陳忠熙，　趙奎，　許楊東，　羅濤，　張亮，　陳康

（江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）

某礦高濃度全尾砂料漿絮凝沉降特性試驗(yàn)研究

陳忠熙a，趙奎a，許楊東a，羅濤a，張亮a，陳康b

（江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）

礦山擬采用全尾砂作為充填骨料，為了確定充填料的輸送濃度、添加絮凝劑種類(lèi)及添加量等參數(shù)，分別對(duì)料漿濃度為68%、70%、72%添加不同添加量的明礬、十二烷基苯磺酸鈉及聚丙烯酰胺3種絮凝劑進(jìn)行沉降對(duì)比試驗(yàn)，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，綜合澄清液液面下降高度及經(jīng)濟(jì)成本考慮，最后確定3種絮凝劑添加量沉降回歸模型，經(jīng)濟(jì)高效的絮凝沉降參數(shù)：較佳的絮凝劑為明礬、明礬添加量為29 g/t及全尾砂料漿濃度為70%.

全尾砂料漿；明礬；絮凝劑；添加量；沉降

0　引　言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和資源的大量消耗，礦業(yè)主要面臨著兩大難題：資源開(kāi)采的深部化和地表尾礦廢石的災(zāi)害化[1－2].隨著尾礦充填技術(shù)的不斷發(fā)展，礦業(yè)面臨的難題將會(huì)得到較好的解決，地表的尾礦用于回填采空區(qū)不僅能夠控制地下開(kāi)采的地壓顯現(xiàn)問(wèn)題，還能夠解決地表尾礦堆存的問(wèn)題，而且還起到了節(jié)能減排及減少地表環(huán)境污染等作用[3].同時(shí)，尾礦充填技術(shù)還具有提高生產(chǎn)效率、增加礦石資源的回收率、降低礦石貧化率及增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，因此，礦山充填技術(shù)在有色金屬礦山、黑色礦山和煤礦得到了較為廣泛的應(yīng)用[4－5].

目前，全尾砂高濃度料漿充填技術(shù)是以沒(méi)有進(jìn)行分級(jí)脫泥的全尾砂作為充填料，將礦山選礦廠(chǎng)生產(chǎn)出的全尾砂，制備成高濃度料漿充填采空區(qū)的一項(xiàng)新型充填技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)礦山無(wú)廢安全高效開(kāi)采的重要途徑[6]．在沒(méi)有對(duì)尾砂進(jìn)行分級(jí)脫泥的情況下，全尾砂料漿的含泥量高，滲透系數(shù)低，同時(shí)在脫水的過(guò)程中要避免細(xì)泥物料的排放．因此，全尾砂料漿高濃度充填的難度主要在于細(xì)粒尾砂的沉降與脫水[7]．全尾砂料漿高效脫水技術(shù)成為了全尾砂料漿的一項(xiàng)重要工藝與關(guān)鍵技術(shù)．絮凝沉降技術(shù)因其便捷性和可操作性，在礦山尾礦濃縮中得到了廣泛的應(yīng)用[8]．但絮凝沉降過(guò)程受懸浮液的pH值、水離子含量、尾砂表面所帶的電量、絮凝劑種類(lèi)和用量、添加方式、料漿濃度及溫度等多方面因素的影響[9-10]．上饒市某礦山因地下開(kāi)采方法單一而殘留較多采空區(qū)，為滿(mǎn)足今后安全生產(chǎn)的需要，礦山?jīng)Q定采用嗣后充填采礦法對(duì)礦體進(jìn)行回采，利用全尾砂高濃度料漿對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填．由于尾砂自然沉降速率較慢，滿(mǎn)足不了礦山的實(shí)際生產(chǎn)要求，因此，通過(guò)在充填料中加入某種絮凝劑來(lái)提高尾砂沉降速率．因此，本文主要針對(duì)絮凝劑的種類(lèi)、絮凝劑用量及全尾砂料漿濃度等方面進(jìn)行試驗(yàn)分析，通過(guò)對(duì)料漿濃度分別為68%、70%、72%進(jìn)行添加不同添加量的不同絮凝劑進(jìn)行沉降試驗(yàn)．

