高 軒，張建輝，裴佃飛，王青芬

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司 北京市高效節(jié)能礦冶技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100160；3.山東黃金集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250001)

尾礦作為礦山生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的最主要的固體廢物，由于堆存面積大、環(huán)境污染嚴(yán)重、安全隱患多等問(wèn)題，已經(jīng)成為建設(shè)綠色礦山亟待解決的主要問(wèn)題之一[1]。充填法采礦能夠最大化回采礦石，采礦工作面安全性好，同時(shí)將尾砂回填到采場(chǎng)解決了尾礦堆放污染問(wèn)題[2-3]。膏體充填具有充填料漿采場(chǎng)不離析、不沉淀、不脫水，充填質(zhì)量均勻、強(qiáng)度大，充填后排水量少及管道輸送高效等優(yōu)點(diǎn)，是礦山充填技術(shù)的重要發(fā)展方向[4-6]。膏體充填的核心技術(shù)是全尾砂礦漿膏體制備工藝，而膏體濃密機(jī)制備膏體尾礦具有眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)[7]。

礦漿絮凝沉降工藝參數(shù)與礦漿性質(zhì)相關(guān)，影響因素眾多，如絮凝劑類(lèi)型、絮凝劑用量，礦漿濃度等[8]。本文擬對(duì)絮凝劑類(lèi)型、絮凝劑用量、礦漿濃度、礦漿pH值、溫度五個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了正交絮凝試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上篩選、優(yōu)化絮凝沉降工藝參數(shù)，確定礦漿的絮凝工藝參數(shù)及設(shè)備技術(shù)參數(shù)。

1 礦漿基本特性

原礦漿為山東黃金三山島金礦浮選尾礦，礦漿濃度約50.5%，礦漿電荷-36 mV, 礦漿pH=6.0，礦石密度2 703 kg/m3, 礦物粒度分布見(jiàn)表1。

表1 礦物粒度分布表

為了更直觀觀察粒度分布情況，將表1繪制成圖1所示的分布圖。

圖1 礦物粒度分布圖Fig.1 Mineral particle size distribution

從圖1以10為對(duì)數(shù)的橫坐標(biāo)可以看出粒徑大于100 μm的礦粒占50%以上，粒徑小于10 μm的礦粒占20%以上，粒度分布呈粗、微細(xì)兩頭多，中間粒度少的特點(diǎn)。粗顆粒沉降速度快，微細(xì)顆粒沉降速度慢，因此，尾礦絮凝沉降的關(guān)鍵是解決微細(xì)顆粒的絮凝沉降問(wèn)題。

2 絮凝沉降條件試驗(yàn)

2.1 正交試驗(yàn)

礦漿絮凝沉降速度與礦漿性質(zhì)(濃度、粒度分布、礦漿電荷等)和絮凝劑等多種因素相關(guān)，以絮凝劑類(lèi)型(主要為聚丙烯酰胺)、絮凝劑用量、礦漿濃度、礦漿pH值和礦漿溫度5因素4水平做正交試驗(yàn)研究，以沉降速度和溢流濁度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析各因素對(duì)沉降速度和溢流濁度影響權(quán)重，尋找最優(yōu)組合。16組沉降試驗(yàn)正交表L16(45)及其結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出,不同絮凝條件礦漿沉降速度和澄清層濁度差異明顯，其中以test10沉降速度最大，達(dá)到197.54 mm/min，test9沉降速度最小，為5.83 mm/min。test3和test12澄清層濁度明顯大于其它測(cè)試條件。

2.2.1 礦漿沉降速度影響因素分析

從表2計(jì)算出礦漿濃度，絮凝劑類(lèi)型、絮凝劑用量、礦漿pH值和礦漿溫度5因素4水平的平均沉降速度見(jiàn)表3。

表2 絮凝沉降速度及澄清層濁度

表3 各水平礦漿絮凝沉降速度平均值

從表3可以看出，對(duì)礦漿絮凝沉降速度影響最大的因素為絮凝劑用量，影響最小的因素為絮凝劑類(lèi)型。5個(gè)因素的影響順序?yàn)椋盒跄齽┯昧?礦漿濃度>礦漿pH>溫度>絮凝劑類(lèi)型。

按礦漿絮凝沉降速度優(yōu)先原則，針對(duì)絮凝劑用量和礦漿濃度兩個(gè)變量試驗(yàn)交互作用見(jiàn)表4。

表4 礦漿濃度和絮凝劑用量交互作用下礦漿沉降速度表

由表4可知，礦漿濃度20%，絮凝劑用量20 g/t時(shí)，沉降速度最大，達(dá)到了197.54 mm/min。

考慮到原礦漿pH=6.0，礦漿溫度一年四季隨季節(jié)變化，陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑在試驗(yàn)中有較好表現(xiàn)，因此確定最佳的沉降參數(shù)為：礦漿濃度20%，絮凝劑用量20g/t，pH=6，常溫，陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑。

