三山岛金矿全尾砂静态絮凝沉降试验研究

高 轩，张建辉，裴佃飞，王青芬

(1.北京矿冶科技集团有限公司 矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京 100160；2.北矿机电科技有限责任公司 北京市高效节能矿冶技术装备工程技术研究中心，北京 100160；3.山东黄金集团有限公司，济南250001)

尾矿作为矿山生产过程中产生的最主要的固体废物，由于堆存面积大、环境污染严重、安全隐患多等问题，已经成为建设绿色矿山亟待解决的主要问题之一[1]。充填法采矿能够最大化回采矿石，采矿工作面安全性好，同时将尾砂回填到采场解决了尾矿堆放污染问题[2-3]。膏体充填具有充填料浆采场不离析、不沉淀、不脱水，充填质量均匀、强度大，充填后排水量少及管道输送高效等优点，是矿山充填技术的重要发展方向[4-6]。膏体充填的核心技术是全尾砂矿浆膏体制备工艺，而膏体浓密机制备膏体尾矿具有众多技术优势[7]。

矿浆絮凝沉降工艺参数与矿浆性质相关，影响因素众多，如絮凝剂类型、絮凝剂用量，矿浆浓度等[8]。本文拟对絮凝剂类型、絮凝剂用量、矿浆浓度、矿浆pH值、温度五个关键因素进行了正交絮凝试验研究，在试验研究的基础上筛选、优化絮凝沉降工艺参数，确定矿浆的絮凝工艺参数及设备技术参数。

1 矿浆基本特性

原矿浆为山东黄金三山岛金矿浮选尾矿，矿浆浓度约50.5%，矿浆电荷-36 mV, 矿浆pH=6.0，矿石密度2 703 kg/m3, 矿物粒度分布见表1。

表1 矿物粒度分布表

为了更直观观察粒度分布情况，将表1绘制成图1所示的分布图。

图1 矿物粒度分布图Fig.1 Mineral particle size distribution

从图1以10为对数的横坐标可以看出粒径大于100 μm的矿粒占50%以上，粒径小于10 μm的矿粒占20%以上，粒度分布呈粗、微细两头多，中间粒度少的特点。粗颗粒沉降速度快，微细颗粒沉降速度慢，因此，尾矿絮凝沉降的关键是解决微细颗粒的絮凝沉降问题。

2 絮凝沉降条件试验

2.1 正交试验

矿浆絮凝沉降速度与矿浆性质(浓度、粒度分布、矿浆电荷等)和絮凝剂等多种因素相关，以絮凝剂类型(主要为聚丙烯酰胺)、絮凝剂用量、矿浆浓度、矿浆pH值和矿浆温度5因素4水平做正交试验研究，以沉降速度和溢流浊度作为评价标准，分析各因素对沉降速度和溢流浊度影响权重，寻找最优组合。16组沉降试验正交表L16(45)及其结果见表2。

从表2可以看出,不同絮凝条件矿浆沉降速度和澄清层浊度差异明显，其中以test10沉降速度最大，达到197.54 mm/min，test9沉降速度最小，为5.83 mm/min。test3和test12澄清层浊度明显大于其它测试条件。

2.2.1 矿浆沉降速度影响因素分析

从表2计算出矿浆浓度，絮凝剂类型、絮凝剂用量、矿浆pH值和矿浆温度5因素4水平的平均沉降速度见表3。

表2 絮凝沉降速度及澄清层浊度

表3 各水平矿浆絮凝沉降速度平均值

从表3可以看出，对矿浆絮凝沉降速度影响最大的因素为絮凝剂用量，影响最小的因素为絮凝剂类型。5个因素的影响顺序为：絮凝剂用量>矿浆浓度>矿浆pH>温度>絮凝剂类型。

按矿浆絮凝沉降速度优先原则，针对絮凝剂用量和矿浆浓度两个变量试验交互作用见表4。

表4 矿浆浓度和絮凝剂用量交互作用下矿浆沉降速度表

由表4可知，矿浆浓度20%，絮凝剂用量20 g/t时，沉降速度最大，达到了197.54 mm/min。

考虑到原矿浆pH=6.0，矿浆温度一年四季随季节变化，阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂在试验中有较好表现，因此确定最佳的沉降参数为：矿浆浓度20%，絮凝剂用量20g/t，pH=6，常温，阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂。

