王剛，陳秋松

(1.湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 桂陽縣 424400； 2.中南大學(xué)， 湖南 長沙 410083)

0 引言

湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡稱“寶山礦業(yè)”）是一個(gè)以鉛、鋅、銅、銀為主的多金屬中型礦山。其礦石品位高，深部資源儲(chǔ)量潛力大，經(jīng)濟(jì)效益良好[1]。寶山礦業(yè)目前主要采用上向水平分層充填法和淺孔留礦嗣后充填法，并以廢石非膠結(jié)充填為主要充填方式。目前寶山礦區(qū)已經(jīng)開始深部開采，但其深部開采難度相對(duì)較大，所需技術(shù)條件復(fù)雜。此外，向深層開發(fā)時(shí)由于地壓變化明顯，頂?shù)装宄休d力變化較大而導(dǎo)致穩(wěn)定性變差。在頂板圍巖中或礦體欠平衡地帶和存在松散帶時(shí)，以往的廢石非膠結(jié)充填難以提供足夠的強(qiáng)度支撐，從而需要全尾砂膠結(jié)充填進(jìn)行相應(yīng)的地壓控制[2]。而制備高濃度全尾砂充填料漿是全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)的重要前提條件。與此同時(shí)，高濃度充填料漿的實(shí)現(xiàn)主要來源于全尾砂漿的高濃度濃縮，在濃密設(shè)備一定的情況下，主要取決于全尾砂的絮凝沉降效果。因此，選擇合適的絮凝劑是全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外礦山使用的絮凝劑主要分為聚氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（APAM）兩種。PAC是一種通過氫氧根離子的架橋效應(yīng)與多價(jià)陰離子的聚合作用，從而生產(chǎn)的分子量較大、電荷較強(qiáng)的高分子水處理藥劑。PAC起作用的方式是通過改變粒子內(nèi)部的作用力[3]，這些作用力主要包括范德華力和雙電層靜電排斥力。APAM作為高分子化合物，主要分為非離子型、陽離子型和陰離子型三種。若處于中性偏酸性溶液中，非離子和陽離子型的APAM的絮凝作用均不如陰離子型APAM，鑒于此，本次試驗(yàn)所選APAM為陰離子型。由于PAC與陰離子型APAM在絮凝狀態(tài)下產(chǎn)生的尾砂粒子的表面效果較難加以衡量，因而需要利用室內(nèi)試驗(yàn)來研究并評(píng)估兩種絮凝劑下全尾砂的絮凝沉降效果[3]。

絮凝沉降試驗(yàn)主要分為兩部分，第一部分為定性試驗(yàn)，即燒杯試驗(yàn)，通過觀察沉降速度和澄清度以確定后面試驗(yàn)的絮凝劑種類。第二部分為定量試驗(yàn)，即量筒試驗(yàn)，選用定性實(shí)驗(yàn)確定的絮凝劑，通過設(shè)定不同的絮凝劑參數(shù)，然后設(shè)置正交試驗(yàn)，以供砂質(zhì)量濃度、絮凝劑比例及其添加質(zhì)量濃度三因素為參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[4]。最后采用軟件SPSS19.0進(jìn)行回歸分析和極差分析，確定絮凝劑最佳添加質(zhì)量濃度。

1 試驗(yàn)材料

（1）1000 mL的量杯、各種量程的量筒、攪 拌棒、一次性杯子、10 mL注射器、數(shù)字電子秤（量程10 kg、3 kg、1 kg，精度分別為1 g、0.1 g、0.01 g）等；

（2）寶山礦業(yè)選廠全尾砂、APAM（500、 800、1200萬分子量）、PAC和pH試紙等。

2 定性試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 絮凝劑選型試驗(yàn)

本組分為5個(gè)試驗(yàn)，分別為不加任何試劑、添加比例20 g/t的APAM（500萬分子量、800萬分子量和1200萬分子量）和添加比例為40 g/t的PAC[5]。根據(jù)全尾砂沉降速度和澄清液澄清度這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定性對(duì)比分析，從而選擇適合寶山礦全尾砂特性的絮凝劑種類，試驗(yàn)方案及絮凝沉降結(jié)果見表1。

表1 全尾砂絮凝劑選型測試結(jié)果

由表1可知，在相同的時(shí)間內(nèi)，沉降速度最快的為800萬分子量的APAM，最慢的為PAC。而澄清液澄清度最好的為1200萬分子量的APAM，澄清度最差為未添加絮凝劑的樣品。因此，無論是從沉降速度還是從澄清液澄清度的角度出發(fā)，APAM的絮凝沉降效果都優(yōu)于PAC。因此，選擇陰離子型APAM作為寶山礦全尾砂漿的絮凝劑。但定性試驗(yàn)只能初步確定絮凝劑的類型，對(duì)于APAM的分子量依然需要結(jié)合定量靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)進(jìn)行確定。

