江 科 ，康瑞海 ，胡天壽 ，彭 亮 ，仵鋒鋒

（1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南長沙410012；3.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦，江西 上饒 334000）

全尾砂充填是礦山充填開采的主要發(fā)展趨勢，其中全尾砂快速沉降濃縮制備高濃度充填料漿是礦山充填工藝的重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)外有眾多關于尾砂快速沉降方面的試驗和研究，取得了一定的研究成果，可以指導類似礦山全尾砂預處理工藝的研究和設計。但因不同礦山固有的條件不同，尾砂物理化學性質(zhì)差別較大，很難達到眾多研究中預設的理想化前提，更難以用普適性的公式來準確預測尾砂沉降濃縮的工藝參數(shù)[1-8]。本研究針對某難處理鎢礦尾砂的物理化學特性進行研究，結(jié)合選礦工藝分析出尾砂難沉降的原因，對尾砂漿進行預處理后實現(xiàn)全尾砂快速絮凝沉降，并得到最優(yōu)的藥劑組合添加量，以解決該鎢礦尾砂漿發(fā)泡難沉降的問題。砂難沉降，管道輸送產(chǎn)生震蕩后發(fā)泡嚴重等現(xiàn)象，泡沫中夾雜大量的尾砂顆粒，致使溢流水固含量高，尾砂的有效利用率低于60%，全尾砂充填系統(tǒng)的立式砂倉起到了旋流分級器的作用，進入尾礦庫的溢流細顆粒尾砂難以堆壩，回水也受到泡沫的影響，致使選廠用水緊張，解決全尾砂漿發(fā)泡及沉降難題已成為企業(yè)生產(chǎn)的當務之急。如圖1為該礦砂倉頂?shù)陌l(fā)泡溢流水。該礦生產(chǎn)中實行了眾多的措施來應對這一狀況，如購置真空壓濾機、構筑大型澄清池、添加有機高分子絮凝劑等方式處理溢流水，但投入巨大、收效甚微。壓濾機處理溢流細顆粒尾砂具有能耗高、

1 礦山概況

湖南某鎢礦前身是民采企業(yè)，基本采用空場法采礦，采富棄貧同時留下150萬m3的空區(qū)有待處理。為保證井下采礦安全，處理老空區(qū)、減少礦石的損失貧化率，該鎢礦的采礦方法由空場法改為充填法，建設了一座地表充填制備站，配備有兩個立式砂倉作為全尾砂的存儲、濃縮裝置。原設計該礦尾砂一部分進入充填流程，添加水泥制備成全尾砂充填料漿后自流至井下采場，但在實際使用過程中出現(xiàn)尾效率低、操作工作量大等問題，無法解決充填尾砂利用率低的問題；大型澄清池上部依然漂浮有大量尾砂漿泡沫難以消除，沒有起到預期的作用；有機高分子絮凝劑在生產(chǎn)應用中效果很差。因此，需針對該礦的實際情況，對尾砂漿的性質(zhì)進行全面研究，探索該難處理發(fā)泡鎢礦尾砂漿的形成機制與處理手段，從源頭解決尾砂漿的發(fā)泡問題，最終實現(xiàn)充填系統(tǒng)的高效經(jīng)濟運行。

圖1 砂倉頂溢流槽中的難處理尾礦溢流水Fig.1 The refractory tailings overflow water in spillway trough of vertical sand tank

2 全尾砂漿性質(zhì)研究

影響尾砂顆粒沉降速度的因素較多，主要有尾砂顆粒大小、顆粒表面形狀、初始尾砂漿濃度以及尾砂漿連續(xù)相介質(zhì)的黏度等，根據(jù)理論分析和實踐經(jīng)驗可知，全尾砂細顆粒含量越多，平均粒徑越小，尾砂的沉降速度越慢；尾砂顆粒表面形狀越凹凸不平，尾砂沉降受到的阻力越大；初始沉降時尾砂漿濃度越高，尾砂的沉降過程受到的干擾越大；尾砂漿的連續(xù)相介質(zhì)黏稠度越大，尾砂沉降越困難[9-12]。

對該鎢礦全尾砂的沉降機理展開研究，采用Mastersizer 3000型激光衍射粒度分析儀對全尾砂粒徑進行測試，結(jié)果如表1所示，粒度分布曲線如圖2所示。高倍光學顯微鏡觀察全尾砂顆粒的形狀，結(jié)果如圖3所示。由試驗結(jié)果分析可知，該鎢礦全尾砂-20 μm含量為31.097%，-75 μm含量為59.687%，平均粒徑為126.3 μm；細尾砂顆粒尾砂多呈橢球狀，表面較圓潤。與類似礦山相比該鎢礦全尾砂顆粒粒徑偏粗，極細尾砂含量較低，尾砂顆粒形狀規(guī)則且表面圓潤，可以判斷該鎢礦全尾砂自身的物理性質(zhì)并不是導致其難以沉降的原因。

表1 全尾砂粒徑分布表Tab.1 The particle size distribution of whole tailings

圖2 全尾砂粒度分布曲線Fig.2 Particle size distribution of whole tailings

圖3 全尾砂顆粒表面形狀Fig.3 The suface shape of whole tailings

圖4 黏度儀測試尾砂漿連續(xù)相黏度過程Fig.4 Testing process of continuous viscosity of tailings slurry by viscometer

圖5 尾砂漿連續(xù)相黏度測試結(jié)果曲線Fig.5 The curve of tailings slurry continuous phase’viscosity testing

應用黏度儀HAAKE Viscotester550對尾砂漿連續(xù)相的黏度進行測試，試驗過程如圖4所示，試驗結(jié)果曲線如圖5所示。測試軟件根據(jù)編程算法計算黏度值結(jié)果為2.76 mpa·s，同等條件下測試的清水黏度值為0.91 mpa·s，由此可知全尾砂漿的連續(xù)相黏度較大。為進一步探究連續(xù)相及初始砂漿濃度對沉降速度的影響，設置三種試樣進行沉降試驗，第1組濃度值為20%尾砂漿（選廠總尾濃度值），第2組濃度值為25%尾砂漿，第3組濃度值為20%尾砂漿（砂漿的連續(xù)相更換為清水），三組試樣的自然沉降對比曲線如圖6所示。由試驗結(jié)果可知，全尾砂漿連續(xù)相介質(zhì)的變換對尾砂沉降的影響較大，前兩組試樣沉降24 h之后上部液體仍然渾濁，細顆粒尾砂漂浮于其中，而第三組試樣在沉降的過程中上層液體逐漸澄清，試驗結(jié)果足以說明該礦尾砂漿連續(xù)相的性質(zhì)抑制了細顆粒尾砂的沉降，尾砂漿經(jīng)震蕩后發(fā)泡現(xiàn)象嚴重也與液相有關，因而需結(jié)合該礦的選礦工藝對其尾砂漿液相進行深入研究。

圖6 全尾砂漿自然沉降高度對比曲線Fig.6 Correlation curve of full tailings slurry natural sedimentation

3 選礦工藝及藥劑制度影響分析

該礦尾砂漿連續(xù)相黏度較大，對尾砂的沉降產(chǎn)生阻滯作用，細顆粒尾砂的重力已無法克服其在密度較大的連續(xù)相液體中所受到的浮力。表2為該礦全尾砂漿自然沉降界面試驗數(shù)據(jù)，圖7為沉降24 h后量筒內(nèi)尾砂漿的情況。由試驗過程和結(jié)果可知，粗顆粒尾砂在試驗開始后即快速下沉，細粒級尾砂沉降速度很慢，極細尾砂長期懸浮于上層液體中不下沉，試驗結(jié)果證明上述推斷的正確性。因而應了解選礦工藝及其藥劑制度中影響尾砂沉降的物質(zhì)種類和添加量，進而研究如何消解此種物質(zhì)提供實現(xiàn)尾砂沉降的有利環(huán)境。如圖8為該礦選礦工藝流程，圖中標明了主要工序及其所添加的藥劑，主要有丁黃藥、丁胺黑藥、碳酸鈉、水玻璃及ZL藥劑等。丁黃藥和丁胺黑藥是浮選工藝中廣泛使用的捕收劑，丁胺黑藥同時兼作起泡劑，兩者均為有機化合物，溶于水、性質(zhì)穩(wěn)定，在選礦流程中添加量較少；ZL藥劑是白鎢選礦工藝中重要的類脂肪酸捕收劑，其選擇性好、穩(wěn)定性高、添加量??；碳酸鈉在白鎢浮選是常見的pH值調(diào)整劑，可消除數(shù)種阻礙白鎢礦浮選的有害離子；水玻璃作為抑制劑吸附于礦物表面而使礦物親水而起到抑制作用，現(xiàn)場使用的水玻璃模數(shù)為2.4，分子式為 Na2O·2.4SiO2[13-18]。

