高密度全尾砂深錐絮凝濃密最優參數試驗研究

摘要：研究針對高密度全尾砂在深錐濃密機（DCT）中的絮凝過程開展試驗研究，旨在確定最佳絮凝參數，以提高高密度全尾砂的濃密效率和穩定性。通過實驗室絮凝試驗，探索了不同絮凝劑單耗、全尾砂料漿濃度、沉降時間等因素對尾砂絮凝濃密的影響。基于實驗室試驗得出的高密度全尾砂最優絮凝濃密參數，開展了DCT調試運行，且絮凝沉降結果良好，驗證了實驗室試驗結果的正確性。研究表明，確定最優的絮凝參數能夠保證高密度全尾砂深錐絮凝濃密效果，為高密度全尾砂的環保處理和資源化利用提供了有效的技術和理論支持。

關鍵詞：高密度；全尾砂；深錐濃密機；絮凝濃密；單耗；尾砂漿濃度

[中圖分類號：TD98 文章編號：1001-1277（2025）04-0034-05 文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250407 ]

引言

隨著礦業開采的不斷發展，尾礦處理成為環境保護的重要挑戰［1］。尾礦作為選礦過程中的廢棄物，通常以尾砂形式存在，含有大量未完全提取的礦物質。不同尾砂的物理化學特性存在差異，其處理不僅要降低對環境的負面影響，還要提高資源化利用率。傳統的尾砂處理方法，如干堆和濕法堆放［2］，已無法滿足日益嚴格的環保要求［3］。因此，優化尾砂處理工藝，提升其濃密效率和穩定性［4］，成為當前亟待解決的關鍵問題。

深錐濃密機（DCT）作為一種高效的尾砂濃縮設備［5］，在尾砂處理過程中得到了廣泛應用。該設備利用深錐結構并添加適量絮凝劑［6］，絮凝劑成為提升尾砂濃密效率的關鍵因素。絮凝劑能夠促使尾砂漿中的細小顆粒聚集成較大的絮凝體，從而加速其沉降速度，提高濃密效果［7-9］。然而，不同礦山尾砂的級配和化學成分不同，其顆粒特性和絮凝性能差異較大。因此，在深錐濃密操作前，通過試驗研究優化絮凝劑的選擇［10］、用量等參數［11］，對于提升尾砂的濃密效果具有重要意義。

對于高密度全尾砂，其含有大量細粒級和超細粒級顆粒，這些顆粒比表面積大、表面能高，導致顆粒間相互作用復雜，影響絮凝劑的吸附與架橋作用［12］。由于細粒級顆粒分散性強，易形成穩定懸浮體系，降低絮凝沉降效率；同時，粒徑分布不均可能引發絮凝團的分離或解體，影響底流濃度穩定性。此外，在DCT運行期間，高密度尾砂會增大耙架扭矩［13］，增加設備能耗，甚至發生機械故障；而底流滯留時間過長可能會導致板結現象發生［14］，阻礙漿體均勻排放，并增大壓耙風險［15］。由此可見，對于高密度全尾砂的絮凝濃密研究至關重要。

本文以國外某鉛鋅礦全尾砂為研究對象，通過系統的絮凝試驗，探索不同絮凝劑單耗、全尾砂料漿濃度等參數對高密度全尾砂絮凝濃密的影響，旨在為高密度全尾砂深錐濃密提供最優的工藝參數。通過深錐絮凝濃密驗證，為高密度全尾砂的高效處理提供理論依據和技術支持，同時為全尾砂資源化利用及環境保護提供新思路［16-22］。

1全尾砂性質

試驗所用全尾砂取自該鉛鋅礦尾砂泵房，并于烘箱中烘干，如圖1所示。全尾砂烘干后，取出磨碎至粉狀，為后續化學成分分析、密度試驗、粒級分析和絮凝試驗等備用。

1.1全尾砂化學成分分析

全尾砂化學成分分析采用XRF-1800波長色散型熒光光譜儀，結果如表1所示。由表1可知：該全尾砂主要組分為Fe2O3、SiO2、CaO、MnO，氧化鐵/磁鐵礦含量較高，這是造成其密度較大的主要原因，也可能會加速絮凝過程中的尾砂絮團沉降。

1.2密度測定

全尾砂密度是指全尾砂單位體積內所含物質的質量。全尾砂總體積包括固體顆粒體積、封閉型孔隙及敞開型孔隙組成的全部體積。本次全尾砂密度測定采用比重瓶法，對樣品進行6次平行測定，以測定結果平均值作為最終的測定結果，如表2所示。

