工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 超细全尾砂深维动态絮凝浓密试验 王洪江王小林张玺吴爱祥田志刚杜向红 Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings WANG Hong-jiang.WANG Xiao-lin.ZHANG Xi.WU Ai-xiang.TIAN Zhi-gang.DU Xiang-hong 引用本文： 王洪江，王小林.张玺，吴爱祥，田志刚，杜向红.超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验.工程科学学报，2022,44(2外：163-169. doi10.13374j.issn2095-9389.2020.11.05.005 WANG Hong-jiang.WANG Xiao-lin,ZHANG Xi,WU Ai-xiang,TIAN Zhi-gang.DU Xiang-hong.Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings[J].Chinese Journal of Engineering,2022,44(2):163-169.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.11.05.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.11.05.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 Analysis of thickening performance of unclassified tailings in rakeless deep cone thickener 工程科学学报.2019,41(1)：60htps/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.006 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism 工程科学学报.2018.40(2：152 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.02.004 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry 工程科学学报.2021,43(10：1276htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.08.01.002 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation 工程科学学报.2019,41(8：981htps:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.003 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length 工程科学学报.2020,42(8)：980htps:/oi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.10.29.004 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic 工程科学学报.2017,399：1313 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.003
超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 王洪江 王小林 张玺 吴爱祥 田志刚 杜向红 Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings WANG Hong-jiang, WANG Xiao-lin, ZHANG Xi, WU Ai-xiang, TIAN Zhi-gang, DU Xiang-hong 引用本文: 王洪江, 王小林, 张玺, 吴爱祥, 田志刚, 杜向红. 超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验[J]. 工程科学学报, 2022, 44(2): 163-169. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005 WANG Hong-jiang, WANG Xiao-lin, ZHANG Xi, WU Ai-xiang, TIAN Zhi-gang, DU Xiang-hong. Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings[J]. Chinese Journal of Engineering, 2022, 44(2): 163-169. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.11.05.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 Analysis of thickening performance of unclassified tailings in rakeless deep cone thickener 工程科学学报. 2019, 41(1): 60 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.006 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism 工程科学学报. 