大屯锡矿立式砂仓最佳进料参数研究

陈 涛，乔登攀，刘燕辉，王 俊

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南锡业股份有限公司 大屯锡矿，云南 个旧 661000)

随着国家对环境保护的日益重视，尾砂充填技术被越来越多的矿山采用[1]。尾砂的快速浓密脱水是尾砂充填的重要环节。选厂排放的尾砂浓度低，为保证充填质量，必须对选厂尾砂进行浓密脱水到一定浓度后才能用于充填料浆制备[2]。

立式砂仓是典型的重力固液分离浓缩设备，其处理能力决定了砂仓的工作效率，制约着充填系统充填能力。相同进料浓度下，砂仓的处理能力与尾砂沉降速度呈正相关[3]，提高尾砂沉降速度，是增大砂仓处理能力的关键。相关研究表明，沉降速度与进料浓度、尾砂粒径组成有关[4-7]。选矿技术的不断发展，让尾砂呈细粒化发展趋势[8]，对于细粒径尾砂，用立式砂仓重力沉降的方式，沉降速度慢，固体通量小[9-10]，无法快速获得底流产品，导致砂仓处理能力不足。一些学者通过改变沉降方式来提升沉降速度，如磁化处理[11]、添加絮凝剂、超声处理[12]等。其中，添加絮凝剂的方式操作方便，能有效提高全尾砂沉降速度，在控制进料浓度和添加合适的絮凝剂条件下，其沉降速度可达自然沉降速度的近30倍，在矿山尾砂浓缩中应用广泛[13-14]。在尾砂浓密脱水中，控制进料参数和选择合适的沉降方式是保证砂仓处理能力的前提。

大屯锡矿因采矿生产需求及缓解尾矿库库容，计划建设一套充填制备系统，其尾砂浓密设备拟选用立式砂仓。沉降方式及进料参数是快速获得浓缩产品的基础，本文拟通过对大屯锡矿尾砂沉降速度、固体通量等特性分析，以满足设备最大处理能力为前提条件，为沉降方式及进料参数的设计提供设计依据。

1 尾砂自然沉降特性

1.1 自然沉降试验方案

1)试验原料

试验原料选用大屯锡矿全尾砂，其物理力学参数和粒径组成见表1、表2。

表1 大屯锡矿尾砂物理力学参数

表2 大屯锡矿全尾砂粒径组成

2)试验方案

大屯锡矿尾砂自然沉降试验方案如表3所示，沉降容积500 mL，高度250 mm，共进行10次试验。

表3 大屯锡矿尾砂自然沉降方案

试验过程中采用录像的方式记录尾砂沉降过程(图1)。尾砂沉降完成后，采用等时间间隔的方式读取固液分离界面高度并绘制图表。

图1 尾砂沉降过程Fig.1 Tailings settling process

1.2 尾砂自然沉降速度

根据尾砂沉降试验中固液分离界面高度随时间变化的统计数据，绘制料浆沉降曲线如图2所示。

图2 大屯锡矿尾砂沉降曲线Fig.2 Settlement curves of Datun tin mine tailings

由图2可知，尾砂沉降曲线由三段线组成，分别对应自由沉降直线段、压缩过渡(沉降转压缩)曲线段以及压缩浓密直线段。

尾砂沉降速度指尾砂颗粒在水中自由沉降的平均速度。因此，截取沉降曲线中自由沉降直线段，对其进行拟合，拟合所得函数斜率即为尾砂沉降速度(图3)。

图3 大屯锡矿尾砂自由沉降直线段拟合结果Fig.3 Fitting curves of straight line free settlement of Datun tin mine tailings

根据拟合结果，读取尾砂沉降速度，并绘制尾砂沉降速度与浓度之间的关系曲线，如图4所示。

图4 大屯锡矿尾砂沉降速度分布曲线Fig.4 Settlement velocity distribution curve of tailings in Datun tin mine

由图4分析结果可知，尾砂沉降速度随浓度的增大而减小，且减小速率随浓度的增大而减小，表明当全尾砂料浆浓度超过某一值时，其沉降速度逐渐趋于稳定。

1.3 尾砂沉降固体通量

固体通量是指单位时间内通过单位面积的固体质量。尾砂固体通量是立式砂仓的关键运行控制指标，反映了立式砂仓单位面积的理论处理能力。固体通量按式(1)计算。

φ=ρvCV

(1)

式中：φ—尾砂固体通量，kg/(m2·s)；ρ—尾砂密度，kg/m3；v—尾砂沉降速度，m/s；CV—尾砂料浆体积浓度，%。

大屯锡矿尾砂固体通量计算结果见表4。

表4 大屯锡矿尾砂沉降固体通量

由表4绘制固体通量与尾砂浓度关系曲线如图5所示。

图5 固体通量与尾砂浓度分布曲线Fig.5 Distribution curve of solid flux and tailings concentration

