楊鋼鋒 王勇 吳愛祥
摘要:尾礦在立式砂倉或深錐濃密機等脫水工藝條件下仍達不到預(yù)期質(zhì)量分數(shù),添加外加劑是實現(xiàn)二次快速脫水的有效手段。針對某銅尾礦較細、泌水能力差,經(jīng)過深錐濃密機脫水后質(zhì)量分數(shù)仍不達標的問題,通過添加A型外加劑、B型外加劑進行二次脫水實驗,并以不添加外加劑作為對照。實驗結(jié)果表明:添加外加劑的料漿1 h、2 h泌水量明顯大于不添加外加劑的料漿,隨著泌水時間的增加,4 h時添加與不添加外加劑的料漿泌水量基本持平。通過3種情況下脫水質(zhì)量分數(shù)與脫水時間的回歸方程,獲得了濃縮尾礦二次脫水數(shù)學(xué)模型,即二次脫水質(zhì)量分數(shù)與脫水時間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。最后,分析了外加劑對尾礦快速脫水和結(jié)構(gòu)強化機理,外加劑不僅可以快速提高尾礦脫水質(zhì)量分數(shù),同時可增加尾礦穩(wěn)定性,具有潛在工程應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞:尾礦;外加劑;二次脫水;泌水率;機理
中圖分類號:TD853;TD854
文獻標志碼:A文章編號:1000-582X(2022)02-021-08
Abstract: When the tailings still do not reach the expected mass fraction under the dewatering process conditions by vertical sand silo or deep cone thickener, the addition of admixture in the tailings is an effective means to achieve secondary rapid dewatering. Taking t the fine copper ore tailings whose bleeding ability was poor, and the mass fraction was still not up to standard after dewatering by the deep cone thickener as the example, the secondary dewatering experiment was carried out with three groups, one adding the A-type admixture another adding the B-type admixture, and the third one without adding admixture. The experimental results show that the bleeding amount of slurry with adding admixture is significantly greater than that without adding admixture after 1 h and 2 h. With the increase of bleeding time, the bleeding amount of slurry with adding admixture and without adding admixture is basically equal at 4 h. Through the regression equation of dewatering mass fraction and dewatering time in three cases, the mathematical model of secondary dewatering of concentrated tailings was obtained, i.e. the relationship between the secondary dewatering mass fraction and the dewatering time is exponential function. Finally, the