2018, 40(2): 152 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.004 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry 工程科学学报. 2021, 43(10): 1276 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.01.002 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation 工程科学学报. 2019, 41(8): 981 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.003 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length 工程科学学报. 2020, 42(8): 980 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic 工程科学学报. 2017, 39(9): 1313 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.003
工程科学学报.第44卷，第2期：163-169.2022年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.2:163-169,February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005;http://cje.ustb.edu.cn 超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 王洪江12，王小林2四，张玺2)区，吴爱祥2)，田志刚)，杜向红) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000833)深圳市中金龄南有 色金属股份有限公司，韶关512000 ☒通信作者，王小林，E-mail:18706841567@163.com,张玺，E-mail:544484377@qq.com 摘要为探明超细全尾砂的浓密特性，开展量筒沉降实验，小型和半工业深锥动态浓密试验，结果表明，分子量1200万的 非离子型絮凝剂最利于尾砂沉降，随絮凝剂单耗增加，溢流浊度降低，底流浓度基本不变.随固体通量增加，溢流浊度增加， 底流浓度降低.固体通量0.4tm2h,给料固体质量分数12%.絮凝剂单耗50gt的最佳参数条件下，小型和半工业动态浓 密试验的底流平均固体质量分数分别为62.8%和74.4%.泥层高度对底流浓度影响显著.深锥浓密机底流固体质量分数随泥 层高度增加呈DoseResp函数增长，分为缓慢增长（泥层1~4m)、快速增长（泥层4~7m)和基本稳定（泥层超过7~8m)3个 阶段，这跟尾砂絮团在不同泥层高度下的压缩性能有关.可根据底流浓度与泥层高度的函数关系，调节泥层高度来满足井下 充填所需底流浓度 关键词超细全尾砂：絮凝沉降：沉降速度：动态浓密：底流浓度：泥层高度 分类号TD853 Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings WANG Hong-jiang 2,WANG Xiao-lin2,ZHANGXi2,WU Ai-xiang 2,TIAN Zhi-gang,DU Xiang-hong 1)School of Civil and Resource Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited,Shaoguan 512000,China Corresponding author,WANG Xiao-lin,E-mail:18706841567@163.com;ZHANG Xi,E-mail:544484377@qq.com ABSTRACT In the future,the output of ultrafine full tailings will explode due to the massive mining of low-grade deposits and demand for the recovery of useful minerals.The best way to dispose of ultrafine full tailings is to prepare them into the paste for filling underground voids or surface stacking.The deep cone thickening of ultrafine full tailings is a key link of tailings paste disposal technology.In the thickening process of ultrafine full tailings,slow sedimentation velocity,high dosage of flocculant,excessive overflow turbidity,and low underflow concentration are the bottlenecks that restrict the application of disposal technology for ultrafine full tailings paste.To investigate the thickening characteristics of ultrafine full tailings,the sedimentation test in measuring cylinder,the small-scale and semi-industrial deep cone dynamic thickening tests were carried out.Results show that the nonionic flocculant with a molecular weight