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        某礦全尾砂漿靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)研究

        2021-01-18 03:23:42張美道饒運(yùn)章徐文峰王文濤李江紅
        金屬礦山 2020年12期
        關(guān)鍵詞:全尾砂沉降速度尾砂

        張美道 饒運(yùn)章 徐文峰 王文濤 李江紅

        (1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 贛州 341000;3.贛州市自然資源局,江西 贛州 341000)

        充填采礦法是實(shí)現(xiàn)礦山綠色、無廢害開采最有效的途徑。絮凝劑的使用不僅可以提高尾砂利用率減輕尾礦庫壓力,還能大大提高充填效率。為避免傳統(tǒng)絮凝沉降參數(shù)選擇的主觀性和隨意性,必須對(duì)絮凝沉降過程進(jìn)行科學(xué)、合理的判斷[1-3]。

        絮凝沉降過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,是將選廠低濃度全尾砂漿快速濃密的關(guān)鍵技術(shù)。一直以來,在尾砂絮凝沉降方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行過深入研究。焦華喆等[4]通過靜態(tài)絮凝沉降實(shí)驗(yàn),研究了給料濃度和聚丙烯酰胺(PAM)絮凝劑單耗對(duì)尾礦最大沉降速度和靜止沉降極限濃度的影響。董培鑫等[5]通過開展鞍鋼礦山全尾砂漿絮凝沉淀對(duì)比試驗(yàn),闡明了絮凝沉降參數(shù)對(duì)砂漿沉降速度及底流礦漿濃度的影響規(guī)律。高志勇等[6]開展了以單位面積處理量評(píng)價(jià)尾礦料漿濃度、絮凝劑XT9020溶液濃度和XT9020用量對(duì)全尾礦絮凝沉降規(guī)律的研究。焦華喆等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn),用均勻法研究絮凝劑單耗、絮凝劑溶液濃度和給料濃度三因素對(duì)固液分離中沉降速度和沉降濃度的影響。卞繼偉等[8]運(yùn)用濃密機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置,研究了不同條件下全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降的變化規(guī)律。田明明等[9]以山東玲瓏金礦全尾砂和5種絮凝劑為原料,研究了絮凝劑各參數(shù)對(duì)絮凝沉降的影響,并給出了最優(yōu)值。劉培正等[10]研究分析了全尾砂粗細(xì)混合充填中的濃縮效率低、分級(jí)沉降難的問題,提出了全尾砂分級(jí)濃縮工藝及其適用范圍。

        本研究通過對(duì)某鉛鋅銀礦全尾砂進(jìn)行靜態(tài)絮凝沉降實(shí)驗(yàn),分析全尾砂絮凝沉降過程中絮凝沉降參數(shù)(如:絮凝劑種類、用量、添加濃度及砂漿濃度)對(duì)沉降過程的影響。通過對(duì)比分析所有實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象,篩選出所研究的絮凝沉降參數(shù)中對(duì)絮凝沉降過程具有積極促進(jìn)作用的合理參數(shù)值,并運(yùn)用絮凝沉降機(jī)理對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,從而為該礦山全尾砂充填提供合理參數(shù)。

        1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方案

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        1.1.1 全尾砂

        實(shí)驗(yàn)所用全尾砂均來自該礦選廠,采用BT-2002型激光粒度分析儀(濕法)對(duì)全尾砂粒級(jí)組成進(jìn)行分析,如表1和表2所示。

        1.1.2 絮凝劑

        選用4種高分子絮凝劑,分別為APAM 1 200萬分子量、CPAM 30離子度、NPAM 1 200萬分子量、PAC 28%。

        1.1.3 主要儀器

        主要儀器有1 000 ml量杯、1 000 ml量筒、攪拌棒、一次性杯子、10 ml注射器、電子秤(量程1 kg,精度為0.01 g)等。

        1.2 試驗(yàn)方案

        為了探究絮凝劑各個(gè)參數(shù)及尾砂漿濃度對(duì)該礦全尾砂絮凝沉降的影響,優(yōu)選出合適的絮凝沉降工藝參數(shù),試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采用正交設(shè)計(jì),以絮凝劑添加量、砂漿濃度、絮凝劑添加濃度3因素為參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程:①以50 r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌60 min,配制相應(yīng)質(zhì)量濃度的絮凝劑溶液;②根據(jù)試驗(yàn)要求配制相應(yīng)質(zhì)量濃度的全尾砂漿;③根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的絮凝劑單耗移取絮凝劑溶液;④將絮凝劑溶液與全尾砂漿混合均勻后靜置,在設(shè)計(jì)的時(shí)間點(diǎn)記錄固液分離界面高度。

        1.2.1 考察指標(biāo)

