摘要：研究針對高密度全尾砂在深錐濃密機(jī)（DCT）中的絮凝過程開展試驗(yàn)研究，旨在確定最佳絮凝參數(shù)，以提高高密度全尾砂的濃密效率和穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)室絮凝試驗(yàn)，探索了不同絮凝劑單耗、全尾砂料漿濃度、沉降時(shí)間等因素對尾砂絮凝濃密的影響?；趯?shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出的高密度全尾砂最優(yōu)絮凝濃密參數(shù)，開展了DCT調(diào)試運(yùn)行，且絮凝沉降結(jié)果良好，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的正確性。研究表明，確定最優(yōu)的絮凝參數(shù)能夠保證高密度全尾砂深錐絮凝濃密效果，為高密度全尾砂的環(huán)保處理和資源化利用提供了有效的技術(shù)和理論支持。

關(guān)鍵詞：高密度；全尾砂；深錐濃密機(jī)；絮凝濃密；單耗；尾砂漿濃度

[中圖分類號：TD98 文章編號：1001-1277（2025）04-0034-05 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250407 ]

引言

隨著礦業(yè)開采的不斷發(fā)展，尾礦處理成為環(huán)境保護(hù)的重要挑戰(zhàn)［1］。尾礦作為選礦過程中的廢棄物，通常以尾砂形式存在，含有大量未完全提取的礦物質(zhì)。不同尾砂的物理化學(xué)特性存在差異，其處理不僅要降低對環(huán)境的負(fù)面影響，還要提高資源化利用率。傳統(tǒng)的尾砂處理方法，如干堆和濕法堆放［2］，已無法滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求［3］。因此，優(yōu)化尾砂處理工藝，提升其濃密效率和穩(wěn)定性［4］，成為當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。

深錐濃密機(jī)（DCT）作為一種高效的尾砂濃縮設(shè)備［5］，在尾砂處理過程中得到了廣泛應(yīng)用。該設(shè)備利用深錐結(jié)構(gòu)并添加適量絮凝劑［6］，絮凝劑成為提升尾砂濃密效率的關(guān)鍵因素。絮凝劑能夠促使尾砂漿中的細(xì)小顆粒聚集成較大的絮凝體，從而加速其沉降速度，提高濃密效果［7-9］。然而，不同礦山尾砂的級配和化學(xué)成分不同，其顆粒特性和絮凝性能差異較大。因此，在深錐濃密操作前，通過試驗(yàn)研究優(yōu)化絮凝劑的選擇［10］、用量等參數(shù)［11］，對于提升尾砂的濃密效果具有重要意義。

對于高密度全尾砂，其含有大量細(xì)粒級和超細(xì)粒級顆粒，這些顆粒比表面積大、表面能高，導(dǎo)致顆粒間相互作用復(fù)雜，影響絮凝劑的吸附與架橋作用［12］。由于細(xì)粒級顆粒分散性強(qiáng)，易形成穩(wěn)定懸浮體系，降低絮凝沉降效率；同時(shí)，粒徑分布不均可能引發(fā)絮凝團(tuán)的分離或解體，影響底流濃度穩(wěn)定性。此外，在DCT運(yùn)行期間，高密度尾砂會增大耙架扭矩［13］，增加設(shè)備能耗，甚至發(fā)生機(jī)械故障；而底流滯留時(shí)間過長可能會導(dǎo)致板結(jié)現(xiàn)象發(fā)生［14］，阻礙漿體均勻排放，并增大壓耙風(fēng)險(xiǎn)［15］。由此可見，對于高密度全尾砂的絮凝濃密研究至關(guān)重要。

本文以國外某鉛鋅礦全尾砂為研究對象，通過系統(tǒng)的絮凝試驗(yàn)，探索不同絮凝劑單耗、全尾砂料漿濃度等參數(shù)對高密度全尾砂絮凝濃密的影響，旨在為高密度全尾砂深錐濃密提供最優(yōu)的工藝參數(shù)。通過深錐絮凝濃密驗(yàn)證，為高密度全尾砂的高效處理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，同時(shí)為全尾砂資源化利用及環(huán)境保護(hù)提供新思路［16-22］。

1全尾砂性質(zhì)