2.2.2 澄清层浊度影响因素分析

从表2计算出矿浆浓度、絮凝剂类型、絮凝剂用量、矿浆pH值和矿浆温度5因素4水平的澄清层平均浊度，见表5。

表5 矿浆絮凝澄清层浊度平均值(NTU，澄清35 min)

从表5可以看出，对澄清层浊度影响最大的因素为矿浆温度，影响最小的因素为絮凝剂用量。5个因素的影响排序为矿浆温度>矿浆浓度>絮凝剂类型>矿浆pH值>絮凝剂用量。

3 絮凝耦合试验研究

根据正交沉降试验结果，按矿浆沉降速度考核优化的絮凝工艺参数为：矿浆浓度10%、阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂，矿浆pH=8, 温度15℃，絮凝剂用量20 g/t。但从因素影响平均沉降速度表可知，矿浆温度和矿浆pH值因素对矿浆沉降速度影响较小，并且考虑到原矿浆pH=6.0，矿浆温度一年四季随季节变化，因此综合考虑矿浆絮凝沉降，优化后参数见表6。其中把絮凝剂用量和矿浆浓度作为变量，耦合研究矿浆絮凝沉降特性。

表6 矿浆絮凝沉降优化参数

3.1 耦合絮凝沉降速度及澄清层浊度

按照拟定的耦合条件，试验研究矿浆絮凝沉降及澄清层浊度变化规律，矿浆沉降速度和澄清层浊度见表7。

表7 矿浆絮凝沉降速度和澄清层浊度表

从表7可知，TC4，即絮凝剂用量为20 g/t、矿浆浓度为20%时的絮凝沉降速度最快，达到198.69 mm/min。只要澄清时间超过35 min，澄清层浊度都会小于100 NTU，完全达到国家排放或回水要求。

3.2 絮凝沉降平均浓度

全尾砂充填工艺，不仅要求浓密机底流浓度稳定，而且要求底流浓度尽可能高，在优化絮凝沉降工艺条件下，矿浆絮凝沉降后矿浆平均浓度与絮凝剂用量和矿浆浓度的关系见表8。

表8 絮凝沉降平均浓度表

从表8可以看出，矿浆静态沉降20 h后矿浆平均浓度均小于65%，但通过扰动再进行二次沉降，沉降后矿浆平均浓度显著提高，平均浓度最高可达68.39%。同时经过絮凝扰动后相比于静置20 h均至少提高了5%的矿浆浓度。原因是絮凝形成絮体的包裹水难以简单破碎排出，增加扰动后，破坏絮凝体结构，将大絮凝体破碎为小絮凝体，将絮体包裹水释放出来，矿浆浓度提升较大。

兼顾干涉沉降速度和最终平均矿浆浓度，认为最优絮凝用量20 g/t，最优矿浆浓度为20%。在此条件下，进一步进行静态絮凝沉降平均浓度试验，得到平均浓度随着时间的变化关系如图2所示。

从图2可以看到浓密机底流浓度达到50%比较容易，从实验数据读出矿浆滞留时间约7 min；若要底流浓度达到58%，矿浆滞留时间需要约180 min。在200 min之后料层平均浓度基本维持不变。

图2 矿浆絮凝沉降平均浓度曲线图Fig.2 Average concentration curve of flocculation sedimentation

4 结论

本文通过L16(45)5因素4水平正交静态絮凝沉降试验和耦合条件试验研究，得到以下结论：

1)为三山岛金矿尾矿絮凝提供了科学指导，得到了自然絮凝最优絮凝参数为：矿浆浓度20%，絮凝剂用量20 g/t，阴离子聚丙烯酰胺，温度常温、矿浆pH=6.0。

2)最优条件下无扰动絮凝沉降矿浆极限平均浓度为60%，增加扰动、破碎絮凝体，絮体二次沉降，矿浆极限平均浓度能达到66%，可适当考虑二次沉降。

3)矿浆沉降速度影响因素排序为：絮凝剂用量>矿浆浓度>矿浆pH>温度>絮凝剂类型；矿浆沉降澄清层浊度影响因素排序为：矿浆温度>矿浆浓度>絮凝剂类型>pH值>絮凝剂用量。