表2 全尾砂漿自然沉降界面高度Tab.2 The interface height of full tailings slurry natural sedimentation

圖7 靜置24 h后的尾砂漿Fig.7 Full tailings slurry after standing for 24 hours

由選礦工藝可知，丁黃藥、ZL藥劑及丁胺黑藥作為捕收劑時，其添加量較少，均為有機化合物、溶于水，對礦漿連續(xù)相的物理性質(zhì)影響較小，不是導致尾砂難以沉降的原因。當丁胺黑藥發(fā)揮起泡劑作用時需添加碳酸鈉來調(diào)節(jié)礦漿的pH，現(xiàn)場碳酸鈉的添加量為1～2.5 kg/t原礦，礦漿的pH維持在10～11；水玻璃作為選礦抑制劑的添加量為7～12 kg/t原礦，一般為無色或呈淡黃色、透明的黏稠液體，溶于水，25℃下密度為2.33 g/mL，水玻璃溶于水會不斷形成氫氧化鈉和硅酸，同時兩者也不斷中和重新形成水玻璃，同時氫氧根離子表現(xiàn)出的堿性遠大于弱酸的酸性，因而水玻璃的添加進一步增大礦漿的pH，使環(huán)境更有利于起泡劑發(fā)揮作用。綜上所述，通過對選礦工藝的研究，結(jié)合尾砂沉降原理分析白鎢礦尾砂難沉降的機理可知：大量水玻璃使得尾砂漿連續(xù)相黏度變大，細顆粒尾砂無法通過重力實現(xiàn)自然沉降過程，同時水玻璃及碳酸鈉的加入使礦漿呈現(xiàn)高pH值，利于起泡劑丁胺黑藥發(fā)揮效用，尾砂漿在管道中劇烈震蕩形成大量泡沫進一步阻礙細顆粒尾砂的沉降。

圖8 選礦工藝流程Fig.8 Flowsheet for mineral processing

4 難處理尾砂絮凝沉降試驗

針對該白鎢礦特殊的尾砂漿性質(zhì)，為實現(xiàn)砂漿不起泡、細顆粒尾砂快速沉降，需調(diào)節(jié)礦漿pH至中性，抑制丁胺黑藥的發(fā)泡劑作用，然后添加聚合氯化鐵消解水玻璃，并利用其混凝劑的性質(zhì)使尾砂顆粒產(chǎn)生初步凝聚，最后添加適宜的聚丙烯酰胺絮凝劑完成尾砂的快速沉降，解決難處理白鎢尾砂的沉降難題。通過稀硫酸對尾砂漿進行中和，中和后的尾砂漿作為下一步沉降試驗的材料，首先進行絮凝劑的初選，之后再探究聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺絮凝劑在不同添加量下的綜合效果，實現(xiàn)尾砂快速沉降效果的同時降低藥劑的使用量及成本。

添加過量的聚合氯化鐵消除水玻璃的影響后選取三種不同的絮凝劑，分別為FA6000s、BSF5250和AD9020，根據(jù)絮凝劑性質(zhì)及使用經(jīng)驗，初選添加量設定為30 g/t干尾砂，試驗結(jié)果見表3。分析可知添加AD9020絮凝劑的沉降速度最快，其次是FA6000s，BSF5250效果最差，但沉降過程中添加BSF5250和AD9020絮凝劑的上層液體渾濁，只有添加FA6000s絮凝劑的上清液清澈，因而選擇FA6000s絮凝劑進行后續(xù)試驗。

