玲珑金矿全尾砂絮凝沉降特性试验_田明明.pdf

玲珑金矿全尾砂絮凝沉降特性试验 田明明 1 徐文彬 1 王成龙 2 阎少华 2 （1. 中国矿业大学 （北京） 资源与安全工程学院， 北京 100083； 2. 山东黄金矿业 （玲珑） 有限公司， 山东 招远 265400） 摘要目前全尾砂胶凝充填是金属矿山充填采矿法的发展方向， 全尾砂浓缩沉降是实现矿山连续高效充填 的技术关键。以山东玲珑金矿全尾砂和5种絮凝剂为原料， 开展了全尾砂静态絮凝沉降试验， 采用控制单一变量 试验方法， 以沉降速度和沉降底流浓度为参考指标， 对絮凝剂各参数对絮凝沉降的影响进行了研究。结果表明 阴 离子型絮凝剂 （分子量为1 200万） 絮凝效果最佳， 尾砂沉降速度最快； 当絮凝剂溶液浓度为0.2， 单耗为75 g/t时， 沉降效果最佳， 继续增大絮凝剂溶液浓度和单耗， 会导致絮凝剂和全尾砂溶液黏度增大， 沉降速率和底流浓度减 小。在上述分析的基础上， 建立了絮凝沉降全过程力学模型， 将沉降全过程分为3个阶段， 并分别进行了力学分 析， 得出了沉降全过程理论曲线， 供相关研究参考。 关键词全尾砂絮凝沉降沉降速度底流浓度力学模型沉降曲线 中图分类号TD926文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -01-120-05 DOI10.19614/ki.jsks.201901023 Test on Flocculation Sedimentation Characteristic of Unclassified Tailings From Linglong Gold Mine Tian Mingming1Xu Wenbin1Wang Chenglong2Yan Shaohua2 （1. Faculty of Resources Safety Engineering， China University of Mining Technology（Beijing） ， Beijing 100083， China； 2. Shandong Gold Mining（Linglong）Co.， Ltd.， Zhaoyuan 265400， China） AbstractThe unclassified tailings（UT）cementing filling is the developing direction of filling mining in metal mine at present.Concentrated sedimentation of the UT is the key technology to achieve continuous and high-efficient filling in the mine.With the UT from Linglong Gold Mine in Shandong Province and five kinds of flocculants as raw materials， the static flocculation experiment of UT is carried out.The control of single variable is used to study the influence of various pa⁃ rameters of flocculant on flocculation and sedimentation by using sedimentation velocity and sedimentation underflow concen⁃ tration as reference inds.The results show that anionic flocculants（molecular weight 12 million）has the best effect on the sedimentation of UT， with the fastest sedimentation velocity.The optimum parameters for the flocculation and sedimentation process are determinedwhen the flocculant solution concentration