2.2 給藥部位試驗(yàn)

藥劑有兩種給藥方式，即底部給藥和頂部給藥。頂部給藥是在全尾砂漿攪拌好后注入APAM溶液；底部給藥是用長頸漏斗盡量深入量筒底部，通過長頸漏斗添加APAM溶液。由于底部給藥藥劑先與下部粗顆粒反應(yīng)，沉于底部，難與上部細(xì)砂漿充分接觸，絮凝效果差，因此，采用頂部給藥方式更為合理。

3 定量試驗(yàn)及結(jié)果分析

一般來說，APAM的分子量越大其溶解性越差，但作用效果卻得到增強(qiáng)。即分子量大的APAM添加比例要小于分子量小的APAM。但是分子量達(dá)到一定程度后，作用效果并不是正相關(guān)的，這時(shí)作用效果取決于分子數(shù)量。因此，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和前人研究基礎(chǔ)，500萬分子量APAM的添加比例選擇為5～40 g/t，800萬分子量的APAM添加比例選擇為2～8 g/t，1200萬分子量的APAM添加比例選擇為10～15 g/t。

3.1 500萬分子量APAM添加比例試驗(yàn)

采用5個(gè)相同量程的量筒，分別添加5 g/t，10 g/t，20 g/t，30 g/t，40 g/t的500萬分子量APAM，記錄0～20 min下5個(gè)量筒中固液分界面的高度，試驗(yàn)效果如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2可看出，添加不同比例的APAM，液面下降的速度不同。其中在0～15 min內(nèi)，添加比例越大，總體下降速度越快。但在15 min之后，添加比例與下降速度的關(guān)系不顯著。

圖1 500萬分子量APAM量最佳添加比例試驗(yàn)

圖2 500萬分子量APAM在不同添加量下的沉降高度

按照最大沉降速度為1 min時(shí)的沉降速度和極限質(zhì)量濃度為3 h后的濃度，具體見表2。從表2可以看出，添加500萬分子量的APAM之后，全尾砂的沉降速度隨著APAM添加比例的增加而得到提高。但隨著添加比例的增大，其沉降速度增速逐漸變緩，這說明APAM的添加比例有著最佳范圍[6]?；诔杀竞统两邓俣葍煞矫婵紤]，對(duì)于500萬分子量的APAM來說，其推薦添加比例為10 g/t。

表2 500萬分子量APAM不同添加比例全尾砂最大沉降速度和極限質(zhì)量濃度

3.2 800萬分子量APAM添加比例試驗(yàn)

采用6個(gè)相同量程的量筒，分別添加2～8 g/t的800萬分子量APAM，觀察固液分界面的高度并記錄，試驗(yàn)效果見圖3，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在添加APAM后1 min內(nèi)，固液界面下降最快，說明絮凝劑的效果在早期特別顯著。1 min之后下降速度變緩，靜置20 min后，液面變化不明顯[7]。尤其是與未添加絮凝劑的對(duì)照組相比，添加絮凝劑的實(shí)驗(yàn)組，其加快絮凝沉降的效果更明顯。

圖3 800萬分子量APAM量最佳添加比例試驗(yàn)

按照最大沉降速度為1 min時(shí)的沉降速度和極 限質(zhì)量濃度為3 h后的濃度記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。從表3可以看出，未添加APAM時(shí)的沉降速度為67.20 cm/h，添加2 g/t的APAM后全尾砂沉降速度已經(jīng)高達(dá)783 cm/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于67.20 cm/h。這說明在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，不添加絮凝劑無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)砂放砂連續(xù)工作。其中添加4 g/t的APAM沉降速度最大，為936.58 cm/h。試驗(yàn)中，由于尾砂使用量小，絮凝劑的添加比例非常少，小于5 g后，其稱量誤差就會(huì)增加。從減少成本、保證沉降速度等角度出發(fā)，建議800萬分子量APAM選用4 g/t的添加比例。

圖4 800萬分子量APAM在不同添加量下的沉降高度時(shí)變曲線

表3 800萬分子量APAM不同添加比例全尾砂最大沉降速度和極限質(zhì)量濃度

3.3 1200萬分子量APAM添加比例試驗(yàn)