表3 預處理后的尾砂漿絮凝初選試驗結(jié)果Tab.3 Preliminary testing results of tail flurry flocculation after pre-treatment

在實現(xiàn)尾砂快速沉降的同時探究最佳的藥劑添加量，節(jié)約處理成本并避免過量藥劑的二次污染，選擇聚合氯化鐵的添加量分別為80 g/t、75 g/t和70 g/t，F(xiàn)A6000s絮凝劑的添加量分別為30g/t、25g/t和20g/t，共需進行9組試驗，最終比較試驗結(jié)果并進行分析，試驗結(jié)果如表4和圖9、圖10所示。結(jié)果表明尾砂的沉降速度隨著絮凝劑添加量的增加而增大；隨聚合氯化鐵的添加量增加而增大；底流濃度隨藥劑用量的加大而有所減少，但減少的幅度不大，與自然沉降相比約降低2%～4%；絮凝劑添加量的變化對底流濃度的影響比聚合氯化鐵大。比較180s時的沉降高度及上部液體的清澈程度，由結(jié)果可知當聚合氯化鐵添加量為75 g/t、FA6000s絮凝劑添加量為25 g/t時尾砂漿上層液體清澈，沉降速度較快，是技術可行、經(jīng)濟合理的藥劑制度。如圖11為處置后的尾砂漿絮凝沉降與未處置尾砂漿沉降180 s后的對比照片。

圖9 尾砂沉降藥劑定量試驗結(jié)果Fig.9 Quantitative test for tail sand sedimentation agent

圖10 尾砂沉降藥劑添加量優(yōu)選散點圖Fig.10 Scatter plot for the adding amount optimizing of tailings sedimentation agent

圖11 經(jīng)處置和未處置尾礦漿沉降效果對比Fig.11 Sedimentation effect comparison between the disposed and un-disposal slurries

表4 尾砂沉降藥劑添加量優(yōu)化試驗結(jié)果Tab.4 Optimization testing results for tail sand sedimentation agent addition amount

5 結(jié)論和建議

（1）不同礦山選礦工藝及尾砂特性影響全尾砂沉降性能的主導因素差異較大。該鎢礦尾砂平均粒級為 126.3 μm，-20 μm 顆粒含量為 31.097%，尾砂呈橢球狀且表面較光滑，但由于礦漿連續(xù)相黏度較大及浮選起泡劑等原因致使其難以沉降，給企業(yè)充填生產(chǎn)帶來了巨大的影響。結(jié)合尾砂沉降機理對選礦工藝進行深入研究，分析得到大劑量水玻璃是尾砂難以沉降的主要原因、強堿性的礦漿環(huán)境使礦漿易于發(fā)泡，因而制定適宜的工藝，即先中和礦漿使其pH呈中性，然后加入聚合氯化鐵起到消解水玻璃和凝聚尾砂顆粒的作用，最后添加高分子FA6000s絮凝劑使尾砂快速沉降。

（2）對聚合氯化鐵和高分子絮凝劑FA6000s進行添加量優(yōu)化試驗，通過沉降速度及上層液體澄清度的比較，最終選擇聚合氯化鐵添加量為75 g/t、FA6000s絮凝劑添加量為25 g/t為最佳藥劑添加制度。

（3）添加酸對尾砂漿進行中和在充填站難以操作，由于選礦生產(chǎn)具有波動性，如何控制酸的添加量是一個難題，過量的酸會對管道、充填設施造成腐蝕，造成資源的浪費；酸量不足則難以達到預期沉降效果。針對該礦山的實際情況，其堿性主要產(chǎn)生于碳酸鈉和水玻璃的加入，今后需進一步研究以尋找價廉、易得的藥劑，同時消解碳酸鈉和水玻璃，再對處置后的尾砂漿進行絮凝劑的定性與定量試驗，得到更優(yōu)、更具操作性的尾砂快速沉降藥劑制度。