of 12 million is most beneficial for the settlement of the tailings.With increasing flocculant dosage,the turbidity of overflow decreases and underflow concentration remains unchanged.Upon increasing the solid flux,the turbidity of overflow increases and underflow concentration decreases.In particular,when the solid flux is 0.4 tm2h,the feeding solid mass fraction is 12%, flocculant dosage is 50 g-t,and average solid mass fraction of the underflow of the small-scale and semi-industrial dynamic thickening test is 62.8%and 74.4%,respectively.Mud height has a significant influence on the underflow concentration.The solid mass fraction of 收稿日期：2020-11-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51834001)
超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 王洪江1,2)，王小林1,2) 苣，张 玺1,2) 苣，吴爱祥1,2)，田志刚3)，杜向红3) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 深圳市中金岭南有 色金属股份有限公司，韶关 512000 苣通信作者， 王小林，E-mail: 18706841567@163.com; 张玺，E-mail: 544484377@qq.com 摘 要 为探明超细全尾砂的浓密特性，开展量筒沉降实验，小型和半工业深锥动态浓密试验. 结果表明，分子量 1200 万的 非离子型絮凝剂最利于尾砂沉降，随絮凝剂单耗增加，溢流浊度降低，底流浓度基本不变. 随固体通量增加，溢流浊度增加， 底流浓度降低. 固体通量 0.4 t·m−2·h−1，给料固体质量分数 12%，絮凝剂单耗 50 g·t−1 的最佳参数条件下，小型和半工业动态浓 密试验的底流平均固体质量分数分别为 62.8% 和 74.4%，泥层高度对底流浓度影响显著. 深锥浓密机底流固体质量分数随泥 层高度增加呈 DoseResp 函数增长，分为缓慢增长（泥层 1～4 m）、快速增长（泥层 4～7 m）和基本稳定（泥层超过 7～8 m）3 个 阶段，这跟尾砂絮团在不同泥层高度下的压缩性能有关. 可根据底流浓度与泥层高度的函数关系，调节泥层高度来满足井下 充填所需底流浓度. 关键词 超细全尾砂；絮凝沉降；沉降速度；动态浓密；底流浓度；泥层高度 分类号 TD853 Deep cone dynamic flocculation thickening of ultrafine full tailings WANG Hong-jiang1,2) ，WANG Xiao-lin1,2) 苣 ，ZHANG Xi1,2) 苣 ，WU Ai-xiang1,2) ，TIAN Zhi-gang3) ，DU Xiang-hong3) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited, Shaoguan 512000, China 苣 Corresponding author, WANG Xiao-lin, E-mail: 18706841567@163.com; ZHANG Xi, E-mail: 544484377@qq.com ABSTRACT In the future, the output of ultrafine full tailings will explode due to the massive mining of low-grade deposits and demand for the recovery of useful minerals. The best way to dispose of ultrafine full tailings is to prepare them into the paste for filling underground voids or surface stacking. The deep cone thickening of ultrafine full tailings is a key link of tailings paste disposal technology. In the thickening process of ultrafine full tailings, slow sedimentation velocity, high dosage of flocculant, excessive overflow turbidity, and low underflow concentration are the bottlenecks that restrict the application of disposal technology for ultrafine full tailings paste. To investigate the thickening characteristics of ultrafine full tailings, the sedimentation test in measuring cylinder, the small-scale and semi-industrial deep cone dynamic