全尾砂絮凝沉降影响因素研究

王楚涵，李富平



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)

尾砂絮凝沉降是制备充填料浆的首要环节，为探讨不同条件下全尾砂絮凝沉降效果，考虑入料浓度、PAM单耗和PAM溶液浓度为影响因子，尾砂沉降速度和沉降浆体浓度为考察指标，利用正交试验法设计开展试验，并对试验结果进行回归分析和响应曲面分析。结果表明：影响尾砂沉降速度的因素敏感性顺序为PAM单耗＞入料浓度＞PAM溶液浓度，影响沉降浆体浓度的因素敏感性顺序为入料浓度＞PAM溶液浓度＞PAM单耗；各因素之间存在一定的交互作用，入料浓度与PAM单耗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的关系受PAM单耗和PAM溶液浓度共同作用的影响。推荐矿山生产中适当提高入料浓度，降低PAM溶液浓度，进而可以降低PAM单耗，提高经济效益。

全尾砂；絮凝沉降；响应曲面分析；交互作用

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了充填效率，放砂浓度较低又造成了料浆浓度过低，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，从而能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。除了絮凝剂以外影响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(APAM)为絮凝剂，其分子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。

图1 粒径分布曲线

表1 全尾砂化学成分 /%

1.2 试验设计

在初步探索试验的基础上，考虑入料浓度，PAM单耗和PAM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

表3 正交试验方案和结果

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PAM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PAM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) 当澄清液面不再变化时，记录最终高度，计算沉降底部尾砂浆的浆体浓度，以及尾砂的沉降速度。

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进行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。

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。对尾砂沉降速度和沉降浆体浓度分别进行极差分析，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PAM单耗，尾砂浆入料浓度次之，其次是PAM溶液浓度；沉降浆体浓度的极差值相近，各因素的主次顺序为尾砂浆入料浓度＞PAM溶液浓度＞PAM单耗；综合两个考察指标发现，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；PAM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。

2.3 回归分析

使用DPS软件[14]，将入料浓度，PAM单耗，PAM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：

式中：1为沉降速度，cm/min；2为浆体速度，%；1为入料浓度，%；2为PAM单耗，g/t；3为PAM溶液浓度，%。

回归方程(1)中，=0.9982，值的显著水平=0.0029＜0.05；回归方程(2)中，=0.9978，值的显著水平=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值来表示，按照显著值小于0.2来进行评价，式(1)中，PAM单耗的值为0.0715，PAM单耗与入料浓度乘积的值为0.0571；PAM单耗对于尾砂沉降速度有显著影响，PAM单耗与入料浓度有显著的交互作用。式(2)中，入料浓度的值为0.0852，入料浓度与PAM溶液浓度乘积的值为0.1572；入料浓度对于沉降浆体有显著影响，入料浓度与PAM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PAM溶液浓度较高，单耗一定时，PAM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，PAM单耗和入料浓度乘积的值小于0.01，这说明这两个因素之间的交互作用显著，其次是PAM溶液浓度与PAM单耗之间的交互作用对尾砂的沉降速度有一定影响，PAM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，PAM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，PAM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PAM单耗的增加，沉降速度显著增大；当入料浓度较高时，PAM单耗对沉降速度的影响较小。当PAM单耗较低时，入料浓度对沉降速度的影响较小，当PAM单耗较高时，沉降速度与入料浓度负相关。

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也可以看出，各因素的等高线均不平行。由图3(a)可知，当PAM溶液浓度一定时，沉降浆体浓度随着PAM单耗和入料浓度的增加而逐渐增大。根据图3(b)，PAM溶液浓度的增大会影响沉降浆体浓度，但影响不大，当PAM溶液浓度较低时，入料浓度越大得到的沉降浆体浓度的响应值越大。从图3(c)可以看出，PAM单耗越大，PAM溶液浓度越低，得到的沉降浆体浓度响应值越大；当PAM溶液浓度较高时，一味增加PAM单耗反而会降低沉降浆体的浓度。

(a) PAM单耗和入料浓度；(b) PAM溶液浓度和入料浓度；(c) PAM溶液浓度和PAM单耗

综上考虑，入料浓度、PAM单耗和PAM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PAM单耗之间的交互作用最为显著；因此在实际生产中，不用一味增加PAM单耗，可以适当提高入料浓度，降低PAM单耗以及PAM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PAM使用量，降低充填成本。

(a) PAM单耗和入料浓度；(b) PAM溶液浓度和入料浓度；(c) PAM溶液浓度和PAM单耗

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、PAM单耗和PAM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PAM单耗，其次是入料浓度和PAM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PAM溶液浓度和PAM 单耗。

(2) 通过回归分析和响应曲面分析发现，入料浓度、PAM单耗和PAM溶液浓度之间存在一定的交互作用，PAM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PAM单耗和PAM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PAM溶液浓度，减少PAM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20%，PAM单耗20 g/t，PAM溶液浓度0.2%。

[1] POKHAREL M, FALL M. Combined influence of sulphate and temperature on the saturated hydraulic conductivity of hardened cemented paste backfill[J]. Cement & Concrete Composites, 2013, 38: 21−28.

[2] Bayram Ercikdi, Hakan Baki, Muhammet Izki. Effect of desliming of sulphide-rich mill tailings on the long-term strength of cemented paste backfill[J]. Journal of Environment Management, 2013, 115: 5−13.

[3] 刘 超,韩 斌,孙 伟,等.高寒地区废石破碎胶结充填体强度特性试验研究与工业应用[J].岩石力学与工程学报,2015,34(1): 139−147.

[4] 彭乃兵,吴爱祥,王洪江,等.全尾砂絮凝沉降工艺研究[J].矿业研究与开发,2015,35(7):35−38.

[5] 王桂莲.斯托克斯法测量液体粘度设计实验的研究[J].医学信息,2007,2(3):408−409.

[6] 韩 亮,甘德清,刘志义,等.全尾砂絮凝沉降规律实验研究[J].矿业研究与开发,2017,37(3):39−43.

[7] 牟宏伟,吕文生,李树磊,等.絮凝剂在胶结充填应用中的试验研究[J].矿冶,2016,25(1):22−25.

[8] 甘德清,韩 亮,刘志义,等.细粒级尾砂絮凝沉降特性研究[J].矿业研究与开发,2017,37(9):31−35.

[9] 吴爱祥,周 靓,尹升华,等.全尾砂絮凝沉降的影响因素[J].中国有色金属学报,2016,26(2):439−446.

[10] 焦华喆,王洪江,吴爱祥,等.全尾砂絮凝沉降规律及其机理[J].北京科技大学学报,2010,32(6):702−707.

[11] 张钦礼,周登辉,王新民,等.超细全尾砂絮凝沉降实验研究[J].广西大学学报:自然科学版,2013,38(2):451−455.

[12] 孙建军,黄自力,杨 蘖,等.某细粒铜尾矿沉降研究[J].矿冶工程,2016,36(5):41−43.

[13] 刘瑞江,张业旺,闻崇炜,等.正交试验设计和分析方法研究[J].实验技术与管理,2010,27(9):52−55.

[14] 薛振林,张友志,鲍亚豪,等.考虑温度影响的全尾砂料浆流变性能研究[J].金属矿山,2016,10:35−39.

[15] 周 靓,吴爱祥,彭乃兵,等.基于响应曲面法优化全尾砂絮凝沉降实验研究[J].矿业研究与开发,2016,36(7):26−30.

(2018−07−26)

王楚涵(1994—)，女，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事矿山安全开采研究，Email：wangch7@126.com。