基于高浓度细粒级尾砂超声波活化的稳态放砂技术试验研究

姜培根 白腾飞 蔚登峰 张爱平 王玉亮

摘要：尾砂浓密是矿山充填工艺的重要环节，其主要借助砂仓来实现。然而在应用过程中，砂仓底部极易出现尾砂积料板结、挂壁的问题。为改善尾砂流动性，实现稳态放砂，提高矿山充填能力，开展了超声波作用下高浓度细尾砂料浆的流变特性、浓密均匀性及放砂稳定性的试验研究，研究结果有助于指导矿山应用。

关键词：超声波活化;细粒级尾砂;高浓度;稳态放砂;流变特性；浓密

中图分类号：TD853.34文章编号：1001-1277（2023）04-0010-03

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230403

引 言

尾砂高浓度充填是实现矿山安全、绿色、经济开采的一项重要举措，符合当前国家倡导的节能减排、保护环境、防治地质灾害等基本政策。高浓度细粒级尾砂膏体充填工艺在黄金矿山企业相继投入正常生产，系统运行整体良好，实现了矿山无尾排放，提高了尾矿资源利用率，无尾矿山建设取得了实质性成果。深锥浓密机作为尾矿浓缩设备，具有大产能、高效率等优点，逐渐被更多国内外矿山采用^［1-2］。

浓密机底部经过浓密压缩后的高浓度细粒级砂浆密实性高、黏度大，风水造浆效果较差，出现了砂仓挂壁、放砂浓度不稳定及流量不均衡现象，为实现高浓度细粒级尾砂稳态放砂，提高尾砂的流变性能，开展此次超声波半工业活化试验研究。

国内外科研机构、高等院校在尾矿活化技术方面开展了初步的试验研究，尤其在超声波对高浓度尾砂流变性影响方面的试验研究，DU等^［3］报道了28 kHz超声波与机械耙在尾矿脱水中的作用，结果表明超声波能有效提高料浆底流浓度。RUIZ-HERNANDO等^［4］為提高二次污泥的脱水效果，研究了超声波、热处理和氢氧化钠化学处理的效果，以及处理后污泥的流变特性和脱水性能，试验结果表明超声波能有效提高污泥的固含量，并且污泥的黏度和触变性能得到改善。

为了进一步提高浓密机底流稳态放砂技术，本次试验探究超声波对不同浓度浓密机底流流变性能的影响。依据这些研究成果开展了半工业应用试验研究。

1 稳态放砂试验

1.1 试验原料

稳态放砂试验所需尾砂取自某金矿压滤细尾砂。将隔膜压滤机排出的含水率20%左右的尾砂进行脱水，分析压滤细尾砂的粒级组成。粒级组成采用马尔文激光粒度分析仪（MS3000）进行分析，分析结果如图1所示。

压滤细尾砂3次分析结果平均粒级组成如表1所示。

根据GB/T 4472—2011 《化工产品密度、相对密度的测定》的要求，测得压滤细尾砂真密度为2.58 g/cm³。

1.2 试验装置及试验方法

试验采用自制实验室浓密机系统，该系统包含超声波系统（如图2所示）和浓密机模型2个部分（如图3所示）。

试验步骤如下：①按照设计组装试验室浓密机系统。②制备所需压滤尾砂料浆，并用搅拌机对压滤尾砂料浆进行充分搅拌，得到均质料浆（浓度65%、70%、72%）。③将均质料浆泵送到浓密机模型，开启超声波发生器（振动频率24 kHz，振动功率0～400 W）。④试验过程中通过底部放砂孔取500 mL底流并编号，然后进行流变试验，测试其屈服应力及黏度。

2 超声波对底流流变性能影响

2.1 底流流变性能测试结果

料浆流变参数的测定选用美国Brookfield RST-SST流变仪（如图4所示），转子为四叶桨式，直径为20 mm，高度为40 mm。基于现场料浆输送工况，采用以下测试步骤：整个测试时间为200 s，分为恒定剪切段和下降段，其中，恒定剪切段为100 s内剪切速率100 s^-1恒定剪切，每秒取1个数据点；下降段100 s内剪切速率由100 s^-1线性递减至0，每秒取1个数据点。流变参数测试路径见图5。为消除管壁滑移的影响，转子上下边界、侧边界距离测试容器边界的距离大于ASTM D4648/D4648M—2016 《对饱和细粒粘性土壤进行实验室十字板剪切试验的方法》标准中规定的尺寸要求。采用Bingham模型对下降段流变曲线进行拟合，从而获取料浆的流变参数，即屈服应力和黏度。

