阮竹恩，吳愛祥，王建棟，尹升華，王 勇

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083

膏體充填已經(jīng)成為治理采空區(qū)和尾礦庫災(zāi)害、實現(xiàn)礦山綠色開采的重要手段之一[1?2]. 膏體充填的其中一項核心技術(shù)是全尾砂深錐濃密，即通過向來自選廠的低濃度全尾砂料漿中添加高分子絮凝劑實現(xiàn)快速沉降、再通過深錐濃密機實現(xiàn)全尾砂料漿的深度濃密，從而獲得高濃度底流，為制備合格的膏體奠定基礎(chǔ)[3?5]. 全尾砂進入深錐濃密機經(jīng)過絮凝后，以絮團的形式存在. 針對濃密過程中的絮凝沉降，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的實驗來研究沉降，分析了絮凝劑種類與單耗[6?8]、全尾砂料漿中的固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下文簡稱固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[9?10]、尾砂化學(xué)組成[11?12]、料漿酸堿度[13?14]以及水力條件[15?16]等因素對全尾砂料漿沉降速率的影響規(guī)律. 同時，也應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究了深錐濃密機內(nèi)的全尾砂絮凝沉降行為[17?19]. 但是，對于全尾砂的絮凝本身或者絮團的性質(zhì)研究相對較少.絮團的尺寸是絮團的最直觀的性質(zhì)，也是最重要的性質(zhì). 絮團尺寸的測量方法多樣，如最古老的沉降速率法、激光粒度儀、掃描電子顯微鏡（SEM）及光學(xué)顯微鏡，但是這些方法因為不能直接測量或者對絮團結(jié)構(gòu)進行了破壞，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差較大[20]. 近年來，聚焦式激光反射測量系統(tǒng)（Focused beam reflectance measurement, FBRM）因其可以實時原位測試絮團尺寸，不用取樣破壞絮團結(jié)構(gòu)，而被越來越多的應(yīng)用于絮團尺寸的測量[21?22].

為此，本文應(yīng)用FBRM測量不同絮凝條件下的全尾砂絮團尺寸，分析絮凝劑種類、固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)（SF）、絮凝劑單耗（FD）、絮凝劑溶液中絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下文簡稱絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，F(xiàn)F）和流場剪切速率（G）對全尾砂絮團的尺寸的影響進行研究，再應(yīng)用絮凝后全尾砂料漿的靜態(tài)沉降來分析絮凝條件對沉降行為的影響.

1 實驗

1.1 實驗材料

本文所用的全尾砂取自于國內(nèi)某鎳礦，應(yīng)用比重法測得真實密度為 2785 kg·m?3. 采用歐美克TopSizer激光粒度分析儀分析全尾砂粒徑分布，所得結(jié)果如圖1所示，粒徑?20 μm的顆粒占比（體積分?jǐn)?shù)）為54.74%，?74 μm占比為91.31%，?100 μm 占比為95.38%，索特平均直徑d32和體積平均直徑d43分別為 5.22 μm 和 30.67 μm.

圖1 全尾砂粒徑分布Fig.1 Grain size distribution of unclassified tailings

絮 凝 劑 為 Rheomax 1010、 Rheomax 1020、Rheomax 1050、 Magnafloc 336、 Magnafloc 5250 和APAM-10，共6種陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑，均為高分子絮凝劑，相對分子量分別為2520萬、2160萬、2000萬、2880萬、1800萬和1200萬.

1.2 實驗方案

實驗采用MY 3000-6M彩屏混凝試驗攪拌機，研究絮凝劑種類不同、固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同（SF=5%、10%、15%、20%和25%）、絮凝劑單耗不同（FD=5、10、15 和25 g·t?1）、絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同（FF=0.005%、0.025%、0.05%、0.10%和0.15%）和流體剪切速率不同（G=51.6、94.8、146.0、204.0、268.2、338.0和412.9 s?1）時的全尾砂絮凝情況，將 FBRM 的探頭浸沒入尾砂料漿中檢測不同絮凝條件下的全尾砂絮團尺寸，應(yīng)用FBRM軟件的Marco弦長和平方加權(quán)方法對測量數(shù)據(jù)進行處理[23]. 采用單因素實驗，共計22組，尾砂料漿用干尾砂和實驗室自來水進行配制，每組實驗中全尾砂料漿體積和絮凝溶液的總體積為 1000 mL，pH 為 7.41. 絮凝反應(yīng) 4 min后，將絮凝全尾砂料漿移入1000 mL量筒中進行靜態(tài)沉降實驗，記錄固液界面隨著時間的下降高度.