1　全尾砂料漿特性

充填材料的物理性質(zhì)及成分對(duì)絮凝沉降的效果有重要影響[11]，當(dāng)尾砂中含有一些能與絮凝劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有害成分時(shí)，加入絮凝劑后并不能產(chǎn)生效果．因此，在試驗(yàn)之前，必須對(duì)全尾砂的物理性質(zhì)、化學(xué)成分及粒徑組成進(jìn)行定性的分析．

1.1物理性質(zhì)指標(biāo)

按照 《中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）對(duì)該礦山全尾砂的干密度、天然密度、容重、含水率、孔隙比及孔隙率進(jìn)行試驗(yàn)[12]，全尾砂物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1．

表1　全尾礦物理性質(zhì)指標(biāo)Table1　Physical property of tailings

1.2化學(xué)成分分析

利用GM/F97系列密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)制備樣本，采用分析天平、原子吸收光譜儀、感耦等離子體原子發(fā)射光譜分析法等設(shè)備方法測(cè)定了尾砂中的元素成分及含量參數(shù)見(jiàn)表2．

表2　成分名稱(chēng)及分析結(jié)果/%Table2　Com ponent nam e and analytical results/%

1.3粒徑分布

通過(guò)綜合運(yùn)用篩分法和激光粒度儀法對(duì)該礦山充填實(shí)驗(yàn)全尾砂進(jìn)行粒度分析試驗(yàn)，得到各粒級(jí)組成結(jié)果．測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3．全尾砂顆粒級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1．

表3　全尾砂粒度成分百分含量Table3　Percentages of full tail sand ingredients

圖1　全尾砂顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1　Curve of tailing particle size distribution

2　絮凝沉降試驗(yàn)

絮凝沉降機(jī)理[13-16]：微小的膠體顆粒和懸浮物顆粒在膠體物質(zhì)或者電解質(zhì)的作用下，中和顆粒表面電荷，降低或消除顆粒之間的排斥力，使顆粒結(jié)合在一起，體積不斷變大，形成體積龐大的絮狀沉淀物．因?yàn)楦叻肿踊衔锏臉O性或帶電荷的基團(tuán)很多，能夠在短時(shí)間內(nèi)向許多個(gè)顆粒結(jié)合，使絮團(tuán)體積增大，絮團(tuán)在重力的作用下沉降速率增加．如果形成絮凝體的速率越快或越大，則絮凝作用將越明顯．

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的器材：1 000 m L量筒、1 000 mL燒杯、滴定管、電子稱(chēng)（精度0．01 g）、玻璃棒、坐標(biāo)紙、秒表計(jì)時(shí)器．

試驗(yàn)所用的全尾砂料漿濃度為68%、70%和72%3種，選用硫酸鋁鉀、十二烷基苯磺酸鈉及分子量為300萬(wàn)的聚丙烯酰胺3種絮凝劑．分別對(duì)絮凝劑的添加量為10 g/t、20 g/t及30 g/t進(jìn)行試驗(yàn)．

2.2試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)室利用量筒進(jìn)行間歇沉降試驗(yàn)，通常用澄清液面隨時(shí)間的改變表示沉降速率．本試驗(yàn)采用1 000m L的量筒進(jìn)行室內(nèi)靜置沉降試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如下：

1）試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作：將坐標(biāo)紙剪成長(zhǎng)條形，貼于量筒側(cè)線(xiàn)上作為刻度尺；準(zhǔn)備試驗(yàn)所需的尾砂，本次沉降試驗(yàn)均采用風(fēng)干的全尾砂．

2）根據(jù)試驗(yàn)方案，提前20 min配置好所需1‰溶度的絮凝劑溶液，計(jì)算試驗(yàn)所需的全尾砂量、水及絮凝劑溶液，并分別稱(chēng)取備用．

