賀茂坤， 付建勛， 李浩宇

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著充填采礦法日益廣泛的應(yīng)用，我國的充填技術(shù)經(jīng)歷了廢石充填，水砂充填，膠結(jié)充填，全尾砂高濃度、膏體充填等發(fā)展歷程。膏體充填技術(shù)具有充填濃度高，采場脫水少，充填體強(qiáng)度高且膠凝材料消耗少等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年充填技術(shù)重點(diǎn)研究和發(fā)展方向。

雖然膏體充填技術(shù)已逐漸推廣應(yīng)用，但是使用效果參差不齊。部分工程出現(xiàn)了全尾砂濃縮脫水不穩(wěn)定的現(xiàn)象，特別是極細(xì)粒級(jí)較多的全尾砂濃縮脫水過程中，出現(xiàn)了絮凝劑添加方式粗放，添加量不科學(xué)，溢流水跑渾的現(xiàn)象；有些礦山選礦廠投入生產(chǎn)后，產(chǎn)出的尾砂濃度較原設(shè)計(jì)值變化大或者波動(dòng)大，也導(dǎo)致了尾砂濃縮設(shè)備的濃縮脫水效果較差，進(jìn)而導(dǎo)致了尾砂濃縮設(shè)備底流濃度不達(dá)標(biāo)，充填濃度波動(dòng)范圍大，充填站回水濃度不達(dá)標(biāo)，絮凝劑添加成本過高等問題。因此，亟需開展充填尾砂濃縮技術(shù)的深入研究，實(shí)現(xiàn)尾砂的深度快速濃縮脫水，改善膏體制備質(zhì)量，提升膏體充填技術(shù)。

2 尾砂深度濃縮快速脫水技術(shù)

2.1 主要影響因素

圍繞尾砂濃縮脫水技術(shù)研究現(xiàn)狀和相關(guān)濃縮設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀，尾砂深度濃縮快速脫水技術(shù)主要影響因素有以下方面：

1)絮凝劑的種類和添加量

尾砂濃縮時(shí)，絮凝劑的種類和添加量是基礎(chǔ)參數(shù)之

一，絮凝劑按照其化學(xué)成分總體可分為無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑。在尾砂濃縮中大量使用的是有機(jī)高分子絮凝劑聚丙烯酰胺。絮凝劑的種類和添加量通過實(shí)驗(yàn)?zāi)芟鄬?duì)直觀的擇優(yōu)獲取。大量實(shí)驗(yàn)和研究表明，在一定的尾砂濃度給料范圍內(nèi)，絮凝劑有最佳的添加種類和相應(yīng)的添加量[1]。

2)絮凝劑制備

絮凝劑添加在污水處理中有廣泛的使用，從而帶動(dòng)了絮凝劑添加設(shè)備的發(fā)展。絮凝劑不宜溶于水，需要強(qiáng)制攪拌使藥劑快速而均勻的溶于制備溶液中，絮凝劑添加設(shè)備從分體式的半自動(dòng)化裝置，已發(fā)展為集成計(jì)量、添加、制備、輸送一體式的連續(xù)自動(dòng)配藥裝置。

3)尾砂二次稀釋

全尾砂的沉降速度受到尾砂的給料質(zhì)量濃度影響比較大，尾砂在一定的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)絮凝沉降效果最好，沉降速度快，絮凝劑添加當(dāng)量最少。史秀志等以極限沉降速度作為考核絮凝沉降效果優(yōu)劣的指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出各因素對(duì)絮凝沉降影響的大小順序?yàn)槲采皾舛?絮凝劑濃度>絮凝劑單耗。極限沉降速度與尾砂濃度呈負(fù)相關(guān)，與絮凝劑濃度呈正相關(guān)，絮凝劑單耗對(duì)極限沉降速度基本沒有影響[2]。

