謙比希銅礦全尾砂靜態絮凝沉降試驗及充填參數優化

秦帥,李輝,梁權宇,李浩

(1.中色非洲礦業有限責任公司, 北京 100029;2.北京科技大學, 北京 100083)

0 引言

充填采礦法是實現礦山綠色、無廢開采最有效的途徑之一[1]。近年來,為應對逐漸提高的礦山企業環保要求,膏體充填及深錐濃密技術在國際上逐漸得到了廣泛應用,謙比希銅礦自復產以來經歷了水砂充填到全尾砂膏體充填的變革,目前采用全尾砂膏體充填[2]。

全尾砂濃密工藝是實現膏體充填的基礎和前提,經過多年研究,濃密技術已能大幅度改善料漿的濃密性能,而尾砂快速沉降是提高和改善濃密性能的關鍵一環[3],眾多學者研究發現,目前實現尾砂快速沉降的因素包括合適的絮凝劑及用量和最佳尾砂給料質量濃度等[46],其中主要的措施之一就是確定濃密機的最佳尾砂給料質量濃度。

謙比希銅礦主西礦體選廠直接泵送的尾砂料漿質量濃度為25%～30%,但此濃度未必為最佳濃密效果的給料質量濃度,因此導致深錐濃密機底流濃度偶爾出現不穩定的情況。本研究首先通過選廠尾砂比重測試和尾砂粒級組成測試確定尾砂的物理力學性質,然后通過全尾砂的靜態絮凝沉降試驗來確定影響礦山充填工藝主要的因素之一——尾砂料漿給料質量濃度,從而使礦山充填站利用深錐濃密機的自稀釋系統在給料質量濃度較高時稀釋給料質量濃度至最佳濃度,以保證充填系統的穩定性,同時提高系統運轉的高效性。

1 尾砂物理力學性質

充填尾砂的力學性質是進行充填系統性研究的基礎,主要包括尾砂比重和尾砂粒級,通過相應的試驗測得,試驗細節不贅述。得到測試結果后與部分歷史數據進行了對比。

1.1 尾砂比重

通過尾砂比重試驗得到的測試結果為2.62。2011年選廠尾砂比重的歷史數據為2.65,2021年重新采樣后,測試結果為2.62。測試結果對比發現,選廠的全尾砂比重降低。

1.2 尾砂粒級組成

全尾砂粒度測試結果見表1,對數據進行曲線擬合,擬合優度均在97%以上,通過測試結果和擬合曲線計算得到尾砂粒徑特征值、曲率系數以及不均勻系數,結果見表2。

表1 主西礦體選廠全尾砂粒度組成及分布

表2 2021年尾砂粒徑特征值數據

當不均勻系數≥5,曲率系數在1～3之間時為良好級配;不同時滿足上述兩條件為不良級配。由表2可知,主西礦體尾砂平均粒徑為0.04 mm,對比2011年歷史數據(0.056 mm),尾砂平均粒徑有所下降;尾砂不均勻系數過大,說明可能缺失中間粒徑,屬不連續級配;曲率系數過大,綜上說明目前主西礦體尾砂屬于不良級配。

2 尾砂靜態絮凝沉降試驗

2.1 試驗材料及相關參數

試驗配制全尾砂料漿質量濃度為5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%,全尾砂的比重為2.62,粒度組成及分布見表1。絮凝劑選擇愛森絮凝劑為試驗材料,根據相關試驗與現場經驗總結,絮凝劑相關參數選定溶液質量濃度為0.02%,單耗設定為25 g/t。

2.2 試驗方案

靜態沉降試驗分為以下5個步驟。

(1)絮凝劑溶液配制。稱量水400 g,置于燒杯中,絮凝劑8 g,以2 g/min的速度均勻添加,總計4 min添加全部絮凝劑到燒杯中攪拌均勻,轉速為200 r/min,持續45 min。首先分別配制成質量濃度為2%的絮凝劑溶液,然后根據試驗具體需要,通過另加水繼續配制成質量濃度為0.02%的絮凝劑溶液。

(2)料漿配制。稱量相應質量的尾砂和水,混合于量筒中配制成不同濃度的尾砂料漿。

(3)添加絮凝劑溶液。設定絮凝劑單耗為25 g/t,向量筒中分別加入質量濃度為0.02%的絮凝劑溶液,在量筒上部覆蓋塑料薄膜,反復倒置量筒30次,使尾砂料漿與絮凝劑溶液充分混合。

(4)利用網格紙制作刻度豎直貼于500 mL量筒側面。

(5)將量筒平穩放置于桌面上,用秒表開始計時,觀察并記錄不同時刻沉降液面高度,如圖1所示。

圖1 靜態沉降試驗

3 試驗結果與分析

3.1 絮凝沉降高度測試

將全尾砂不同料漿質量濃度條件下沉降試驗的結果數據導入origin軟件中,繪制出不同料漿質量濃度條件下沉降時間-沉降高度曲線,如圖2所示,計算后的沉降速度曲線如圖3所示。