由图5可知，全浓度范围内尾砂固体通量存在最大值，该值对应的料浆浓度即为制备系统的最佳进料浓度。根据上述分析可知，大屯锡矿全尾砂料浆自然沉降最佳进料体积浓度为9.88%(质量浓度25%)，固体通量0.051 8 kg/(m2·s)。该固体通量严重偏小，会导致立式砂仓装砂时间过长，不满足尾砂快速沉降获得底流产品的要求。因此，必须考虑改变尾砂沉降手段，实现尾砂快速沉降。

2 尾砂絮凝沉降特性

2.1 尾砂絮凝沉降试验方案

絮凝剂选用大屯锡矿选厂浓密池常用的聚丙烯酰胺(型号：RT491)，絮凝沉降试验如表5所示。

表5 絮凝沉降试验方案

2.2 尾砂絮凝沉降速度

尾砂絮凝沉降速度分析方法如前所述，分析结果如图6所示。

图6 尾砂絮凝沉降速度Fig.6 Settlement velocity of tailings flocculation

由图6可知，相同浓度条件下，尾砂料浆中添加聚丙烯酰胺(型号：RT491)絮凝剂可有效改善尾砂沉降效果，提高尾砂沉降速度，且沉降速度随絮凝剂的添量的增大而增大；絮凝剂添量一定的情况下，尾砂沉降速度随浓度的增大而减小。

2.3 尾砂絮凝沉降固体通量

通过尾砂沉降速度可由(1)式计算出固体通量，绘制各絮凝剂添量下固体通量与浓度关系曲线如图7。

图7 固体通量与浓度分布曲线Fig.7 Distribution curves of solid flux and concentration

由图7可知，相同浓度条件下，尾砂固体通量随絮凝剂的添量增大而增大，其根本原因在于絮凝剂的添加有助于尾砂快速沉降。

3 立式砂仓最佳进料参数

3.1 立式砂仓最大处理能力

立式砂仓的最大处理能力决定了立式砂仓的工作效率、充填系统设置以及充填系统充填能力等。对上述确定的最大固体通量，结合设备结构尺寸(大屯立式砂仓直径9 m)可计算立式砂仓最大理论处理能力，按式(2)计算。

(2)

式中：M—立式砂仓处理能力，t/h；φ—尾砂固体通量，kg/(m2·s)；s—立式砂仓水平面面积，m2；t—单位时间，3 600 s。

3.2 最佳进料流量

立式砂仓实际装砂过程中，其处理能力由进料浓度以及进料流量共同决定。前述确定尾砂最佳进料浓度、最大固体通量以及立式砂仓最大处理能力，可计算最佳进料流量。计算进料流量，按式(3)计算：

(3)

式中：Q—立式砂仓进料流量，m3/h；M—立式砂仓处理能力，t/h；ρ—尾砂密度，t/m3；CV—立式砂仓尾砂料浆进料浓度，%。

由式(2)和(3)计算立式砂仓不同絮凝剂添加量尾砂沉降最大处理能力以及最佳进料流量如表6所示。

表6 立式砂仓不同絮凝剂添量理论最大处理能力及最佳进料流量

根据上述的分析结果可知，自然沉降条件下，大屯锡矿立式砂仓控制进料体积浓度为9.88%(质量浓度25%)，进料流量为39.43 m3/h，设备处理能力最大仅为11.86 t/h；絮凝沉降条件下，絮凝剂添加量为20 g/t，控制砂仓进料质量浓度为25%(体积浓度为9.88%)，进料流量448.14 m3/h，设备处理能力最大为134.67 t/h。相较于自然沉降，添加絮凝剂能极大提高立式砂仓处理能力，提高幅度达2.85～11.37倍。

4 结论

1)通过对大屯锡矿尾砂自然沉降的沉降特性分析可知，采用自然沉降方式，尾砂沉降速度较慢，固体通量及立式砂仓处理能力较小，无法快速获得底流产品，不能满足矿山充填需求。

2)聚丙烯酰胺(型号：RT491)絮凝剂能极大地提高大屯锡矿尾砂沉降速度、固体通量及立式砂仓处理能力，絮凝剂添加量10～20 g/t条件下，立式砂仓处理能力是自然沉降的2.85～11.37倍，推荐采用絮凝沉降处理尾砂。

3)絮凝沉降条件下，大屯锡矿直径9 m的立式砂仓最优进料参数为：絮凝剂添加量20 g/t，进料体积浓度9.88%(质量浓度25%)，进料流量448.14 m3/h，立式砂仓最大处理能力可达134.67 t/h。