thickening tests were carried out. Results show that the nonionic flocculant with a molecular weight of 12 million is most beneficial for the settlement of the tailings. With increasing flocculant dosage, the turbidity of overflow decreases and underflow concentration remains unchanged. Upon increasing the solid flux, the turbidity of overflow increases and underflow concentration decreases. In particular, when the solid flux is 0.4 t·m−2·h−1, the feeding solid mass fraction is 12%, flocculant dosage is 50 g·t−1, and average solid mass fraction of the underflow of the small-scale and semi-industrial dynamic thickening test is 62.8% and 74.4%, respectively. Mud height has a significant influence on the underflow concentration. The solid mass fraction of 收稿日期: 2020−11−05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51834001） 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期：163−169，2022 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 2: 163−169, February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005; http://cje.ustb.edu.cn
164 工程科学学报，第44卷.第2期 the underflow of the deep cone thickener increases with the increasing mud height,and this process conforms to the DoseResp function. This growth process can be divided into three stages:(1)slow growth(mud height 1-4 m),(2)rapid growth(mud height 4-7 m),and (3) basic stable(mud height over 7-8 m).This is related to the compression performance of the tailings flocs at different mud heights. According to the function relation between the underflow concentration and mud height,the mud height can be adjusted to meet the required underflow concentration for underground backfilling. KEY WORDS ultrafine full tailings;flocculation and sedimentation;settling velocity;dynamic thickening;underflow concentration mud height 矿业是国民经济的支柱产业，对我国经济发 文对该铅锌矿超细全尾砂的浓密特性进行研究， 展的作用不可替代.然而，矿山开采的同时产生大 供矿山决策参考.首先通过控制变量的量筒沉降 量的尾砂，造成严重的安全和环境问题山据统 实验初步确定絮凝剂类型和型号、给料浓度、絮 计，我国尾砂堆存量高达146亿吨，年排放量超过 凝剂单耗等参数，然后在此基础上进行均匀实验 15亿吨.随着我国低品位矿石的不断开发，矿石 设计，开展小型动态浓密实验进行参数验证，最后 越磨越细，尾砂特别是超细尾砂的产量将呈增长 以最佳絮凝浓密参数进行半工业深锥动态浓密试 态势]全尾砂制成的膏体具有不沉淀、不离析和 验，探索泥层高度对底流浓度的影响规律和相互 不脱水的优异特性，用于井下充填或地表堆存是 响应机制，为工业深锥浓密机底流浓度预测提供 尾砂绿色安全处置的主流趋势.而尾砂浓密则是 依据 尾砂膏体处置技术的第一个关键环节5-，深锥浓 密机加絮凝剂-！的工艺具有流程简单、底流浓度 1实验 高和浓缩效率较高的优点，是目前国内外尾砂浓 1.1实验材料 密的主流工艺9-0 实验材料主要为超细全尾砂和絮凝剂.全尾 与粗尾砂相比，超细尾砂浓密面临沉降速度 砂取自某铅锌矿选矿厂，密度为3104kgm3.采用 慢、絮凝剂单耗高、溢流浊度超标和底流浓度不 LMS-30型激光粒度分析仪对全尾砂的粒级分布 达标等问题-)，成为制约超细尾砂膏体绿色处 进行测试，结果如图1所示 置技术应用的瓶颈.为此，许多学者针对超细尾砂 的浓密特性展开了研究.史秀志等，李立涛等] 100 通过量筒沉降实验对超细尾砂浓密的给料浓度、 絮凝剂类型、絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度等参 80 数进行了优化.高维鸿等7、周旭等和吴爱祥 等网通过小型连续动态浓密实验，发现泥层高度 40 对底流浓度影响显著，并建立了根据泥层高度预 测底流浓度的数学模型.