采用4個(gè)相同量程的量筒，分別添加10～25 g/t的1200萬分子量的APAM，記錄不同時(shí)間下固液分界面的高度，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，添加1200萬分子量APAM的砂漿沉降規(guī)律與添加500萬分子量和800萬分子量APAM相似，均是下降速度在剛開始時(shí)較大，之后逐漸變小，靜置10 min后，液面便基本不發(fā)生變化。按照最大沉降速度為1 min時(shí)的沉降速度和極限質(zhì)量濃度為3 h后的濃度記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，添加1200萬分子量的APAM在添加比例為10 g/t時(shí)的沉降速度為713.40 cm/h，而添加量為15 g/t時(shí)的沉降速度為704.55 cm/h，沉降速度并未增加。這說明APAM的添加比例與沉降速度并不是完全的線性相關(guān)。其中添加25 g/t的APAM沉降速度最大，為936.09 cm/h。從減少成本、保證沉降速度等角度出發(fā)，建議1200萬分子量APAM選用10 g/t的添加比例。

綜上所述，通過比較添加不同分子量APAM的全尾砂沉降結(jié)果，發(fā)現(xiàn)添加比例為10 g/t時(shí)，500萬分子量的APAM和1200萬分子量的APAM 的沉降速度分別為663.36 cm/h和713.40 cm/h，而800萬分子量APAM在添加比例為4 g/t時(shí)，其沉降速度就已高達(dá)936.58 cm/h，這表明添加800萬分子量的APAM，全尾砂的沉降速度最快。此外，從成本角度考慮，800萬分子量的APAM單價(jià)低，用量少。因此，最終推薦使用800萬分子量的APAM，添加比例為4 g/t，成本為0.16元/t（干尾砂）。

圖5 1200萬分子量APAM在不同添加量下的沉降高度時(shí)變曲線

表4 1200萬分子量APAM不同添加比例全尾砂最大沉降速度和極限濃度

4 全尾砂絮凝沉降正交試驗(yàn)

絮凝試驗(yàn)得出了寶山礦當(dāng)前全尾砂特性條件下的絮凝劑添加比例，但在工業(yè)化應(yīng)用過程中，受選礦工藝影響，全尾砂特性會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，推薦的絮凝劑添加比例以及絮凝劑添加后的絮凝沉降效果可能發(fā)生變化。為使絮凝研究成果更具可操作性，在應(yīng)在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，確定絮凝效果與各影響因素之間的定量關(guān)系（即回歸分析），以便根據(jù)條件變化及時(shí)調(diào)整絮凝劑添加比例。為減少試驗(yàn)工作量，擬采用正交試驗(yàn)獲得回歸分析所需的數(shù)據(jù)。

全尾砂沉降速度影響因素較多，包括供砂質(zhì)量濃度、絮凝劑的添加比例、絮凝劑質(zhì)量濃度以及絮凝劑的種類等[8]。為了分析供砂質(zhì)量濃度、APAM添加比例和添加質(zhì)量濃度等因素對(duì)絮凝沉降的影響規(guī)律（這里采用800萬分子量的APAM），在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了沉降速度正交試驗(yàn)。其正交配比試驗(yàn)方案的因素水平見表5。

表5 正交試驗(yàn)因素水平

4.1 供砂質(zhì)量濃度為15%時(shí)的試驗(yàn)

控制供砂質(zhì)量濃度為15%時(shí)，進(jìn)行不同APAM的添加比例和添加質(zhì)量濃度的正交試驗(yàn)，并記錄不同時(shí)間下固液分界面高度的變化，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在供砂質(zhì)量濃度為15%時(shí)，添加APAM后固液界面在0～2 min內(nèi)迅速下降，隨后下降速度變緩，在靜置10 min后，液面的變化基本不變。從圖6可看出，添加比例為4 g/t、添加質(zhì)量濃度為0.1%的樣品與添加比例為6 g/t、添加質(zhì) 量濃度為0.14%的樣品，這兩者的沉降曲線基本重合，且其沉降效果較好。

4.2 供砂質(zhì)量濃度為25%時(shí)的正交試驗(yàn)

控制供砂質(zhì)量濃度為25%，進(jìn)行不同APAM的添加比例和添加質(zhì)量濃度的正交試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，添加APAM后1 min內(nèi)固液界面迅速下降，隨后下降速度變緩，靜置11 min后，液面變化較小。就沉降速度來看，添加比例為4 g/t、添加質(zhì)量濃度為0.14%的樣品的沉降速度最佳。而添加比例為6 g/t、添加質(zhì)量濃度為0.06%的樣品的沉降速度最差。