實驗關(guān)鍵設(shè)備如圖2所示. MY 3000-6M彩屏混凝試驗攪拌機可產(chǎn)生10～1000 s?1范圍內(nèi)任意剪切速率. FBRM 為瑞典 METTLER TOLEDO 的G600，是一種基于弦長（Chord length）的測量技術(shù)，核心結(jié)構(gòu)為探頭，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測試原理如圖3所示. 在FBRM探頭內(nèi)部有平行分布的激光源光纖和監(jiān)測光纖，激光光束從探頭尾部發(fā)射出來，經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的棱鏡聚焦于很小的一個點上，棱鏡旋轉(zhuǎn)速度為 2 m·s?1. 若探頭所處環(huán)境中沒有顆粒，監(jiān)測光纖無任何反射信號；一旦有顆粒經(jīng)過窗口表面，聚焦光束碰到顆粒后將會反射回來，此時監(jiān)測光纖將會探測到增強光信號. 顆粒持續(xù)反射激光源光束，直到到達顆粒的另一邊. 這段反射激光源光束的時間乘以掃描速度即得到了距離，稱之為顆粒的“弦長”.

圖2 絮凝實驗設(shè)備Fig.2 Flocculation experiment equipment

本文中應(yīng)用FBRM檢測所得的弦長表征絮團的尺寸，用固液界面初始沉降速率來分析絮凝全尾砂料漿的沉降行為.

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑種類對全尾砂絮凝沉降行為的影響

2.1.1 絮凝劑種類對全尾砂絮凝行為的影響

圖3 FBRM 探頭結(jié)構(gòu)示意和弦長測試原理Fig.3 Schematic of FBRM probe structure and chord length measuring principle

在固相質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%、絮凝劑單耗為 10 g·t?1、絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%、剪切速率為94.8 s?1的條件下，六種不同絮凝劑作用下的全尾砂絮團平均弦長變化規(guī)律如圖4所示.

圖4 不同絮凝劑種類條件下全尾砂絮凝行為Fig.4 Flocculation behavior under different flocculants

在不同絮凝劑種類條件下，全尾砂均快速絮凝形成絮團，并且絮團的平均弦長增長達到峰值后隨著絮凝反應(yīng)時間逐漸下降至一個穩(wěn)定狀態(tài).因為在流場剪切作用下發(fā)生的橋接絮凝中，全尾砂絮凝成絮團（聚并）、絮團的剪切破碎（破碎）以及破碎絮團的重構(gòu)（重構(gòu)）等過程往往同時并且一直存在，在剪切初始階段，以聚并過程為主，絮團的平均弦長表現(xiàn)為增長；達到峰值后，隨著剪切作用的繼續(xù)進行，以破碎和重構(gòu)現(xiàn)象為主，大而疏松絮團會被剪切破碎成為較小的絮團，小絮團也可能會繼續(xù)重構(gòu)成為更加致密的中等尺寸的絮團[24?25]；當(dāng)絮團的重構(gòu)與破碎達到平衡時，絮團的平均弦長達到一個穩(wěn)定狀態(tài).

雖然不同絮凝劑條件下，絮團的平均弦長變化趨勢相似，但是獲得的平均弦長峰值（CLmax）以及絮凝反應(yīng)結(jié)束后的絮團平均弦長（CL4min）卻不盡相同. 由圖 4 可知，Magnafloc 5250 絮凝劑作用下可獲得的CLmax和CL4min均比其它絮凝劑的大，分別達到了 620.63 μm 和 399.57 μm，且達到 CLmax的絮凝時間也最長，為30 s. 這是因為，不同類型的絮凝劑的結(jié)構(gòu)、分子量、離子性等不同，導(dǎo)致其絮凝效果不同[26?27]. 同時，因為除了不同絮凝劑條件下形成絮團的尺寸不同外，絮團的結(jié)構(gòu)、密度與抗剪強度也不盡相同，導(dǎo)致在平均弦長下降階段不同絮凝劑條件下的絮團平均弦長下降速率也不盡相同.