此外，一些学者还在小型 浓密装置的基础上，借助超声波叨、磁化助凝剂) 0 搅拌剪切20和浓密增效剂等手段来提高底流浓 10-1 10a 101 102 10 度.但量筒和小型浓密装置泥层高度有限，不能模 Particle size/um 拟深锥浓密机的高泥层压力，对超细尾砂絮团的 图1全尾砂粒度分布曲线 Fig.1 Particle size distribution of full tailings 压缩作用有限，实验结果很可能无法真实反映超 细尾砂的浓密特性. 根据图1，全尾砂中-20m所占比例为55.4%， 某铅锌矿目前将超细全尾砂分级后，粗砂用 -37um所占比例为76.1%，-74m所占比例为 于井下充填，溢流尾砂排入尾矿库.由于环保原 92.8%,加权平均粒径为25.8m,属于超细尾砂叫 因，尾矿库将于2025年强制关闭，尾砂处置有两 计算得到不均匀系数为7.20，曲率系数为0.89，不 种技术思路：一是将全尾砂经深锥浓密后制成膏 同时满足不均系数大于5且曲率系数在1~32， 体用于井下充填；二是利用现有生产设施，将分级 因此该矿山全尾砂的级配不良 尾砂经陶瓷过滤机二次浓缩后进入搅拌系统，溢 实验所用絮凝剂为阴离子、阳离子和非离子 流尾砂经深锥浓密机处理后再进入搅拌系统.本 3种类型
the underflow of the deep cone thickener increases with the increasing mud height, and this process conforms to the DoseResp function. This growth process can be divided into three stages: (1) slow growth (mud height 1–4 m), (2) rapid growth (mud height 4–7 m), and (3) basic stable (mud height over 7 –8 m). This is related to the compression performance of the tailings flocs at different mud heights. According to the function relation between the underflow concentration and mud height, the mud height can be adjusted to meet the required underflow concentration for underground backfilling. KEY WORDS ultrafine full tailings；flocculation and sedimentation；settling velocity；dynamic thickening；underflow concentration； mud height 矿业是国民经济的支柱产业，对我国经济发 展的作用不可替代. 然而，矿山开采的同时产生大 量的尾砂，造成严重的安全和环境问题[1] . 据统 计，我国尾砂堆存量高达 146 亿吨，年排放量超过 15 亿吨[2] . 随着我国低品位矿石的不断开发，矿石 越磨越细，尾砂特别是超细尾砂的产量将呈增长 态势[3] . 全尾砂制成的膏体具有不沉淀、不离析和 不脱水的优异特性[4] ，用于井下充填或地表堆存是 尾砂绿色安全处置的主流趋势. 而尾砂浓密则是 尾砂膏体处置技术的第一个关键环节[5−6] ，深锥浓 密机加絮凝剂[7−8] 的工艺具有流程简单、底流浓度 高和浓缩效率较高的优点，是目前国内外尾砂浓 密的主流工艺[9−10] . 与粗尾砂相比，超细尾砂浓密面临沉降速度 慢、絮凝剂单耗高、溢流浊度超标和底流浓度不 达标等问题[11−15] ，成为制约超细尾砂膏体绿色处 置技术应用的瓶颈. 为此，许多学者针对超细尾砂 的浓密特性展开了研究. 史秀志等[16] ，李立涛等[13] 通过量筒沉降实验对超细尾砂浓密的给料浓度、 絮凝剂类型、絮凝剂单耗和絮凝剂溶液浓度等参 数进行了优化. 高维鸿等[17]、周旭等[18] 和吴爱祥 等[9] 通过小型连续动态浓密实验，发现泥层高度 对底流浓度影响显著，并建立了根据泥层高度预 测底流浓度的数学模型. 此外，一些学者还在小型 浓密装置的基础上，借助超声波[19]、磁化助凝剂[12]、 搅拌剪切[20]和浓密增效剂[5] 等手段来提高底流浓 度. 但量筒和小型浓密装置泥层高度有限，不能模 拟深锥浓密机的高泥层压力，对超细尾砂絮团的 压缩作用有限，实验结果很可能无法真实反映超 细尾砂的浓密特性. 某铅锌矿目前将超细全尾砂分级后，粗砂用 于井下充填，溢流尾砂排入尾矿库. 由于环保原 因，尾矿库将于 2025 年强制关闭，尾砂处置有两 种技术思路：一是将全尾砂经深锥浓密后制成膏 体用于井下充填；二是利用现有生产设施，将分级 尾砂经陶瓷过滤机二次浓缩后进入搅拌系统，溢 流尾砂经深锥浓密机处理后再进入搅拌系统. 本 文对该铅锌矿超细全尾砂的浓密特性进行研究， 供矿山决策参考. 首先通过控制变量的量筒沉降 实验初步确定絮凝剂类型和型号、给料浓度、絮 凝剂单耗等参数，然后在此基础上进行均匀实验 设计，开展小型动态浓密实验进行参数验证，最后 以最佳絮凝浓密参数进行半工业深锥动态浓密试 验，探索泥层高度对底流浓度的影响规律和相互 响应机制，为工业深锥浓密机底流浓度预测提供 依据. 1 实验 1.1 实验材料 实验材料主要为超细全尾砂和絮凝剂. 全尾 砂取自某铅锌矿选矿厂，密度为 3104 kg·m−3 . 采用 LMS-30 型激光粒度分析仪对全尾砂的粒级分布 进行测试，结果如图 1 所示. 10−1 100 101 102 103 0 20 40 60 80 100 Cumulative volume/ % Particle size/μm 图 1 全尾砂粒度分布曲线 Fig.1 Particle size distribution of full tailings 根据图 1，全尾砂中−20 μm 所占比例为 55.4%， −37 μm 所占比例 为 76.1%， −74 μm 所占比例 为 92.8%，加权平均粒径为 25.8 μm，属于超细尾砂[11] . 计算得到不均匀系数为 7.20，曲率系数为 0.89，不 同时满足不均系数大于 5 且曲率系数在 1～3 [21] ， 因此该矿山全尾砂的级配不良. 实验所用絮凝剂为阴离子、阳离子和非离子 3 种类型. · 164 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
