全尾砂絮凝沉降影响因素研究

王楚涵，李富平

(华北理工大学 矿业工程学院， 河北 唐山市 063009)

0 引 言

充填采矿技术通过将地表尾废制备成料浆输送至地下空区，凝固后形成充填体。既能有效减少地表尾废排放，保护生态环境，形成的充填体又能有效控制围岩变形，防止地表塌陷，维护采场安全。充填采矿技术因其具有的众多优势必将成为矿山开采的主流[1-3]。

料浆制备与输送是充填采矿技术的“中枢神经”，尾砂絮凝沉降是料浆制备的第一步，由选厂排放的尾砂浆浓度较低，尾砂在砂仓中沉降速度过慢严重影响充填效率，放砂浓度较低又造成料浆浓度过低，充填到井下后大量滤水严重污染井下环境，同时溢流水含固率较高影响了水的循环利用，既浪费资源又提高了成本[4]。因此提高砂仓内尾砂沉降速度与放砂浓度，降低溢流水含固率是急需解决的关键问题。

固体颗粒沉降过程中，沉降速度与颗粒直径的平方成正比[5]，通过在砂浆中添加絮凝剂，使尾砂吸附在聚合物长碳链上的活性官能团，利用“架桥”原理，絮凝聚集成较大的絮团，从而大幅度提高颗粒的沉降速度[6]。牟宏伟[7]、甘德清[8]探讨了不同种类絮凝剂对尾砂沉降效果的影响，发现阴离子聚丙烯酰胺最有利于尾砂迅速形成絮凝团，加快沉降速度。除了絮凝剂以外对于尾砂沉降的因素还有很多。吴爱祥[9]分析了多种因素对全尾砂絮凝沉降速度的影响，认为尾砂浆入料浓度、絮凝剂单耗、温度、尾砂浆pH值、絮凝剂溶液浓度等因素的影响相对较为显著。焦华喆[10]建立了尾砂絮凝沉降模型，认为尾砂沉降过程中经历了紊流段，加速段，压密段等阶段，沉降速度与给料浓度负相关，极限浓度与给料浓度正相关。张钦礼[11]等针对超细尾砂，研究发现在添加阴离子聚丙烯酰胺溶液之前先添加适量聚合氯化铝有助于细粒级尾砂沉降，尾砂浆入料浓度是影响沉降速度最显著的因素。孙建军[12]针对细粒铜尾矿研究发现，将聚丙烯酰胺和石灰混合使用可以加快沉降速度，降低澄清液浊度。上述研究从不同类型尾矿，不同种类絮凝剂，不同尾砂浆入料浓度等多方面探讨了对尾砂絮凝沉降效果的影响。但对于各影响因素之间的交互作用的讨论较少。

本文采用正交试验法[13]，以沉降速度和沉降浆体浓度为考察指标，综合考虑尾砂浆入料浓度，絮凝剂单耗，絮凝剂溶液浓度等因素对尾砂絮凝沉降效果的影响，利用回归分析和响应曲面分析因素之间的交互作用，为矿山充填提供一定的理论依据。

1 试验材料与试验设计

1.1 试验材料

试验尾砂来源于冀东地区某铁矿山全尾砂，尾砂粒级分布曲线如图1所示，-200目以下的细粒级尾砂约50%，细粒级尾砂含量较多，造成沉降较困难。全尾砂化学成分如表1所示，尾砂中SiO2含量较高，S、P等含量较低，根据铁矿尾砂性质选用阴离子聚丙烯酰胺为絮凝剂，其水解反应后形成羧基——COO-，将絮凝剂配置成质量浓度为0.3%的溶液。

表1全尾砂化学成分/%

TFeSiO2Al2O3CaOMgOSP其他5.4172.276.284.913.820.190.146.98

1.2 试验设计

在初步探索试验的基础上，考虑入料浓度，絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度等因素的影响，利用正交试验法，选取标准正交表L9(34)设计三因素三水平的正交试验，具体的因素水平选取与试验方案见表2和表3。

表2 正交试验因素水平

1.3 试验方法

(1) 按照试验方案分别准确称量尾砂，絮凝剂等物质的质量，精确到0.01 g。用来配置相应浓度的尾砂浆放置于1000 mL量筒内，制备好絮凝剂溶液以备试验过程中向尾砂浆中添加。

(2) 按照表3设计中各组对应絮凝剂溶液单耗准确量取对应的絮凝剂溶液添加到尾砂浆中。

(3) 翻转摇晃量筒，使絮凝剂溶液与尾砂浆充分接触，静置，记录不同时刻对应的澄清液面高度。

(4) 当澄清液面不在变化时，记录最终高度，计算沉降底部尾砂浆的浆体浓度及尾砂的沉降速度。

图1 粒径分布曲线

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

通过对澄清液面的下降高度与时间的关系计算得到尾砂的沉降速度，当澄清界面不再下降时对量筒底部的沉降浆体浓度进行计算，试验结果见表3。

表3 正交试验方案和结果

2.2 极差分析

通过对正交试验结果进行极差分析可以直观看出影响尾砂絮凝沉降效果因素的敏感性顺序，并且可以找到各因素的最佳水平，结果见表4。

表4 极差分析

从表4可以看出，沉降速度的极差R值差别较大，本次试验中对尾砂沉降速度影响最为显著的是絮凝剂单耗，尾砂浆入料浓度次之，其次是絮凝剂溶液浓度；沉降浆体浓度的极差R值相近，各因素的主次顺序为尾砂浆入料浓度>絮凝剂溶液浓度>絮凝剂单耗；综合2个考察指标发现，当尾砂浆入料浓度较低时，尾砂沉降速度越大，但得到的沉降浆体浓度也相对较低；絮凝剂单耗越大，沉降速度越大，但是沉降浆体的浓度较低。因此需要综合考虑各因素取值使得尾砂沉降速度较大，得到的沉降浆体浓度也较大，对试验结果进行回归分析并进行参数优化。