4)濃縮設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造及輔助裝置

濃縮設(shè)備進(jìn)料桶的構(gòu)造及設(shè)置方式，濃縮設(shè)備的耙架設(shè)置，倒水桿排列等濃縮設(shè)備的內(nèi)部設(shè)施及布置形式，對(duì)尾砂的濃縮有進(jìn)一步的影響，也是影響濃縮設(shè)備底流濃度的重要環(huán)節(jié)。這一部分側(cè)重設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要研究方向是設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)備耙架及筒體尺寸等。濃縮設(shè)備廠家的研究相對(duì)較多。

5)其他因素

在絮凝沉降中，還對(duì)水溫、水樣、助凝劑等進(jìn)行了一系列研究。趙德貴發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)不同溫度下的礦漿對(duì)絮凝劑用量影響較大，氣溫由10℃上升到20℃，絮凝劑添加量減少約11%[3]。

2.2 二次稀釋

1)稀釋濃度

尾砂絮團(tuán)在濃縮裝置的上清液中做沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)，沉降過程中受到重力、浮力的作用,絮凝團(tuán)的沉降速度為[4]

(1)

由于沉降速度通過實(shí)驗(yàn)?zāi)芟鄬?duì)直接的測算，根據(jù)沉降速度公式可推算尾砂的體積濃度為

(2)

尾砂的體積濃度和重量濃度關(guān)系式為

(3)

根據(jù)式(1)、(2)、(3)，可得到尾砂絮凝沉降時(shí)，尾砂濃度公式為

(4)

上述式中，d為絮團(tuán)當(dāng)量直徑，m；μ為黏度，Pa·s；ρs、ρ分別為砂粒和上清液的密度，kg/m3；V為絮團(tuán)沉降速度，m/s；KF為絮凝系數(shù)，表示單位體積固體的絮凝體積；CV為體積濃度，%，Cw為砂漿的質(zhì)量濃度，%。

根據(jù)尾砂濃度式(4)可知，尾砂濃度和絮凝團(tuán)的直徑和絮凝系數(shù)成冪律關(guān)系，而絮凝團(tuán)的直徑和絮凝系數(shù)和尾砂的粒級(jí)直接和絮凝劑的種類相關(guān)，因此在確定稀釋濃度時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注尾砂粒級(jí)和絮團(tuán)形狀，粒級(jí)較小時(shí)會(huì)導(dǎo)致絮凝團(tuán)的直徑和絮凝系數(shù)變化較大，因而對(duì)稀釋濃度影響也較大。

2)最佳稀釋濃度

二次稀釋濃度是絮凝沉降的重點(diǎn)研究方向，如卞繼偉通過某礦全尾砂動(dòng)態(tài)沉降試驗(yàn)，確定最佳動(dòng)態(tài)絮凝沉降參數(shù)：絮凝劑單耗為10g/t，供料速度為1.5L/min，全尾砂料漿濃度為13%左右[5]。司家營鐵礦沉降參數(shù)：絮凝劑單耗為10g/t，尾砂料漿濃度為18%，此時(shí)全尾砂在立式砂倉中的沉降速度最快(1.38m/h)，沉降效果最好，且大于1.05m/h，滿足動(dòng)態(tài)放砂需要[6]。

但是這些研究主要針對(duì)研究目標(biāo)礦山的最佳稀釋濃度，缺少對(duì)類似礦山的一般性、通用性研究。不同礦山的設(shè)計(jì)尾砂濃度，實(shí)驗(yàn)最佳稀釋濃度和實(shí)際的稀釋后濃度不盡相同。本文統(tǒng)計(jì)了幾個(gè)礦山尾砂稀釋濃度見表1。

表1 尾砂稀釋濃度

根據(jù)固體通量的含義：單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的某種固體物理量，由于礦漿濃度越高，單位體積內(nèi)的質(zhì)量越高，但是降速度一般隨礦漿濃度增加而降低，因此存在一個(gè)固體通量最大的區(qū)間值。固體通量越大，其濃縮處理效率越大，濃縮速度越快。通過尾砂濃縮試驗(yàn)研究固體通量與礦漿稀釋濃度的關(guān)系，可以為濃縮設(shè)備選型提供依據(jù)，選擇最佳的礦漿稀釋濃度可以使尾砂濃縮脫水最快，濃縮效率最高。根據(jù)稀釋的給料濃度繪制的固體通量曲線如圖1所示。