以Magnafloc 5250絮凝劑作用下的絮團弦長的分布（如圖5所示）為例，進一步分析這一絮凝行為. 由圖5可知，在絮凝時間t=0～30 s內(nèi)絮團弦長微分分布的峰值和累積分布曲線不斷右移，絮團不斷生長，大尺寸絮團不斷增多，從而導(dǎo)致圖4中的絮團平均弦長不斷增長. 30 s以后，由于剪切作用，大尺寸絮團被破碎，絮團弦長微分分布的峰值和累積分布曲線左移，從而導(dǎo)致圖4中的絮團平均弦長逐漸下降.

圖5 Magnafloc 5250 作用下全尾砂絮團弦長分布（CD 為累積分布，DD為微分分布）Fig.5 Chord length distribution of unclassified tailings floc using Magnafloc 5250 (CD and DD are abbreviations for cumulative distribution and differential distribution, respectively)

2.1.2 絮凝劑種類對絮凝全尾砂料漿沉降行為的影響

不同絮凝劑種類條件下絮凝全尾砂料漿沉降曲線如圖6所示. 取沉降曲線初始線性階段來分析固液界面的初始沉降速率. 對線性階段進行擬合，所得斜率的絕對值即為初始沉降速率，可知通過Magnafloc 5250絮凝劑作用形成的絮凝全尾砂料漿的固液界面初始沉降速率最大，達到4.61 mm·s?1.這與 Magnafloc 5250 獲得的 CL4min最大一致. 因此，針對本文中所研究的全尾砂，六種絮凝劑中Magnafloc 5250 絮凝效果最好.

圖6 不同絮凝劑種類條件下絮凝全尾砂料漿沉降曲線Fig.6 Settling curve of flocculated tailings slurry under different flocculants

2.2 固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對全尾砂絮凝沉降行為的影響

2.2.1 固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對全尾砂絮凝行為的影響

在絮凝劑為Magnafloc 5250、絮凝劑單耗為10 g·t?1、絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.025%、剪切速率為94.8 s?1的條件下，不同固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5%、10%、15%、20%和25%）的全尾砂料漿絮凝行為如圖7所示.

圖7 不同固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下全尾砂絮凝行為Fig.7 Flocculation behavior under different solid mass fractions

由圖7可知，CLmax和CL4min隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增大后減小，其中CLmax在固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時取得最大值. 這是因為，在絮凝初始階段，根據(jù)Smoluchowski理論，在其它絮凝條件相同的情況下，絮凝劑的擴散速率隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低，導(dǎo)致絮凝劑與尾砂顆粒接觸的機會降低，從而降低了絮凝效果. 但是當(dāng)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低時（SF=5%），絮凝劑過于分散而料漿中尾砂顆粒有限，同樣導(dǎo)致絮凝效果不是很理想，所以需要相對較長的時間才能獲得CLmax. 同時，隨著剪切作用的持續(xù)進行，不同固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的CL4min近似分為三組：402 μm左右（SF=5%、10%）；213 μm（SF=15%）；135 μm 左右（SF=20%、25%）.

2.2.2 固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對絮凝全尾砂料漿沉降行為的影響

不同固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下絮凝全尾砂料漿沉降曲線如圖8所示. 和CL4min類似，不同固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的固液界面的初始沉降速率也近似分為三組：4.71 mm·s?1左右（SF=5%、10%）；2.34 mm·s?1（SF=15%）；0.74 mm·s?1左右（SF=20%、25%）. 其中，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，初始沉降速率最大，達到 4.81 mm·s?1. 但是，在固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時，不能僅以固液界面初始沉降速率來評判沉降效果，而應(yīng)該用固體通量，即單位時間通過單位面積的質(zhì)量來評價沉降效果. 根據(jù)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)（密度）和初始沉降速率即可得出不同固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的固體通量，當(dāng)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，固體通量最大，達到 0.493 kg·s?1·m?2，因此針對本文的絮凝條件，最佳固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%.

