细尾砂浆自然浓缩规律试验研究

曹三六，李宗楠，余小明，魏晓明

(1.铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿， 安徽 安庆 246131；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京100160；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 100160)

浓缩性质是尾砂的一个重要特性，在研究尾矿利用方面具有重要的研究价值，尾矿的浓缩性质受尾矿固体颗粒粒度的影响，在沉降过程中表现出不同的沉降特征。不同的给料浓度(或称初始浓度)，尾砂浆的沉降过程和相应的工艺指标迥异[1-4]。吕宪俊等[2-3]、李宗楠等[4]以某细粒铁矿尾矿为研究对象，进行了全尾矿高浓度浓缩试验研究，结果表明，采用水力旋流器能够使低浓度尾矿浆得到有效浓缩，旋流底流能达到70%左右，底流产率达65%；李宗楠等[5]、王宁[6]、王方汉等[7]、周兴龙等[8]在大量试验研究基础上，对细粒级尾砂絮凝沉降过程进行了深入研究，认为在自然沉降条件下，尾砂浆初始浓度与沉降速率基本呈线性规律，在絮凝沉降条件下，沉降速率与絮凝剂剂量呈非线性关系。大量的研究工作对尾砂的浓缩性质进行了充分有力的探索，对影响尾砂浓缩性质的内外因素进行了深入的研究和分析[9-11]。本文在此基础上，设计了低浓度、中-高浓度和高浓度等不同初始浓度的细尾砂浆，开展自然沉降试验，研究尾砂浆在不同初始浓度条件下的浓缩规律，可为尾砂利用提供参考。

1　自然沉降原理与方法

1.1　尾砂沉降过程中的分区特征

细尾砂浆沉降过程可分为四个区段，清水区、(自由)沉降区、干扰区和沉实区，见图1。

图1　沉降过程分区

其中，(自由)沉降区段发生于尾砂起始沉降段，该区段内，砂浆中的固体颗粒在溶液中自由沉降，受有效自重应力作用而下沉，沉降曲线表现为一斜直线；当随着固体颗粒下沉量数量增大，固体颗粒之间将在沉降过程中发生相互干扰，沉降速率逐渐降低，直至进入沉实区，在沉降曲线中，表现为一曲线段区域，即为干扰沉降区；之后，沉降稳定，固体颗粒不再发生明显的下沉而堆积于浆液体系底部，沉降曲线趋于水平直线，进入沉降稳定区。细颗粒在自然沉降过程中，干扰区段的曲线规律在试验过程中不明显，且试验前期，因沉降速率很慢，难以有效观测到清液面。

1.2　自然沉降试验方法

试验采用量筒法测试，采用2 000 mL带刻度标签的量筒开展尾砂沉降实验。按设计的浓度配料后，装入量筒中，采用带孔扰动器对量筒内砂浆进行上下扰动，扰动一定次数后，砂浆浑浊，颗粒悬浮，停止扰动，同时秒表开始计数，记录量筒内沉缩砂面不同时刻的高度，一定时间后，砂面高度趋于稳定，届时上清液和沉缩体分界明显，通过记录的砂面降低高度与时间关系，绘制沉降曲线，并选取直线段计算沉降速率，静置24 h后，虹吸排走上清液，通过称量砂、水、量筒质量及虹吸排净上清液后量筒与沉缩浆体的质量，计算得出平均底流浓度。沉降速率的计算公式见式(1)。

v=60×ΔH/Δt

(1)

式中：v为沉降速率，m/min；ΔH为沉降曲线直线段下降高度，cm；Δt为沉降曲线直线段对应下降高度的时间，s。

底流浓度的计算公式见式(2)。

(2)

式中：Cw为平均底流浓度，%；ms为砂浆液中砂质量，g；mw为砂浆液中水质量，g；mbsw为砂浆液与瓶总质量，g；mbs为沉降稳定、排除上清液后，砂浆液与量筒总质量，g。