试验结果如表2所示。从表2可以看出：通过超声波活化，料浆的屈服应力变化并不明显，而料浆的黏度呈下降趋势。其中，在浓度70%，活化时间15 min时，料浆的黏度变化值最大。

2.2 超声波影响流变性能机理分析

尾砂浓密效果主要由料浆的微结构决定。尾砂颗粒由于双电层交叠斥力与范德华力交互作用，使得颗粒之间相互黏结形成小尺寸絮团。小尺寸絮团与尾砂颗粒及小尺寸絮团之间相互黏结，形成大尺寸絮团，甚至形成絮团结构^［5］。絮团结构中存在大量的封闭性水团，所以大尺寸的絮团往往流变性能较差。絮团结构变化示意图如图6所示。

超声能够改善料浆流变性能的机理可以归结为：超声造成的空化通过高频高压使得絮团结构中大尺寸絮团破裂，网状结构的完整性遭到破坏，分裂成为小尺寸絮团。而且颗粒与颗粒之间、絮团与颗粒之间及絮团与絮团之间通过超声作用，重新形成更为复杂的连接方式，间隙减少，原网状结构的大尺寸絮团中固定的间隙水得到释放，并且新形成的小尺寸絮团之间或与尾砂颗粒之间形成的新水膜重新组合。絮团结构中大尺寸絮团破裂、小尺寸絮团形成及新形成的水膜重新组合使得料浆的流变性得到有效改善。

3 结 论

1）超声作用对于尾砂料浆的流变性能具有促进作用，通过超声处理的尾砂料浆的流变性能得到了有效提高。

2）超声能够改善料浆流变性能，其作用机理为：超声造成的空化使得絮团结构中大尺寸絮团破裂，分裂成为小尺寸絮团，然后这些颗粒和絮团等在超声的作用下，重新形成更为复杂的连接方式，形成的新水膜重新组合。絮团结构中大尺寸絮团破裂、小尺寸絮团形成及新形成的水膜重新组合使得料浆的流变性得到有效改善。

［参 考 文 献］

［1］ 李辉，王洪江，吴爱祥，等.基于尾砂沉降与流变特性的深锥浓密机压耙分析［J］.北京科技大学学报，2013，35（12）：1 553-1 558.

［2］ 勾金玲，赵福刚.高效深锥浓密机在梅山选厂的应用［J］.矿业快报，2007，23（3）：70-72.

［3］ DU J H，MCLOUGHLIN R，SMART R S.Improvingthickener bed density by ultrasonic treatment［J］.International Journal of Mineral Processing，2014，133：91-96.

［4］ RUIZ-HERNANDO M，MARTINEZ-ELORZA G，LABANDA J，et al.Dewaterability of sewage sludge byultrasonic，thermal and chemical treatments［J］.Chemical Engineering Journal，2013，230（16）：102-110.

［5］ 楊宫印，崔鹏艳，陈玉明.絮凝剂对溢流超细尾砂沉降特性影响的试验研究［J］.黄金，2019，40（11）：31-35.

Experimental study on steady tailings discharge technology based

on ultrasonic activation of high-concentration fine tailings

Jiang Peigen^1，2，Bai Tengfei^1，2，Yu Dengfeng^1，2，Zhang Aiping^1，2，Wang Yuliang^1，2

（1.Shandong Gold Mining （Linglong）Co.，Ltd.;

2.Filling Engineering Laboratory Branch of Shandong Gold Mining Technology Co.，Ltd.）

Abstract：Thickening of tailings slurry is an important part of the mine backfilling process and is mainly realized by sand bin.However，compaction and sticking of tailing deposits are likely to occur in the application.To improve the fluidity of tailings，achieve steady tailings discharge，and improve the mine backfilling capacity，the rheological properties，thickening uniformity，and tailings discharge stability of high-concentration fine tailings slurry under ultrasonic activation were studied.The results help guide the mine application.

Keywords：ultrasonic activation;fine tailings;high concentration;steady tailings discharge;rheological characteristics;thickening