試驗(yàn)所用全尾砂取自該鉛鋅礦尾砂泵房，并于烘箱中烘干，如圖1所示。全尾砂烘干后，取出磨碎至粉狀，為后續(xù)化學(xué)成分分析、密度試驗(yàn)、粒級分析和絮凝試驗(yàn)等備用。

1.1全尾砂化學(xué)成分分析

全尾砂化學(xué)成分分析采用XRF-1800波長色散型熒光光譜儀，結(jié)果如表1所示。由表1可知：該全尾砂主要組分為Fe2O3、SiO2、CaO、MnO，氧化鐵/磁鐵礦含量較高，這是造成其密度較大的主要原因，也可能會加速絮凝過程中的尾砂絮團(tuán)沉降。

1.2密度測定

全尾砂密度是指全尾砂單位體積內(nèi)所含物質(zhì)的質(zhì)量。全尾砂總體積包括固體顆粒體積、封閉型孔隙及敞開型孔隙組成的全部體積。本次全尾砂密度測定采用比重瓶法，對樣品進(jìn)行6次平行測定，以測定結(jié)果平均值作為最終的測定結(jié)果，如表2所示。

由表2可知：對比第6組與前5組測定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)第6組結(jié)果誤差較大，因此舍棄該數(shù)據(jù)。對前5組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均值計(jì)算，結(jié)果為3.459 g/cm3。

相比于其他礦山尾砂密度基本不大于3.1 g/cm3（如表3所示），該礦山尾砂被定義為高密度尾砂。根據(jù)全尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果，其主要氧化物為Fe2O3，高含量的氧化鐵/磁鐵礦是造成尾砂密度較大的主要原因。

1.3全尾砂粒度分析

全尾砂粒度測試采用Winner 3008激光粒度分析儀，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：-5 μm、-10 μm、-20 μm的極細(xì)顆粒分布率分別為4.547 %、10.372 %、16.887 %，-75 μm顆粒分布率為47.081 %，全尾砂粒級較粗。此外，全尾砂顆粒不均勻系數(shù)為10.742，大于5；曲率系數(shù)為1.656，說明顆粒級配良好。全尾砂平均粒徑為92.293 μm，也表明該尾砂粒徑相對較粗。

2全尾砂絮凝試驗(yàn)

高密度全尾砂絮凝試驗(yàn)是一種評估尾砂漿絮凝行為的試驗(yàn)方法，主要用于觀察和分析不同絮凝劑單耗在尾砂處理中的效果。通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，研究全尾砂顆粒在不同絮凝條件下的沉降速度、絮凝效率和底流濃度等關(guān)鍵特性，為DCT的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)和理論支撐。

2.1絮凝試驗(yàn)材料

全尾砂稀釋用水：尾砂泵房用水；絮凝劑稀釋用水：純水。該鉛鋅礦僅使用1種絮凝劑，因此不再進(jìn)行絮凝劑選型。絮凝試驗(yàn)所用絮凝劑如圖3所示。

2.2絮凝試驗(yàn)原理

全尾砂絮凝試驗(yàn)通過絮凝劑使全尾砂漿中的細(xì)小顆粒聚集成較大的絮團(tuán)，加速沉降。全尾砂顆粒表面帶負(fù)電荷，絮凝劑的加入可減小顆粒間排斥力，促進(jìn)顆粒聚集。高分子絮凝劑還可通過架橋作用連接全尾砂顆粒，形成較大絮凝體，提高沉降效率。絮凝體在重力作用下沉降，體積越大，沉降速度越快。沉降過程中，流體阻力增加，最終達(dá)到平衡，沉降速度穩(wěn)定。良好的絮凝效果可實(shí)現(xiàn)上清液清澈、底流濃度高等。

2.3試驗(yàn)方案

絮凝試驗(yàn)對比了不同全尾砂料漿濃度、絮凝劑單耗條件下的尾砂絮凝效果，全尾砂料漿濃度分別為15 %、18 %、25 %，絮凝劑單耗分別為10 g/t、20 g/t、30 g/t。