由表2可知：對比第6組與前5組測定結果，發現第6組結果誤差較大，因此舍棄該數據。對前5組試驗結果進行平均值計算，結果為3.459 g/cm3。

相比于其他礦山尾砂密度基本不大于3.1 g/cm3（如表3所示），該礦山尾砂被定義為高密度尾砂。根據全尾砂化學成分分析結果，其主要氧化物為Fe2O3，高含量的氧化鐵/磁鐵礦是造成尾砂密度較大的主要原因。

1.3全尾砂粒度分析

全尾砂粒度測試采用Winner 3008激光粒度分析儀，結果如圖2所示。由圖2可知：-5 μm、-10 μm、-20 μm的極細顆粒分布率分別為4.547 %、10.372 %、16.887 %，-75 μm顆粒分布率為47.081 %，全尾砂粒級較粗。此外，全尾砂顆粒不均勻系數為10.742，大于5；曲率系數為1.656，說明顆粒級配良好。全尾砂平均粒徑為92.293 μm，也表明該尾砂粒徑相對較粗。

2全尾砂絮凝試驗

高密度全尾砂絮凝試驗是一種評估尾砂漿絮凝行為的試驗方法，主要用于觀察和分析不同絮凝劑單耗在尾砂處理中的效果。通常在實驗室環境中進行，研究全尾砂顆粒在不同絮凝條件下的沉降速度、絮凝效率和底流濃度等關鍵特性，為DCT的高效、穩定運行提供技術和理論支撐。

2.1絮凝試驗材料

全尾砂稀釋用水：尾砂泵房用水；絮凝劑稀釋用水：純水。該鉛鋅礦僅使用1種絮凝劑，因此不再進行絮凝劑選型。絮凝試驗所用絮凝劑如圖3所示。

2.2絮凝試驗原理

全尾砂絮凝試驗通過絮凝劑使全尾砂漿中的細小顆粒聚集成較大的絮團，加速沉降。全尾砂顆粒表面帶負電荷，絮凝劑的加入可減小顆粒間排斥力，促進顆粒聚集。高分子絮凝劑還可通過架橋作用連接全尾砂顆粒，形成較大絮凝體，提高沉降效率。絮凝體在重力作用下沉降，體積越大，沉降速度越快。沉降過程中，流體阻力增加，最終達到平衡，沉降速度穩定。良好的絮凝效果可實現上清液清澈、底流濃度高等。

2.3試驗方案

絮凝試驗對比了不同全尾砂料漿濃度、絮凝劑單耗條件下的尾砂絮凝效果，全尾砂料漿濃度分別為15 %、18 %、25 %，絮凝劑單耗分別為10 g/t、20 g/t、30 g/t。

3絮凝試驗結果與分析

3.1絮凝試驗結果

不同絮凝劑單耗、全尾砂料漿濃度下尾砂絮凝沉降效果如圖4所示。

由圖4可知：在全尾砂料漿濃度為15 %時，隨著絮凝劑單耗逐漸增大，上清液濁度逐漸減小；在絮凝劑單耗為10 g/t時，上清液濁度最大；在絮凝劑單耗為20 g/t時，底流分層相對較少，即在全尾砂料漿濃度為15 %、絮凝劑單耗為20 g/t時，尾砂絮凝效果相對較好。在全尾砂料漿濃度為18 %時，隨著絮凝劑單耗逐漸增大，上清液濁度逐漸減小；同樣在絮凝劑單耗為20 g/t時，底流分層相對較少，即此時尾砂絮凝效果相對較好。在全尾砂料漿濃度為25 %時，隨著絮凝劑單耗逐漸增大，上清液濁度逐漸減小；在絮凝劑單耗為10 g/t時，尾砂絮凝效果相對較差；在絮凝劑單耗為30 g/t時，底流分層相對較少，說明在全尾砂料漿濃度較高時，可以通過提高絮凝劑單耗來改善絮凝效果。

整體而言，在不同全尾砂料漿濃度、不同絮凝劑單耗條件下，底流均會出現不同程度的分層，原因可能是全尾砂顆粒較粗，且粒徑大于75 μm的分布率超過52 %。當全尾砂料漿濃度為15 %、18 %，絮凝劑單耗為20 g/t時，尾砂絮凝效果相對最好，底流分層相對較少；當全尾砂料漿濃度為25 %、絮凝劑單耗為30 g/t時，尾砂絮凝效果相對最好，底流分層相對較少，即在全尾砂料漿濃度較高時，可通過提高絮凝劑單耗來改善絮凝效果。

3.2絮凝結果分析

根據全過程實驗室絮凝試驗結果，全尾砂的快速絮凝沉降基本在前3 min（180 s），不同全尾砂料漿濃度下尾砂絮凝沉降結果如圖5所示。當全尾砂料漿濃度為15 %和18 %、絮凝劑單耗為20 g/t，全尾砂料漿濃度為25 %、絮凝劑單耗為30 g/t時，尾砂在前期的絮凝沉降速度快。當全尾砂料漿濃度增大時，需要提升絮凝劑單耗，以改善尾砂絮凝濃密效果。