王洪江等：超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 165 1.2实验设备 浓密试验，耙架转速为5rmin,泥层高度达到8m 主要实验设备有贴有坐标纸的500mL量筒、 后，设置底流排放量大于入料量，使泥层高度逐渐 小型动态浓密装置和半工业深锥浓密装置.如 减低，探索底流浓度随泥层高度的变化规律 图2(a)所示，小型动态浓密装置主体为透明沉降 1.3.4评价指标 柱，柱体直径0.18m,高度1m,絮凝剂溶液和尾砂 尾砂絮凝浓密效果的常用评价指标有沉降速 浆通过蠕动泵精确注入柱体上方并混合，电机驱 度、底流浓度和溢流浊度在量筒沉降实验确定 动耙架对料浆进行剪切导水，通过柱体下方放料 絮凝剂类型、型号和单耗时，主要考查尾砂沉降速 口排料，实现动态浓密 度.给料浓度低时利于尾砂沉降，但处理等量尾砂 (a) (b) 需要更大的浓密机面积，而沉降速度反映不出浓 密机的处理能力.因此用浓密机单位面积在单位 时间内处理干尾砂的质量，即固体通量来综合反 映给料浓度和沉降速度的影响 Gs=PsCvv2×60x10-6 (1) 式中，Gs为固体通量，tm2h;p为尾砂密度， kgm;Cv为给料固体体积分数，%；v为尾砂沉降 速度，mm:min 图2实验装置.(a)小型动态浓密装置：(b)半工业深锥浓密装置 在小型动态浓密实验和半工业深锥动态浓密 Fig.2 Experimental facility:(a)small-scale dynamic thickener,(b)semi- industrial deep cone thickener 试验时，考查底流浓度和溢流浊度 如图2(b).半工业深锥浓密装置柱体内径1m. 2实验结果及分析 锥体高度1m,直筒段高度9m,内部设有给料井和 2.1量筒沉降实验结果及分析 耙架，采用外部清水将选厂提供的高浓度尾砂浆 采用分子量相同的阴离子、阳离子和非离子 稀释至最佳给料浓度，可模拟工业浓密机的动态 浓密过程和高泥层压力.浓密机柱体侧壁上安装 絮凝剂进行量筒沉降实验，得到固液分界面高度 与沉降时间的关系曲线，如图3所示 有爬梯和透明观察窗供观测泥层高度 1.3实验设计 250 A-Anionic flocculant 1.3.1量筒沉降实验 ■一Cationic flocculant Non-ionic flocculant 采用控制变量法逐一确定絮凝剂类型和型 200 -Without flocculant 号、给料浓度和絮凝剂单耗（以干尾砂质量为基 150 准).固定入料固体质量分数为15%（选厂给料浓 度)、絮凝剂单耗为30gt(絮凝剂溶液质量分数 100 0.02%),采用分子量相同的阴离子、阳离子和非离 子絮凝剂进行量筒沉降实验，确定絮凝剂类型：改 nbIl-PlloS 50 变絮凝剂分子量，确定絮凝剂型号.最后依次进行 10 20 不同给料固体质量分数(4%~16%.梯度4%)和不 30 Settling time/min 同絮凝剂单耗(10~110gt,梯度20gt)的量筒 图3不同类型絮凝剂作用下的尾砂沉降高度曲线 沉降实验 Fig.3 Settlement height curve of tailings under the action of different 1.3.2小型动态浓密实验 types of flocculants 以量筒沉降实验结果为基准上下浮动，采用 由图3可知，加入絮凝剂后，固液分界面高度 均匀设计2四方法，开展小型动态浓密验证实验，确 与沉降时间的关系曲线可分为3个阶段.AB段沉 定最佳絮凝浓密参数.为不搅起压缩层尾砂，耙架 降曲线为下行直线，沉降速度相等，对应自由沉降 转速为3rmin.根据沉降柱高度，泥层高度达到 区.BC段沉降曲线往下凹，沉降速度不断降低，对 650mm后进行连续进排料 应干涉沉降区.CD段沉降曲线几乎为水平直线， 1.3.3半工业深锥动态浓密试验 沉降速度基本为零，对应压密区.而不加絮凝剂 采用最佳絮凝浓密参数进行半工业深锥动态 时，沉降曲线为下行直线，一直处于自由沉降阶
1.2 实验设备 主要实验设备有贴有坐标纸的 500 mL 量筒、 小型动态浓密装置和半工业深锥浓密装置. 如 图 2（a）所示，小型动态浓密装置主体为透明沉降 柱，柱体直径 0.18 m，高度 1 m，絮凝剂溶液和尾砂 浆通过蠕动泵精确注入柱体上方并混合，电机驱 动耙架对料浆进行剪切导水，通过柱体下方放料 口排料，实现动态浓密. (a) (b) 图 2 实验装置. （a）小型动态浓密装置；（b）半工业深锥浓密装置 Fig.2 Experimental facility: (a) small-scale dynamic thickener; (b) semiindustrial deep cone thickener 如图 2（b），半工业深锥浓密装置柱体内径 1 m， 锥体高度 1 m，直筒段高度 9 m，内部设有给料井和 耙架，采用外部清水将选厂提供的高浓度尾砂浆 稀释至最佳给料浓度，可模拟工业浓密机的动态 浓密过程和高泥层压力. 浓密机柱体侧壁上安装 有爬梯和透明观察窗供观测泥层高度. 1.3 实验设计 1.3.1 量筒沉降实验 采用控制变量法逐一确定絮凝剂类型和型 号、给料浓度和絮凝剂单耗（以干尾砂质量为基 准）. 固定入料固体质量分数为 15%（选厂给料浓 度）、絮凝剂单耗为 30 g·t−1（絮凝剂溶液质量分数 0.02%），采用分子量相同的阴离子、阳离子和非离 子絮凝剂进行量筒沉降实验，确定絮凝剂类型；改 变絮凝剂分子量，确定絮凝剂型号. 