3絮凝試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1絮凝試驗(yàn)結(jié)果

不同絮凝劑單耗、全尾砂料漿濃度下尾砂絮凝沉降效果如圖4所示。

由圖4可知：在全尾砂料漿濃度為15 %時(shí)，隨著絮凝劑單耗逐漸增大，上清液濁度逐漸減?。辉谛跄齽﹩魏臑?0 g/t時(shí)，上清液濁度最大；在絮凝劑單耗為20 g/t時(shí)，底流分層相對較少，即在全尾砂料漿濃度為15 %、絮凝劑單耗為20 g/t時(shí)，尾砂絮凝效果相對較好。在全尾砂料漿濃度為18 %時(shí)，隨著絮凝劑單耗逐漸增大，上清液濁度逐漸減??；同樣在絮凝劑單耗為20 g/t時(shí)，底流分層相對較少，即此時(shí)尾砂絮凝效果相對較好。在全尾砂料漿濃度為25 %時(shí)，隨著絮凝劑單耗逐漸增大，上清液濁度逐漸減?。辉谛跄齽﹩魏臑?0 g/t時(shí)，尾砂絮凝效果相對較差；在絮凝劑單耗為30 g/t時(shí)，底流分層相對較少，說明在全尾砂料漿濃度較高時(shí)，可以通過提高絮凝劑單耗來改善絮凝效果。

整體而言，在不同全尾砂料漿濃度、不同絮凝劑單耗條件下，底流均會出現(xiàn)不同程度的分層，原因可能是全尾砂顆粒較粗，且粒徑大于75 μm的分布率超過52 %。當(dāng)全尾砂料漿濃度為15 %、18 %，絮凝劑單耗為20 g/t時(shí)，尾砂絮凝效果相對最好，底流分層相對較少；當(dāng)全尾砂料漿濃度為25 %、絮凝劑單耗為30 g/t時(shí)，尾砂絮凝效果相對最好，底流分層相對較少，即在全尾砂料漿濃度較高時(shí)，可通過提高絮凝劑單耗來改善絮凝效果。

3.2絮凝結(jié)果分析

根據(jù)全過程實(shí)驗(yàn)室絮凝試驗(yàn)結(jié)果，全尾砂的快速絮凝沉降基本在前3 min（180 s），不同全尾砂料漿濃度下尾砂絮凝沉降結(jié)果如圖5所示。當(dāng)全尾砂料漿濃度為15 %和18 %、絮凝劑單耗為20 g/t，全尾砂料漿濃度為25 %、絮凝劑單耗為30 g/t時(shí)，尾砂在前期的絮凝沉降速度快。當(dāng)全尾砂料漿濃度增大時(shí)，需要提升絮凝劑單耗，以改善尾砂絮凝濃密效果。

根據(jù)圖5結(jié)果，得到了全尾砂漿在前180 s平均沉降速度及極限底流濃度，如表4所示。由表4可知：隨著全尾砂料漿濃度逐漸增大，180 s平均沉降速度逐漸減小。當(dāng)全尾砂料漿濃度為25 %時(shí)，極限底流濃度最大，原因是料漿濃度較高時(shí)，粗顆粒含量相對多，在絮凝過程中粗顆?？焖傧鲁辆奂?，造成底流分層相對嚴(yán)重，最終導(dǎo)致絮凝效果相對較差，因此180 s平均沉降速度相對最慢、底流濃度最高。綜合考慮，不推薦深錐絮凝濃密使用濃度25 %的全尾砂漿。

相比于全尾砂料漿濃度18 %，全尾砂料漿濃度15 %時(shí)的180 s平均沉降速度較快，且極限底流濃度也較大。結(jié)合圖4來看，當(dāng)全尾砂料漿濃度15 %時(shí)，絮凝后底流分層相較于18 %時(shí)嚴(yán)重。因此，在深錐絮凝濃密時(shí)，推薦將全尾砂料漿濃度稀釋至18 %左右再進(jìn)行絮凝濃密；對于絮凝劑單耗，推薦為20～30 g/t。

3.3深錐絮凝濃密驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果顯示，最佳全尾砂料漿濃度為18 %左右，絮凝劑最優(yōu)單耗為20～30 g/t。在此基礎(chǔ)上，開展DCT調(diào)試與絮凝濃密（如圖6所示）。調(diào)試期間，記錄了DCT的主要運(yùn)行參數(shù)：進(jìn)料流量為70～90 m3/h，存在一定波動(dòng)，平均為85 m3/h；進(jìn)料濃度為30 %～50 %，后經(jīng)PDUC泵主動(dòng)稀釋至18 %左右；DCT穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的泥層高度為5.5～6.0 m、底流濃度可達(dá)72 %～82 %、泥層壓力為160～180 kPa、耙架扭矩均小于40 %，未出現(xiàn)耙架扭矩激增、壓耙等現(xiàn)象。