圖8 不同固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下絮凝全尾砂料漿沉降曲線Fig.8 Settling curves of flocculated tailings slurry under different solid mass fractions

2.3 絮凝劑單耗與絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對全尾砂絮凝沉降行為的影響

2.3.1 絮凝劑單耗與絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對全尾砂絮凝行為的影響

在絮凝劑為 Magnafloc 5250、剪切速率為94.8 s?1、絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.025% 時，不同絮凝劑單耗（5、10、15 和 25 g·t?1）的全尾砂料漿絮凝行為如圖 9（a）所示. 由圖 9（a）可知，CLmax和CL4min隨著絮凝劑單耗的增加而先增大后減小，均在 15 g·t?1時最大. 同時，不同絮凝劑單耗條件下的CL4min近似分為三組：466 μm（FD=15 g·t?1）；399 μm左右（FD=10、20 和 25 g·t?1）；212 μm（FD=5 g·t?1）.這是因為，高分子絮凝劑和全尾砂的絮凝作用屬于橋接絮凝，在絮凝劑單耗較低時（5 g·t?1、10 g·t?1），因絮凝劑的不足而導(dǎo)致絮凝效果不佳；而在絮凝劑單耗過高時（20 g·t?1、25 g·t?1），因絮凝劑的過量導(dǎo)致全尾砂顆粒表面全被絮凝劑覆蓋而不能和其它顆粒橋接形成絮團，絮凝效果也不佳.

在絮凝劑為Magnafloc 5250、剪切速率為 94.8 s?1、絮凝劑單耗為 10 g·t?1時，不同絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.005%、0.025%、0.05%、0.10%和 0.15%）的全尾砂料漿絮凝行為分別如圖 9（b）所示. 由圖 9（b）可知，CLmax和CL4min隨著絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化不明顯，分別在 550 μm 和 380 μm 左右. 雖然本文中絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，但是絮凝劑溶液加入到全尾砂料漿后，整個反應(yīng)體系的總體積都是1000 mL，由于流場剪切作用，絮凝劑溶液和全尾砂料漿快速混合，整個反應(yīng)體系的絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均相同，因此，絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對絮凝效果的影響并不大.但是，由于不同絮凝劑溶液制備時間相同，可能導(dǎo)致絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的絮凝劑溶液（0.15%）中的絮凝劑高分子溶解效果比絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的絮凝劑溶液低，從而導(dǎo)致0.15%條件下的CLmax和CL4min相對較小.

圖9 不同絮凝劑單耗（a）與絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（b）條件下全尾砂絮凝行為Fig.9 Flocculation behavior under different flocculant dosages (a) and flocculant mass fractions (b)

2.3.2 絮凝劑單耗與絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對絮凝全尾砂料漿沉降行為的影響

不同絮凝劑單耗與絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下絮凝全尾砂料漿沉降曲線分別如圖10（a）、圖10（b）所示. 不同絮凝劑單耗條件下的固液界面初始沉降速率只近似分為兩組：4.58 mm·s?1左右（FD=10、15、20 和 25 g·t?1）和 2.32 mm·s?1（FD=5 g·t?1）. 雖然15 g·t?1條件下的初始沉降速率最大，但是和其它相近絮凝劑單耗條件下的區(qū)分并不明顯，因為該條件下的絮團尺寸過大（CL4min=466.5 μm），導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)疏松而影響初始沉降速率. 而不同絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的固液界面初始沉降速率除了0.15% 條件下的較?。?.86 mm·s?1）外，其它的都在4.56 mm·s?1左右.

因此，綜合考慮經(jīng)濟成本與初始沉降速率，可確定本文的最優(yōu)絮凝劑單耗為 10 g·t?1，而絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)只要不超過0.10%、在0.05%左右則可保證較好的絮凝效果，本文最優(yōu)絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%.

2.4 剪切速率對全尾砂絮凝沉降行為的影響

2.4.1 剪切速率對全尾砂絮凝行為的影響

在絮凝劑為Magnafloc 5250、固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、絮凝劑單耗為 10 g·t?1、絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%的條件下，不同剪切速率51.6、94.8、146.0、204.0、268.2、338.0 和 412.9 s?1對全尾砂料漿絮凝行為的影響如圖11所示.