圖1 給料濃度- 固體通量曲線

根據(jù)固體通量曲線，初始段(濃度≤6%～8%)由于濃度偏低，絮凝劑捕捉的尾砂量偏少，故絮團(tuán)體積偏小，基本處于自然沉降，沉降速度提升一般，固體通量增加偏慢。提升段(6%～8%≤濃度≤10%～12%)，隨著濃度的增加，尾砂沉降速度迅速增加并達(dá)到最大值，絮凝團(tuán)的增多、增大，固體通量增加速度較快。穩(wěn)定段(10%～12%≤濃度≤16%～18%)，該區(qū)間尾砂絮凝團(tuán)較大，上清液較澄清，相互干涉少，沉降速度已經(jīng)達(dá)到最大值，由于尾砂濃度的增加，單位面積的固體通量最大的階段。干涉段(濃度≥16%～18%)，由于尾砂給料濃度增大，尾砂顆粒增多形成了大小和速度不同的絮團(tuán)，相對(duì)干涉影響也增加，沉降速度相對(duì)下降，也造成固體通量的逐漸下降。

由于全尾砂的沉降速度受到尾砂漿質(zhì)量濃度的影響，參照尾砂沉降實(shí)驗(yàn)和相關(guān)絮凝沉降研究，最佳沉降濃度的范圍一般為尾砂濃度8%～18%，而最大固體通量對(duì)應(yīng)的尾砂濃度為10%～14%(圖1圓圈內(nèi))。因此，為了兼顧處理效率和稀釋成本，建議常見有色金屬礦來料尾砂的最佳稀釋濃度為12%～18%。

3)稀釋沉降實(shí)驗(yàn)

根據(jù)某銅礦尾砂沉降實(shí)驗(yàn)，首先進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，選擇最優(yōu)絮凝劑和添加量。

實(shí)驗(yàn)針對(duì)四種絮凝劑進(jìn)行了研究，絮凝劑試驗(yàn)濃度0.025%，發(fā)現(xiàn)615V、655S型效果較好，其中615V效果最佳。絮凝劑添加量：分別測試了15g/t、21g/t、28g/t、35g/t時(shí)的效果，發(fā)現(xiàn)在21g/t時(shí)效果較好，28～35g/t時(shí)上清液已經(jīng)非常澄清。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦采用615V絮凝劑，建議最終添加量在25～30g/t。

根據(jù)圖2、圖3所示，沉降速度與絮凝劑單耗、供料速度、料漿質(zhì)量濃度均呈正相關(guān)；底流質(zhì)量濃度隨絮凝劑單耗的增加先增加后基本保持不變，與供料速度呈負(fù)相關(guān)，與料漿質(zhì)量濃度呈正相關(guān)；溢流水懸浮物質(zhì)量濃度與絮凝劑單耗呈正相關(guān)，與供料速度、料漿質(zhì)量濃度均呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定該尾砂最佳動(dòng)態(tài)絮凝沉降條件如下：絮凝劑單耗為10g/t，供料速度為1.5L/min，全尾砂料漿濃度為13%左右，該濃度符合上述預(yù)測的范圍。

圖2 絮凝劑添加量- 沉降速度曲線

圖3 給料濃度- 沉降速度曲線

2.3 給料筒的設(shè)置

1)進(jìn)料桶

絮凝沉降主要包括混合、反應(yīng)和沉降，關(guān)鍵在于尾砂和絮凝劑的混合。混合階段的基本要求是使藥劑迅速而均勻地?cái)U(kuò)散到進(jìn)料中，并形成微絮凝，因而混合要充分，消耗時(shí)間要控制在一定范圍。在反應(yīng)階段則要求水流有適當(dāng)?shù)乃俣龋纫獮槲⑿跄姆e聚成絮凝團(tuán)創(chuàng)造充分的接觸機(jī)會(huì)，又要避免對(duì)已形成的絮凝團(tuán)產(chǎn)生破壞。

