全尾砂絮凝沉降试验及其工程应用

杜加法 侯 晨 朱兆文 刘洪磊 刘晓光 王京生

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.山东黄金集团充填工程实验室，山东烟台261438；3.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东烟台261438）

新城金矿在转入深部开采过程中迫切需要强度更高、质量更稳定的充填体，膏体充填由于具有尾砂利用率高、力学性能好、综合成本低等诸多优点，已经成为新城金矿深部开采的优先选择。选矿后排出的全尾砂浆，其质量浓度一般为10%～25%，膏体充填对质量浓度一般要求要达到70%～85%［1-3］。传统的全尾砂浓缩一般依靠全尾砂在立式砂仓中自然沉降，但全尾砂由于颗粒粒径较细且分布广泛，颗粒间相互干扰十分剧烈，导致其沉降速度较慢，沉降物质量分数较低，无法满足连续供砂和制备高质量分数浆体的要求［4-5］。另外溢流水含固量高，无法满足工业水重复利用要求，并且超标排放污水，污染环境。为此，国内外学者通过添加絮凝剂和改进浓缩设备来解决上述问题［6-8］。如何提高沉降效率是浓密技术的研究重点，其受浓密设备、絮凝剂选择及单耗、进料浓度等诸多因素影响。韩亮等［9］采用正交试验法研究了沉降速度、极限浓度和上清液含固率对全尾砂絮凝沉降规律的影响；朱时廷等［10］采用均匀设计法对配级尾砂沉降性能进行了研究；冯巨恩等［11］研究了絮凝剂的添加量对于充填效果的改善作用；高志勇等［12］评估了料浆浓度、溶液浓度等因素对单位面积处理量的影响规律，并应用Design Expert软件进行了絮凝沉降模型回归拟合。为了选择全尾砂絮凝沉降最佳参数组合，周靓等［13］以单位面积固体处理能力为响应值，基于响应曲面分析法，得到了全尾砂絮凝沉降最佳参数；王新民等［14-15］、杨宁等［16］运用BP神经网络对絮凝沉降参数进行了优化研究。在升级完善浓缩设备方面，李学忠等［17］采用旋流器浓缩方案对充填站系统进行了升级改造；刘培正等［18］研制出了一种适用于细粒尾砂高效浓缩的T 型砂仓。上述絮凝剂的应用和设备的研发都极大提高了充填料浆的浓缩效率。

上述研究主要集中于室内试验，由于试验室环境和井下采场在空间尺度、养护条件、应力水平都存在很大差别，由室内试验获取的结果并不能直接验证工业应用的效果。因此本研究采用室内试验和工业试验相结合的方法，首先采用新城金矿全尾砂进行室内絮凝沉降试验，分析絮凝剂选型、单耗及料浆入料质量分数等参数与料浆沉降速度和底流浓度的关系，并对上述参数进行优化，在室内试验的基础上选择最佳参数组合；而后在新城金矿地下采场进行现场试验，以验证絮凝剂对于充填质量的改善效果。

1 试验材料

1.1 全尾砂

试验所用全尾砂选自山东新城金矿，其基本物理性能如表1 所示。新城金矿全尾砂的物相组成成分和赋存状态采用X射线衍射（XRD）测试方法测定，结果如表2 所示。由表2 可知：新城金矿全尾砂物相组成比较单一，主要是石英、长石和云母，并且新城金矿的全尾砂中基本不含硫化物，对充填体强度没有不利影响，有利于充填体强度的提升。

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新城金矿全尾砂粒径分布采用Mastersizer 2000型激光粒度分析仪分析，其粒径组成如图1 所示，全尾砂平均粒径为176 μm，粒度-20 μm 累计含量达25%，与胶结材料结合后易形成“结构流”体，有利于料浆流动。新城金矿全尾砂不均匀系数为24.08，曲率系数为0.85，综合不均匀系数和曲率系数，新城金矿全尾砂属于级配不良材料［19］。

