焦家金礦全尾砂絮凝濃密試驗研究

關鍵詞：全尾砂；深錐濃密；絮凝沉降；動態濃密；膏體充填；資源化利用中圖分類號：TD926.4 文章編號：1001-1277（2025）08-0055-06文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250811

引言

隨著礦產資源的不斷開發，尾砂產生量逐年增加，如何高效、環保地處理尾砂成為礦山可持續發展的重要課題。全尾砂濃密沉降作為充填采礦技術的核心環節，對實現礦山綠色開采與固廢資源化利用具有重要意義[1-5]。近年來，國內外學者對全尾砂絮凝沉降技術進行了大量研究。王洪江等通過量筒沉降試驗和小型動態濃密試驗，探討了超細全尾砂的濃密特性，發現分子量為1200萬的非離子型絮凝劑對尾砂沉降效果最佳，且底流濃度隨泥層高度的增加呈DoseResp函數增長。王曉軍等通過多因素交互分析，發現尾砂濃度與絮凝劑用量的協同效應最為顯著。諸利一等[8-9]通過多因素方差分析發現，尾砂入料濃度對沉降速度的顯著性影響高于絮凝劑特性，提出 20% 入料濃度與分子量1500萬的絮凝劑協同優化方案。米智華等[10-11]通過控溫設備得到了不同溫度下漿體絮凝過程中的沉降速度變化。阮竹恩等[12]通過尾砂絮團的弦長演化出沉降速率模型，為濃密設備選型提供了理論指導。李翠平等3通過計算流體動力學（CFD）方法，研究了細尾砂在濃密機內的沉降脫水規律，發現粒徑對沉降速度和底流濃度有顯著影響。熊有為等[14]基于離散元與光滑粒子流體力學耦合方法，模擬了高濃度尾砂的濃密過程，驗證了仿真模型的準確性，為濃密工藝優化提供了新方法。王賢情等[15-17]應用響應面中心復合設計優化靜態濃密工藝，精準確定關鍵工藝參數。楊瑩等[8通過自主研發的智能觀測系統，運用圖像處理技術成功獲取尾砂絮凝沉降最優參數組合。高志勇等9通過小型連續濃密機模擬全尾砂動態濃密沉降過程，探討了泥層高度、攪拌速度和料漿停留時間對底流濃度的影響，確定了最佳操作參數。吳凡等[20通過正交實驗揭示了陰離子型絮凝劑（分子量1500萬）在砂漿濃度 20% 、單耗 40g/t 條件下的最優沉降性能，并基于科-克萊文杰模型確定了深錐濃密機關鍵參數。

盡管上述研究在絮凝劑篩選、濃密機優化及沉降機理等方面取得了重要進展，但全尾砂絮凝沉降過程中仍面臨諸多技術瓶頸。例如：絮凝劑的選擇與投加量直接影響沉降速度與底流濃度，但目前針對不同礦山尾砂特性的精細化絮凝劑優化策略仍不完善，導致絮凝劑單耗較高，增加了處理成本。此外，尾砂顆粒組成及分布的不均一性，使得沉降過程中泥層結構復雜，底流濃度易發生波動，影響充填料漿的穩定性。同時，濃密機內部的流場特性受多種因素耦合作用，傳統經驗模型難以準確描述其沉降機理，限制了工藝參數的進一步優化。因此，系統研究尾砂顆粒特性、流場演化及絮凝沉降的耦合機制，結合試驗測試與數值模擬方法，構建精準的沉降預測模型，優化工藝參數，提高沉降效率和底流濃度的穩定性，是推動全尾砂絮凝沉降技術進一步發展的關鍵。

本文以焦家金礦全尾砂為研究對象，圍繞全尾砂絮凝沉降展開系統研究。通過室內試驗，分析不同絮凝劑類型、投加量及操作條件對尾砂沉降特性的影響，探究優化組合方案，以降低絮凝劑消耗并提升底流濃度。研究成果可為優化礦山尾砂處理工藝提供理論支持，并為提高尾砂膏體充填效率、推動礦山固廢資源化利用提供技術指導。

