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尾矿膏体形成机理浅析 ① 曾建红 长沙矿冶研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012 摘 要 针对某矿山铁尾矿物料特性,分析了尾矿膏体形成机理。 结果表明,尾矿膏体的形成与尾矿性质、絮凝工艺、沉降高度、耙 架搅拌等因素有关；该矿山尾矿可以采用单一浓缩方式直接制取尾矿膏体,也可以通过添加合适的固结材料来使其形成尾矿膏体。 关键词 尾矿； 充填； 膏体； 絮凝； 浓缩； 机理 中图分类号 TD926文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.04.018 文章编号 0253-6099201904-0075-04 A Brief Analysis of the ing Mechanism of Tailings Paste ZENG Jian-hong Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd, Changsha 410012, Hunan, China Abstract In view of the material characteristics of some iron tailings, the ing mechanism of tailings paste was investigated. The results show that the ation of tailings paste is largely related to the processing parameters, such as tailings properties, flocculation technique, sedimentation height and rack stirring rate. Based on the research, it is concluded that tailings in this mine can be processed to be paste tailings either by a single thickening approach, or by adding some applicable solidifying materials. Key words tailings； backfilling； paste； flocculation； thickening； mechanism 某矿山铁尾矿主要用于井下充填,充填固结材料 为胶固粉［1］,目前采用的是高浓度尾矿充填,尾矿矿 浆浓度约 50％,灰砂比 1 ∶4,充填成本 75 元/ m3,由于 充填成本较高,该矿考虑采用尾矿膏体充填技术。 本 文对此开展了相关试验,并根据此次试验结果,对该尾 矿形成膏体的机理进行了简单分析。 1 尾矿性质 某矿山铁尾矿密度为 2.7 g/ cm3,孔隙率 42.5％。 尾矿化学成分分析结果见表 1,筛分分析结果见表 2, 尾矿在 25 ℃时的屈服应力与泌水率测试结果见表 3。 2 浓缩尾矿膏体 2.1 浓缩尾矿膏体的特性 浓缩尾矿膏体是指通过单一浓缩的方式制取的尾 矿膏体,它主要由尾矿、水及少量絮凝剂组成。 国外研 究认为,满足以下两个条件的尾矿,一般可认为是尾矿 膏体［2-3］① 尾矿中-0.02 mm 粒级含量占 15％～20％ 以上；② 尾矿浆的屈服应力大于 20025 Pa。 表 1 尾矿化学多元素分析结果质量分数 / TFeSiO2Al2O3CaOMgOS 8.5531.216.7414.9615.183.60 表 2 尾矿粒度分析结果 粒级/ mm产率/ ％负累积产率/ ％ 1.6 0.00 -1.6 0.8 0.33100.00 -0.8 0.4 0.9399.67 -0.4 0.253.73 98.74 -0.25 0.155.73 95.01 -0.15 0.106.80 89.28 -0.10 0.0758.87 82.48 -0.075 0.03818.07 73.61 -0.038 0.0213.47 55.54 -0.02 42.0742.07 合计100.00 由表 2 可知,该尾矿-0.02 mm 粒级含量 42.07％, 具备了尾矿膏体的形成条件。 