mechanism of rapid dewatering and structural strengthening of tailings by adding admixture were analyzed. Adding admixture not only increased the mass fraction of tailings, but also improved the stability of tailings, which has potential engineering application value.
Keywords: tailings; admixtures; secondary dewatering; bleeding rate; mechanism
隨著礦產(chǎn)資源的需求量越來越大,國內(nèi)礦產(chǎn)資源的大量開采導(dǎo)致尾礦庫的負荷不斷加大,堆積高度不斷增加,這就對尾礦壩體的穩(wěn)定性有了更高的要求[1]。還有尾礦庫本身無法徹底消除的安全隱患,威脅著礦山周邊的安全[2]。尾礦傳統(tǒng)低質(zhì)量分數(shù)濕排對尾礦壩體的穩(wěn)定性極為不利[3],同時對尾礦壩體的維護需要巨大的成本。排出尾礦質(zhì)量分數(shù)越高,壩體穩(wěn)定性就越好[4],因此出現(xiàn)了高質(zhì)量分數(shù)排放[5]。尾礦高質(zhì)量分數(shù)排放與傳統(tǒng)的濕排區(qū)別在于含水量的不同,因此,脫水工藝成了高質(zhì)量分數(shù)排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。
尾礦的脫水工藝按照使用設(shè)備和流程不同可分為一段式和多段式兩種[7]。根據(jù)國內(nèi)目前尾礦脫水工藝的發(fā)展現(xiàn)狀[8-10],雖然多段式工藝對尾礦脫水的效果較好,但由于其工藝復(fù)雜,脫水成本高等諸多問題[7],使用具有很大的局限性。立式砂倉[11]是傳統(tǒng)的一段脫水工藝,在中國礦山的實際應(yīng)用較多,但普遍存在著放砂質(zhì)量分數(shù)低的問題[12],一段脫水后的尾礦質(zhì)量分數(shù)達不到排放要求。近年來隨著尾礦脫水技術(shù)的不斷進步,深錐濃密機由于其生產(chǎn)能力大,工藝簡單,能耗小,底流質(zhì)量分數(shù)大等優(yōu)點[13],在國內(nèi)外的細粒尾礦濃密脫水中得到了廣泛的認可和應(yīng)用[14-16]。
由于細粒尾礦保水性好、泌水能力差[17],即使尾礦料漿經(jīng)過深錐濃密機脫水,依然存在質(zhì)量分數(shù)不達標的情況。另一方面,脫水后的尾礦料漿仍然呈現(xiàn)為泥漿狀,直接堆壩難度大。筆者以某銅尾礦為例進行研究,該尾礦較細,泌水能力差。尾礦料漿經(jīng)過深錐濃密機濃密脫水后,排放至尾礦庫的料漿質(zhì)量分數(shù)為62%,尾礦料漿中還存在大量的自由水。但是由于尾礦顆粒過細,其間的自由水如果依靠自然泌水,需要泌水時間長,水分泌出困難,或者泌出的同時就已經(jīng)被蒸發(fā),造成水資源大量流失。因此,嘗試借助外加劑,在料漿排放至尾礦庫之前添加,對細粒尾礦進行主動二次脫水,使得料漿質(zhì)量分數(shù)快速提高,不僅提高回水率,同時也改善尾礦的顆粒黏結(jié)力,有利于尾礦堆積角形成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)增強。
實驗中選用巴斯夫A型和B型2種不同外加劑進行對比試驗,分別對A型、B型、不添加外加劑3種情況下尾礦料漿泌水性能進行測試,研究濃縮尾礦二次脫水規(guī)律,并對外加劑與尾礦作用機理進行分析,為濃縮尾礦進一步脫水提供依據(jù)。
1 實驗材料和方法
1.1 實驗材料和裝置
實驗材料來自某銅礦選礦廠,該尾礦容重較小,孔隙率相對較大,理論飽和質(zhì)量分數(shù)低,基本物理性能如表1所示,表1中孔隙率和理論飽和質(zhì)量分數(shù)是根據(jù)尾礦真密度、容重計算得到[18]。粒級測量采用人工篩分和激光粒度儀相結(jié)合的方式,測試結(jié)果如圖1所示(其中累計含量指小于或等于該粒徑大小的顆粒質(zhì)量占顆??傎|(zhì)量的比例)。該尾礦74 μm以下顆粒含量為64%,屬于細粒尾礦。