2　自然沉降实验

2.1　尾砂物理化学性质

采用比重瓶法对试验尾砂进行了相对密度测试，测得试验尾砂相对密度为3.19；采用容砂瓶法开展了试验尾砂密度(容重)测试工作，测得尾砂密度为1.39 g/mL，结合相对密度计算其松散状态下的孔隙率和孔隙比，分别为56.5%和1.30。

开展了尾砂化学分析工作，其中，S元素采用全元素分析，测得结果为1.19%。采用ICP发射光谱半定量分析对尾砂主要矿物(元素)组分进行了分析，从检测结果来看，尾砂中Fe元素含量相对较高，约8%，依次为Mg、Al、Ca、Mn等元素，尾砂中有毒有害元素，如Pb、As、S等元素含量较低，满足矿山充填要求。对试验用水阴离子含量进行了检测工作，测定试验水pH值为7.62，属于弱碱性。

2.2　尾砂粒度测定

开展了试验尾砂粒度测试与级配分析，测得尾砂粒度并绘制了级配曲线，见图2。测得主要粒度指标见表1，其中关键指标有：尾砂比表面积0.894 m2/g；中值粒径37.592 μm； 0.038 mm以下尾砂颗粒占比49.81%； 0.074 mm以下尾砂颗粒占比65.26%。从矿山应用方面分析，试验尾砂属于细微砂。

2.3　自然沉降试验设计

为了研究自然沉降底流浓度与尾砂浆初始浓度之间的关系，设计12组砂浆，砂浆质量浓度分别为6%、8%、10%、12%、14%、20%、25%、30%、40%、45%、50%、55%，采用2 000 mL量筒开展量筒法试验工作，测试过程中记录沉降现象、澄清界面高度，沉降稳定后静置24 h后排除量筒中上部上清液，测各组底流浓度。

图2　试验尾砂级配曲线

表1　试验尾砂粒级参数

试验编号比表面积/(m2/g)相应累计颗粒含量的分界粒径/μmd10d30d50d60-0.038 mm占比/%-0.074 mm占比/%曲率系数Cc不均匀系数Cu试样10.9042.78113.77137.38359.02149.7865.471.164.29试样20.9162.74712.85733.63653.15252.0867.831.134.13试样30.8622.94614.80841.75667.25947.5862.491.114.54均值0.8942.82513.81237.59259.81149.8165.261.134.32

3　试验现象与结果分析

3.1　自然沉降试验现象

在试验过程中，细尾砂浆低浓度系列6%～14%，沉降速度较慢，在试验开展30 min内无明显的清水区出现，沉降区浊度较大，难以准确读出沉降面高度；对于中高浓度系列20%～30%，出现双分层现象，上部沉降分界面不明显，底部迅速产生沉降面，且在1～3 min内出现两层分界面，下部为较粗砂层，中部为细颗粒层，上部为清液层，见图3；对于高浓度系列44%～55%，存在双分层现象，但上部沉降区与清水区分界线明显，在1 min内出现明显的沉降面，可读出沉降高度随时间的变化情况，清水区浊度不大。

图3　自然沉降过程中三分层现象

3.2　自然沉降试验结果

24 h后，采用虹吸法，排除上清液，测各组底流浓度，结果见表2。

从表2可以看出，总体上，自然沉降底流浓度随细尾砂浆初始浓度增加而增加，其中，低浓度组底流浓度介于66.4%～68.8%，中等浓度系列底流浓度介于66.4%～68.8%，高浓度系列底流浓度介于73.3%～75.2%。根据实验结果，尾砂浆初始浓度与底流浓度之间的变化规律曲线见图4。

由图4可知，随着自然沉降砂浆初始浓度逐步增加，从尾砂初始浓度8%， 逐步增加至尾砂浆初始浓度55%，相应尾砂浆自然沉降底流浓度从66.4%逐步增加至75.2%，且二者变化规律趋于直线型，拟合公式见式(3)。

表2　自然沉降底流浓度测试结果

图4　自然沉降砂浆初始浓度与底流浓度关系曲线

Cw=0.16C0+66.4%C0∈(8%,55%)

