某细粒黄金尾矿浓缩沉降及流变特性研究

2023-02-10吕剑桥刘静静娄田田王俊祥

黄金 2023年1期

李琳，吕剑桥，崔曼，刘静静，娄田田，王俊祥*

(1.山东科技大学化学与生物工程学院； 2.临朐县企业技术创新研发中心)

引言

在中国黄金产量连续多年位居全球第一的背后，黄金尾矿的安全处置也是当前诸多黄金矿山面临的重大难题。国家发改委等十部门印发的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中提出的金属尾矿有价组分回收和剩余废渣的胶凝回填利用为黄金尾矿的大宗利用提供了良好思路。近年来，有价元素回收[1]、建材化利用[2-4]和胶结充填[5]已成为中国黄金尾矿综合利用的主要途径。但是，受限于黄金尾矿累计堆存量大和产量大的双重压力，目前黄金尾矿的综合利用率仍不足40 %，大部分黄金尾矿仍需采取传统尾矿库堆存的方式进行处置，对周边环境和人类生存安全构成了严重威胁[6-7]。

在“绿水青山就是金山银山”理念及绿色矿山建设背景下，“粗粒利用-细粒充填”技术路线成为实现黄金尾矿分级分质大宗利用的有效途径。然而，粗粒利用后剩余细粒尾矿的高效浓缩及高浓度膏体料浆的顺利输送成为当前黄金矿山面临的主要问题之一。因此，本研究以山东某细粒黄金尾矿为研究对象，重点考察了该细粒尾矿的浓缩沉降特性和不同浓度胶结料浆的流变特性，以期为黄金矿山尾矿的高效综合利用提供一定的技术支撑。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验原料为山东某金矿选矿厂经旋流器分级后的细粒尾矿。采用激光粒度分析仪对其进行粒度分析，结果见表1。采用X射线荧光光谱法对其进行化学成分分析，结果见表2。

表1 细粒黄金尾矿粒度组成分析结果

表2 细粒黄金尾矿化学成分分析结果

由表1可知：该细粒黄金尾矿中-45 μm颗粒达到90.88 %，d95约为60 μm，d50约为15 μm，整体粒度偏细。

1.2 试验方法

1)细粒尾矿沉降特性研究。沉降试验在1 000 mL量筒中进行，细粒尾矿初始浓度为13.60 %，絮凝剂采用FLOPAM AN 934 SH(爱森(中国)絮凝剂有限公司生产)，用量分别为20 g/t、40 g/t、60 g/t、80 g/t和100 g/t。

2)细粒尾矿胶结料浆流变特性研究。按照灰砂比1 ∶10配制细粒尾矿胶结料浆，在料浆浓度为66 %～74 %时，采用Brookfield DV-Ⅲ流变仪测定不同浓度下的剪切速率和剪切应力，进而计算不同浓度胶结料浆的黏度和屈服应力，然后基于布金汉方程计算不同浓度胶结料浆在现场DN100 mm管道中的输送特性。

2 结果与讨论

2.1 细粒尾矿沉降特性

该细粒尾矿自然沉降和絮凝沉降曲线见图1，基于沉降曲线计算的沉降速度见表3。

图1 细粒尾矿自然沉降和絮凝沉降曲线

表3 细粒尾矿沉降速度计算结果

由图1和表3可以看出：细粒尾矿的自然沉降速度仅为0.62 cm/min。添加絮凝剂后细粒尾矿的沉降速度显著提高，絮凝剂用量为20 g/t时，细粒尾矿的沉降速度迅速提高至4.68 cm/min。随着絮凝剂用量的进一步增加，细粒尾矿的沉降速度逐渐增大；絮凝剂用量增加至60 g/t时，细粒尾矿的沉降速度达到8.80 cm/min。但是，之后继续增加絮凝剂用量至100 g/t时，细粒尾矿的沉降速度仅增大至9.07 cm/min，增加幅度较小。絮凝剂加入后对细粒尾矿沉降性能的影响主要体现在颗粒电势的变化，尾矿颗粒被絮凝剂中和电荷后，在不稳定状态下相互凝聚形成絮凝体，絮凝体增大到一定体积后沉降速度得以迅速增加。但是，当絮凝剂达到一定用量后，其对颗粒电荷的中和效果不显著，桥连形成絮团的速度和体积不再明显增大[8-10]。结合相关工程实践，同时兼顾生产成本，絮凝剂用量确定为60 g/t。