A型和B型外加劑采用巴斯夫?qū)iT針對尾礦二次脫水、地表排放的WPA系列析水劑,其中A型外加劑為白色黏稠狀液體、B型外加劑為黃褐色黏稠狀液體。實驗裝置包括直徑110 mm、容量500 mL的燒杯,精度0.1 g的天平、1 000 mL的量筒、移液管和計時秒表。
1.2 實驗方法
根據(jù)某銅尾礦實際排放質(zhì)量分數(shù)為62%左右,因此實驗料漿質(zhì)量分數(shù)也配置為62%。配置好的料漿倒入燒杯內(nèi),分別測量1,2,4 h料漿泌水量,其中1 h和2 h料漿泌水量用來衡量料漿快速泌水的能力,而4 h泌水量用來測試評價其長期泌水效果。具體實驗方法如下:
1)按照配料要求稱取全尾砂,使用量筒量取定量的水,倒入容器內(nèi)進行攪拌,一次將不添加外加劑、添加A型外加劑、B型外加劑3種情況所需的料漿配置好,并攪拌均勻,等質(zhì)量分為3組。
2)其中第1組料漿迅速倒入燒杯,料漿不要超出燒杯口,將燒杯稍微震動,使料漿表面平整。每隔一段時間,將泌出的水分取出,測量泌出水分的質(zhì)量。該燒杯內(nèi)料漿作為基準組,即不添加外加劑。
3)第2組和第3組料漿分別加入5 g A型外加劑和5 g B型外加劑(根據(jù)前期探索實驗和廠家建議,最終選擇每組實驗外加添加量為5 g,添加量是尾砂干量的5‰),再次攪拌均勻,迅速倒入另外2個燒杯,料漿液面高度與基準組料漿保持一致。與基準組間隔相同時間,將泌出的水分取出,測量泌出水分的質(zhì)量。
4)按照式(1)計算不添加外加劑、添加A型外加劑、添加B型外加劑3種情況泌水率:
S=mM(1-ρω)×%, (1)
式中:S為泌水率,%;m為靜置某一時間的泌水量,g;M為料漿質(zhì)量,g;ρω為料漿初始質(zhì)量分數(shù),%。
2 結(jié)果與分析
2.1 外加劑作用下尾礦二次脫水規(guī)律
不添加外加劑、添加A型和B型外加劑情況下泌水率實驗結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2,繪制不同實驗組別泌水率和質(zhì)量分數(shù)隨泌水時間變化情況如圖2~3所示。由圖2和圖3可知,添加外加劑的漿體初期(1 h、2 h)泌水量明顯大于不添加的料漿。其中添加A型外加劑1 h泌水率達到19.89%,2 h泌水率達到28.26%,分別比不添加外加劑時的泌水率12.61%、22.02%高出7.28%和6.24%。添加B型外加劑1 h和2 h的泌水率分別比不添加時高出7.9%和6.9%。對添加2種外加劑的1 h和2 h泌水率進行對比,添加B型外加劑的泌水率略高于添加A型外加劑的泌水率,但相差不大。總的來說,添加外加劑對泌水性能改善較為明顯。在4 h時,3種情況料漿的質(zhì)量分數(shù)介于71%~72%之間,這表明,隨著泌水時間的持續(xù)增加,添加與不添加外加劑的泌水量逐漸趨于相等。
泌出水分取出過程發(fā)現(xiàn),同一泌水時間內(nèi)添加外加劑的料漿形狀容易固定,而不添加外加劑料漿仍然呈現(xiàn)“泥漿”狀態(tài),取出水分后放平燒杯,料漿形態(tài)差別明顯,如圖4所示。圖4(a)是不添加外加劑料漿的形態(tài),可以看到取出泌出的水分后,料漿含水量仍然較大,具有較好的流動性,呈泥漿狀態(tài)。圖4(b)是添加B型外加劑后料漿的形態(tài),取出泌出的水分后,料漿形狀比較固定,結(jié)構(gòu)密實,形成了一定的堆積角度。
式中:f(t)表示二次脫水時間為t的尾礦料漿質(zhì)量分數(shù);b代表長時間脫水的極限質(zhì)量分數(shù);b-a(指b減去a)代表脫水時間為0時的濃縮尾礦初始質(zhì)量分數(shù);c為回歸常數(shù),因尾礦種類、基本物化性能、外加條件等不同。
根據(jù)式(5),繪制濃縮尾礦二次脫水質(zhì)量分數(shù)隨泌水時間演化規(guī)律如圖6所示。橫坐標是泌水時間,h;縱坐標是質(zhì)量分數(shù),%;截距代表初始質(zhì)量分數(shù)b-a,隨著尾礦料漿泌水時間不斷增加,質(zhì)量分數(shù)趨近于極限脫水質(zhì)量分數(shù)b。
