絮凝劑在金礦尾砂真空過濾脫水中的應用研究

朱庚杰 朱萬成 侯 晨 荊曉東 郭加仁 李廣波

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.山東黃金礦業科技有限公司充填工程實驗室，山東 萊州 261441）

0 引 言

尾砂膠結充填是指利用充填泵或自流將一定配比的尾砂（作為骨料）、膠凝材料和水經混合攪拌制成充填料漿沿管路輸送至井下采場采空區，緊接著膠凝材料發生水化反應及水化產物的不斷析出使充填體凝結硬化［1］，最終形成具有一定強度的充填體，為采礦作業提供安全環境［2-3］。尾砂膠結充填將礦山尾礦用于井下采空區回填，且減少了尾礦庫排放，具有“一廢治兩害”的效應［4］。

相關研究指出，料漿濃度與充填體強度呈指數函數關系［5-7］。此外，提高尾礦排放濃度可解決尾礦庫中水量過多的問題，降低尾礦庫安全隱患，這都要求礦山在滿足料漿可輸送的條件下盡量提高充填體的濃度。戴超群［8］研究了某礦山不同濃度全尾砂料漿流動性規律，得出75.2%的臨界濃度；齊兆軍等［9］研究得出某金礦全尾砂料漿濃度72%～76%達到膏體（似膏體）狀態，超過76%時流動性急劇下降，因此，充填料漿在情況允許時應盡量達到70%～75%的高濃度狀態。尾砂濃密脫水是實現高濃度充填和尾礦排放的前提，近年來隨著選礦工藝的發展，尾砂越來越細，導致尾砂吸附水量增多、保水能力強，極大增加脫水難度，常規濃密設備（如立式砂倉、普通耙式濃密機）單獨使用很難獲得穩定的70%～75%的高濃度底流，凡口鉛鋅礦使用立式砂倉獲得50%～55%的底流濃度［10］，石人溝鐵礦放砂濃度也僅在53%～56%之間［11］。為改善沉降速度和提高底流放砂濃度，絮凝沉降技術逐漸被應用到尾砂濃密脫水中，聚丙烯酰胺（PAM）是尾砂濃密脫水處理中最常用的有機高分子絮凝劑［12］，尾砂絮凝沉降過程十分復雜，受絮凝劑種類、稀釋濃度、單耗以及尾砂粒級和濃度等多種因素影響［12-16］，通常采用沉降速度、底流濃度和上清液澄清度來表征絮凝沉降過程。凡口鉛鋅礦使用立式砂倉添加絮凝劑后底流濃度由50%～55%提高至65%以上［10］，石人溝鐵礦放砂濃度由53%～56%提高至65%以上［11］，國外Enviro-Clear型高效濃密機處理不同礦山尾砂可獲得50%～65%的底流濃度［4］，國內Gx系列高效濃密機可獲得40%～65%的底流濃度［4］，謙比希銅礦使用深錐濃密機可獲得穩定的70%左右的底流濃度［17］。因此，基于重力脫水原理的立式砂倉、普通濃密機、高效濃密機和深錐濃密機難以實現穩定的70%～75%的高濃度底流。

真空過濾是基于過濾脫水原理［4］，以濾布和濾餅為過濾介質，以物料兩側真空和大氣壓形成的壓差為動力以實現固液分離。絮凝劑已成功應用于精煤等物料的過濾脫水中，可明顯加快脫水速度和節約電能，并可獲得濃度80%左右的濾餅［18-20］。本研究嘗試將絮凝劑應用到金礦尾砂真空過濾脫水中。但是，一方面，絮凝劑不具有普適性，需根據物料性質選擇適合的絮凝劑；另一方面，尾砂充填對尾砂均勻性有要求，而國內黃金礦山尾砂密度大，一般為2.6～2.9 t/m3［21］，過濾脫水過程更易形成粗細顆粒上下分層分布的情況，超細粒級尾砂聚集并與泥質成分粘結而不易分散，嚴重影響充填質量。

因此，本項目結合工程實際需要，以獲得脫水速度快、濾餅濃度高且濾餅尾砂顆粒分布均勻的充填料為目的，進行了絮凝劑在黃金礦山尾砂真空過濾中的應用研究。首先開展了絮凝劑篩選試驗，并在此基礎上探索了絮凝劑單耗和真空壓力對金礦全尾砂真空過濾脫水效果的影響規律，研究結論為后續應用提供依據，也豐富了尾砂濃密脫水技術。

1 材料與方法

1.1 材料和裝置

以三山島金礦選廠全尾砂為實驗原料，實驗前將取來的尾砂進行干燥、混勻處理，按照GB/T 50123-1999及JTG E42-2005標準進行基本物理性質檢測，表觀密度2.72 t/m3，堆積密度1.17 t/m3，空隙率57.12%。采用X射線熒光光譜分析（XRF，X-Ray Fluorescence）檢測尾砂化學成分，主要包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、Fe2O3、SO3，各含量見表1。使用XRD能譜分析檢測礦物組成，主要礦物組成為石英、鈉長石、云母和透長石。

使用Mastersizer 3000激光衍射粒度分析儀進行尾砂粒徑分布測試，粒徑分布曲線見圖1，平均粒徑63.34 μm，屬于中等細度尾砂［21］；累計篩余百分率為90%、60%、10%所對應的粒徑值：d90=211.0 μm，d60=27.4 μm，d30=5.21 μm，d10=1.65 μm；不均勻系數：α60=d60/d10=16.61；曲率系數：Cc=d230/（d10d60）=0.60，結合粒徑分布曲線，可認為該尾砂級配不均，尾砂細粒級、粗粒級多，中間粒級缺少。該尾砂粒級特點造成使用普通濃密機因粒徑整體偏細而難以獲得高濃度底流，而使用深錐濃密機因粗粒級含量偏多又容易造成圧耙。根據三山島金礦選廠全尾砂排放濃度測定結果（質量濃度38%～43%），實驗前配制質量濃度40%的尾砂漿，測定pH值為7.2，呈弱堿性，絮凝劑選用國內在售的各種常見有機聚丙烯酰胺高分子絮凝劑。

如圖2所示為自制真空過濾試驗裝置，該試驗裝置主要由真空泵、濃密筒和過濾件組成。真空泵創造真空環境，與濃密筒內尾砂漿上部大氣壓形成壓差F；濃密筒作為尾砂漿濃密脫水容器，于筒壁內側上下方向標示刻度，可記錄尾砂漿固液分離面實時位置，便于計算初始沉降速度和尾砂濃度；過濾件包括濾布和濾紙，保證極細尾砂顆粒不流失。

1.2 實驗方案

實驗主要研究絮凝劑類型、絮凝劑單耗和壓力對沉降過程的影響，沉降過程衡量指標包括初始沉降速度、濾餅濃度和濾餅分層程度。絮凝劑篩選實驗：選擇常用有機聚丙烯酰胺高分子絮凝劑共10種，絮凝劑單耗 35 g/t，壓力50 kPa，包括 2 200萬、1 500萬、800萬分子量的非離子型PAM（用P-2200、P-1500、P-800表示），50%、40%、30%、20%離子度的陽離子型CPAM（用C-50%、C-40%、C-30%、C-20%表示），2 200萬、1 500萬、800萬分子量的陰離子型APAM（用A-2200、A-1500、A-800表示）。絮凝劑單耗對沉降過程的影響實驗：10 g/t、15 g/t、20 g/t、25 g/t、30 g/t、35 g/t、40 g/t、45 g/t和50 g/t共9個絮凝劑單耗類型，壓力50 kPa，使用絮凝劑篩選實驗得出的最佳絮凝劑類型。壓力對絮凝沉降過程的影響實驗：0 kPa、10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa、70 kPa、80 kPa、90 kPa共10個壓力梯度；絮凝劑單耗35g/t，使用絮凝劑篩選實驗得出的最佳絮凝劑類型。絮凝劑單耗和壓力對絮凝沉降過程的影響程度比較實驗，設4種條件：①不加壓，不添加絮凝劑；②不加壓，添加絮凝劑，單耗35 g/t；③加壓50 kPa，不添加絮凝劑；④加壓50 kPa，添加絮凝劑，單耗35 g/t。

試驗流程如圖3所示，按照GB/T 18712-2002規定方法配制1‰絮凝劑溶液；稱量全尾砂樣品350 g，加水并充分攪拌制成40%質量濃度全尾砂漿，用滴管添加配制好的絮凝劑溶液，與砂漿混合均勻后倒入濃密筒；立即啟動真空過濾試驗裝置，并對抽濾過程進行錄像，實時記錄固液分離面位置。