最后依次进行 不同给料固体质量分数（4%～16%，梯度 4%）和不 同絮凝剂单耗（10～110 g·t−1，梯度 20 g·t−1）的量筒 沉降实验. 1.3.2 小型动态浓密实验 以量筒沉降实验结果为基准上下浮动，采用 均匀设计[22] 方法，开展小型动态浓密验证实验，确 定最佳絮凝浓密参数. 为不搅起压缩层尾砂，耙架 转速为 3 r·min−1 . 根据沉降柱高度，泥层高度达到 650 mm 后进行连续进排料. 1.3.3 半工业深锥动态浓密试验 采用最佳絮凝浓密参数进行半工业深锥动态 浓密试验，耙架转速为 5 r·min−1，泥层高度达到 8 m 后，设置底流排放量大于入料量，使泥层高度逐渐 减低，探索底流浓度随泥层高度的变化规律. 1.3.4 评价指标 尾砂絮凝浓密效果的常用评价指标有沉降速 度、底流浓度和溢流浊度[14] . 在量筒沉降实验确定 絮凝剂类型、型号和单耗时，主要考查尾砂沉降速 度. 给料浓度低时利于尾砂沉降，但处理等量尾砂 需要更大的浓密机面积，而沉降速度反映不出浓 密机的处理能力. 因此用浓密机单位面积在单位 时间内处理干尾砂的质量，即固体通量来综合反 映给料浓度和沉降速度的影响. Gs = ρsCVv×60×10−6 （1） Gs ρs CV v 式中 ， 为固体通量 ， t·m−2·h−1 ； 为尾砂密度 ， kg·m−3 ； 为给料固体体积分数，%； 为尾砂沉降 速度，mm·min−1 . 在小型动态浓密实验和半工业深锥动态浓密 试验时，考查底流浓度和溢流浊度. 2 实验结果及分析 2.1 量筒沉降实验结果及分析 采用分子量相同的阴离子、阳离子和非离子 絮凝剂进行量筒沉降实验，得到固液分界面高度 与沉降时间的关系曲线，如图 3 所示. 0 10 20 30 0 50 100 150 200 250 D C B Solid-liquid interface height/mm Settling time/min Anionic flocculant Cationic flocculant Non-ionic flocculant Without flocculant A 图 3 不同类型絮凝剂作用下的尾砂沉降高度曲线 Fig.3 Settlement height curve of tailings under the action of different types of flocculants 由图 3 可知，加入絮凝剂后，固液分界面高度 与沉降时间的关系曲线可分为 3 个阶段. AB 段沉 降曲线为下行直线，沉降速度相等，对应自由沉降 区. BC 段沉降曲线往下凹，沉降速度不断降低，对 应干涉沉降区. CD 段沉降曲线几乎为水平直线， 沉降速度基本为零，对应压密区. 而不加絮凝剂 时，沉降曲线为下行直线，一直处于自由沉降阶 王洪江等： 超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 · 165 ·
166 工程科学学报，第44卷.第2期 段.分析发现，3条沉降曲线在前2min的数据最 增大，不利于管道输送.因此，初步确定絮凝剂 接近直线关系，拟合优度2均为0.99，得到加入阴 单耗为30~50gt 离子、阳离子和非离子絮凝剂后尾砂的沉降速度 1I0 分别为54.8、55.6和55.6 mmmin,远高于无絮凝 100 剂时的4.5 mm:min.非离子型絮凝剂最终固液分 90 界面高度最低，尾砂絮团压缩更紧密，可以认为非 离子型絮凝剂效果最佳，与相关研究结果一致6， 这可能跟该铅锌矿的选矿工艺和尾砂性质有关. 70 采用FA4000(分子量800万)、N1134S(分子 量900万)、AS02(分子量1000万)和781-8-25（分 50 子量1200万)4种非离子型絮凝剂进行量筒沉降 40 实验，沉降速度分别为32、76、36和82 mm:min 0 20 406080100120 可见，并非絮凝剂的分子量越高尾砂沉降速度越 Flocculant dosage/(g-t) 大，781-8-25型絮凝剂效果最佳，以此进行后续 图5尾砂沉降速度与絮凝剂单耗关系 实验 Fig.5 Relationship between the settling velocity of tailings and flocculant dosage 固体通量与给料固体质量分数的关系如图4 所示，可见随着给料浓度增大，固体通量先升高后 2.2小型动态浓密实验结果及分析 下降.确定给料固体质量分数为12%，此时固体通 为进一步验证量筒沉降实验结果，固定给料 量取得最大值0.373tm2.h- 固体质量分数为12%，以固体通量和絮凝剂单耗 作为变量，进行小型动态浓密实验，实验方案和结 0.40 果如表1. 表1小型动态浓密实验方案和结果 至035 Table I Small-scale dynamic thickening:experiment scheme and results Solid flux Flocculant Average turbidity of Average solid mass (tm2.h-) dosage/ fraction of (gt) overflow/10 underflow/% 0 0.2 40 69.2 61.0 0.3 60 40.7 61.0 0.4 30 184.5 60.5 0.25 12 16 0.5 50 77.3 59.5 Feeding solid mass fraction/% 图4固体通量与给料固体质量分数关系 小型动态浓密实验得到的泥层高度与底流浓 Fig.4 Relationship between the solid flux and feeding solid mass 度数据没有明显规律，因此表1中底流浓度取实 fraction 验结果的平均值.分析其原因，可能是超细尾砂在 尾砂沉降速度与絮凝剂单耗关系如图5所示 压密区的絮团比较松散，同时泥层高度太低，泥层 由图5可知，絮凝剂单耗从10提高到30gt时， 压力对下部尾砂絮团的的压缩排水作用不明显 沉降速度由42.5提高到93.8 mm'min,增幅120.7%； 根据表1回归得到溢流浊度（悬浮物质量与溢 絮凝剂单耗从30提高到50gt时，沉降速度由 流水质量之比)和底流固体质量分数的回归方程， 93.8提高到100 mm:min,增幅6.6%；絮凝剂单耗 如式(2)和式(3)所示，拟合优度2均为0.99 超过50gt后，沉降速度基本无变化.这是因为 絮凝剂含量较低时，部分尾砂没有与絮凝剂发生 y1=(-0.00666+0.00225x+6.41×10-6x☑)-1(2) 架桥作用，沉降速度慢；当絮凝剂含量适中时，尾 y2=0.61-0.258x1+0.0000217x32 (3) 砂全部与絮凝剂发生架桥作用，沉降速度快：当絮 式中：1为溢流浊度，10：2为底流固体质量分 凝剂含量过多时，絮凝剂游离在液相中或覆盖在 数，%；x1为固体通量，tm2h；2为絮凝剂单耗， 尾砂表面，不再发生架桥作用，因此沉降速度不再 gt.根据式(2)和式(3)可知，随着固体通量的增 增加]絮凝剂单耗过大，还会导致底流屈服应力 加，溢流水浊度增加，底流浓度减小：随着絮凝剂
