陳 濤，喬登攀，劉燕輝，王 俊

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南錫業(yè)股份有限公司 大屯錫礦，云南 個舊 661000)

隨著國家對環(huán)境保護(hù)的日益重視，尾砂充填技術(shù)被越來越多的礦山采用[1]。尾砂的快速濃密脫水是尾砂充填的重要環(huán)節(jié)。選廠排放的尾砂濃度低，為保證充填質(zhì)量，必須對選廠尾砂進(jìn)行濃密脫水到一定濃度后才能用于充填料漿制備[2]。

立式砂倉是典型的重力固液分離濃縮設(shè)備，其處理能力決定了砂倉的工作效率，制約著充填系統(tǒng)充填能力。相同進(jìn)料濃度下，砂倉的處理能力與尾砂沉降速度呈正相關(guān)[3]，提高尾砂沉降速度，是增大砂倉處理能力的關(guān)鍵。相關(guān)研究表明，沉降速度與進(jìn)料濃度、尾砂粒徑組成有關(guān)[4-7]。選礦技術(shù)的不斷發(fā)展，讓尾砂呈細(xì)粒化發(fā)展趨勢[8]，對于細(xì)粒徑尾砂，用立式砂倉重力沉降的方式，沉降速度慢，固體通量小[9-10]，無法快速獲得底流產(chǎn)品，導(dǎo)致砂倉處理能力不足。一些學(xué)者通過改變沉降方式來提升沉降速度，如磁化處理[11]、添加絮凝劑、超聲處理[12]等。其中，添加絮凝劑的方式操作方便，能有效提高全尾砂沉降速度，在控制進(jìn)料濃度和添加合適的絮凝劑條件下，其沉降速度可達(dá)自然沉降速度的近30倍，在礦山尾砂濃縮中應(yīng)用廣泛[13-14]。在尾砂濃密脫水中，控制進(jìn)料參數(shù)和選擇合適的沉降方式是保證砂倉處理能力的前提。

大屯錫礦因采礦生產(chǎn)需求及緩解尾礦庫庫容，計(jì)劃建設(shè)一套充填制備系統(tǒng)，其尾砂濃密設(shè)備擬選用立式砂倉。沉降方式及進(jìn)料參數(shù)是快速獲得濃縮產(chǎn)品的基礎(chǔ)，本文擬通過對大屯錫礦尾砂沉降速度、固體通量等特性分析，以滿足設(shè)備最大處理能力為前提條件，為沉降方式及進(jìn)料參數(shù)的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 尾砂自然沉降特性

1.1 自然沉降試驗(yàn)方案

1)試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料選用大屯錫礦全尾砂，其物理力學(xué)參數(shù)和粒徑組成見表1、表2。

表1 大屯錫礦尾砂物理力學(xué)參數(shù)

表2 大屯錫礦全尾砂粒徑組成

2)試驗(yàn)方案

大屯錫礦尾砂自然沉降試驗(yàn)方案如表3所示，沉降容積500 mL，高度250 mm，共進(jìn)行10次試驗(yàn)。

表3 大屯錫礦尾砂自然沉降方案

試驗(yàn)過程中采用錄像的方式記錄尾砂沉降過程(圖1)。尾砂沉降完成后，采用等時間間隔的方式讀取固液分離界面高度并繪制圖表。

圖1 尾砂沉降過程Fig.1 Tailings settling process

1.2 尾砂自然沉降速度

根據(jù)尾砂沉降試驗(yàn)中固液分離界面高度隨時間變化的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制料漿沉降曲線如圖2所示。

圖2 大屯錫礦尾砂沉降曲線Fig.2 Settlement curves of Datun tin mine tailings

由圖2可知，尾砂沉降曲線由三段線組成，分別對應(yīng)自由沉降直線段、壓縮過渡(沉降轉(zhuǎn)壓縮)曲線段以及壓縮濃密直線段。

尾砂沉降速度指尾砂顆粒在水中自由沉降的平均速度。因此，截取沉降曲線中自由沉降直線段，對其進(jìn)行擬合，擬合所得函數(shù)斜率即為尾砂沉降速度(圖3)。

圖3 大屯錫礦尾砂自由沉降直線段擬合結(jié)果Fig.3 Fitting curves of straight line free settlement of Datun tin mine tailings

根據(jù)擬合結(jié)果，讀取尾砂沉降速度，并繪制尾砂沉降速度與濃度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 大屯錫礦尾砂沉降速度分布曲線Fig.4 Settlement velocity distribution curve of tailings in Datun tin mine

由圖4分析結(jié)果可知，尾砂沉降速度隨濃度的增大而減小，且減小速率隨濃度的增大而減小，表明當(dāng)全尾砂料漿濃度超過某一值時，其沉降速度逐漸趨于穩(wěn)定。

1.3 尾砂沉降固體通量

固體通量是指單位時間內(nèi)通過單位面積的固體質(zhì)量。尾砂固體通量是立式砂倉的關(guān)鍵運(yùn)行控制指標(biāo)，反映了立式砂倉單位面積的理論處理能力。固體通量按式(1)計(jì)算。

φ=ρvCV

(1)

式中：φ—尾砂固體通量，kg/(m2·s)；ρ—尾砂密度，kg/m3；v—尾砂沉降速度，m/s；CV—尾砂料漿體積濃度，%。

大屯錫礦尾砂固體通量計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 大屯錫礦尾砂沉降固體通量

由表4繪制固體通量與尾砂濃度關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 固體通量與尾砂濃度分布曲線Fig.5 Distribution curve of solid flux and tailings concentration