1.2 絮凝剂

试验选取的絮凝剂主要成分为有机高分子阴离子聚丙烯酰胺，分子量均为1 600～1 800 W，分别记为ZYD、ZYZ、ZYJ，该絮凝剂呈白色粉末状，无毒、无味，能溶于水，为矿山常用的絮凝剂型号。

2 试验方案

该试验主要目的是选择适合新城金矿全尾砂特性的絮凝剂类型以及相应的稀释矿浆浓度以及絮凝剂添加量。选型试验中，先固定全尾砂料浆浓度为15%，絮凝剂添加量分别为10、15、20 g/t，从料浆沉降速度、底流浓度、上清液澄清度三方面比较考察不同絮凝剂类型的沉降效果；在选型基础上，固定絮凝剂添加量为20 g/t，分别配制浓度为8%、10%、13%和18%料浆，从沉降速度、固体通量两方面比较选择最佳料浆质量分数；在确定絮凝剂型号、最佳料浆质量分数前提下，分别添加絮凝剂浓度为15、17.5、20、22.5、25、30 g/t，从沉降速度、底流浓度两方面确定考察最佳絮凝剂单耗量。

全尾砂静态絮凝沉降试验在1 000 mL 量筒内进行，按要求称取适量的絮凝剂溶液，加入与絮凝剂溶液混合的砂浆中，按接触次数要求翻转摇晃量筒，静置，记录不同时间点固液分离界面的高度（事先测量1 000 mL 量筒两个刻度之间的平均距离，计算出1 mL体积变化对应的高度变化值）。沉降10 min后，倒掉上层清水，测定下部矿浆达到的浓度。固体通量是指单位面积、单位时间内通过的固体质量，可通过尾砂浆密度、固体颗粒沉降速度以及尾砂浆的质量浓度计算［7］。

3 试验结果与分析

3.1 絮凝剂选型

根据试验方案，在料浆浓度为15%，体积为1 000 mL的全尾沙料浆中分别倒入ZYD、ZYZ、ZYJ 3种絮凝剂，絮凝剂添加量分别为10、15、20 g/t，试验结果如图2所示。

由图2 可知：当使用ZYD、ZYZ 两种絮凝剂时，全尾砂料浆的沉降速率以及底流浓度差别不大，而使用ZYJ絮凝剂时，料浆的沉降高度与底流浓度都明显优于使用其他2 种絮凝剂。例如絮凝剂添加量为10 g/t 时，使用ZYJ 絮凝剂的最终沉降高度和底流浓度分比为28.7cm 和59.99%，高于使用ZYZ、ZYD 时的27.1 cm 和54.1%，且使用ZYJ絮凝剂时上清液的澄清度最好，因此认为选用ZYJ 絮凝剂时絮凝效果最好。为了进一步验证絮凝剂选型结果，继续选用10%、20%2种料浆稀释浓度，3种絮凝剂按20 g/t添加量进行沉降速率、底流浓度试验，所得试验结果如图3 所示。由图3 可知：在不同料浆浓度下，ZYJ 絮凝剂的底流浓度和沉降速度都要优于使用其他两种絮凝剂时的相关指标。根据以上2组试验数据，可以确定新城金矿最优的絮凝剂选型为ZYJ絮凝剂，后续试验也以此为基础继续开展工作。

3.2 最佳料浆稀释浓度

根据絮凝剂选型试验，选取料浆浓度为8%、10%、13%和18%进行最佳料浆稀释浓度试验，添加絮凝剂类型为ZYJ 絮凝剂，添加量为20 g/t。试验结果如表3所示。

由表3可知：底流浓度最开始随着添加料浆浓度的增加而增加，初始料浆浓度达到13%时达到最大底流浓度54.58%，随后随着添加料浆浓度的增加而降低；料浆的沉降速度随着初始料浆浓度的增加而不断降低；固体通量也与底流浓度变化规律一致，呈现先增大后减小的规律。综合料浆浓度、沉降速度、固体通量三者之间的变化规律，选择8%～10%作为最佳稀释料浆浓度。