由表 3 可知,屈服应力 为 175 Pa 时,对应的尾矿浓度为 64％；而浓度 65％的 ①收稿日期 2019-02-13 作者简介 曾建红1983-,男,湖南邵阳人,高级工程师,主要从事选矿工艺与设备研究工作。 第 39 卷第 4 期 2019 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №4 August 2019 ChaoXing 表 3 尾矿屈服应力与泌水率测试结果 尾矿浓度/ ％灰砂比泌水率/ ％屈服应力/ Pa 18.0524.08 1∶104.8157.86 551∶6.54.0885.91 1∶53.24120.00 1∶42.66173.80 10.7758.16 1∶202.50180.44 60 1∶101.86233.23 1∶6.51.34267.43 1∶50.89355.20 1∶40.65470.43 6.52248.50 1∶201.16526.58 65 1∶100.72621.50 1∶6.50.33867.75 1∶50.181 145.08 1∶40.00 1.85737.17 1∶200.111 204.66 70 1∶100.05 1∶6.50.00 1∶50.00 1∶40.00 尾矿泌水率为 6.52％,则浓度 64％的尾矿泌水率必然 大于 6.52％,此泌水率值偏大一般要求在 3％以下［4］, 因此浓度为 64％的尾矿不属于真正意义上的膏体,而 是准膏体。 要想获得真正意义上的膏体,尾矿浓度需提高至 70％左右。 矿浆浓度70％时,尾矿屈服应力为 737.17 Pa, 泌水率值 1.85％。 采用浓缩的方式能否将尾矿制成膏体或准膏体, 除了与尾矿本身性质即内在因素有关外,还与絮凝条 件、池体高度、耙架搅拌等外在因素有关。 2.2 细颗粒在浓缩尾矿膏体中的作用 现有研究表明,决定尾矿能否形成膏体或准膏体 的最关键内在因素是尾矿的粒度组成。 尾矿的粒度组 成由矿山所采用的选矿工艺决定。 各个矿山的选矿工 艺千差万别,粒度组成也不尽相同。 工程上一般定义 -0.075 mm 粒级颗粒为细颗粒,-0.02 mm 粒级颗粒为 微细颗粒。 细粒级尾矿颗粒粒径小、比表面积大、物化性质复 杂,在浆液中表现出单个颗粒性质和群体颗粒性质两种 特征,在低浓度浆体中,单个颗粒性质的表现占主导地 位,在高浓度浆体中,群体颗粒性质的表现占主导地位。 细颗粒在尾矿膏体中的作用主要为 1 粒径小、难沉降,使得颗粒群体不易分层沉积。 细颗粒填补了粗颗粒间的间隙如图 1 所示,对粗颗 粒起到包裹作用,而细颗粒粒径小、悬浮性好,不易下 沉,所以被包裹的粗颗粒也难以下沉,从而使得尾矿颗 粒群体很难分层沉积。 图 1 超细颗粒嵌布图 2 表面能大,水化作用强,具有良好的保水性。 细颗粒由于表面键能作用强,水分子在颗粒表面被强 烈吸附,形成一层紧密排列的水分子薄膜,该层薄膜能 随颗粒移动,浓缩作用不能使其分离,需用化学方法或 机械方法才能使其分离,因此,细颗粒本身能保持一定 的水分。 另外,细颗粒充填于粗颗粒之间,会形成许多 细小的毛细孔,毛细孔中存在着毛细水,毛细水采用浓 缩方法一般很难全部脱除。 由此可见,细颗粒特别是微细颗粒在尾矿膏体中 的作用是十分重要的。 2.3 絮 凝 为方便起见,絮凝的定义在此处既包含有机高分 子化合物的絮凝,也包含无机盐的凝聚。 有机高分子化合物絮凝,是指在浆体中加入高分 子絮凝剂,如聚丙烯酰胺、淀粉等,通过长链分子的桥 联作用,将悬浮的颗粒连接成一种松散的、网络状的聚 集状态,如图 2 所示。 图 2 微细颗粒絮凝示意图 无机盐的凝聚,是指在浆体中加入某些无机盐,如 石灰、聚合氯化铝、聚合硫酸铝等,以降低固液界面的 双电层相互之间的斥力,而使得悬浮体失稳,细颗粒形 成凝块,如图 3 所示。 