由圖5可知，全濃度范圍內(nèi)尾砂固體通量存在最大值，該值對應(yīng)的料漿濃度即為制備系統(tǒng)的最佳進(jìn)料濃度。根據(jù)上述分析可知，大屯錫礦全尾砂料漿自然沉降最佳進(jìn)料體積濃度為9.88%(質(zhì)量濃度25%)，固體通量0.051 8 kg/(m2·s)。該固體通量嚴(yán)重偏小，會導(dǎo)致立式砂倉裝砂時間過長，不滿足尾砂快速沉降獲得底流產(chǎn)品的要求。因此，必須考慮改變尾砂沉降手段，實(shí)現(xiàn)尾砂快速沉降。

2 尾砂絮凝沉降特性

2.1 尾砂絮凝沉降試驗(yàn)方案

絮凝劑選用大屯錫礦選廠濃密池常用的聚丙烯酰胺(型號：RT491)，絮凝沉降試驗(yàn)如表5所示。

表5 絮凝沉降試驗(yàn)方案

2.2 尾砂絮凝沉降速度

尾砂絮凝沉降速度分析方法如前所述，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 尾砂絮凝沉降速度Fig.6 Settlement velocity of tailings flocculation

由圖6可知，相同濃度條件下，尾砂料漿中添加聚丙烯酰胺(型號：RT491)絮凝劑可有效改善尾砂沉降效果，提高尾砂沉降速度，且沉降速度隨絮凝劑的添量的增大而增大；絮凝劑添量一定的情況下，尾砂沉降速度隨濃度的增大而減小。

2.3 尾砂絮凝沉降固體通量

通過尾砂沉降速度可由(1)式計(jì)算出固體通量，繪制各絮凝劑添量下固體通量與濃度關(guān)系曲線如圖7。

圖7 固體通量與濃度分布曲線Fig.7 Distribution curves of solid flux and concentration

由圖7可知，相同濃度條件下，尾砂固體通量隨絮凝劑的添量增大而增大，其根本原因在于絮凝劑的添加有助于尾砂快速沉降。

3 立式砂倉最佳進(jìn)料參數(shù)

3.1 立式砂倉最大處理能力

立式砂倉的最大處理能力決定了立式砂倉的工作效率、充填系統(tǒng)設(shè)置以及充填系統(tǒng)充填能力等。對上述確定的最大固體通量，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸(大屯立式砂倉直徑9 m)可計(jì)算立式砂倉最大理論處理能力，按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：M—立式砂倉處理能力，t/h；φ—尾砂固體通量，kg/(m2·s)；s—立式砂倉水平面面積，m2；t—單位時間，3 600 s。

3.2 最佳進(jìn)料流量

立式砂倉實(shí)際裝砂過程中，其處理能力由進(jìn)料濃度以及進(jìn)料流量共同決定。前述確定尾砂最佳進(jìn)料濃度、最大固體通量以及立式砂倉最大處理能力，可計(jì)算最佳進(jìn)料流量。計(jì)算進(jìn)料流量，按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Q—立式砂倉進(jìn)料流量，m3/h；M—立式砂倉處理能力，t/h；ρ—尾砂密度，t/m3；CV—立式砂倉尾砂料漿進(jìn)料濃度，%。

由式(2)和(3)計(jì)算立式砂倉不同絮凝劑添加量尾砂沉降最大處理能力以及最佳進(jìn)料流量如表6所示。

表6 立式砂倉不同絮凝劑添量理論最大處理能力及最佳進(jìn)料流量

根據(jù)上述的分析結(jié)果可知，自然沉降條件下，大屯錫礦立式砂倉控制進(jìn)料體積濃度為9.88%(質(zhì)量濃度25%)，進(jìn)料流量為39.43 m3/h，設(shè)備處理能力最大僅為11.86 t/h；絮凝沉降條件下，絮凝劑添加量為20 g/t，控制砂倉進(jìn)料質(zhì)量濃度為25%(體積濃度為9.88%)，進(jìn)料流量448.14 m3/h，設(shè)備處理能力最大為134.67 t/h。相較于自然沉降，添加絮凝劑能極大提高立式砂倉處理能力，提高幅度達(dá)2.85～11.37倍。

4 結(jié)論

1)通過對大屯錫礦尾砂自然沉降的沉降特性分析可知，采用自然沉降方式，尾砂沉降速度較慢，固體通量及立式砂倉處理能力較小，無法快速獲得底流產(chǎn)品，不能滿足礦山充填需求。

2)聚丙烯酰胺(型號：RT491)絮凝劑能極大地提高大屯錫礦尾砂沉降速度、固體通量及立式砂倉處理能力，絮凝劑添加量10～20 g/t條件下，立式砂倉處理能力是自然沉降的2.85～11.37倍，推薦采用絮凝沉降處理尾砂。

3)絮凝沉降條件下，大屯錫礦直徑9 m的立式砂倉最優(yōu)進(jìn)料參數(shù)為：絮凝劑添加量20 g/t，進(jìn)料體積濃度9.88%(質(zhì)量濃度25%)，進(jìn)料流量448.14 m3/h，立式砂倉最大處理能力可達(dá)134.67 t/h。