1 原料、試劑與儀器

1. 1 原料及試劑

尾砂為焦家金礦選礦廠全尾砂，真密度為 2.64g/cm³ 松散堆密度為 1.15g/cm³ ，孔隙率為 56.44% 。采用激光粒度儀測定尾砂的粒徑組成分布，結果如圖1所示。由圖1可知： -37μm 粒徑占比 37.11% ， -74～+37μm 粒徑占比 28.61% ，全尾砂粒徑呈現中間少兩邊多的特征，整體較細。

圖1全尾砂粒徑分布曲線

絮凝劑選用山東偌爾生物科技有限公司生產的陰離子型絮凝劑K739和礦山現用絮凝劑ZC

試驗用水為焦家金礦拌合水， pH 值為7.14，含SO₄^2- 為 479.32mg/L 。

1.2 儀器

BT-300EA蠕動泵、DP-01真空抽濾機、JJ-100W電動攪拌機 ???1m 半工業深錐濃密機、SDE2渣漿泵、SKLD電磁流量計、絮凝劑制備系統。

2靜態絮凝沉降試驗

2.1 試驗方案

靜態絮凝沉降試驗采用量筒（ 1000mL 法。研究采用控制變量法，依次確定最佳的絮凝劑類型、礦漿濃度及絮凝劑添加量。首先，在固定礦漿濃度為10% 的條件下，分別選用絮凝劑K739和絮凝劑ZC，并設定添加量為 10g/t?12.5g/t?15g/tΩ ，通過對比沉降效果篩選出最優絮凝劑類型。其次，在確定的最佳絮凝劑及添加量條件下，控制礦漿濃度分別為 7% ！10%13%15%18% 和 20% ，分析不同濃度礦漿的沉降特性，以確定最佳礦槳濃度。最后，在優化所得的最佳絮凝劑與礦漿濃度條件下，進一步調整絮凝劑添加量為 10g/t，12.5g/t，15g/t，17.5g/t，20g/t， 考察其對沉降效果的影響，確定絮凝劑最佳添加量。本試驗方案旨在系統研究不同變量對全尾砂絮凝沉降性能的影響，為優化工藝參數提供科學依據。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 絮凝劑類型

在礦漿濃度 10% ，2種絮凝劑添加量均為 10g/t 、12.5g/t，15g/t 條件下，不同絮凝劑的尾砂沉降曲線如圖2所示。由圖2可知：2種絮凝劑相同添加量條件下，絮凝劑K739的尾砂沉降速度均優于絮凝劑ZC，確定最佳絮凝劑型號為K739。

2.2.2 礦漿濃度

絮凝劑K739添加量 12.5g/t 條件下，不同礦漿濃度的尾砂沉降曲線如圖3所示。由圖3可知：礦漿濃度越低，尾砂顆粒與絮凝劑作用效果越好，在沉降過程中絮團與絮團、絮團與尾砂顆粒間阻力越小，尾砂沉降速度越快。但是，礦槳濃度低，礦漿中所含尾砂固體顆粒低，濃密設備處理效率隨之降低。因此，在進行礦漿稀釋時，要綜合考慮尾砂沉降速度和濃密設備處理效率。

圖2不同絮凝劑的尾砂沉降曲線

Fig.2Tailingssettlingcurveswith different flocculants

圖3不同礦漿濃度的尾砂沉降曲線

固體通量是指單位時間內垂直通過單位面積的固體量，這一指標能夠兼顧尾砂沉降速度和濃密設備處理效率，因此將其作為最佳礦漿濃度的考察指標。根據試驗結果可得到固體通量與礦漿濃度之間的關系，如圖4所示。

圖4固體通量隨礦漿濃度變化曲線

Fig.4Variationcurveof solidsfluxwithslurryconcentration

由圖4可知：隨著礦漿濃度的增加，固體通量先增加后減小。通過擬合分析得到礦漿濃度為 12% 時，固體通量最大，因此最佳礦漿濃度為 12% 。

2.2.3 絮凝劑添加量

在礦漿濃度為 12% 條件下，控制絮凝劑K739添加量分別為 10g/t，12.5g/t，15g/t，17.5g/t 和 20g/t_o 不同絮凝劑添加量的尾砂沉降曲線如圖5所示。