图 3 微细颗粒凝聚示意图 67矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 细颗粒特别是微细颗粒自身的沉降速度是很缓慢 的。 若忽略颗粒之间的影响,并假设颗粒为球形,根据 Stocks 公式可求出微细颗粒沉降速度。 温度为 20 ℃ 时,微细颗粒沉降速度值列入表 4。 表 4 微细颗粒沉降速度 颗粒直径 / mm 沉降速度 / mh -1 颗粒直径 / mm 沉降速度 / mh -1 0.021.3320.0050.083 0.0150.7500.0020.013 3 0.010.3330.0010.003 3 同时,由于布朗运动和表面电荷作用的影响,微细 颗粒在浆体中做无规则运动且相互排斥,一般十分稳 定,很难下沉。 在浓缩过程中,这些微细颗粒悬浮在澄 清层中,致使溢流水固含量超标,且微细颗粒的外流也 将导致物料的粒度组成发生改变,因此,必须借助絮凝 手段,使微细颗粒与粗颗粒一起聚沉。 絮凝作用主要借助絮凝剂来实现。 通过絮凝剂的 作用可使沉降缓慢甚至不沉降的微细颗粒、细颗粒和 粗颗粒相互聚集,形成更大直径的颗粒而加速下沉,从 而降低上层水的固含量、缩短颗粒沉降时间。 膏体浓缩过程中,絮凝作用是十分重要的。 浓密机内物料的分布如图4和图5所示。 膏体浓 密机内的过渡层和压缩层比普通浓密机和高效浓密机 厚得多,物料在这两层内压缩的时间较长,这对提高固 体物料的浓度有显著效果。 两个厚层区域的形成除了 与膏体浓密机池体高度有关外,还与絮凝剂能在短时 间内将固体颗粒絮凝团聚快速下沉有关。 图 4 普通浓密机和高效浓密机内物料分布图 图 5 膏体浓密机内物料分布图 膏体浓缩过程需要依靠足量的絮凝剂来完成,足 量的絮凝剂能使物料中不同粒径的固体颗粒在短时间 内快速团聚成大直径颗粒,大直径颗粒在进入浓密机 后在重力的主导作用下迅速下沉至临界压缩区,颗粒 下沉的时间是十分短暂的,这种快速絮凝既大大加速 了颗粒的沉降速度,延长了颗粒的压缩时间,也能较好 地保持颗粒粒径的均匀分布。 2.4 池体高度 膏体浓密机内的压缩层要比普通浓密机厚得多, 除了延长了颗粒的压缩时间,还能使颗粒受到的有效 压力增大。 有效压力的增大可以挤压固体颗粒使其产 生位移,最终将固体颗粒孔隙中的液相水排出,从而提 高压缩层固体物料的浓度。 在浓密机内,有效压力即为压缩层受到的有效应 力,有效应力等于压缩层的高度与固体颗粒容重的乘 积,因此提高浓密机内压缩层的高度,能有效提高压缩 层固体物料的浓度。 对浓密机而言,通过增加浓密机 池体高度来实现浓缩层高度的提高。 2.5 耙架搅拌 固体颗粒与足量的絮凝剂作用后会形成较大的絮 团,而在形成絮团的过程中,絮团内部以及絮团与絮团 之间存留了一部分水分。 絮团越大,存留的水分便越 多。 若浓密机内部没有搅拌装置,那么这些含有水分 的絮团将在重力和有效压力作用下沉降压实,在受力 达到平衡后,絮团内的水分将无法进一步排出,固体物 料的浓度也就不能再有提高。 浓密机内的搅拌装置通常是耙架［5］,耙架能对泥 层产生一定的挤压作用,从而打破絮凝体与颗粒之间 的平衡,迫使泥层中的存留水排出。 研究表明,合理的 耙架转速和耙架结构能使泥层中的水排出更畅通、更 快速。 2.6 小 结 从上述膏体形成的机理分析可见,该矿山铁尾矿 已具备形成膏体的初步条件,只要在浓缩工艺、装备上 做出合理的设计,完全可以生产出浓缩尾矿膏体。 3 调配尾矿膏体 调配尾矿膏体是指通过非单一浓缩的方式制取的 尾矿膏体,它一般由尾矿、水、固结材料及少量絮凝剂 组成。 在全尾井下充填生产中,最终送往井下的充填料都 是添加了固结材料的,固结材料一般为水泥、粉煤灰、胶 固粉等,这些物料粒度细,比表面积大,如胶固粉,颗粒 粒径在 0.0002～0.2825 mm 之间,其中-0.02 mm 粒级占 75.05％,比表面积 1.98 m2/ g。 77第 4 期曾建红 尾矿膏体形成机理浅析 ChaoXing 固结材料一般采用干粉直接添加的方式加入到尾 矿浆中进行混合,它吸收了尾矿浆中的部分水分,提高 了充填料浓度,它的加入也使尾矿的细粒级占比提高。 