圖2 全尾砂不同料漿質量濃度條件下的沉降高度

圖3 全尾砂不同料漿質量濃度條件下的沉降速度

為了更為直觀地對比各質量濃度條件下料漿的沉降快慢,選擇初始時刻(前180s)的料漿平均沉降速率作為考察指標之一,計算結果如圖4所示。

由圖4可得,各濃度下前30 s內沉降速度最快,當質量濃度為5%時,平均沉降速度最大,達到9.2 mm/s。當沉降時間超過180 s后,各濃度沉降速度差異較小,基本保持一致。

圖4 全尾砂不同質量濃度條件下前180 s沉降速度對比

3.2 上層溢流水澄清度觀察

根據試驗現場觀察,隨著尾砂濃度的增大,在沉降初期上層溢流水的澄清度逐漸降低,此效果在300 s時較為顯著。試驗測試中尾砂質量濃度為9%～13%時,沉降300 s上層溢流水即可達到較為清晰的程度,而其他濃度時沉降300 s仍較為渾濁,直至900 s左右才變清晰。在1200 s以后各濃度上層溢流水澄清度差異性較小。

3.3 沉降底流濃度測試

當靜態沉降試驗完成后,通過移液管計算同一時間段的沉降底流濃度值,以便得出更為準確的底流濃度。本次沉降試驗共分為6組,分別測試1800 s時的底流濃度值,測試結果見表3。

表3 移液管沉降底流濃度測試結果

移液管經過多次吸取底部料漿并嚴格控制進水量,因此誤差較小,可作為參考標準。因此,在實際選擇料漿稀釋濃度時,建議按照移液管得出的底流濃度值進行選擇,給料質量濃度為15%時底流體積濃度較高,為34.6%。

3.4 自由沉降速度及固體通量

根據圖2沉降曲線可知,曲線大致可分為3個階段。第一階段在沉降初期,為自由沉降階段,此階段沉降曲線近似為直線,沉降速度不變;第二階段在沉降中期,為干涉壓密階段,此階段曲線呈上凹狀,沉降速度不斷降低;第三階段為壓密階段,此階段曲線近似為水平曲線,沉降速度極小,幾乎為零。

由origin軟件對沉降高度曲線中自由沉降階段進行擬合,經過多次擬合對比各曲線擬合優度,前60 s內曲線近似為直線,因此選擇前60 s內為自由沉降階段,擬合參數見表4。其中y代表沉降高度,x代表沉降時間,斜率代表沉降速度。根據擬合結果可知,給料質量濃度為5%時,自由沉降階段速度最大,達到3.16 mm/s。

表4 自由沉降階段擬合參數

給料質量濃度低時利于尾砂沉降,但處理等量尾砂需要更大的濃密機面積,而沉降速度反映不出濃密機的處理能力。因此,用濃密機單位面積在單位時間內處理干尾砂的質量,即固體通量來表征最佳稀釋濃度。根據自由沉降階段的速度,可以計算自由沉降階段的固體通量,即整個沉降過程中最大固體通量。其中自由沉降階段速度采用表4中各擬合公式的斜率,計算前已進行單位換算。

單位面積處理量計算公式如式(1)所示:

式中,Gs為固體單位面積最大處理量,t/(m2h);ρs為尾砂密度,t/m3;Cv為體積濃度,%;v為沉降速度,m/h。

計算所得各濃度條件下最大固體通量值見表5。給料質量濃度與固體通量的關系如圖5所示。

表5 全尾砂不同給料質量濃度條件下最大固體通量

由圖5可知,在給料質量濃度為5%時雖然自由沉降階段的速度最大,但是固體通量最小,而給料質量濃度為15%時,固體通量達到最大值。由此可以推論,15%為該礦最佳的尾砂給料質量濃度。

圖5 全尾砂不同給料質量濃度單位面積固體通量

4 結論

(1)通過相關試驗確定了尾砂的物理力學參數,同時對比歷史數據,證實尾砂物理力學部分參數會隨著礦山的發展發生變化,建議礦山在回采區域發生重大變化或經過較長時間(如3至5年)時重新測試相關參數,以確定是否需要調整充填參數。

(2)通過試驗可以確定,該礦尾砂的沉降速率和沉降底流濃度呈現一定的規律性。不同質量濃度條件下尾砂沉降速度在初始時間段變化非常顯著,隨著料漿質量濃度的增大,沉降速度逐漸減小,但減小幅度變緩,而在沉降后期,沉降速度基本一致。不同質量濃度條件下,隨著濃度增加,沉降底流濃度呈現先增加后減小的規律。

(3)經過試驗數據分析,并綜合考慮尾礦固體處理量、尾砂給料質量濃度及濃密機自稀釋系統的技術可行性,建議全尾砂濃密機的給料質量濃度為15%。

(4)現場采用試驗得出的參數后,濃密機底流濃度趨于穩定,即使發生變化,變化幅度也很小。工程實踐表明,靜態絮凝沉降試驗仍是確定給料質量濃度的有效手段。

(5)試驗結果僅能解釋在此粒徑配比下的沉降效果,其他粒徑配比下的沉降效果仍有待研究。鑒于該礦尾砂配比屬于不良級配,如何優化該礦的尾砂配比也是未來研究的方向。