(3)

式中：Cw为自然沉降底流浓度，%；C0为自然沉降尾砂浆初始浓度或称为入料浓度，%。

尾砂浆自然浓度速率普遍较低，对于可读出沉降高度的高浓度系列，根据沉降高度与时间的关系绘制沉降曲线，见图5。从沉降曲线拟合沉降速率结果分析，对于高浓度系列沉降速率随着砂浆浓度增加有降低的趋势，40%、45%、50%和55%砂浆浓度沉降速率分别为0.280 cm/min、0.164 cm/min、0.131 cm/min和0.09 cm/min。

图5　高浓度尾砂浆自然沉降曲线

3.3　自然沉降试验分析

1) 试验尾砂为细尾砂，其中0.038 mm以下颗粒占比49.8%， 0.074 mm以下颗粒占比65.26%。在沉降过程中，细颗粒比表面积较大，颗粒沉降过程中的黏滞阻力较大，沉降速率因而较大；而对于粗颗粒部分，因其比表面积相对较小，沉降过程中的黏滞阻力较小，沉降速率因而较小。对于低浓度系列，单位体积浆液中，颗粒总量少，少量的粗颗粒快速下沉，进入沉实区，因其量少，难以在量筒底部观测出分层界面，而细颗粒部分悬浮在液体中，缓慢下沉，因其沉降速率极慢，沉降区范围较宽，因而难以读出浆液清浊分层界面；对于中等浓度系列尾砂浆，粗颗粒快速下沉进入沉实区，与沉降速率较慢的细颗粒部分发生离析、分层，沉降区上部为细颗粒部分，沉降缓慢，下部粗颗粒部分则快速堆积、沉缩，因而出现粗细分层界面(图3)，从试验现象来看，细颗粒部分沉降界面出现时间在30 min以上，而粗颗粒堆积成层所需时间大约在1 min左右，表明粗颗粒部分的沉降速率要大大超过细颗粒沉降速率；对于高浓度的尾砂浆，粗、细颗粒在沉降过程中受颗粒比表面积差异影响，发生粗细分层离析，在量筒下部出现粗、细颗粒分层界面，而沉降过程中上部的细颗粒，其浓度较高，颗粒沉降能较快的进入干扰沉降阶段，沉降过程中，颗粒之间相互干扰，颗粒与颗粒间的沉降速率大致相当，因而，在清水与浊液间出现明显的分界面。

2) 高入料浓度形成高底流浓度，与浆体沉实区压力有很大关系。随着砂浆浓度增加，密度增大，高浓度尾砂浆底部沉实区压力较大、密实度高、孔空隙率相对较低，饱和自由水含量少，因而平均底流浓度要高，试验结果见图4。当浓度为10%时，底流浓度为68.4%；浓度为20%时，底流浓度为69.6%；浓度为30%时，底流浓度为71.0%；浓度为40%时，底流浓度为73.3%；浓度为50%时，底流浓度为74.3%。这些数据表明底流浓度随入料浓度的变化规律呈近似直线型，可用式(3)表征这一特征。

4　结　论

1) 本文根据细尾砂浆沉降过程，设计了低浓度、中-高浓度和高浓度等不同初始浓度的细尾砂浆自然沉降试验。通过分析细尾砂浆自然沉降底流浓度的测试结果，得出尾砂浆初始浓度在范围8%～55%内与其自然沉降底流浓度之间的拟合公式。中低浓度尾砂浆自然沉降过程中，“清水区”浊度较高，沉降面不明显，且出现“三分层现象”，表明在沉降过程中有明显粗细分层现象。

2) 根据高浓度尾砂的沉降曲线变化规律可知，沉降速率随着砂浆浓度增加呈降低趋势。其中，40%、45%、50%和55%砂浆浓度沉降速率分别为0.280 cm/min、0.164 cm/min、0.131 cm/min和0.09 cm/min，研究成果可为细尾砂利用提供参考。