对没有达到膏体形成条件的尾矿,固结材料的添加可 使其满足要求。 如该矿山铁尾矿,尾矿浓度为 65％ 时,除泌水率值较大外,其它指标符合尾矿膏体特征, 在添加了 5％的胶固粉后,泌水率下降至 1.16％,满足 了要求。 尾矿浓度为 60％时,各项指标还处于高浓度 浆体范畴,但在添加了 10％以上含 10％的胶固粉 后,达到了尾矿膏体的基本条件。 因此,尾矿膏体可以采用浓缩工艺直接制取,也可 以通过后续工艺调配得到。 这对膏体浓缩-充填工艺 来说,在生产上具有了可调控的空间。 当然,合适的尾矿膏体制备工艺需要通过技术经 济比较来最终确定。 4 结 语 1 尾矿膏体的形成与尾矿性质、絮凝工艺、沉降 高度、耙架搅拌等因素有关。 2 该矿山尾矿可以采用单一浓缩方式直接制取 尾矿膏体,也可以通过添加合适的固结材料来使其形 成尾矿膏体。 参考文献 ［1］ 长沙矿冶研究院有限责任公司. 全尾充填膏体制备输送关键技术 及装备研究报告［R］. 2015. ［2］ Fall M, Celestin J, Sen H F. Potential use of densified polymer- pastefill mixture as waste containment barrier materials［J］. Waste Manage, 2010,30122570-2078. ［3］ 冯 满. 尾矿浓缩和膏体尾矿的地面堆放［J］. 现代矿业, 2009 1082-86. ［4］ 赵才智. 煤矿新型膏体充填材料性能及其应用研究［D］. 北京中 国矿业大学矿业工程学院, 2008. ［5］ 高正发,高中会,何军利. 杨家坝矿业公司尾矿浓密机改造实践［J］. 矿冶工程, 2018576-78. 引用本文 曾建红. 尾矿膏体形成机理浅析［J］. 矿冶工程， 2019，39 （4）75-78. 上接第 74 页 4 新工艺充分利用了物料性质,新设备采用了全 自动控制系统,并应用了新介质和特殊设计结构的滤 板,在内部注入了高压空气,使其兼备高效、节能的压 滤技术,既能将碳酸锰矿粉中的二价锰充分洗涤出来, 又提高了脱水率指标。 新工艺流程最终锰渣含水在 16％左右,比原工艺降低了 6 个百分点,可大大降低尾 渣下一步对外运输成本。 3 结 语 采用新工艺及相关设施,在原有生产条件下,将压 滤、洗涤流程一体化集成,取代了两段或多段联合洗涤 脱水工艺,使得脱水流程更加精简、效率更高、设备台 数更少。 经过对比,新工艺不但工艺环节少、自动化水 平高,平均洗涤率和脱水率比原工艺大幅度提升。 此 外,在设备成本增加不多的情况下,压滤洗涤一体化工 艺能降低废渣锰含量,将之前无法排放和利用的废渣 变成可利用、能外排的有用物质,提升了有价资源的回 收,产生良好的社会、经济效益。 参考文献 ［1］ 选矿设计手册编委会. 选矿设计手册［M］. 北京冶金工业出版 社, 1988. ［2］ 杜 兵,汝振广,但智钢,等. 电解锰渣处理处置技术及资源化研 究进展与展望［J］. 桂林理工大学学报, 2015,351152-159. ［3］ 杨德武,王达理. 铬黄滤饼洗涤吹干效果的实验研究［J］. 过滤与 分离, 201144-7. ［4］ 都丽红,王士勇,邓伯虎,等. 滤饼过滤中滤饼的洗涤及应用［J］. 化学工程, 2011840-43. ［5］ 熊 筱. 对电解锰进行清洁生产效果及指标体系可行性分析［J］. 贵州大学学报, 2009,261137-139. ［6］ 姚公弼. 固液分离的应用和发展概况［J］. 过滤与分离, 1994 21-8. ［7］ 赵博超,王雪婷,朱克松,等. 洗涤方式对电解锰渣中锰回收效率 及无害化处理的影响［J］. 环境工程学报, 2017116103-6108. 引用本文 刘谊兵，赵 钺，杨高天，等. 新型过滤洗涤一体技术在电解 锰废渣脱水洗涤中的应用研究［J］. 矿冶工程， 2019，39（4）72-74. 87矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing