极细粒级尾砂絮凝沉降规律试验研究

李宗楠，郭利杰，许文远，史采星

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

极细粒级尾砂絮凝沉降规律试验研究

李宗楠，郭利杰，许文远，史采星

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

在尾砂充填系统中，细粒级尾砂沉降速率慢、沉降后的底流浓度低，在砂仓中很难靠自然沉降获得理想的底流浓度，制约了尾砂充填的用料范围。为了实现全尾砂充填，减少砂仓中细粒级尾砂的溢流跑浑，本文采用聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂，针对极细颗粒细尾砂在立式砂仓中的沉降规律进行了实验研究，并建立了沉降相关参数的数学模型，得到了细粒级尾砂沉降规律。结果表明：在不添加絮凝剂条件下，浆液浓度与沉降速率基本呈线性规律，当添加絮凝剂之后，沉降速率与絮凝剂添加量的关系表现为非线性凸曲线，浆液浓度越高曲线越凸。对于特定的充填料浆浓度，在最佳絮凝剂添加量之前，沉降速率随着絮凝剂添加量增大而加快，当絮凝剂添加量超过该最佳添加量，絮凝沉降速率随絮凝剂添加量增大而减小。

尾砂充填；极细粒尾砂；絮凝沉降；沉降速率

立式砂仓顶部溢流水跑浑问题是充填工艺系统的主要难题之一，溢流跑浑不仅影响了立式砂仓的制砂量，同时也加大了对溢流回水的处理成本，是影响充填效益的主要因素之一。为提高尾砂充填利用率、降低溢流水含砂率，国内外学者进行了广泛和深入的研究，目前针对极细颗粒尾砂在充填系统中主要采用添加絮凝剂的方法加以解决［1］。

本研究采用量筒沉降实验［2］针对某铜矿山特细充填尾砂进行絮凝沉降实验，研究沉降速率与尾砂浆液浓度、絮凝剂添加量之间的关系，为实现高效充填工艺提供基础资料。实验采用聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂进行静态沉降实验，按照矿山充填料浆液浓度范围和常用絮凝剂设计添加量进行分组设计，对比实验分析［3］。

1 静态絮凝沉降实验

1.1 实验材料

1.1.1 絮凝剂

本实验采用聚丙烯酰胺（PAM）阴离子型有机高分子絮凝剂（品牌：SNF；型号：AN934SH），产品为白色粉末，无毒、无味、无腐蚀性，相对分子量106级［4］。

1.1.2 细尾砂

对某铜矿山充填用细尾砂现场取样，实验室进行基础数据测试，主要测试其容重、密度、孔隙率、粒级组成、渗透性、有害元素等。实验室内采用比重瓶法SL237－005－1999测定尾砂比重为3.02g/cm3；测定含水率1.48%；XRD谱图分析尾砂中以堇青石、珍珠云母、皂石为主。

粒度测试采用马尔文激光粒度测试仪，结果如表1、图1所示。

表1 尾砂粒级组成

数据分析表明，尾砂的不均匀系数10.27，不均匀系数较大，表明自然级配一般。

1.2 实验设计

实验方案设计时选用不同尾砂浆浓度、不同絮凝剂添加量的组合，对比分析，实验参数如下所示。

尾砂浆浓度（%）：15；20；25。

絮凝剂添加量（g/t）：0；5；10；20；30。

图1 粒径分布曲线图

1.3 实验过程

实验过程如图2所示。

1）称量与絮凝剂溶液制备：配置0.5%的絮凝剂溶液，按设计比例称量尾砂和水。

2）浆液制备：按设计要求将称量好的尾砂和水，并在带刻度标签的量筒里充分搅拌，制备设计要求浓度的尾砂浆液。

3）添加絮凝剂：用移液管向制备好的的尾砂浆液里添加絮凝剂溶剂，添加量按设计要求，并用带网孔橡胶垫的玻璃棒适当搅拌。

4）静置并读取尾砂浆液沉降过程中浆液与清水分界面高度。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

实验数据经整理绘制曲线，如图3～5所示。

从三种不同浓度的絮凝沉降规律曲线可以看出，尾砂在刚开始沉降时，各浓度分组的沉降高度均匀增加，表明沉降速率均匀，且初期，添加有絮凝剂的沉降速率明显较快，曲线达到稳定的时间明显提前。通过曲线变化规律可看出，当达到一定的沉降高度后，各组沉降曲线的高度不再增加，表明沉降速度逐步放慢，并趋于稳定；根据尾砂在立式砂仓中的沉降规律，结合试验情况，尾砂自然沉降速率应该按照尾砂前期恒定的均匀沉降速度计算。

按照设计参数，分别针对3组浓度5组絮凝剂添加量配比进行实验测试，整理实验后数据，可得表2。

表2 实验结果/（cm/min）

图2 实验过程

图3 絮凝沉降规律曲线（尾砂浆液浓度15%）

图4 絮凝沉降规律曲线（尾砂浆液浓度20%）

图5 絮凝沉降规律曲线（尾砂浆液浓度25%）

2.2 实验分析

1）15%浓度下，溢流尾砂絮凝沉降速率随絮凝剂添加量增加而增大，且明显比不添加絮凝剂情况下的沉降速率要大许多。

2）20%浓度下，最大沉降速率对应某一最佳絮凝剂添加量，实验过程中，对应絮凝剂添加量为10g/t时，具有最大沉降速率，且明显比不添加絮凝剂情况下的沉降速率要大许多。

3）25%浓度下，絮凝剂添加量对沉降速率影响不是很明显，从图6中曲线变化规律来看，随着絮凝剂添加量增大，沉降速率有所增长，当絮凝剂添加量达到30g/t，出现小幅度的降低，表明，相对较高的浓度，絮凝剂对沉降速率的作用一定程度上受到浓度影响与制约。

图6反映了沉降速率与絮凝剂添加量的关系趋势。

图6 絮凝剂添量与沉降速率关系

图6表明，絮凝剂对沉降速率的影响趋势，在同一个浓度条件下随着絮凝剂增加沉降速率加大，其趋势基本上成线性；另外，对比三个浓度条件下，趋势线的增长情况来看，20% 浓度条件具有较大的斜率，反映了絮凝剂对沉降速率的影响与浓度具有很大关系，在10% 浓度条件下，絮凝剂添加量在10g/t及以下范围能获得较好的沉降效果。

图7表明，当添加絮凝剂之后，沉降速率与絮凝剂添加量的关系表现为非线性凸曲线，浆液浓度越高，曲线越凸，说明针对特定的浆液浓度，存在最佳絮凝剂添加量，在此最佳絮凝剂添加量之前，沉降速率随着絮凝剂添加量增大而加快，当絮凝剂添加量超过该最佳添加量之后，絮凝沉降速率随絮凝剂添加量增大而减小。

3 数据分析

3.1 数学模型

图7 尾砂浆浓度与沉降速率关系

根据试验结果及数据分析，对实验结果进行简化以建立数学模型，前提条件：①尾砂浆液浓度对沉降速率影响呈线性变化；②絮凝剂添加量对沉降速率影响呈二次多项式关系。

取应变量z为沉降速率，单位cm/min；自变量x是尾砂浆液浓度x，单位% ；自变量y是絮凝剂添加量，单位g/t。沉降速率z由某函数f（x，y）表示，z＝f（x，y），则上述条件表示为式（1）、式（2）。

式中：a，b，c为待定系数，C，K为常数。

针对不同浓度，最小二乘法拟合沉降速率z与絮凝剂添加量的关系，可以得到常数项K，以向量形式表示：K（k1，k2，k3）＝（0.0991，0.1511，0.0232），数值分别表示浓度x（x1，x2，x3）＝（15%，20%，25%）对应曲线的斜率，如图6所示。

由式（1）建立矩阵方程（式（3）），求解待定系数（a，b，c）。

解此方程，得到待定系数（a，b，c）＝（－35.98，13.633，－1.1363），则可建立如式（4）所示数学模型。

3.2 数学模型分析

上述数学模型能够解释较高浓度砂浆条件下的沉降规律，在本实验条件下，与25%砂浆浓度吻合较好；在较低砂浆浓度下，絮凝剂对沉降速率影响从数据情况来看，数据变化的“上凸”不是太明显，式（2）不够充分，有待进一步研究。

4 结论

本文针对极细尾砂絮凝沉降开展了相关实验研究，采用聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂对极细颗粒细尾砂的沉降规律进行了试验研究，得到了细粒级尾砂絮凝沉降规律。结果表明：在不添加絮凝剂条件下，浆液浓度与沉降速率呈线性规律，当添加絮凝剂之后，沉降速率与絮凝剂添加量的关系表现为非线性关系的凸曲线，尾砂浆液浓度越高曲线越凸。这说明对特定的料浆浓度，存在最佳絮凝剂添加量，在此最佳絮凝剂添加量之前，沉降速率随着絮凝剂添加量增大而加快，当絮凝剂添加量超过该最佳添加量之后，絮凝沉降速率随絮凝剂添加量增大而减小；同时，对絮凝沉降规律建立了相关数学关系建模，经试验验证其模型与较高浓度的充填料浆沉降规律吻合较好。

［1］王方汉，陈德标.立式砂仓絮凝浓缩泥浆技术研究与应用［J］.金属矿山，2000（1）：21－24.

［2］周兴龙，张文斌.量筒内进行矿浆沉降试验的方法［J］.有色金属：选矿部分，2005（5）：30－32.

［3］王建军，许文远，郭利杰.全尾砂絮凝沉降规律研究［J］.中国矿业，2012，21（6）：92－94.

［4］焦华喆，王洪江，吴爱祥，等.全尾砂絮凝沉降规律及其机理［J］.北京科技大学学报，2010，32（6）：702－707.

Experimental study on flocculation sedimentation of fine tailings

LI Zong－nan，GUO Li－jie，XU Wen－yuan，SHI Cai－xing
（Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China）

In the tailings filling system，more slowly sedimentation rate and more slowly concentration at the bottom in sand tank for fine tailing，are hardly obtain an good requirement of the concentration in the tank bottom by natural sedimentation.This，of cause，restrict the scope of tailings filling material.Experiment using polyacrylamide for fine unclassified tailings has been done and analysis of the low for sedimentation in the tank has been made in this study.It is showing that the tail slurry concentration and sedimentation rate increases linearly.When adding flocculants，the relationship between sedimentation velocity and flocculants addition amount are nonlinear relation，and shown by convex curve，the higher the tailing slurry concentration，the more convex the curve are.This indicate that it must be an optimum flocculants adding amount，less than it，the sedimentation rate speeding up along with the increasing flocculants adding amount，more than it，the sedimentation rate do not speeding up along with the adding amount，but decreased.

tailings filling；fine tailings；flocculating sedimentation；sedimentation rate

李宗楠（1985－），男，贵州六盘水人，助理工程师，硕士研究生学历，研究方向为采矿工艺与充填技术。E－mail：lizongnanbgrimm＠163.com。

TD926.2

A

1004－4051（2014）S2－0215－04

2014－09－22

国家科技支撑计划资助（编号：2013BAB02B02）