is 0.2 and the unit consumption is 75 g/t， the sedimenta⁃ tion effect is best.Gradually increasing the concentration and unit consumption of the flocculant solution， can result in increas⁃ ing the viscosity of flocculant and UT solution， and decreasing the sedimentation rate and the underflow concentration.Based on the above discussion results， the mechanical model of flocculation sedimentation is established， and the whole process of sedimentation is divided into three stages， and the theoretical curve of the whole process of sedimentation is obtained by the mechanical analysis， so as to provide some reference for the related studies. KeywordsUnclassified tailings， Flocculating sedimentation， Sedimentation velocity， Bottom flow concentration， Me⁃ chanical model， Sedimentation curve 收稿日期2018-11-22 基金项目国家 “十三五” 重点研发计划项目编号 2018YFC0808403， 国家自然科学基金项目 （编号 51504256） ， 金属矿山高效开采与安全教育 部重点实验室开放基金项目 （编号 201702） 。 作者简介田明明 （1992） ， 男， 硕士研究生。 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 地表尾矿废石堆放既占用土地， 又会对生态环 境造成影响［1］。全尾砂胶凝充填既可以防治地表沉 陷， 又可以减少尾矿废石对地表造成的危害 ［2］。随着 我国选矿技术的发展， 矿石磨选颗粒越来越细， 使得 尾矿中细颗粒占比增大， 造成充填砂仓全尾砂浓密， 致使自然沉降时间较长 ， 无法满足矿山大规模连续 120 ChaoXing 充填需求， 并且溢流水含固量较高， 不仅会损失一部 分充填材料， 也不利于环境保护 ［3-4］。采用絮凝剂进 行絮凝浓缩沉降有助于解决上述问题。近年来， 大 量学者对全尾砂沉降规律进行了卓有成效的研究， 彭乃兵等 ［5］以单位面积处理能力为考察标准， 确定了 絮凝剂以及深锥浓密机的参数； 焦华喆等 ［6］进行了静 态絮凝沉降试验， 得出极限给料浓度、 絮凝剂单耗以 及深锥浓密机建议给料浓度等参数值； 王新民等 ［7］建 立了BP神经网络模型， 对絮凝剂参数以及给料浓度 进行了优化； Selomulya等 ［8］使用显微镜和 X 射线衍 射等方法， 对形成的絮团和底流的微观结构进行了 研究； Eswaraiah等 ［9］以铁尾砂为原料， 进行了絮凝试 验， 发现阴离子絮凝剂的絮凝效果较好。本研究通 过开展玲珑金矿全尾砂静态絮凝试验， 研究絮凝剂 类型、 单耗、 浓度对沉降速度和极限浓度的影响， 对 沉降全过程进行分析， 探究絮凝剂沉降机理， 揭示絮 凝剂各参数对沉降效果的影响， 为全尾砂絮凝沉降 参数选取提供可靠依据。 1试验材料和试验方法 1. 1试验材料 以山东玲珑金矿全尾砂为试验原料， 密度ρ 2.618 g/cm3， 曲率系数Cc1.16， 不均匀系数Cu15.9， 不 均匀系数较大。全尾矿主要化学成分见表1， 特征粒 度指标见表2， 粒径分布曲线见图1 （图中d为粒径， μm） 。试验使用的高分子絮凝剂类型包括非离子型 （分子量为1 200万） 、 阳离子型 （分子量为600、 1 200 万） 和阴离子型 （分子量为600、 1 200万） 。 1. 2试验方案 本研究试验主要采用控制变量的方法探究絮凝 剂对絮凝沉降工艺的影响， 试验步骤为 ①配制不同 种类的絮凝剂溶液， 搅拌速率为60～200 r/min， 时间 约1.5 h； ②根据试验设计要求， 配制不同质量浓度的 絮凝剂溶液； ③由选矿厂排出的砂浆溶液浓度为18 ～25， 试验中配制的全尾砂溶液质量浓度为20， 均 匀取样， 晾晒烘干， 加水搅拌均匀； ④将絮凝剂溶液 与浆液均匀混合， 静态放置， 记录各时间点液面的分 离高度。 试验中以混合溶液的沉降速度和底流浓度为指 标分析絮凝剂对尾砂的沉降效果。由于絮凝剂的加 入， 使得尾砂沉降速度大大加快， 为有效分析絮凝剂 各参数对絮凝效果的影响， 取沉降开始0～10 min内 的平均沉降速度为分析指标。 2絮凝沉降试验 2. 1絮凝剂选型试验 本研究配制了相同质量浓度 （0.2） 、 不同絮凝 剂类型 （阴离子型 （600万） 、 阳离子型 （600万） 、 阴离 子型 （1 200万） 、 阳离子型 （1 200万） 、 非离子型 （1 200 万） ） 的溶液， 编号分别为A1、 A2、 A3、 A4、 A5。各溶液 中， 絮凝剂单耗设计为20 g/t， 砂浆质量浓度为20。 浆液沉降300 min后的浓度为极限浓度 （沉降时间接 近300 min时， 尾砂沉降速度基本为0， 若长时间无法 观测到液面有明显变化， 可认为沉降结束， 达到理论 极限浓度） ［10］ 。相关试验结果见表3。 砂浆沉降60 min后浓度变化量很小， 沉降速率 随时间增大而减小， 成负相关关系， 是由于底流浆液 中颗粒之间的孔隙水和絮团包络的絮团水排出较困 难所致 （图2） 。 2019年第1期田明明等 玲珑金矿全尾砂絮凝沉降特性试验 121 ChaoXing 溶液A1、 A3的区别在于分子量不同。由表3可 知 增加分子量， 可使得砂浆在沉降前10 min内沉降 速度增加。由图2可知 在沉降50 min后， 溶液A1的 浆体底流浓度大于溶液A3， 分子量的增加使得溶液 所形成的絮团中包裹的水分子增加 ［10-13］， 从而使得底 部形成的浆体含水量增加， 致使浓度降低。对于溶 液A2、 A4， 增加絮凝剂的分子量， 沉降速率大致相同， 所得的最终浆体浓度差别较小， 说明阳离子型絮凝 剂分子量对尾砂沉降速率影响较小。总体上， 溶液 A1的底流浓度比其余4种溶液的底流浓度稍大， 但其 沉降速度最慢。进一步分析表3可知 沉降0～10 min 内， 5种絮凝剂溶液中， 溶液A3沉降速度最大， 可认为 絮凝剂的最佳类型为阴离子型 （1 200万） 。 2. 2絮凝剂质量浓度对絮凝效果的影响 本研究配制了絮凝剂浓度分别为0.1、 0.2、 0.3、 0.4的溶液， 编号分别为B1、 B2、 B3、 B4。单耗设 计为20 g/t， 浆液质量浓度为20。 由表4可知 溶液B2（浓度0.2） 的尾砂沉降速度 最大， 当絮凝剂浓度大于0.2时， 溶液浓度增加， 沉 降速度减小。可见， 絮凝剂浓度增加， 会导致絮凝剂 溶液黏稠度增大， 导致絮凝剂较难均匀分散到尾砂 溶液中， 较多的絮凝剂分子无法发挥作用， 使得沉降 速度减慢。如图3所示 沉降0～10 min内， 絮凝剂浓 度为0.2时， 尾砂沉降速度最快， 4种絮凝剂溶液中， B2溶液在沉降300 min内所形成的底流浓度最大。综 合分析可知， 絮凝剂质量浓度应控制在0.2左右。 2. 3絮凝剂单耗对絮凝效果的影响 本研究配制了絮凝剂浓度为0.2， 砂浆浓度为 20， 絮凝剂单耗分别为15、 35、 55、 75、 85 g/t的5种 溶液， 编号分别为C1、 C2、 C3、 C4、 C5。 由图4可知 溶液C4（絮凝剂单耗75 g/t） 的液面 高度下降最快， 即沉降速度最大； 当絮凝剂单耗小于 75 g/t时， 尾砂沉降速度随着絮凝剂单耗的增加逐渐 增大； 当絮凝剂单耗大于75 g/t时， 沉降速度反而下 降。这是由于当增大絮凝剂单耗时， 砂浆溶液中絮 凝剂分子数量增多， 使得更多的尾砂颗粒在短时间 内得到絮凝， 导致沉降速度增加。当絮凝剂单耗大 于某一值时， 浆液黏度增加， 使得沉降过程中水的阻 力增大， 并且过多的絮凝剂分子包裹絮团， 形成保护 作用， 影响到各絮团之间的相互粘连效果， 无法充分 发挥 “架桥” 作用， 从而使得沉降速度下降。 由图5可知 絮凝剂单耗为75 g/t时， 底流浓度最 大； 当絮凝剂单耗小于75 g/t时， 底流浓度随着絮凝 剂单耗的增加逐步提升， 当絮凝剂单耗大于 75 g/t 时， 底流浓度减小。这是由于单耗的增加， 浆体中的 絮凝剂分子数量增加， 所形成的絮团增大， 但絮团中 所包含的水以及尾砂颗粒之间的水分子增多， 底部 砂浆中被封闭的水难以排出， 从而导致最终的砂浆 含水量增加， 浓度降低 （图6） ［12-13］。综上分析， 絮凝剂 单耗取75 g/t较理想。 3沉降过程力学模型 加入絮凝剂后， 溶液中将形成尾砂絮团， 由于尾 砂絮团密度大于水的密度， 即ρ絮团＞ρ水， 絮团将发生 沉降， 将絮团视为球形， 受力情况如图7所示。 在沉降初始阶段， 尾砂絮团受重力G及水力曳力 ω作用 （图7 （a） ） ， 2019年第1期总第511期金属矿山 122 ChaoXing { GΔρgs ωλdηv， （1） 式中， G为絮团所受重力， N； Δρ为固液浓度差， kg/m3； g 为重力加速度， m/s2；s为絮团体积， m3；ω为絮团沉降过 程中所受的水力曳力， N；λ为Stokes曳力系数；v为颗粒 下降速度， m/s；η为溶液黏度， Pa s； d为絮团直经， m。 根据式 （1） ， 可知絮团在溶液中的沉降加速度a1为 a1 G-ω m Δρgs-λdηv m ，（2） 式中， a1为絮团沉降加速度， m/s2； m为絮团质量， kg。 在沉降初始阶段， 尾砂絮团加速沉降， 由 （2） 式 可以看出， 沉降速度增加， 将导致加速度a1减小， 当速 度达到某一值时， a1减小为0， 絮团开始做减速运动。 随着沉降继续进行， 底流浓度大于上部凝胶溶液， 此 时溶液整体存在压力梯度， 絮团的网状结构会产生 弹性应力P， 尾砂絮团受力如图7 （b） 所示， 由式 （1） 可 知， 此时平衡方程为 G-P-ωma2，（3） 式中， a2为絮团沉降加速度， m/s2； P为网状结构的弹 性应力， Pa。 于是， 有 a2 Δρgs-λdηv-P m .（4） 网状结构的弹性应力P会随絮团沉降深度的增 加而增加， 即P值会持续增加。由式 （4） 可知， 絮团沉 降速度v值越来越小， 则ω值变小， a2值增大， 当v减小 至某一值后， P占主导作用， 随着P值增大， a2减小， 因 此a2整体具有先增大后减小的趋势。 在沉降末速阶段， 絮团速度v值非常小，ω值可以 忽略不计， 絮团受力如图7 （c） 所示， 此时平衡方程为 为 a3 Δρgs-P m ，（5） 式中， a3为絮团沉降加速度， m/s2。 由式 （5） 可知， 随着P值逐渐增大， a3逐渐减小， 最终絮团趋于稳定， a3减小为0， 此时沉降速度v减小 为0， 沉降结束。 综合式 （2） 、（4） 、（5） ， 可得沉降全过程的平衡方 程为 a Δρgs-λdηv-P m . （6） 根据以上分析得出的絮凝全程理论曲线如图8 所示。 4结论 （1） 加入絮凝剂有助于改善尾砂沉降效果， 试 验选取的 5 种絮凝剂中， 阴离子型絮凝剂 （分子量 为 1 200万） 可有效发挥电中和吸附以及 “架桥” 作 用， 沉降效果最佳。 （2） 适当增加絮凝剂浓度， 可明显加快尾砂沉降 速率。当絮凝剂浓度大于0.2时， 由于絮凝剂溶液 黏度过大， 不易均匀分散于溶液中， 较多絮凝剂分子 无法充分发挥作用， 导致沉降速度降低， 因此确定絮 凝剂的最佳浓度为0.2。 （3） 适当加大絮凝剂单耗， 可加快絮凝沉降速 率。当絮凝剂单耗大于75 g/t时， 使得砂浆溶液黏度 过大， 致使沉降过程中上升的水的阻力增大， 并且过 多的絮凝剂分子包裹絮团影响到各絮团之间的粘 连， 导致沉降速度降低以及极限浓度降低。因此本 研究确定的絮凝剂最佳单耗为75 g/t。 （4） 通过对絮凝沉降全过程进行力学分析， 认为 尾砂絮团沉降速度呈现先增加后减小的趋势， 最后 2019年第1期田明明等 玲珑金矿全尾砂絮凝沉降特性试验 123 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ 速度趋近于0； 沉降加速度存在a1、a2、a33个阶段， 分 别对应为沉降加速段、 沉降减速段和沉降末速段。 参 考 文 献 袁先乐， 徐克创.我国金属矿山固体废弃物处理与处置技术进展 ［J］ .金属矿山， 2004 （6） 46-49. 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