由圖5可知：隨著絮凝劑添加量的增加，礦漿中尾砂顆粒沉降速度逐漸增加。當添加量超過 15g/t 時，隨著絮凝劑添加量的增加，礦漿中尾砂顆粒沉降速度增加并不顯著，上清液澄清度與添加量 15g/t 時相似。主要原因是過多絮凝劑會造成尾砂顆粒被層層包裹，使絮團“顯著\"增大，呈蓬松狀態，增大了尾砂顆粒沉降時所受阻力，減緩了尾砂顆粒沉降速度。此外，絮凝劑大分子結構形成絮團的過程中還會包裹部分水分，使尾砂最終沉降高度降低。因此，確定絮凝劑K739最佳添加量為 15g/t 。

圖5不同絮凝劑添加量的尾砂沉降曲線

3 動態濃密試驗

3.1 試驗方案

動態濃密試驗裝置如圖6所示，采用直徑 0.18m 、高度 1m 的定制玻璃鋼沉降柱，攪拌后的料漿通過蠕動泵泵送至柱體上口，經耙架剪切導水，柱體下方排料，實現動態濃密過程。

圖6動態濃密試驗裝置

Fig.6Dynamic thickening test device

以靜態濃密試驗為參考依據，配制適宜濃度的料漿加入桶內，電動攪拌機攪拌均勻后，泵入濃密裝置中。通過調節蠕動泵轉速，使礦漿濃度、絮凝劑添加量達到最佳，并模擬不同處理量下的濃密試驗工況。當泥層高度為 200mm 時，開始取樣測定溢流水含固量，靜止 8h 和 24h 后測定底流濃度。

3.2 試驗結果與分析

動態濃密試驗結果如表1所示。

表1動態濃密試驗結果

Table 1Dynamic thickening test results

注：進料中泥層高度 240mm ，進料完畢泥層高度 330mm.

由表1可知：濃密機運行參數對溢流水含固量和底流濃度具有顯著影響。當處理量由 0.5V（m²?h） 增加至 0.8t/（m²?h） 時，溢流水含固量逐漸上升，而底流濃度逐漸降低，其主要原因在于進料速度的變化影響了溢流水上升速度，進而改變了絮團沉降條件。在較低處理量下，溢流水上升速度較慢，絮團沉降時間延長，沉降更徹底，從而降低了溢流水含固量并提高了底流濃度。適當延長靜置時間有助于進一步提高底流濃度；靜置沉降24h后，底流濃度均可達到 60% 以上。因此，在實際應用中，可通過增加濃密機高度來延長尾砂的壓縮時間，從而有效提高底流濃度。在溢流水含固量要求不高于 200×10^-6 條件下，濃密機的最佳處理量為 0.6V（m²?h） 。工業試驗結果表明，在濃密機實際泥層高度達到 4m 以上的情況下，經充分沉降后，底流濃度可穩定控制在 72%±2%^[6] ，滿足工程應用需求。

4半工業深錐濃密試驗

4.1 試驗方案

半工業深錐濃密試驗裝置如圖7所示，采用直徑1m 、高度約 12m 的深錐濃密機，包含給料井與耙架，并配置絮凝劑制備添加系統，可模擬實際工況條件。

圖7半工業深錐濃密試驗裝置

Fig.7Semi-industrial deep-cone thickeningtestdevice

根據動態濃密試驗研究結果，濃密機處理量按0.6～0.8V（m²?h） 。每次試驗前需清空半工業濃密試驗機并注滿清水，待泥層高度達到 4.5m 時（給料井下邊緣）停正給料。為模擬工業深錐濃密機，彌補半工業濃密試驗機高度不足，靜置 ^10h 以上測定底流濃度，而溢流水則在試驗過程中用礦泉水瓶每隔 0.5h取一次，混合后進行含固量分析。