2.2 细粒尾矿胶结料浆流变特性

为了掌握细粒尾矿胶结料浆在充填管道中的输送性能，本研究在测定胶结料浆黏度和屈服应力的基础上，基于布金汉方程计算了不同浓度胶结料浆在现场DN100 mm充填管道中的输送阻力，并通过料浆在指定采场输送阻力和垂直压差的对比，判定胶结料浆浓度对其自流输送性能的影响。不同浓度细粒尾矿胶结料浆剪切应力与剪切速率关系见图2。

图2 不同浓度细粒尾矿胶结料浆剪切应力与剪切速率关系

由图2可以看出：在高剪切速率条件下，试验设定浓度范围内的胶结料浆均符合宾汉流体特性，其剪切应力随剪切速率的增大而逐渐增大，且二者呈现良好的线性关系。由宾汉流体特性可知，二者拟合所得直线的斜率为料浆黏度，直线延伸在y轴的截距为料浆的屈服应力[11]。不同浓度细粒尾矿胶结料浆的黏度和屈服应力见图3。

由拟合计算结果可知，细粒尾矿胶结料浆的黏度和屈服应力均随料浆浓度的增大逐渐增加。需要指出的是，当料浆浓度超过68 %后，黏度和屈服应力均显著增大，说明胶结料浆输送特性存在突变的临界值，超过该值后料浆的输送性能急剧降低。

在自流状态下，细粒尾矿胶结料浆在充填管道内的输送动力PD与料浆密度、充填管道入口和出口之间的垂直高差直接相关，即PD=ρgh。其中，ρ为胶结料浆密度(kg/m3)；g为重力加速度(9.8 N/kg)；h为充填管道入口和出口之间的垂直高差(m)。

在已知充填管道内径，胶结料浆黏度、屈服应力及其在管道中的流速时，胶结料浆在单位长度充填管道中的输送阻力i可由布金汉方程(见式(1))计算得出[12]。在已知充填管道长度l时，胶结料浆在充填管道中的输送阻力PZ=il。

(1)

式中：i为料浆在单位长度充填管道中的输送阻力(Pa/m)；τ0为料浆屈服应力(Pa)；v为料浆在管道中的流速(m/s)；μ为料浆黏度(Pa·s)；D为充填管道内径(mm)。

由上式可以看出，胶结料浆在充填管道内的输送阻力取决于料浆本身的性质(屈服应力τ0、黏度μ)、料浆流速和管道内径。在同一充填管道内胶结料浆流速保持恒定时，料浆黏度和屈服应力越大，其在充填管道中的输送阻力越高。

为了更清晰地说明不同浓度胶结料浆在充填管道中的输送特性，选择山东某金矿九中西部-650 m采场进行料浆自流特性判定。该采场离充填管道入口和出口的垂直高差为685 m，管径100 mm，管道长度2 647 m。根据相关充填工程实践经验，受弯头、管道摩擦力不均匀等因素影响，实际管道阻力比理论计算值要大。本研究按照原管道长度增加15 %进行输送阻力计算。基于现场充填需求，在料浆流量为38 m3/h 条件下，不同浓度胶结料浆输送至九中西部-650 m采场的输送动力PD和阻力PZ及二者之间的差值见表4。

表4 不同浓度胶结料浆在充填管道中的输送特性参数

基于胶结料浆输送阻力PZ和输送动力PD之间的差值，可以判定料浆在管道中能否自流输送。若PZ-PD为负值，说明料浆在管道中的垂直压差高于输送阻力，料浆在管道中可以实现自流输送；反之，料浆无法实现自流输送。对比计算结果可知，在充填管道内径和料浆流速不变的情况下，胶结料浆输送动力随其浓度的增大略有增加，但其输送阻力随浓度的增加显著增大。当胶结料浆浓度为70 %时，料浆在管道中的输送阻力高于其输送动力，料浆不能自流输送至采场。采用相同的计算方法，亦可判定不同浓度胶结料浆能否在其他采场实现自流输送。