初始沉降速度按照GB/T 18712-2002，逐級對固液分離面沉降速度進行平均，選擇最大的平均沉降速度作為初始沉降速度，該值反映了尾砂脫水速度；濾餅濃度是指固液分離面隨抽濾時間的延長逐漸降低直至消失時的尾砂質量濃度；本項目中濾餅分層程度的計算是將最終形成的濾餅在高度上等分為上下兩部分，經烘干冷卻至室溫，按照JTG E42-2005標準水洗法進行篩分試驗，依次過80目、100目、150目、200目、325目和400目篩，根據篩分結果計算濾餅分層程度，該指標反映了濾餅上下層尾砂顆粒分布的不均勻程度，顯然該值越小越好，濾餅分層程度計算公式：

式中，l為濾餅分層程度，%；Oi為濾餅上層尾砂各粒級產率，%；Ui為濾餅下層尾砂各粒級產率，%；Ii為真空過濾前尾砂各粒級產率，%。

2 結果與討論

2.1 絮凝沉降過程分析及絮凝劑篩選

不同種類絮凝劑時的尾砂固液分離面沉降過程如圖4、圖5所示。

經不同絮凝劑調理后的尾砂漿均表現出先快速沉降后趨于穩定的特點，且絮凝沉降過程主要發生在前420 s。經絮凝劑調理后的尾砂漿，尾砂顆粒受絮凝劑長鏈捕捉形成絮團，絮團在沉降過程中受壓力F（大氣與真空環境的壓差）、下向水流作用力F水流、重力G以及阻力（主要包括浮力F浮和絮團間作用力F絮團）作用，阻力大小在沉降過程是不斷變化的。根據試驗結果，可將整個沉降過程可劃分為4個主要階段：①加速沉降段，0～20 s左右時間段，尾砂與絮凝劑充分混合后，絮團之間不接觸基本無相互作用，絮團主要受下向水流作用力F水流、重力G和浮力F浮影響，合力向下，加速度向下，絮團在豎直向下方向的速度由零升至最大，隨尾砂濃度升高，F絮團參與進來，阻力增加，合力漸漸變為零，此時達到最大沉降速度；②接觸沉降段，20～300 s左右，隨固液分離面不斷降低，絮團間開始相互接觸，阻力逐漸增加，沉降速度開始下降；③壓密段，300～420 s時間段，絮團間相互擠壓變小且緊密分布，F水流和F浮幾乎為零，壓力F直接作用于絮團集體，絮團間作用力F絮團不斷增強，使絮團間和絮團內部的自由水不斷被擠出；④穩定段，420 s以后時間段，在當前真空壓力F值下，絮團間相互作用力達到平衡，絮團間和絮團內自由水不再向下流動。

添加不同絮凝劑后固液分離面初始沉降速度和尾砂濾餅濃度計算結果見表2。

整體來看，相比于非離子型和陽離子型絮凝劑，陰離子絮凝劑對該尾砂表現出更好的絮凝沉降效果，這主要是因為陰離子型絮凝劑與尾砂顆粒之間屬于化學吸附，吸附力較強，絮團較密實，而非離子型和陽離子型屬于較弱的靜電物理吸附［13］。對于非離子型和陰離子型絮凝劑，尾砂漿脫水速度和脫水程度與分子量正相關；對于陽離子型，脫水過程受離子度大小影響不大。

添加A-2200絮凝劑，尾砂漿脫水速度最快且脫水程度高，初始沉降速度達4.14 cm/min，濾餅濃度可達81.79%，有助于三山島金礦全尾砂的絮凝脫水。

2.2 絮凝劑單耗對尾砂真空過濾脫水過程的影響

50 kPa真空壓力下，不同A-2200絮凝劑單耗的尾砂漿脫水過程如圖6、圖7所示。

將不同絮凝劑單耗對尾砂真空過濾脫水過程的影響定量化，計算固液分離面初始沉降速度、濾餅濃度和濾餅分層程度，結果列于表3和圖8～圖10。

絮凝劑單耗對尾砂脫水速度、脫水程度和濾餅分層程度都有顯著影響。絮凝劑單耗增加，初始沉降速度逐漸加快，濾餅濃度先緩慢降低、35 g/t后快速下降，濾餅分層程度減小、35 g/t后減小幅度趨緩。絮凝劑較少時，尾砂顆粒不能充分附著絮凝劑，粗顆粒下降快，細顆粒下降慢，易形成粗細顆粒分層，絮凝劑添加量增加，可充分作用于尾砂顆粒，粗細顆粒在絮凝劑作用下共同下沉，絮團更多更大，加快尾砂絮團的沉降，且不易分層，但絮凝劑用量過多，特別是超過35 g/t時，絮團數量過多，水被包裹在絮團內部或絮團之間，水分排出難度不斷增加，同時，尾砂漿黏度不斷增加使底部尾砂滲透性降低，使排水阻力增加，造成濾餅濃度降低。綜合考慮，50 kPa真空壓力下，對該尾砂漿真空過濾脫水的最佳絮凝劑單耗是35 g/t。