4.2 試驗結果與分析

半工業深錐濃密試驗條件如表2所示，結果如圖8所示。

表2半工業深錐濃密試驗條件

Table 2 Semi-industrial deep-cone thickening test results

由表2和圖8可知：濃密機處理量、設備高度及絮凝劑用量對底流濃度和溢流水含固量均有顯著影響。當處理量為 0.58?（m²?h） 時，底流濃度可達69.5% ，溢流水含固量為 123×10^-6 。當處理量增加至 0.71t/（m²?h） 時，底流濃度下降至 66.5% ，溢流水含固量升高至 187×10^-6 。當進一步增大處理量至 0.79V（m²?h） 時，底流濃度降低至 64.5% ，溢流水含固量則升高至 315×10^-6 。這表明隨著處理量的增加，底流濃度逐漸降低，而溢流水含固量則呈上升趨勢。通過降低處理量或增加濃密機高度均可有效提高底流濃度，這主要是由于較低處理量或較高設備高度能延長尾砂的沉降與壓縮時間，從而促進固液分離效果的提升。此外，當底流濃度達到一定水平后，進一步降低處理量可改善沉降效果，但同時可能影響處理效率，因此需要結合深錐濃密機優化后續濃縮過程。在絮凝劑K739添加量為 20g/t 時，溢流水含固量可穩定控制在 200×10^-6 以下，符合循環水回用的水質要求，為工業應用提供了合理的絮凝劑添加參考。

5結論

研究通過系統試驗優化了全尾砂絮凝沉降的關鍵工藝參數，為焦家金礦尾砂的高效處理和資源化利用提供了科學指導。

1）通過尾砂靜態絮凝沉降試驗，確定焦家金礦礦漿使用絮凝劑K739時沉降效果最佳。在此條件下，最佳礦漿濃度為 12% ，絮凝劑添加量為 15g/t ，可有效提高沉降速率和底流濃度，優化沉降性能。

2）通過動態濃密試驗和半工業深錐濃密試驗，推薦深錐濃密機處理量為 0.70?（m²?h） 。該參數可在保證沉降效果的同時提升處理效率，并確保濃密機的穩定運行，為工業應用提供優化依據。

3）在絮凝劑K739添加量為 20g/t 時，溢流水含固量可穩定控制在 200×10^-6 以下，滿足礦山循環水利用的水質要求，為尾砂資源化利用和廢水回用提供了可靠技術支撐。

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Experimentalstudyon flocculationandthickeningofungraded tailingsfrom theJiaojia GoldMine

He Xiaoliang1， Xiao Chongchun1，Wei Dengfeng2， Kou Yunpeng3， Chen Qiusong4，Qiu Jianhui5 （1.Feiyi Co.，Ltd.; 2. Jiaojia Gold Mine，Shandong Gold Mining （Laizhou） Co.，Ltd.;3.Backfilling Engineering Laboratory ofShandong Gold Group Co.，Ltd.;4.School of Resources and Safety Engineering，University ofScienceand Technology Beijing;5.School ofResources andSafety Engineering，Central South University）

Abstract：To address the issues of high unit consumption of flocculantand unstable underflow concentration in the treatment ofungraded tailings atthe Jiaojia Gold Mine，aseriesof static flocculation-setling tests，dynamicthickening tests，and semi-industrial deep-cone thickening tests wereconducted to systematically investigate theinfluencing factors andoptimize the flocculation-thickening processResults show that in static tests，theanionic flocculant K739 produced optimal setling performance at a pulp concentration of 12 % and a dosage of 15g/t ，significantly improving underflow concentration.However，overdosing led to loose floc structuresand increased setlingresistance.Indynamic tests，when the treatment rate was 0.6V（Ωm²?h） ，the underflow concentration reached 67.66 % ，with the overflow solid content below 2Oox10-6.Prolonging thecompresion time further improved the underflow concentration.Semi-industrial tests confirmedanegativecorrelationbetween treatmentrateandunderflow concentration.Considering therequirement that overflow solid content should not exceed 200 ×10^-6 ，arecommended thickener throughput of 0.7V（σ_m²?h） was proposed.Byoptimizing slurryconcentration，flocculant dosage，andtreatment rate，andby increasing thickener height to extend compression time，stable underflow concentrations above 72% can be achieved. This provides both theoretical and technical support for paste backfiling and resource-based utilization of mine tailings.

Keywords：ungraded tailings;deep-conethickening;flocculationandsetling;dynamicthickening; pastebackfilling; resource-basedutilization