        試驗(yàn)用沉降速度、極限濃度和上清液含固率對(duì)試驗(yàn)的沉降效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。用澄清液和砂漿液分界面隨時(shí)間的變化表征沉降速度。在上清液與尾砂交界面長(zhǎng)時(shí)間禁止不動(dòng),尾砂下沉到最低高度,此時(shí)上部是澄清的水柱,下部為沉降壓實(shí)的尾砂,此尾砂濃度即為極限濃度[11]。

        式中,C極限為尾砂靜水極限質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;W水為水的質(zhì)量,g;W砂為尾砂的質(zhì)量,g;w水為澄清水柱的質(zhì)量,g。

        2 絮凝沉降試驗(yàn)研究

        立式砂倉(cāng)內(nèi)全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)主要分兩步進(jìn)行,首先進(jìn)行定性試驗(yàn),確定絮凝劑種類;其次進(jìn)行定量試驗(yàn),確定絮凝劑添加單耗、砂漿質(zhì)量濃度、絮凝劑添加濃度。絮凝劑單耗Jx(g/t)與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)絮凝劑溶液添加量Mx(mL)的關(guān)系式:

        式中,Cw為全尾砂漿質(zhì)量濃度,%;V為試驗(yàn)用全尾砂漿體積,ml;ρj、ρx為全尾砂漿和絮凝劑溶液的密度,t/m3;γn為絮凝劑濃度,%。

        2.1 絮凝劑種類、型號(hào)優(yōu)選試驗(yàn)

        在全尾砂濃度為20%條件下,將APAM、CPAM、NPAM分別制成濃度為1‰的絮凝劑溶液并按噸礦絮凝劑單耗30 g的添加量分別添加到2#、3#、4#量筒,PAC制成濃度3%的絮凝劑溶液按噸礦絮凝劑單耗50 g的添加量添加到5#量筒,設(shè)置不加絮凝劑的1#對(duì)照試驗(yàn)組。

        進(jìn)行添加不同絮凝劑的全尾砂漿絮凝沉降試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3,固液分層面高度隨時(shí)間變化見圖1,沉降速度曲線見圖2。

        從表3、圖1和圖2中,可以得知絮凝劑對(duì)該礦全尾砂絮凝沉降具有促進(jìn)作用;在沉降初期,沉降速度達(dá)到最大值,后期逐漸趨于穩(wěn)定值;使用PAM的沉降效果明顯優(yōu)于使用PAC的。從表3中可以得出最大沉降速度為APAM>NPAM>CPAM,極限濃度為APAM>NPAM>CPAM,上清液含固率為NPAM>CPAM>APAM,通過以上對(duì)比分析優(yōu)選APAM絮凝劑作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)絮凝劑。

        2.2 全尾砂漿濃度與絮凝劑單耗對(duì)全尾砂絮凝沉降的影響

        控制絮凝劑濃度為1‰,分別在全尾砂漿濃度為10%、15%、20%、25%、30%、35%時(shí),按APAM絮凝劑單耗 0 g/t、10 g/t、20 g/t、30 g/t、40 g/t、50 g/t添加量進(jìn)行全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)。通過對(duì)不同濃度全尾砂漿的絮凝劑單耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合,分析出沉降速度y與絮凝劑單耗x的擬合方程,如表4所示。根據(jù)各砂漿質(zhì)量濃度下的最佳絮凝劑單耗以及對(duì)應(yīng)最大沉速,建立砂漿質(zhì)量濃度與最佳絮凝劑單耗的擬合曲線(圖3)和砂漿質(zhì)量濃度與對(duì)應(yīng)最大沉速的擬合曲線(圖4)。

        通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)絮凝劑溶液濃度一定時(shí),隨著砂漿質(zhì)量濃度增大,各濃度的最佳絮凝劑單耗呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),而各個(gè)最佳絮凝劑單耗對(duì)應(yīng)的最大沉速在逐漸減小。說明在給定絮凝劑濃度和絮凝劑單耗時(shí),砂漿濃度與絮凝沉降速度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。因?yàn)槿采皾{質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí),尾砂顆粒間的相互作用力較小,絮凝劑可以較好地作用于尾砂顆粒,形成較大的絮凝團(tuán),在重力作用下加速沉降;當(dāng)全尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),雖然可以形成較高的沉降質(zhì)量分?jǐn)?shù),但由于尾砂顆粒間的相互作用較大,沉降速度慢[12-13]。經(jīng)過對(duì)圖3和圖4擬合曲線分析可以得出尾砂漿濃度為25.162%時(shí),最佳絮凝劑單耗為37.925 g/t,此時(shí)對(duì)應(yīng)最大沉速為2.435 mm/s。

