尾砂物理特性對其絮凝沉降性能影響規律的研究

謝 佩,戴惠新,趙明珠

(昆明理工大學國土資源工程學院)

引 言

礦山生產作業中會產生大量固體廢棄物,隨著礦山尾礦庫逐步封庫及礦山環保要求的提高,礦山尾礦堆存問題亟待解決。隨著選礦技術的提高,對貧、細、雜礦石的開發利用逐年提升,隨之產生了大量粒度更細、處理難度更大的尾砂[1-3]。目前,大量礦山使用尾礦膏體充填技術進行井下采空區充填,對達不到充填要求的尾礦則使用尾礦干堆技術進行處理[4-7]。無論膏體充填還是尾礦干堆技術,尾砂濃密脫水工藝都是關鍵環節。在實際生產中,使用絮凝劑是提高尾砂濃縮效率的重要方法,所以開展系統的絮凝沉降研究能更好地指導實際生產[8-10]。

由于不同尾砂的物理性質不同,而給料濃度、粒度組成等因素對沉降性能的影響存在明顯差異,尤其是細粒尾砂保水能力強,滲透性能差,大大增加了沉降難度。然而,目前針對尾砂絮凝沉降的研究主要集中于特定尾砂的絮凝劑種類及單耗等方面[11-19]。較少關注給料尾砂自身的物理特性對絮凝沉降性能的影響,而且部分研究中將絮凝劑單耗作為固定值使用,忽略了給料濃度、粒度組成等因素的影響,實際上,絮凝劑的單耗受給料尾砂物理特性影響顯著。為研究其中的規律,本研究通過大量絮凝沉降試驗,對給料濃度、-38 μm粒級占比及中值粒徑3個因素展開定量分析,確定了給料尾砂物理特性對絮凝沉降性能的影響規律。這為實際生產中尾砂絮凝沉降參數的選擇提供了依據。

1 試驗原理與方法

1.1 絮凝沉降原理

在懸浮液中,細粒固體顆粒的自由沉降符合斯托克斯定律,其沉降速度與粒徑的平方呈正相關:

(1)

式中:v為顆粒自由沉降速度(m/s);g為重力加速度(m/s2);ρs為顆粒密度(g/cm3);ρ1為液體介質密度(g/cm3);d為顆粒直徑(m);η為液體介質黏度(Pa·s)。

絮凝沉降的原理基于絮凝劑的 “架橋”作用原理,如圖1所示。通過對礦漿充分攪拌使顆粒相互碰撞,在絮凝劑長鏈分子的“架橋”作用下,尾砂顆粒吸附團聚在一起形成尺寸遠大于單個尾砂顆粒的團絮結構體,沉降速度顯著加快[20-21]。

圖1 高分子絮凝劑“架橋”作用原理

1.2 試驗材料

1)尾砂。為研究尾砂進料濃度、粒度組成等物理特性對沉降性能的影響規律,選用云南鶴慶北衙金礦選礦廠5種不同物理特性的尾砂開展沉降試驗研究。其中,1#尾砂為氧化礦磁選鐵尾砂,2#尾砂為氧化礦氰化浸金尾砂,3#尾砂為硫化礦浮選銅尾砂,4#尾砂為硫化礦全泥氰化浸金尾砂,5#尾砂為選礦廠脫泥拋尾尾砂。5種尾砂的粒度組成如圖2所示,本試驗以-38 μm粒級占比和中值粒徑共同構成粒度組成控制因素,如表1所示。

表1 尾砂粒度組成及密度

圖2 尾砂粒度組成

由表1可知:1#和2#尾砂屬于常規粒度尾砂,3#屬于細粒尾砂,4#和5#尾砂屬于超細粒泥化尾砂。5種尾砂密度差距很小,密度隨尾砂粒度變粗略有增大。根據沉降原理公式,沉降速度與顆粒密度呈正相關,探索試驗發現在一定小范圍內,密度不是絮凝沉降的主要影響因素。

2)絮凝劑。為達到更好的絮凝沉降效果,為實際生產提供最佳方案,本試驗采用不同種類礦山常用的絮凝劑進行探索試驗。通過試驗,選取針對本次試驗尾砂絮凝沉降的最佳藥劑,研究尾砂物理特性對沉降性能的影響規律。所選用絮凝劑種類如表2所示。

表2 試驗用絮凝劑種類

3)試驗儀器。試驗使用的儀器主要包括30目～700目標準篩、10 L燒杯、U形管、1 000 mL量筒、100 mL燒杯、25 mL比重瓶、真空裝置、10 mL注射器、攪拌器、秒表、高精度電子秤及坐標紙等。

1.3 試驗方法

將采集的尾砂樣品用烘箱烘干,并將板結塊充分碾細、混勻;取少量樣品采用比重瓶法分別測定5種尾砂密度;取一定量樣品,通過水篩分法和水析法,確定每種尾砂的粒度組成;配制不同濃度的尾礦漿備用。