尾砂輸送至濃縮設(shè)備處理時(shí)，首先輸送到進(jìn)料桶中，進(jìn)料桶是尾砂和絮凝劑接觸和混合的重要場所，屬于尾砂濃縮的咽喉環(huán)節(jié)，是絮凝沉降的關(guān)鍵步驟。進(jìn)料桶的稀釋方式，規(guī)格和布置，絮凝劑添加入點(diǎn)，料漿的流向和改向、混合方式都會(huì)影響絮凝混合沉降的效果。一個(gè)合格的進(jìn)料桶應(yīng)包括以下設(shè)施和結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示。

圖4 進(jìn)料桶組成

2)稀釋方式

目前濃縮設(shè)備進(jìn)料裝置的稀釋方式主要利用進(jìn)料桶的自帶裝置進(jìn)行自主稀釋，或者利用泵的強(qiáng)制稀釋作用，強(qiáng)制吸入上清液或低濃度尾砂料漿，將進(jìn)料尾砂稀釋到所需的二次稀釋濃度，促進(jìn)尾砂和絮凝劑的混合，充分發(fā)揮絮凝劑的作用，提高濃縮設(shè)備的沉降效率。因此，選擇合適的稀釋方式，設(shè)置結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)合理的稀釋進(jìn)料裝置，將料漿稀釋到適合絮凝劑發(fā)揮作用的理想固含量，是提高沉降設(shè)備產(chǎn)能的重要途徑之一。

濃縮設(shè)備的二次稀釋一般設(shè)置在濃縮設(shè)備的進(jìn)料桶內(nèi)。目前大多數(shù)濃縮設(shè)備主要配備的是自稀釋為主的進(jìn)料系統(tǒng)，其主要原理是通過不同速度形成的負(fù)壓，或進(jìn)料桶內(nèi)外不同濃度的料漿液位差，進(jìn)行被動(dòng)調(diào)節(jié)，這種稀釋方式的優(yōu)點(diǎn)是不消耗額外能量，但是稀釋濃度的范圍相對(duì)有限。根據(jù)尹德明對(duì)自稀釋系統(tǒng)的仿真研究，通過對(duì)不同吸入管直徑d1、進(jìn)料管直徑d2、混合室直徑d3的仿真分析，最終得出能夠滿足二次稀釋濃度要求的進(jìn)料管直徑d2、混合室直徑d3[7](各直徑對(duì)應(yīng)管如圖5所示)。這表明進(jìn)料管的直徑和混合管的直徑是影響自稀釋進(jìn)料桶二次稀釋濃度的重要參數(shù)。

圖5 自稀釋進(jìn)料裝置

常見的另外一種稀釋方式為強(qiáng)制稀釋，即通過軸流泵將水或低濃度尾砂料漿泵入來料尾砂中，對(duì)來料尾砂濃度進(jìn)行主動(dòng)強(qiáng)制稀釋。稀釋濃度受稀釋泵的流量影響最大，泵入的水量或低濃度尾砂料漿量決定了稀釋后的總量，直接影響了二次稀釋濃度；稀釋泵的出口壓力，如果出口壓力波動(dòng)較大，并造成相應(yīng)流速、流量變化，從而影響二次稀釋濃度。

自稀釋方式受限于進(jìn)料管、混合管的直徑匹配關(guān)系，自稀釋的稀釋倍數(shù)一般不超過2倍。強(qiáng)制稀釋由于泵的選擇范圍較自稀釋進(jìn)料管徑匹配的范圍大，強(qiáng)制稀釋濃度范圍也較自稀釋大的多，通常可達(dá)2～5倍，理論上稀釋的倍數(shù)范圍非常大，但稀釋量過大在混合桶的有限空間和有限時(shí)間內(nèi)混合均勻會(huì)比較困難。因此在給料濃度小，稀釋倍數(shù)要求小的場合，宜選擇自稀釋方式；給料濃度大，濃度波動(dòng)范圍大的場合，應(yīng)選擇強(qiáng)制稀釋方式。