根據圖5結果，得到了全尾砂漿在前180 s平均沉降速度及極限底流濃度，如表4所示。由表4可知：隨著全尾砂料漿濃度逐漸增大，180 s平均沉降速度逐漸減小。當全尾砂料漿濃度為25 %時，極限底流濃度最大，原因是料漿濃度較高時，粗顆粒含量相對多，在絮凝過程中粗顆粒快速下沉聚集，造成底流分層相對嚴重，最終導致絮凝效果相對較差，因此180 s平均沉降速度相對最慢、底流濃度最高。綜合考慮，不推薦深錐絮凝濃密使用濃度25 %的全尾砂漿。

相比于全尾砂料漿濃度18 %，全尾砂料漿濃度15 %時的180 s平均沉降速度較快，且極限底流濃度也較大。結合圖4來看，當全尾砂料漿濃度15 %時，絮凝后底流分層相較于18 %時嚴重。因此，在深錐絮凝濃密時，推薦將全尾砂料漿濃度稀釋至18 %左右再進行絮凝濃密；對于絮凝劑單耗，推薦為20～30 g/t。

3.3深錐絮凝濃密驗證

實驗室試驗結果顯示，最佳全尾砂料漿濃度為18 %左右，絮凝劑最優單耗為20～30 g/t。在此基礎上，開展DCT調試與絮凝濃密（如圖6所示）。調試期間，記錄了DCT的主要運行參數：進料流量為70～90 m3/h，存在一定波動，平均為85 m3/h；進料濃度為30 %～50 %，后經PDUC泵主動稀釋至18 %左右；DCT穩定運行時的泥層高度為5.5～6.0 m、底流濃度可達72 %～82 %、泥層壓力為160～180 kPa、耙架扭矩均小于40 %，未出現耙架扭矩激增、壓耙等現象。

通過現場工業運行可知，在實驗室試驗得出的最優參數下開展全尾砂深錐絮凝濃密，可以實現DCT穩定運行，以及全尾砂高效絮凝，底流濃度達到膏體制備標準，驗證了實驗室試驗結果的正確性。

3.4深錐操作規范

為保證DCT穩定、高效、安全運行，根據DCT運行情況，提出了以下運行規范：

1）未充填靜置超過5 d時，DCT的泥層高度必須小于2 m。超過7 d時，實時關注DCT扭矩變化，當扭矩超過18 %時，需要開高位循環；當扭矩超過40 %時，需要開啟底流稀釋泵小流量稀釋或采取其他緊急措施，必要時需將深錐中的料放空，避免壓耙。

2）每班檢查干粉絮凝劑用量，及時補充。檢查絮凝劑制備裝置運行是否正常，絮凝劑制備參數是否正確、絮凝劑干料是否擁堵、成品機中絮凝劑是否全部溶化，添加管路是否擁堵。

4結論

1）密度測試結果顯示，該鉛鋅礦全尾砂密度為3.459 g/cm3，明顯高于其他礦山尾砂密度。其中，高含量氧化鐵/磁鐵礦是造成尾砂密度較大的主要原因。

2）根據實驗室絮凝沉降試驗，最優全尾砂料漿濃度為18 %左右，絮凝劑單耗為20～30 g/t。

3）DCT運行中的高密度全尾砂絮凝濃密效果良好，驗證了實驗室試驗結果的正確性。因此，確定最優絮凝參數能夠保證高密度全尾砂深錐絮凝濃密效果，為尾砂的環保處理和資源化利用提供有效的技術和理論支持。

4）該鉛鋅礦只使用了某型號絮凝劑開展絮凝試驗，因此這些參數只能反映該絮凝劑對尾砂的絮凝濃密效果，后續若有其他型號絮凝劑，需重新開展絮凝沉降試驗。研究結果為高密度全尾砂深錐絮凝及深錐濃密機安全高效運行提供了指導。

［參考文獻］

［1］ 丁銳，陳玉琦，劉清順，等.固廢膠凝材料協同尾砂制備膠結充填材料的研究進展［J］.北方建筑，2024，9（5）：40-43.

［2］ 邱子昱，劉曉峰，趙自越.城門山銅礦尾砂干式堆存工藝試驗研究［J］.有色冶金設計與研究，2024，45（5）：44-46，54.

［3］ 張浩強.廢石全尾砂料漿穩定性及力學強度特征分析［J］.黃金，2024，45（10）：59-67.

［4］ 李輝，王洪江，吳愛祥，等.基于尾砂沉降與流變特性的深錐濃密機壓耙分析［J］.北京科技大學學報，2013，35（12）：1 553-1 558.