由圖11可知，CLmax和CL4min隨著剪切速率的增加而先增大后減小，均在 94.8 s?1時最大. 在流場的剪切速率較低時（<94.8 s?1），適當(dāng)增加剪切速率有助于絮凝劑分子與全尾砂顆粒的碰撞、吸附、橋接、絮凝，從而增加絮凝效果；而當(dāng)剪切速率較高時（>94.8 s?1），繼續(xù)增加剪切速率，已形成的絮團會被剪切破碎，不利于絮凝作用. 但是，隨著剪切速率的增加，絮凝劑分子和全尾砂顆粒的混合效果不斷增加，因此達到CLmax所需的時間不斷縮短.

2.4.2 剪切速率對絮凝全尾砂料漿沉降行為的影響

不同剪切速率條件下絮凝全尾砂料漿沉降曲線如圖12所示. 固液界面的初始沉降速率隨剪切速率的變化規(guī)律和CLmax與CL4min隨著剪切速率的變化規(guī)律一致，在94.8 s?1時取得最大值 4.61 mm·s?1.因此，針對本文的絮凝條件，剪切速率最優(yōu)值為94.8 s?1.

2.5 基于絮團平均弦長的固液界面初始沉降速率模型

絮團的沉降速率與絮團的尺寸、結(jié)構(gòu)、料漿的黏度、固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)、尾砂的性質(zhì)與粒度分布等有關(guān)[28?29]，但本文只檢測了絮團的弦長，不能應(yīng)用經(jīng)驗公式根據(jù)固液界面初始沉降速率計算出絮團的沉降速率. 所以本文只初步分析固液界面初始沉降速率與絮團平均弦長的關(guān)系. 根據(jù)圖13中不同絮凝條件下CL4min與固液界面初始沉降速率，可初步建立適用于本文全尾砂的基于絮團平均弦長的固液界面初始沉降速率模型，如式（1）：

式中：y為固液界面初始沉降速率，mm·s?1；x為絮團平均弦長，μm；R2為可決系數(shù).

圖10 不同絮凝劑單耗（a）與絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（b）條件下絮凝全尾砂料漿沉降曲線Fig.10 Settling curves of flocculated tailings slurry under different flocculant dosages (a) and flocculant mass fractions (b)

圖11 不同剪切速率條件下全尾砂絮凝行為Fig.11 Flocculation behavior under different shear rates

圖12 不同剪切速率條件下絮凝全尾砂料漿沉降曲線Fig.12 Settling curves of flocculated tailings slurry under different shear rates

圖13 固液界面初始沉降速率與絮團弦長的關(guān)系Fig.13 Relationship between suspension-supernate interface initial settling rate and floc chord length

由式（1）可知，固液界面初始沉降速率隨著絮團平均弦長的增加而增加，由前面的不同絮凝條件下全尾砂絮團平均弦長隨著絮凝反應(yīng)時間變化規(guī)律可知，在較短的時間內(nèi)全尾砂絮團平均弦長即可達到峰值，此時的固液界面初始沉降速率應(yīng)該最大. 因此，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)該通過控制全尾砂絮凝沉降參數(shù)以及設(shè)備結(jié)構(gòu)，以確保全尾砂能形成尺寸最大的絮團并不被剪切破碎而快速沉降，從而提高全尾砂料漿的絮凝沉降效率.

3 結(jié)論

本文基于全尾砂絮凝過程中絮團弦長的測定，分別以絮團平均弦長和固液界面初始沉降速率為指標(biāo)，分析了不同絮凝條件下全尾砂絮凝和沉降行為，主要結(jié)論為：

（1）不同絮凝條件下，全尾砂均快速絮凝形成絮團，絮團的平均弦長快速增長然后隨著剪切時間逐漸下降，直至達到穩(wěn)定狀態(tài).

（2）全尾砂絮團的平均弦長與絮凝全尾砂料漿固液界面的初始沉降速率隨著不同的絮凝條件而不斷改變，本文中的最優(yōu)絮凝條件為：Magnafloc 5250絮凝劑、固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、絮凝劑單耗10 g·t?1、絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.025%、剪切速率 94.8 s?1.所對應(yīng)的絮凝過程中絮團平均弦長峰值為620.63 μm，絮凝結(jié)束是絮團平均弦長為399.57 μm，絮凝全尾砂料漿固液界面初始沉降速率為 4.61 mm·s?1.

（3）固液界面初始沉降速率隨著絮團平均弦長的增加而增加，初步建立了適用于本文全尾砂的基于絮團平均弦長的固液界面初始沉降速率模型.