3)進(jìn)料桶的布置方式仿真分析

為了滿足尾砂的充分混合和接觸需要，本文研究了不同尾砂進(jìn)料桶布置數(shù)量、位置對(duì)尾砂沉降和濃縮的影響。建立了兩個(gè)仿真模型進(jìn)行計(jì)算分析，仿真一為單進(jìn)料桶，仿真二為四個(gè)同樣的進(jìn)料桶，均布在濃縮設(shè)備的四周，兩個(gè)模型總進(jìn)料量相同，進(jìn)料桶的總面積相同。利用RNGk-ε紊流模型[8]和MIXTURE多相流模型對(duì)單點(diǎn)進(jìn)料和多點(diǎn)進(jìn)料的流場進(jìn)行求解。

根據(jù)RNGk-ε紊流模型，紊動(dòng)能k方程為

(5)

紊動(dòng)能耗散率ε方程為

(6)

上述式中，ρ為密度，kg/m3；k為紊動(dòng)能；ui為各個(gè)方向時(shí)均速度的分量，m/s；Gk為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能；ε為紊動(dòng)能耗散率；ut為時(shí)均速度的分量,m/s。

參照尾礦牛頓體與賓漢體費(fèi)祥俊流變參數(shù)公式，計(jì)算公式還有：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

上述式中，極限體積濃度CVm，牛頓體與賓漢體分界濃度CV0；賓漢體屈服應(yīng)力τB，Pa；賓漢體剛度系數(shù)η，Pa·s；粒徑di，mm；ΔPi/di粒級(jí)權(quán)重；A=1.26，B=8.45；20℃時(shí)的水黏度μs為0.001Pa·s，k為系數(shù)。

濃縮設(shè)備進(jìn)料干量為126t/h，質(zhì)量濃度10%。通過分析進(jìn)料點(diǎn)的沙粒流向，多點(diǎn)進(jìn)料由于距離溢流槽的距離較近，一部分未沉降的砂粒溢流走了，濃縮設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)特征如圖6所示。由于多點(diǎn)進(jìn)料的濃縮效率下降，造成濃縮速度和固體通量的下降，通過連續(xù)9h的進(jìn)料仿真計(jì)算，單進(jìn)料桶模型的砂位高于四進(jìn)料桶模型，即單點(diǎn)進(jìn)料濃縮速度優(yōu)于多點(diǎn)進(jìn)料，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖6 濃縮設(shè)備內(nèi)部料漿流動(dòng)特征

圖7 多點(diǎn)- 單點(diǎn)進(jìn)料計(jì)算模型

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)圍繞尾砂的二次稀釋及最佳稀釋濃度，進(jìn)料桶的稀釋和布置形式研究，以實(shí)現(xiàn)尾砂的高效率深度濃縮脫水，為尾砂濃縮設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型提供了參考。主要結(jié)論有：

(1)通過分析影響尾砂濃縮的因素特別是進(jìn)料濃度對(duì)深度濃縮的影響，為了尋求最佳稀釋濃度，提出了稀釋濃度計(jì)算公式。

(2)根據(jù)來料濃度和固體通量曲線，為了兼顧處理效率和稀釋成本，建議常見有色金屬礦來料尾砂的最佳稀釋濃度為12%～18%，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)選擇自稀釋還是強(qiáng)制稀釋主要和尾砂濃度及其波動(dòng)范圍等工況有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況擇合適的稀釋方式，選擇強(qiáng)制稀釋更能適應(yīng)復(fù)雜的工況。

(4)通過仿真分析尾砂進(jìn)料桶布置數(shù)量、位置對(duì)尾砂沉降和濃縮的影響，表明進(jìn)料桶布置在中央的方式更有利于尾砂的快速濃縮。