗研究發現,隨著泥層高度增加,在整個壓密階段底流濃度與泥層高度呈正相關性,呈非線性關系。泥層高度4m前底流濃度增加明顯,4 m以后增速放緩;隨著泥層高度不斷加厚,有效應力增大,絮團之間的吸附作用加強,絮團空隙間的水被擠出,底流濃度因此加大。

(3)現場半工業濃密試驗研究發現,隨著固體通量增大,溢流水上升速度提高,溢流水含固量增多,底流濃度降低。溢流水含固量與固體通量呈正相關,底流濃度與固體通量呈負相關。

(4)結合靜態絮凝沉降試驗和半工業濃密試驗,發現靜態絮凝沉降試驗的砂漿稀釋濃度和絮凝劑用量可用于指導工業生產,而其底流濃度、固體通量與實際生產差別較大,需采用半工業濃密試驗結果;半工業濃密試驗得到的固體通量、溢流水含固量、底流濃度和底流屈服應力等均與實際工業生產情況相吻合,可為類似礦山設計選型濃密機提供借鑒。