［5］ 王勇，那慶，楊軍，等.深錐濃密機泥層高度與壓力關系研究［J］.中國礦業大學學報，2022，51（2）：257-262.

［6］ 王洪江，彭青松，楊瑩，等.金屬礦尾砂濃密技術研究現狀與展望［J］.工程科學學報，2022，44（6）：971-980.

［7］ 石孟利，夏舉佩.銅尾礦漿絮凝沉降及對固化影響研究［J］.黃金，2024，45（10）：102-108.

［8］ 李琳，呂劍橋，崔曼，等.某細粒黃金尾礦濃縮沉降及流變特性研究［J］.黃金，2023，44（1）：99-101，105.

［9］ 焦國芮，鄒開華，黃毅偉，等.超細全尾砂最優絮凝劑配比優化試驗研究［J］.銅業工程，2023，184（6）：153-159.

［10］ 楊宮印，崔鵬艷，陳玉明.絮凝劑對溢流超細尾砂沉降特性影響的試驗研究［J］.黃金，2019，40（11）：31-35.

［11］ 鄭銀珠.銅綠山礦尾礦沉降絮凝劑優化選型試驗研究［J］.中國礦山工程，2023，52（5）：71-75，88.

［12］ 王勇，曹晨，吳愛祥.深錐固體通量與絮凝劑單耗和料漿濃度的數學關系［J］.工程科學學報，2021，43（10）：1 269-1 275.

［13］ TAN K C，BAO J，BICKERT G.A study on model predictive control in paste thickeners with rake torque constrain［J］.Minerals Engineering，2017，105：52-62.

［14］ 王勇，那慶.深錐濃密機底流質量分數與停留時間關系研究［J］.黃金，2022，43（2）：33-36.

［15］ 陳輝，王洪江，吳愛祥，等.哈爾濱某礦深錐濃密機的應用改造［J］.金屬礦山，2015（5）：158-161.

［16］ 羅衛兵，劉鵬鵬，畢成，等.某銅鐵礦上向分層充填法采場穩定性研究［J］.采礦技術，2024，24（5）：109-114.

［17］ 朱久隆，李帥，杭康，等.全尾砂物理化學性質及其似膏體充填試驗［J］.世界有色金屬，2024（12）：183-185.

［18］ 李海波，朱紀朋，蔣忠濤，等.全尾砂微膠結充填性能研究［J］.黃金，2024，45（10）：54-58.

［19］ 劉勛，孫遠江，歐任澤，等.某銅礦細粒級全尾砂充填試驗及應用研究［J］.采礦技術，2024，24（2）：214-219.

［20］ GAO T，WU A X，WANG S Y，et al.Experimental and numerical investigations of bending mechanical properties and fracture characteristics of cemented tailings?waste rock backfill under three?point bending［J］.Construction and Building Materials，2024，447：138149.

［21］ 王洪江，白龍劍，張璽，等.低灰砂比細粒尾砂堆存體抗液化強度試驗研究［J］.中國有色金屬學報，2023，33（9）：3 092-3 103.

［22］ 謝佩，戴惠新，趙明珠.尾砂物理特性對其絮凝沉降性能影響規律的研究［J］.黃金，2023，44（8）：52-57.

Experimental study on optimal parameters for high?density ungraded tailings

flocculation and thickening in deep cone thickeners

Nie Jun1， Liu Min1， Chen Xiaoliang1， Cong Riming1， Xiao Bolin2， Liu Chunkang2

（1.China Nonferrous Metal Industry’s Foreign Engineering and Construction Co.， Ltd.;

2.School of Resources and Safety Engineering， University of Science and Technology Beijing）

Abstract： The study focuses on optimizing flocculation parameters to enhance the thickening efficiency and stability of high?density ungraded tailings in deep cone thickeners （DCT）. Laboratory flocculation tests were conducted to investigate the effects of unit consumption of different flocculants， the slurry concentration of ungraded tailings， and settling time on the thickening process. Based on the optimal parameters derived from laboratory experiments for high?density ungraded tailings， the commissioning， and operation of the DCT demonstrated excellent flocculation and sedimentation performance， validating the accuracy of the laboratory findings. The research confirms that determining optimal flocculation parameters ensures effective flocculation and thickening of high?density ungraded tailings in deep cone thickeners， providing robust technical and theoretical support for environmentally sustainable tailings management and resource?based utilization.

Keywords： high?density; ungraded tailings; deep cone thickener; flocculation and thickening; unit consumption; tailings slurry concentration

收稿日期：2024-11-20；修回日期：2025-01-12

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（QNXM20230019）

作者簡介：聶軍（1988—），男，工程師，碩士，從事采礦工藝研究工作；E?mail：xfcycsu@126.com

*通信作者：肖柏林（1989—），男，副教授，博士，從事充填采礦研究工作；E?mail：bxiao@ustb.edu.cn