2.2.2 澄清層濁度影響因素分析

從表2計(jì)算出礦漿濃度、絮凝劑類(lèi)型、絮凝劑用量、礦漿pH值和礦漿溫度5因素4水平的澄清層平均濁度，見(jiàn)表5。

表5 礦漿絮凝澄清層濁度平均值(NTU，澄清35 min)

從表5可以看出，對(duì)澄清層濁度影響最大的因素為礦漿溫度，影響最小的因素為絮凝劑用量。5個(gè)因素的影響排序?yàn)榈V漿溫度>礦漿濃度>絮凝劑類(lèi)型>礦漿pH值>絮凝劑用量。

3 絮凝耦合試驗(yàn)研究

根據(jù)正交沉降試驗(yàn)結(jié)果，按礦漿沉降速度考核優(yōu)化的絮凝工藝參數(shù)為：礦漿濃度10%、陰離子聚丙烯酰胺絮凝劑，礦漿pH=8, 溫度15℃，絮凝劑用量20 g/t。但從因素影響平均沉降速度表可知，礦漿溫度和礦漿pH值因素對(duì)礦漿沉降速度影響較小，并且考慮到原礦漿pH=6.0，礦漿溫度一年四季隨季節(jié)變化，因此綜合考慮礦漿絮凝沉降，優(yōu)化后參數(shù)見(jiàn)表6。其中把絮凝劑用量和礦漿濃度作為變量，耦合研究礦漿絮凝沉降特性。

表6 礦漿絮凝沉降優(yōu)化參數(shù)

3.1 耦合絮凝沉降速度及澄清層濁度

按照擬定的耦合條件，試驗(yàn)研究礦漿絮凝沉降及澄清層濁度變化規(guī)律，礦漿沉降速度和澄清層濁度見(jiàn)表7。

表7 礦漿絮凝沉降速度和澄清層濁度表

從表7可知，TC4，即絮凝劑用量為20 g/t、礦漿濃度為20%時(shí)的絮凝沉降速度最快，達(dá)到198.69 mm/min。只要澄清時(shí)間超過(guò)35 min，澄清層濁度都會(huì)小于100 NTU，完全達(dá)到國(guó)家排放或回水要求。

3.2 絮凝沉降平均濃度

全尾砂充填工藝，不僅要求濃密機(jī)底流濃度穩(wěn)定，而且要求底流濃度盡可能高，在優(yōu)化絮凝沉降工藝條件下，礦漿絮凝沉降后礦漿平均濃度與絮凝劑用量和礦漿濃度的關(guān)系見(jiàn)表8。

表8 絮凝沉降平均濃度表

從表8可以看出，礦漿靜態(tài)沉降20 h后礦漿平均濃度均小于65%，但通過(guò)擾動(dòng)再進(jìn)行二次沉降，沉降后礦漿平均濃度顯著提高，平均濃度最高可達(dá)68.39%。同時(shí)經(jīng)過(guò)絮凝擾動(dòng)后相比于靜置20 h均至少提高了5%的礦漿濃度。原因是絮凝形成絮體的包裹水難以簡(jiǎn)單破碎排出，增加擾動(dòng)后，破壞絮凝體結(jié)構(gòu)，將大絮凝體破碎為小絮凝體，將絮體包裹水釋放出來(lái)，礦漿濃度提升較大。

兼顧干涉沉降速度和最終平均礦漿濃度，認(rèn)為最優(yōu)絮凝用量20 g/t，最優(yōu)礦漿濃度為20%。在此條件下，進(jìn)一步進(jìn)行靜態(tài)絮凝沉降平均濃度試驗(yàn)，得到平均濃度隨著時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看到濃密機(jī)底流濃度達(dá)到50%比較容易，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀出礦漿滯留時(shí)間約7 min；若要底流濃度達(dá)到58%，礦漿滯留時(shí)間需要約180 min。在200 min之后料層平均濃度基本維持不變。

圖2 礦漿絮凝沉降平均濃度曲線圖Fig.2 Average concentration curve of flocculation sedimentation

4 結(jié)論

本文通過(guò)L16(45)5因素4水平正交靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)和耦合條件試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1)為三山島金礦尾礦絮凝提供了科學(xué)指導(dǎo)，得到了自然絮凝最優(yōu)絮凝參數(shù)為：礦漿濃度20%，絮凝劑用量20 g/t，陰離子聚丙烯酰胺，溫度常溫、礦漿pH=6.0。

2)最優(yōu)條件下無(wú)擾動(dòng)絮凝沉降礦漿極限平均濃度為60%，增加擾動(dòng)、破碎絮凝體，絮體二次沉降，礦漿極限平均濃度能達(dá)到66%，可適當(dāng)考慮二次沉降。

3)礦漿沉降速度影響因素排序?yàn)椋盒跄齽┯昧?礦漿濃度>礦漿pH>溫度>絮凝劑類(lèi)型；礦漿沉降澄清層濁度影響因素排序?yàn)椋旱V漿溫度>礦漿濃度>絮凝劑類(lèi)型>pH值>絮凝劑用量。