2.3 壓力對尾砂真空過濾脫水過程的影響

絮凝劑單耗為35 g/t時，不同壓力下的尾砂過濾脫水過程如圖11、圖12所示，同樣受不同壓力影響明顯。

初始沉降速度、濾餅濃度和濾餅分層程度的計算結果見表4和圖13～圖15。

隨著壓力的增加，沉降速度加快，濾餅濃度增加且增幅逐漸趨緩，同時伴隨著濾餅分層越來越嚴重。壓力從0增加到90 kPa時，初始沉降速度基本呈線性增長，由1.14 cm/min增大到5.88 cm/min，壓力平均每增加10 kPa初始沉降速度增加0.53 cm/min，隨真空壓力的增加，水受真空壓力帶來的下向力向下滲流，絮團在下向水流F水流的作用下使沉降速度增加；同時，絮團受下向水流F水流作用力增加，絮團結構受力破壞，絮團尺寸和絮團間隙均減小，絮團內部及絮團間的水被擠出，尾砂濃度不斷增加，隨著水不斷被擠出［22］，至后期濃度增幅趨緩；壓力從0增加到90 kPa時，分層程度基本呈線性增長，由0.93%增大到3.18%，平均每10 kPa增加0.25%，濾餅分層程度影響不明顯，說明尾砂漿經絮凝劑調理能減輕粗細顆粒分層下沉的程度。實際應用時，應結合對濃度和分層程度具體需求選擇不同的真空壓力。

2.4 絮凝劑單耗和壓力對尾砂真空過濾脫水過程的影響程度比較

4種條件（見表5）下的尾砂過濾脫水過程見圖16、圖17所示，添加絮凝劑后，脫水速度顯著提高，脫水速度和脫水程度隨壓力的增長明顯提高，進一步驗證了前面的結論。

初始沉降速度、濾餅濃度和濾餅分層程度計算結果見表5和圖18。

試驗b、c、d分別與試驗a結果相比，初始沉降速度分別提高了0.6 cm/min、2.04 cm/min和3.48 cm/min，說明高壓環境下更有利于發揮絮凝劑的作用，絮凝劑和壓力環境對尾砂脫水速度具有協同效應；結合圖9和圖14結果，絮凝劑單耗在0～35 g/t區間時，濾餅濃度主要受壓力影響；結合圖10和圖15結果，絮凝劑單耗在0～35 g/t區間時，加壓后濾餅分層程度略微加重，但影響很小，濾餅分層程度主要受絮凝劑單耗影響。

3 結 論

（1）經絮凝劑調理后的尾砂漿，其沉降過程均表現出先快速沉降后趨于穩定的特點，分子量2 200萬的陰離子型PAM表現出最好的絮凝沉降效果；同時，該尾砂受陰離子型和非離子型絮凝劑分子量影響較大，分子量越大，絮凝沉降效果越好，但受陽離子型絮凝劑離子度的影響很小。

（2）隨絮凝劑單耗增加，初始沉降速度逐漸加快，濾餅濃度先緩慢降低、35 g/t后快速下降，濾餅分層程度減小、35 g/t后減小幅度趨緩。綜合考慮，50 kPa真空壓力下，對該尾砂漿真空過濾脫水的最佳絮凝劑單耗是35 g/t。

（3）隨著壓力的增加，沉降速度加快，濾餅濃度增加且增幅逐漸趨緩，同時也伴隨著濾餅分層越來越嚴重，實際應用時，應結合對濃度和分層程度具體需求選擇不同的真空壓力。

（4）絮凝劑和壓力環境對尾砂脫水速度具有協同效應，絮凝劑單耗在0～35 g/t區間時，濾餅濃度主要受壓力影響，濾餅分層程度主要受絮凝劑單耗影響。