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3.3 最佳絮凝剂添加量

为确定ZYJ 型絮凝剂的最佳添加比例，本节试验采用质量浓度为9.75%的全尾砂料浆，分别按15、17.5、20、22.5、25、30 g/t的添加量加入ZYJ型絮凝剂，研究全尾砂料浆在不同絮凝剂添加量情况下的沉降速度、底流浓度变化规律，以此确定最佳絮凝剂添加量。所得试验结果如图4所示。

由图4 可知：絮凝剂单耗不超过22.5 g/t 时，沉降高度变化差异不大，而单耗超过22.5 g/t时，料浆沉降速度大大降低且最终沉降高度也会明显降低；比较不同絮凝剂单耗对于料浆最终浓度的影响可以看出，絮凝剂单耗为20 g/t 时，充填料浆的最终浓度最高，当絮凝剂单耗为15 g/t 和17.5 g/t 时，最终充填体料浆浓度差异并不明显，当絮凝剂浓度超过22.5 g/t时，料浆浓度会明显降低，这与高浓度下料浆沉降高度表现规律是一致的。综合以上分析，结合不同絮凝剂单耗的实际使用效果以及经济成本控制因素，絮凝剂单耗为15 g/t 时可以获得理想的絮凝沉降效果并且最大限度地降低使用成本。

综上所述，根据室内试验结果分析，当采用絮凝剂类型为ZYJ，料浆浓度为8%～10%，絮凝剂单耗为15 g/t时，充填料浆的絮凝沉降效果最佳。

4 工程验证

为评价室内试验结果对于现场充填效果的影响，在新城金矿两进路式采场进行了絮凝剂充填效果现场验证试验，设计充填浓度为67%，充填流量为80 m3/h，采用的充填体灰砂比为1∶6，采用的絮凝剂类型为ZYJ 絮凝剂，单耗为15 g/t。为评价絮凝剂使用效果，在两进路采场内分别测试溢流水含固浓度以及不同位置的充填体28 d 强度，试验结果如图5 和表4 所示。由图5（a）和表4 可知：添加絮凝剂后，在采场不同位置的充填体取样强度都有了明显提高，充填体不添加絮凝剂的强度为0.88～1.29 MPa，添加絮凝剂后的强度为1.21～1.43 MPa，最终平均强度从1.09 MPa（无絮凝剂）上升到1.3 MPa（有絮凝剂），上升幅度约19.3%。另外从图5（a）可以看出充填体添加絮凝剂后，其强度离散型明显降低。图5（b）则显示充填体添加絮凝剂后，其溢流水含固量在各个时间段的监测结果都明显低于不添加絮凝剂的充填体料浆，尤其是在充入采场后的前2 h，溢流水含固量两者相差在4 倍以上，这也最终影响了充填体的最终力学特性。以上对比都说明充填料浆加入絮凝剂后，采场充填效果得到了明显改善。

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5 结 论

（1）室内静态自然沉降试验中，随着料浆浓度的增加，底流浓度呈现先增加后减少的规律，沉降速度随着初始料浆浓度的增加而不断降低；絮凝剂单耗在不超过22.5 g/t时，沉降高度变化差异不大，但超过22.5 g/t 单耗时，絮凝沉降速度和底流浓度都下降明显。

（2）室内静态絮凝沉降试验中，絮凝剂选型为ZYJ絮凝剂时，单耗为15 g/t，料浆浓度为8%～10%，可以获得最佳絮凝沉降效果和性价比。

（3）采用室内试验推荐的絮凝剂组合参数时，现场工业实践表明充填体强度增加明显，且离散度大大降低，溢流水含固量也显著降低，絮凝沉降效果显著。