        2.3 絮凝劑添加濃度對(duì)全尾砂絮凝沉降的影響

        控制APAM絮凝劑單耗(37.925g/t),全尾砂質(zhì)量濃度(25.162%),進(jìn)行絮凝劑不同添加濃度(1#0.5‰、2#0.75‰、3#1‰、4#1.25‰、5#1.5‰)的絮凝沉降試驗(yàn),設(shè)置不加絮凝劑的對(duì)照試驗(yàn)(6#)。絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果見表5,終點(diǎn)時(shí)刻固液分層面高度隨時(shí)間變化見圖5,沉降速度曲線見圖6。

        從表5、圖5和圖6可以看出,全尾砂漿固液分界面15 s內(nèi)沉降速度最快,最快可達(dá)4.611 mm/s,15~30 s仍能保持較快的沉降速度,之后沉降速度急劇降低,2~5 min后沉降速度變慢,僅有15 s內(nèi)的10%~20%,5 min后沉降速度降為0.05 mm/s以下,10 min后沉降速度降為0.01 mm/s以下。當(dāng)添加的APAM溶液濃度不同時(shí),全尾砂漿固液分界面沉降速度有一定區(qū)別,添加濃度為1‰的APAM溶液的全尾砂漿沉降效果最好,15 s內(nèi)的平均沉降速度可達(dá)4.611 mm/s,極限濃度達(dá)到65.574%。

        2.3.1 最佳絮凝劑添加濃度回歸分析

        為得出最佳絮凝劑添加濃度,在APAM絮凝劑單耗37.925 g/t,全尾砂質(zhì)量濃度25.162%時(shí)進(jìn)行全尾砂絮凝沉降試驗(yàn),取該試驗(yàn)下1 min內(nèi)的平均沉降速度v作為擬合相關(guān)參數(shù),建立絮凝劑濃度影響曲線(如圖7),各添加濃度對(duì)應(yīng)的1 min平均沉降速度見表6。

        由絮凝劑濃度與平均沉速擬合曲線能夠看出,絮凝沉降速度并沒有跟隨絮凝劑濃度的增大而相應(yīng)增大,而是在一定的范圍內(nèi)隨絮凝劑濃度增大而增大。因?yàn)樵谛跄砑訚舛瘸^最優(yōu)值時(shí),絮凝劑相對(duì)來說過多了,在尾砂顆粒與絮凝劑的空隙中會(huì)形成很多的絮團(tuán)水,使尾砂粒徑變大,而絮凝體體積增大密度就會(huì)和水的密度更接近導(dǎo)致絮凝沉速更慢[14]。分析擬合曲線可以得出當(dāng)絮凝劑濃度為1.032‰時(shí),可得平均沉速最大值3.304 mm/s。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析

        絮凝劑在內(nèi)聚力與絮凝劑長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的共同作用下使尾礦顆粒吸附聚集形成較大絮凝團(tuán),從而加快尾礦顆粒的沉降速度[15]。APAM作為一種陰離子型高分子絮凝劑,其高分子長(zhǎng)鏈可以和多個(gè)尾砂顆粒鏈接,并在高分子長(zhǎng)鏈的活性基團(tuán)與尾砂顆粒表面作用下,把各個(gè)尾砂顆粒橋連成一個(gè)大的絮凝團(tuán)。要使APAM絮凝劑發(fā)揮出的絮凝沉降效果最好,必須確保①高分子絮凝劑的鏈環(huán)、鏈尾可以自由地和尾砂顆粒進(jìn)行鏈接;②尾砂顆粒表面的空位可以提供高分子長(zhǎng)鏈進(jìn)一步吸附。絮凝劑用量相對(duì)于全尾砂用量過少時(shí),絮凝劑沒有足夠的鏈環(huán)、鏈尾無法形成更大的絮團(tuán),渾液面中還有很多細(xì)顆粒尾砂難以下沉,絮凝沉降效果差。絮凝劑用量相對(duì)于全尾砂用量過多時(shí),過多的高分子絮凝劑分子將部分尾砂顆粒表面完全覆蓋,絮凝劑不能起到很好的架橋作用,阻止了部分尾砂顆粒聚集形成絮團(tuán),沉降速度變慢。

        4 結(jié)論

        (1)絮凝劑對(duì)該礦全尾砂絮凝沉降具有促進(jìn)作用,在APAM、NPAM、CPAM、PAC 4種絮凝劑中尤以APAM絮凝劑對(duì)絮凝沉降過程促進(jìn)作用最好。

        (2)絮凝沉降速度并不會(huì)一直隨著絮凝劑添加量的增大而增大,絮凝劑添加量太少或過量都會(huì)對(duì)沉降速度的增加起到抑制作用。

        (3)在添加的絮凝劑濃度和單耗合理的條件下,隨著全尾砂漿濃度的增大,絮凝沉降的速度會(huì)逐漸減小。

        (4)該礦全尾砂漿濃度最優(yōu)值為25.162%,APAM絮凝劑最佳絮凝濃度為1.032‰,最佳絮凝單耗為37.925 g/t。

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