通過現(xiàn)場工業(yè)運(yùn)行可知，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出的最優(yōu)參數(shù)下開展全尾砂深錐絮凝濃密，可以實(shí)現(xiàn)DCT穩(wěn)定運(yùn)行，以及全尾砂高效絮凝，底流濃度達(dá)到膏體制備標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

3.4深錐操作規(guī)范

為保證DCT穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行，根據(jù)DCT運(yùn)行情況，提出了以下運(yùn)行規(guī)范：

1）未充填靜置超過5 d時(shí)，DCT的泥層高度必須小于2 m。超過7 d時(shí)，實(shí)時(shí)關(guān)注DCT扭矩變化，當(dāng)扭矩超過18 %時(shí)，需要開高位循環(huán)；當(dāng)扭矩超過40 %時(shí)，需要開啟底流稀釋泵小流量稀釋或采取其他緊急措施，必要時(shí)需將深錐中的料放空，避免壓耙。

2）每班檢查干粉絮凝劑用量，及時(shí)補(bǔ)充。檢查絮凝劑制備裝置運(yùn)行是否正常，絮凝劑制備參數(shù)是否正確、絮凝劑干料是否擁堵、成品機(jī)中絮凝劑是否全部溶化，添加管路是否擁堵。

4結(jié)論

1）密度測試結(jié)果顯示，該鉛鋅礦全尾砂密度為3.459 g/cm3，明顯高于其他礦山尾砂密度。其中，高含量氧化鐵/磁鐵礦是造成尾砂密度較大的主要原因。

2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室絮凝沉降試驗(yàn)，最優(yōu)全尾砂料漿濃度為18 %左右，絮凝劑單耗為20～30 g/t。

3）DCT運(yùn)行中的高密度全尾砂絮凝濃密效果良好，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的正確性。因此，確定最優(yōu)絮凝參數(shù)能夠保證高密度全尾砂深錐絮凝濃密效果，為尾砂的環(huán)保處理和資源化利用提供有效的技術(shù)和理論支持。

4）該鉛鋅礦只使用了某型號絮凝劑開展絮凝試驗(yàn)，因此這些參數(shù)只能反映該絮凝劑對尾砂的絮凝濃密效果，后續(xù)若有其他型號絮凝劑，需重新開展絮凝沉降試驗(yàn)。研究結(jié)果為高密度全尾砂深錐絮凝及深錐濃密機(jī)安全高效運(yùn)行提供了指導(dǎo)。

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Experimental study on optimal parameters for high?density ungraded tailings

flocculation and thickening in deep cone thickeners

Nie Jun1， Liu Min1， Chen Xiaoliang1， Cong Riming1， Xiao Bolin2， Liu Chunkang2

（1.China Nonferrous Metal Industry’s Foreign Engineering and Construction Co.， Ltd.;

2.School of Resources and Safety Engineering， University of Science and Technology Beijing）

Abstract： The study focuses on optimizing flocculation parameters to enhance the thickening efficiency and stability of high?density ungraded tailings in deep cone thickeners （DCT）. Laboratory flocculation tests were conducted to investigate the effects of unit consumption of different flocculants， the slurry concentration of ungraded tailings， and settling time on the thickening process. Based on the optimal parameters derived from laboratory experiments for high?density ungraded tailings， the commissioning， and operation of the DCT demonstrated excellent flocculation and sedimentation performance， validating the accuracy of the laboratory findings. The research confirms that determining optimal flocculation parameters ensures effective flocculation and thickening of high?density ungraded tailings in deep cone thickeners， providing robust technical and theoretical support for environmentally sustainable tailings management and resource?based utilization.

Keywords： high?density; ungraded tailings; deep cone thickener; flocculation and thickening; unit consumption; tailings slurry concentration

收稿日期：2024-11-20；修回日期：2025-01-12

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（QNXM20230019）

作者簡介：聶軍（1988—），男，工程師，碩士，從事采礦工藝研究工作；E?mail：xfcycsu@126.com

*通信作者：肖柏林（1989—），男，副教授，博士，從事充填采礦研究工作；E?mail：bxiao@ustb.edu.cn