取400 g水加入燒杯中,以300 r/min轉速攪拌,加入絮凝劑攪拌至絮凝劑充分溶解,配制質量分數為0.1 %的絮凝劑溶液。

采用量筒靜態沉降法開展試驗,該方法能夠準確測量出一定濃度的礦漿中固體物料的沉降速度,是研究各因素對尾砂絮凝沉降影響的重要方法。將尾礦漿倒入貼有坐標紙的量筒中,加入絮凝劑溶液后用攪拌器將量筒中尾礦漿上下充分攪拌均勻,用秒表計時,觀察澄清層和沉降層分界面的下降高度,記錄試驗數據。按上述步驟進行不同條件的沉降試驗,如圖3所示。

圖3 絮凝沉降試驗

2 試驗結果與分析

2.1 考察指標

本試驗的考察指標主要包括沉降速度和底流濃度。沉降速度采用澄清層和沉降層分界面下降的高度變化來反映沉降速度隨時間的變化規律,用60 s內分界面快速下降階段的平均速度比較不同試驗條件的沉降速度:

(2)

式中:v′為沉降速度(mm/s);h為分界面下降的高度(mm);t為沉降時間(s),取t=60 s。

底流濃度指尾砂沉降一定時間后,達到極限時的壓縮層礦漿濃度:

(3)

式中:C底流為底流濃度(%);m砂為料漿中尾砂的質量(g);m水為料漿中水的質量(g);m清為澄清層水的質量(g)。

2.2 絮凝劑種類

絮凝劑種類的選擇是影響尾砂高效沉降的重要因素。鑒于絮凝劑種類為定性指標,不適合描述絮凝沉降特性的定量回歸方程分析。因此,本試驗首先對有代表性的4種絮凝劑進行相同條件下靜態絮凝沉降試驗。為增大各組試驗結果的差異,每組試驗添加足量絮凝劑(量筒里出現明顯團絮體),對最難處理的5#尾砂進行絮凝劑種類試驗,選出對本次試驗尾砂絮凝沉降效果最佳的絮凝劑,繼而開展后續試驗。添加4種絮凝劑的絮凝沉降特性曲線如圖4所示,其中自然沉降試驗作為對照組。

圖4 添加4種絮凝劑及對照組的絮凝沉降特性曲線

由圖4可知,使用絮凝劑后尾砂的沉降速度明顯加快,計算60 s內平均沉降速度和底流濃度,結果如表3所示。

表3 絮凝劑種類選擇試驗考察指標

由表3可知:4種絮凝劑中,N1效果最佳,其沉降速度最快,為2.08 mm/s,底流濃度較高,為67.51 %。無絮凝劑對照組在85 min時達到沉降極限,底流濃度69.32 %,為試驗組中最高。分析原因是加入絮凝劑后,絮凝形成的團絮結構體包裹了部分水分,使壓縮層中含水量升高,導致底流濃度低于對照組。綜合比較試驗結果,以下試驗均采用N1絮凝劑進行試驗。

2.3 絮凝劑單耗

以尾砂給料濃度5 %、10 %、15 %、20 %分別對4種尾砂添加不同劑量的絮凝劑進行最佳絮凝劑單耗探索試驗,觀察其沉降速度和底流濃度,從而得出各條件下絮凝沉降最佳絮凝劑單耗(如圖5所示),受篇幅限制本文不展開羅列詳細的探索試驗數據。

圖5 絮凝劑最佳單耗示意圖

由圖5可知:絮凝劑單耗與尾砂給料濃度和粒度組成呈正相關。具體而言,尾砂給料濃度越高,絮凝劑單耗越大;粒度組成越細,絮凝劑單耗越大。并且在各條件下,尾砂沉降速度在一定區間內隨絮凝劑單耗的增加而加快,在某一單耗時沉降速度達到峰值,繼續提高絮凝劑單耗在一定區間內沉降效果保持穩定,再進一步提高單耗對沉降速度會產生負面影響。綜合比較探索試驗數據,本試驗以各條件下沉降速度達到峰值時的絮凝劑單耗作為最佳絮凝劑單耗。

不同試驗條件下的絮凝劑最佳單耗存在較大差異,結果如表4所示。表明尾砂給料濃度和粒度組成對絮凝劑單耗都有較大影響。在試驗設定條件區間內,絮凝劑最佳單耗與給料濃度成正比,并隨粒度組成變細而呈現大幅度增加的趨勢,為非線性正相關關系,分析其原因,絮凝劑高分子長鏈對尾砂顆粒的捕捉是有限度的,而單位質量尾砂顆粒的數量與單個尾砂顆粒粒徑的立方成正比,所以呈現出絮凝劑最佳單耗隨粒度變細出現大幅度增加的規律如圖6所示。