3 外加劑對濃縮尾礦二次脫水作用機理及工程價值分析
3.1 外加劑與尾礦料漿作用機理
添加外加劑后可以明顯改善尾礦的泌水性能,使得尾礦料漿中的自由水快速析出,達到提高料漿質(zhì)量分數(shù)的目的。因此,分析所添加外加劑的作用機理對于外加劑更好地應(yīng)用在工程實踐中具有非常重要的意義。
3.1.1 快速脫水機理
在未添加外加劑的情況下,尾礦顆粒與水混合形成尾礦懸浮體系,體系中不同的礦物顆粒所帶的電荷存在差異,相互吸引形成了包含大量水的絮凝結(jié)構(gòu)。添加的外加劑對尾礦存在靜電斥力和空間位阻2種作用[20],在這2種作用下,尾礦漿中的水分得以快速脫出。
1)靜電斥力作用。實驗所添加外加劑屬于陰離子型表面活性劑,其分子帶有許多在尾礦中呈現(xiàn)負電性的基團,由于尾礦顆粒的表面帶有正電荷,加入外加劑后,如圖7所示,呈負電性的離子將尾礦顆粒包圍,被負離子包圍的尾礦顆粒相互之間帶有同種負電荷,這些尾礦顆粒相互靠近時,由于靜電斥力作用使尾礦顆粒相互排斥而遠離,從而釋放出自由水,起到減水的效果。
2)空間位阻作用。陰離子型表面活性劑的主鏈和側(cè)鏈上帶有的帶電基團使其能夠吸附在尾礦顆粒的表面形成聚合物分子吸附層,如圖8所示。當尾礦顆粒相互靠近時,這些吸附層會發(fā)生重疊,在尾礦顆粒間產(chǎn)生斥力作用,使尾礦顆粒相互遠離,從而釋放出自由水。
3.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)強化機理
添加外加劑后,通過外加劑內(nèi)高分子量聚合物分子間及與水分子間的相互作用,在分子周圍形成水分子膜,若干個由水分子膜包裹著的分子借助分子間作用力,形成空間分子網(wǎng)格結(jié)構(gòu),從而建立一個高度結(jié)構(gòu)化的尾礦漿體系,在尾礦變形過程中,這樣的尾礦漿體系像一個流動的矩陣,如圖9所示,在帶動其流動的同時,始終保持一定的勻質(zhì)性和穩(wěn)定性。因此,添加外加劑脫水后,使得尾礦結(jié)構(gòu)更加密實,更加穩(wěn)定,更有利于尾礦的堆積和筑壩,可以提高尾礦庫的安全性。
3.2 工程價值分析
通過添加外加劑改善泌水性能,快速將料漿中自由水析出,對于濃縮尾礦進一步脫水具有明顯效果,不僅是尾礦不能達到預(yù)期脫水質(zhì)量分數(shù)的一種補救措施,同時還可以使得尾礦結(jié)構(gòu)更加密實,增強細粒尾礦排放或堆壩的穩(wěn)定性,具有較好的潛在工程價值,主要體現(xiàn)在以下3個方面。第1,使用外加劑對尾礦進行快速脫水,可以提高水的利用率,減少了水資源的浪費;第2,添加外加劑后易于尾礦排放堆積角的形成,可以在占地面積不變的情況下,增加尾礦庫的庫容;第3,由于尾礦結(jié)構(gòu)的提升,可以適當提升堆積高度而不影響壩體穩(wěn)定性,易于細粒全尾堆壩,從而減少部分筑壩成本。
4 結(jié) 論
1)通過3組脫水實驗,不添加外加劑1 h泌水率為12.61%,2 h泌水率為22.02%,而添加A型外加劑和B型外加劑1 h泌水率分別可達到19.89%和20.51%,2 h泌水率分別可達到28.26%和28.92%,明顯高于不添加外加劑。實驗結(jié)果表明添加外加劑可以對細粒尾礦泌水性能進行改善,達到料漿內(nèi)水分快速泌出的目的。
2)通過Matlab軟件對實驗結(jié)果進行擬合發(fā)現(xiàn),濃縮尾礦二次脫水的規(guī)律較為相似,無論是否添加外加劑,其質(zhì)量分數(shù)隨泌水時間的變化均符合f(t)=-ae-tc+b指數(shù)函數(shù)關(guān)系。初期脫水速度快,隨著時間的變化脫水速度逐漸下降,最終尾礦的質(zhì)量分數(shù)趨于某一恒定值。
3)對實驗所添加外加劑的作用機理進行分析。實驗所添加外加劑對尾礦存在靜電斥力和空間位阻兩種作用,可以達到快速泌水的目的。同時通過外加劑內(nèi)高分子量聚合物分子間及與水分子間的相互作用,保持了尾礦漿體系的穩(wěn)定性。添加外加劑對濃縮尾礦二次脫水,不僅可以提高回水率,還可增加尾礦庫庫容,有利于尾礦排放和堆壩,具有較好的潛在工程價值。
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(編輯 張 蘋)