3）先將稱(chēng)取的干全尾砂加入到燒杯中，再將稱(chēng)取的水及絮凝劑溶液注入燒杯，用玻璃棒將其攪拌1 min，將制備好的溶液倒入1 L的量筒內(nèi)，靜置在試驗(yàn)平臺(tái)上，同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，每隔一段時(shí)間記錄澄清液面的高度．開(kāi)始時(shí)沉降速率快，記錄的時(shí)間間隔為2 min，隨著沉降速率的減慢，記錄的時(shí)間間隔增大．

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

全尾砂沉降試驗(yàn)在不添加絮凝劑時(shí)及添加不同量的絮凝劑時(shí)的各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4～表6，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制成澄清液高度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2～圖4．

表4　全尾砂濃度為68%沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table4　Settlem ent test data of 68%tailing concentration

表5　全尾砂濃度為70%沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table5　Settlement test data of 70%tailing concentration

表6　全尾砂濃度為72%沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table6　Settlem ent test data of 72%tailing concentration

圖2　全尾砂濃度為68%澄清液高度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.2　Supernatant height curve of 68%tailing concentration

圖3　全尾砂濃度為70%澄清液高度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.3　Supernatant height curve of 70%tailing concentration

圖4　全尾砂濃度為72%澄清液高度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.4　Supernatant height curve of 72%tailing concentration

3.1全尾砂濃度的影響

由澄清液高度變化曲線(xiàn)圖（圖2～圖4），可知3種濃度澄清液高度變化趨勢(shì)：在0～10 min變化較快，該時(shí)期全尾砂處于沉降階段，10 min之后變化較為緩慢，此時(shí)全尾砂處于壓密階段．對(duì)于某種特定的全尾砂，在某種絮凝劑作用下，不同濃度的全尾砂的沉降特性也完全不同[17]，通過(guò)對(duì)比不同濃度全尾砂料漿的澄清層液面高度變化，濃度70%全尾砂料漿沉降速率及效果明顯優(yōu)于濃度68%和72%的全尾砂．

3.2絮凝劑種類(lèi)的影響

絮凝過(guò)程是絮凝劑分子通過(guò)將分散尾砂顆粒結(jié)合成比較大的絮團(tuán)，進(jìn)而加速沉降．當(dāng)全尾砂中加入明礬后，開(kāi)始可以看到量筒中全尾砂顆粒渾濁，較大的絮凝顆粒沉降，但是澄清層界面不明顯；而添加聚丙烯酰胺或十二烷基苯磺酸鈉后，全尾砂沉降速率明顯提高，澄清層的濁度減?。^察曲線(xiàn)圖（圖2～圖4）可知，全尾砂在添加絮凝劑后，沉降速率及沉降效果得到顯著提升，但綜合各絮凝劑的絮凝沉降速率及效果對(duì)比，聚丙烯酰胺優(yōu)于十二烷基苯磺酸鈉優(yōu)于明礬．

3.3絮凝劑添加量的影響

由于3種濃度澄清液高度變化趨勢(shì)大體相同，而濃度為70%的全尾砂沉降速率最快，因此僅對(duì)濃度為70%的全尾砂的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比添加絮凝劑后的澄清層液面變化，絮凝劑的添加在一定程度上加快了全尾砂的沉降速率，然而全尾砂沉降速率受絮凝劑的添加量限制．根據(jù)絮凝沉降規(guī)律，一般情況下，絮凝劑添加量并非越大越好，過(guò)高會(huì)使絮凝效果失效，過(guò)低絮凝效果不明顯，因此絮凝劑添加量存在一個(gè)最佳的添加量[18]．采用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理分析．絮凝劑明礬、十二烷基苯磺酸鈉和聚丙烯酰胺沉降回歸模型如式（1）、式（2）和式（3）所示．對(duì)于回歸模型的負(fù)相關(guān)系數(shù)R2、顯著水平檢驗(yàn)值Ft及水平標(biāo)準(zhǔn)值F0．05（3，3），F(xiàn)0．05（3，3）=9．28，對(duì)式（1）有：R2=0．906 3，F(xiàn)t=19．339 5＞F0．05（3，3），回歸模型顯著；對(duì)式（2）有：R2=0．948 0，F(xiàn)t=36．432 8＞F0．05（3，3），回歸模型顯著；對(duì)式（3）有：R2=0．966 3，F(xiàn)t=57．368 5＞F0．05（3，3），回歸模型顯著．3種絮凝劑的回歸模型具有一定的可信度．

其中：V1、V2、V3分別為使用絮凝劑明礬、十二苯烷基磺酸鈉和聚丙烯酰胺的沉降平均速率，基于綱量分析：

x1、x2、x3分別為使用絮凝劑明礬、十二苯烷基磺酸鈉和聚丙烯酰胺的添加量，g/t；

然后對(duì)V1求x1的偏導(dǎo)、對(duì)V2求x2的偏導(dǎo)和對(duì)V3求x3的偏導(dǎo)，令確定出各絮凝劑的最佳添加量：明礬為29 g/t，十二烷基苯磺酸鈉為28 g/t，聚丙烯酰胺為29 g/t．

3.4經(jīng)濟(jì)成本分析

從經(jīng)濟(jì)成本上分析，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查可知，各絮凝劑用量及絮凝劑成本見(jiàn)表7．

綜上分析可得，明礬與另外2種絮凝劑相比，經(jīng)濟(jì)成本低，而且澄清液液面下降也較低，因此，選用明礬作為該礦山充填添加的絮凝劑．

4　結(jié)　論

1）全尾砂在不添加任何絮凝劑的情況下沉降速率較慢，絮凝劑添加后，沉降速率明顯提高．絮凝劑對(duì)全尾砂沉降效果有重要影響．

表7　絮凝劑用量及絮凝劑成本Table 7　Flocculant dosage and flocculant costs

2）不同濃度全尾砂的沉降速率與效果有明顯差異，濃度為70%的全尾砂沉降速率及效果優(yōu)于濃度為68%和72%的全尾砂.全尾砂沉降效果受尾砂濃度影響.

3）全尾砂在絮凝劑添加量不同的情況下，沉降速率及效果有所不同；在添加量相同的情況下，聚丙烯酰胺絮凝沉降效果優(yōu)于十二烷基苯磺酸鈉，且十二烷基苯磺酸鈉絮凝沉降效果優(yōu)于明礬.絮凝劑種類(lèi)和絮凝劑添加量都是影響全尾砂沉降效果的重要因素.

4）確定了3種絮凝劑的沉降模型：明礬為V1=十二烷基苯磺酸鈉為V2=聚丙烯酰胺為 V3=0.990 6·同時(shí)確定出3種絮凝劑最佳添加量：明礬為29 g/t，十二烷基苯磺酸鈉為28 g/t，聚丙烯酰胺為29 g/t.

5）綜合經(jīng)濟(jì)成本的考慮，明礬經(jīng)濟(jì)成本最低，而且沉降效果也較好.因此，建議礦山選用明礬作為充填使用的絮凝劑，添加量為29 g/t，全尾砂濃度為70%.

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Experimental study on high solubility total tailings flocculation settlem ent properties in am ine

CHEN Zhongxia，ZHAO Kuia，XU Yangdonga，LUO Taoa，ZHANG Lianga，CHEN Kangb
(a.School of Resources and Environmental Engineering；b.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

Flocculant settlement tests are performed by adding different amounts of flocculation agents,alum, sodium dodecylbenzenesulfonate and polyacrylamide into varied slurry concentrations,68%,70%and 72%，respectively，to determine the transport solubility of fillingmaterial,type and adding flocculant amount.The results are compared and analyzed by taking the supernatant liquid drop height and economic cost into account.The settlement regressionmodels for the three kinds of flocculant addition amounts are determined by working out the economic efficiency of flocculation and sedimentation parameters.The results show that the best flocculant is alum with additive amountof 29 g/t and the total tailings concentration is 70%.

total tailing;alum；flocculation;additive amount;settlement

TD853.34

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.017

2014－11－10

江西省研究生創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（YC2014-S350）

陳忠熙（1989-），男，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)方面的研究，E-mail：563812836@qq.com.

趙奎（1969-），男，博士，教授，主要從事巖石力學(xué)測(cè)試與分析技術(shù)、數(shù)值模擬、巖體穩(wěn)定性等方面的研究，E-mail：296931654@qq.com.