表4 不同給料濃度和粒度組成下絮凝劑最佳單耗、

圖6 絮凝劑最佳單耗與給料尾砂物理特性關系

2.4 絮凝沉降試驗結果

以尾砂給料濃度和粒度組成為影響因素,確定各條件下最佳絮凝劑單耗,以沉降速度和底流濃度為考察指標,分析絮凝沉降試驗結果,結果如表4所示。

1)沉降速度與給料尾砂的物理特性存在關系,尾砂給料濃度和粒度組成對沉降速度有影響。沉降速度隨給料濃度的升高而降低,隨尾砂粒度變粗而加快,如圖7所示。

圖7 沉降速度與各尾砂給料物理特性關系

2)底流濃度與給料尾砂的物理特性存在關系,底流濃度主要受尾砂粒度組成影響,粒度組成越細,底流濃度越低。此外,給料濃度對底流濃度也有一定影響,底流濃度隨給料濃度的增加有一定提升,但幅度不大,如圖8所示。

圖8 底流濃度與給料尾砂物理特性關系

2.5 多元線性回歸分析

為了研究尾砂給料濃度和粒度組成對絮凝劑單耗、沉降速度和底流濃度的相關性,并確定各因素的影響程度,對這3種因素進行多因素線性擬合,探究其對沉降性能的影響規律。

1)對絮凝劑最佳單耗的影響規律。將絮凝劑最佳單耗值進行開立方處理以得出符合線性擬合的回歸方程,通過多元線性回歸分析建立了絮凝劑最佳單耗值與給料濃度、-38 μm粒級占比及中值粒徑之間的關系模型,如式(4)所示。方程的負相關系數為R2= 0.936 77。對擬合結果進行檢驗分析得到各因素的顯著性:給料濃度的顯著性系數為0.457、-38 μm粒級占比的顯著性系數為0.311及中值粒徑的顯著性系數為0.428。顯著性數值越小,說明該因素對擬合結果的影響越大。通過對比發現,對絮凝劑最佳單耗的影響作用順序依次為:-38 μm粒級占比>中值粒徑>給料濃度,即絮凝劑最佳單耗主要受給料尾砂的粒度組成影響,粒度組成越細,絮凝劑最佳單耗越大。

Y1/3=0.071 09C+0.071 71x1+ 0.016 77x2-1.901 88

(4)

式中:Y為絮凝劑最佳單耗(g/t);x1為-38 μm粒級占比(%);x2為中值粒徑(μm)。

2)對沉降速度的影響規律。基于各條件下絮凝劑最佳單耗,根據多元線性回歸分析建立了沉降速度與給料濃度、-38 μm粒級占比及中值粒徑之間的關系模型,如式(5)所示。方程的負相關系數為R2= 0.956 81。對擬合結果進行檢驗分析,得到各因素的顯著性:給料濃度的顯著性為0.450、-38 μm粒級占比的顯著性為0.396及中值粒徑的顯著性為0.612,即對沉降速度的影響作用順序依次為:-38 μm粒級占比>給料濃度>中值粒徑,粒度組成與給料濃度對尾砂的沉降速度都有較顯著的影響。

v=-0.059 72C-0.007 52x1- 0.000 113 21x2+4.008 69

(5)

式中:v為沉降速度(mm/s)。

3)對底流濃度的影響規律。基于各條件下絮凝劑最佳單耗,通過多元線性回歸分析建立了底流濃度與給料濃度、-38 μm粒級占比及中值粒徑之間的關系模型,如式(6)所示。方程的負相關系數為R2= 0.949 21。對擬合結果進行檢驗分析,得到各因素的顯著性:給料濃度的顯著性系數為0.478、-38 μm粒級占比的顯著性系數為0.301及中值粒徑的顯著性系數為0.287。這說明對沉降速度的影響作用順序依次為中值粒徑>-38 μm粒級占比>給料濃度。即底流濃度主要受給料尾砂的粒度組成影響,粒度組成越粗,底流濃度越大。

C底流=0.528 2C-0.234 16x1+ 0.708 46x2+50.022 54

(6)

3 結 論

通過對5種不同粒度組成的尾砂以不同給料濃度開展絮凝沉降試驗,得出如下結論:

1)在尾砂沉降時,添加絮凝劑能顯著提升尾砂沉降速度,對試驗的5種尾砂沉降效果最好的是陰離子型聚丙烯酰胺高分子絮凝劑。在不同條件下絮凝劑單耗存在差異,試驗得出了在不同給料濃度和粒度組成條件下的絮凝劑最佳單耗。

2)在使用絮凝劑最佳單耗條件下,尾砂絮凝沉降速度與給料濃度和-38 μm粒級占比呈負相關,與中值粒徑呈正相關。隨著給料濃度的降低和尾砂粒度的增大,尾礦沉降速度明顯加快。尾砂沉降的底流濃度與給料濃度、中值粒徑呈正相關,與-38 μm粒級占比呈負相關,粒度組成是影響底流濃度的主要因素,增大尾砂粒度能顯著提高底流濃度。

3)通過多元線性回歸分析,建立了各因素之間的函數關系,通過顯著性分析確定給料尾砂的粒度組成對絮凝沉降性能的顯著影響。該試驗結果可為實際生產中絮凝沉降參數的選擇提供參考。