圖6 供砂質(zhì)量濃度為15%時(shí)固液界面高度變化

圖7 供砂質(zhì)量濃度為25%時(shí)固液界面高度變化

4.3 供砂質(zhì)量濃度為35%時(shí)的正交試驗(yàn)

控制供砂質(zhì)量濃度為35%時(shí)，進(jìn)行不同APAM的添加比例和添加質(zhì)量濃度的正交試驗(yàn)，并記錄不同時(shí)間下固液分界面高度的變化，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，添加APAM后固液界面迅速下降，且在0～20 min內(nèi)均保持著較大的下降速度，這表明供砂質(zhì)量濃度變化時(shí)，APAM的起作用時(shí)間有著顯著的區(qū)別。同時(shí)，隨著供砂質(zhì)量濃度的升高，其沉降速度相應(yīng)降低，說明供砂質(zhì)量濃度越高越不利于絮凝沉降。所有正交試驗(yàn)結(jié)果匯總于表6。

圖8 供砂質(zhì)量濃度為35%時(shí)固液界面高度變化

4.3 影響全尾砂絮凝沉降多因素回歸分析

通過全尾砂正交試驗(yàn)得出了一組全尾砂沉降速度與各影響因素之間的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析就可以得出全尾砂沉降速度與各影響 因素之間的定量關(guān)系式，以便生產(chǎn)實(shí)踐過程中根據(jù)條件變化及時(shí)調(diào)整絮凝劑的添加比例及濃度。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 回歸分析

本文使用SPSS19.0軟件將絮凝劑添加比例、絮凝劑質(zhì)量濃度和供砂質(zhì)量濃度作為輸入因子[9]，以沉降速度為輸出因子進(jìn)行回歸分析，計(jì)算得到非線性回歸系數(shù)為：a=1771.371，b=201.315，c= 176.624，d=-36.948。因此，得到的多元非線性回歸方程如下：

式中，Y為沉降速度，cm/h；X1為絮凝劑添加比例，g/t；X2為絮凝劑質(zhì)量濃度，%；X3為供砂質(zhì)量濃度，%。

回歸方程式的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.945，表示擬合性很好。由回歸方程可知，全尾砂絮凝沉降速度分別與絮凝劑添加比例、絮凝劑質(zhì)量濃度的對(duì)數(shù)表現(xiàn)為正相關(guān)，與供砂質(zhì)量濃度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系[10]。

4.2.2 全尾砂絮凝沉降速度極差分析

極差分析可以用來確定各個(gè)影響因素之間的主次關(guān)系[11]，分析結(jié)果見表7。

表7中T表示各個(gè)因素的影響指標(biāo)，R表示極差大小。通過分析極差的大小可知，三因素的主次關(guān)系依次是供砂質(zhì)量濃度、APAM添加比例、APAM質(zhì)量濃度。即影響全尾砂沉降速度中最重要的因素為供砂質(zhì)量濃度，其次為APAM添加比例，最后為APAM濃度。

表7 沉降速度正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

5 結(jié)論

（1）全尾砂料漿的供砂質(zhì)量濃度越高，全尾砂的絮凝沉降速度反而減慢[12]，這說明低濃度全尾砂絮凝沉降效果更好。因此，生產(chǎn)實(shí)際過程中全尾砂可不通過高效濃密機(jī)濃縮，直接進(jìn)入立式砂倉或深錐濃密機(jī)絮凝濃縮，有利于降低絮凝濃縮成本。

（2）APAM添加比例對(duì)沉降速度影響較大，沉降速度隨著APAM添加比例的增加呈先上升后穩(wěn)定乃至下降的趨勢(shì)。這表明絮凝劑添加并非越多越好，而是有著一個(gè)最佳作用范圍。

（3）砂漿的沉降速度隨著APAM質(zhì)量濃度的提高而加快，但達(dá)到一定值后，其沉降速度增加幅度趨于緩和甚至降低。因此，絮凝劑質(zhì)量濃度不宜過高，因?yàn)檫^高反而會(huì)降低絮凝沉降的速度。

（4）綜合考慮沉降速度、絮凝劑添加比例、質(zhì)量濃度以及成本等因素，推薦寶山礦業(yè)全尾砂沉降方式為絮凝沉降，其最佳參數(shù)如下：

供砂質(zhì)量濃度選擇為20%～25%。絮凝劑種類選擇為800萬分子量的陰離子型APAM，添加比例為4.5 g/t（全尾砂漿），添加質(zhì)量濃度為0.13%，其沉降速度為1150.3 cm/h，成本為0.16元/t（干尾砂）。