2.3 回归分析

使用DPS软件[14]，将入料浓度，絮凝剂单耗，絮凝剂溶液浓度为输入因子，沉降速度与沉降浆体浓度为输出因子，对试验结果进行回归分析，分别得到沉降速度和沉降浆体浓度的回归方程：

(1)

(2)

式中，Y1为沉降速度，cm/min；Y2为浆体速度，%；X1为入料浓度，%；X2为絮凝剂单耗，g/t；X3为絮凝剂溶液浓度，%。

式(1)中，R=0.9982，F值的显著水平P=0.0029<0.05；回归方程(2)中，R=0.9978，F值的显著水平P=0.0045<0.05；回归方程显著。

各因素对回归方程的贡献可以用显著性水平P值来表示，按照显著值小于0.2来进行评价，式(1)中，絮凝剂单耗的P值为0.0715，絮凝剂单耗与入料浓度乘积的P值为0.0571；絮凝剂单耗对于尾砂沉降速度有显著影响，絮凝剂单耗与入料浓度有显著的交互作用。式(2)中，入料浓度的P值为0.0852，入料浓度与絮凝剂溶液浓度乘积的P值为0.1572；入料浓度对于沉降浆体有显著影响，入料浓度与絮凝剂溶液浓度的交互作用对沉降浆体浓度有一定影响，认为是当絮凝剂溶液浓度较高，单耗一定时，絮凝剂溶液添加量越少，而更多的尾砂吸附在聚合物长碳链上，絮凝团之间的孔隙越大，最终导致形成的沉降浆体浓度降低。

2.4 响应曲面分析

通过对尾砂絮凝沉降结果进行响应曲面分析[15]，分别得到了沉降速度和沉降浆体浓度的响应曲面模型，由图2和图3可以明显看出各因素之间的交互作用对响应值的影响。

通过分析沉降速度的响应曲面，絮凝剂单耗和入料浓度乘积的P值小于0.01，这说明这2个因素之间的交互作用显著，其次是絮凝剂溶液浓度与絮凝剂单耗之间的交互作用对尾砂的沉降速度有一定影响，絮凝剂溶液浓度和入料浓度的交互作用对尾砂沉降速度的影响不显著。由图2(a)可知，絮凝剂单耗和入料浓度的等高线不平行，且近似呈椭圆形，可进一步说明其交互作用显著，絮凝剂单耗对沉降速度的响应值受入料浓度的显著影响，当入料浓度较低时，随着絮凝剂单耗的增加，沉降速度显著增大；当入料浓度较高时，絮凝剂单耗对沉降速度的影响较小。当絮凝剂单耗较低时，入料浓度对沉降速度的影响交小，当絮凝剂单耗较高时，沉降速度与入料浓度负相关。

图2 沉降速度响应曲面

在沉降浆体浓度的响应曲面分析中，发现对于沉降浆体浓度的响应值，各因素之间均存在一定的交互作用，并且从图3可以看出各因素的等高线均不平行。由图3(a)可知，当絮凝剂溶液浓度一定时，沉降浆体浓度随着絮凝剂单耗和入料浓度的增加而逐渐增大。根据图3(b)，絮凝剂溶液浓度的增大会影响沉降浆体浓度，但影响不大，当絮凝剂溶液浓度较低时，入料浓度越大沉降浆体浓度的响应值越大。从图3(c)可以看出，絮凝剂单耗越大，絮凝剂溶液浓度越低，得到的沉降浆体浓度响应值越大；当絮凝剂溶液浓度较高时，单纯增加絮凝剂单耗反而会降低沉降浆体的浓度。

图3 沉降浆体浓度响应曲面

综上考虑，入料浓度，絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度对于尾砂沉降速度以及沉降浆体浓度的响应值具有一定的交互作用，入料浓度和絮凝剂单耗之间的交互作用最为显著；因此在实际生产中，不用单纯增加絮凝剂单耗，可以适当提高入料浓度，降低絮凝剂单耗以及絮凝剂溶液浓度，可以获得更好的絮凝沉降效果，既能得到满足矿山充填骨料的沉降速度，又能得到较高的沉降浆体浓度，还能减少絮凝剂使用量，降低充填成本。

3 结 论

(1) 采用正交试验法对影响尾砂沉降效果的入料浓度、絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度等3个因素进行设计试验，在试验范围内，对尾砂沉降速度影响最敏感的是絮凝剂单耗，其次是入料浓度和絮凝剂溶液浓度；对沉降浆体浓度影响最敏感的是入料浓度，其次是絮凝剂溶液浓度和絮凝剂单耗。

(2) 通过回归分析和响应曲面分析发现，入料浓度、絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度之间存在一定的交互作用，絮凝剂单耗和入料浓度之间的交互作用对尾砂沉降速度的影响极为显著；沉降浆体浓度与入料浓度不存在正相关关系，受絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度共同作用影响。

(3) 矿山生产过程中可适当提高入料浓度和絮凝剂溶液浓度，减少絮凝剂的使用量，降低成本，提高收益，推荐矿山采用絮凝沉降参数为入料浓度为20%，絮凝剂单耗为20 g/t，絮凝剂溶液浓度为0.2%。