段. 分析发现，3 条沉降曲线在前 2 min 的数据最 接近直线关系，拟合优度 R 2 均为 0.99，得到加入阴 离子、阳离子和非离子絮凝剂后尾砂的沉降速度 分别为 54.8、55.6 和 55.6 mm·min−1，远高于无絮凝 剂时的 4.5 mm·min−1 . 非离子型絮凝剂最终固液分 界面高度最低，尾砂絮团压缩更紧密，可以认为非 离子型絮凝剂效果最佳，与相关研究结果一致[16] ， 这可能跟该铅锌矿的选矿工艺和尾砂性质有关. 采用 FA4000（分子量 800 万）、N1134S（分子 量 900 万）、AS02（分子量 1000 万）和 781-8-25（分 子量 1200 万）4 种非离子型絮凝剂进行量筒沉降 实验，沉降速度分别为 32、76、36 和 82 mm·min−1 . 可见，并非絮凝剂的分子量越高尾砂沉降速度越 大 ， 781-8-25 型絮凝剂效果最佳，以此进行后续 实验. 固体通量与给料固体质量分数的关系如图 4 所示，可见随着给料浓度增大，固体通量先升高后 下降. 确定给料固体质量分数为 12%，此时固体通 量取得最大值 0.373 t·m−2·h−1 . 4 8 12 16 0.25 0.30 0.35 0.40 Solid flux/(t·m−2·h−1) Feeding solid mass fraction/% 图 4 固体通量与给料固体质量分数关系 Fig.4 Relationship between the solid flux and feeding solid mass fraction 尾砂沉降速度与絮凝剂单耗关系如图 5 所示. 由图 5 可知，絮凝剂单耗从 10 提高到 30 g·t−1 时 ， 沉降速度由 42.5 提高到 93.8 mm·min−1，增幅 120.7%； 絮凝剂单耗从 30 提高到 50 g·t−1 时，沉降速度由 93.8 提高到 100 mm·min−1，增幅 6.6%；絮凝剂单耗 超过 50 g·t−1 后，沉降速度基本无变化. 这是因为 絮凝剂含量较低时，部分尾砂没有与絮凝剂发生 架桥作用，沉降速度慢；当絮凝剂含量适中时，尾 砂全部与絮凝剂发生架桥作用，沉降速度快；当絮 凝剂含量过多时，絮凝剂游离在液相中或覆盖在 尾砂表面，不再发生架桥作用，因此沉降速度不再 增加[23] . 絮凝剂单耗过大，还会导致底流屈服应力 增大[5] ，不利于管道输送. 因此，初步确定絮凝剂 单耗为 30～50 g·t−1 . 0 20 40 60 80 100 120 40 50 60 70 80 90 100 110 Settling velocity/(mm·min−1 ) Flocculant dosage/(g·t−1) 图 5 尾砂沉降速度与絮凝剂单耗关系 Fig.5 Relationship between the settling velocity of tailings and flocculant dosage 2.2 小型动态浓密实验结果及分析 为进一步验证量筒沉降实验结果，固定给料 固体质量分数为 12%，以固体通量和絮凝剂单耗 作为变量，进行小型动态浓密实验，实验方案和结 果如表 1. 表 1 小型动态浓密实验方案和结果 Table 1 Small-scale dynamic thickening: experiment scheme and results Solid flux / (t·m−2·h−1) Flocculant dosage / (g·t−1) Average turbidity of overflow/10−6 Average solid mass fraction of underflow /% 0.2 40 69.2 61.0 0.3 60 40.7 61.0 0.4 30 184.5 60.5 0.5 50 77.3 59.5 小型动态浓密实验得到的泥层高度与底流浓 度数据没有明显规律，因此表 1 中底流浓度取实 验结果的平均值. 分析其原因，可能是超细尾砂在 压密区的絮团比较松散，同时泥层高度太低，泥层 压力对下部尾砂絮团的的压缩排水作用不明显. 根据表 1 回归得到溢流浊度（悬浮物质量与溢 流水质量之比）和底流固体质量分数的回归方程， 如式（2）和式（3）所示，拟合优度 R 2 均为 0.99. y1 = (−0.00666+0.00225x −1 1 +6.41×10−6 x 2 2 ) −1 （2） y2 = 0.61−0.258x 4 1 +0.0000217x2 （3） 式中：y1 为溢流浊度，10−6 ；y2 为底流固体质量分 数 ，%；x1 为固体通量，t·m−2·h−1 ；x2 为絮凝剂单耗， g·t−1 . 根据式（2）和式（3）可知，随着固体通量的增 加，溢流水浊度增加，底流浓度减小；随着絮凝剂 · 166 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
王洪江等：超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 167 单耗的增大，溢流浊度降低，底流浓度基本不变 其实用价值在于，可以通过调节泥层高度来达到 这与相关研究结果一致4 井下充填所需要的底流浓度. 由表1可知，固体通量0.4tm2h、絮凝剂单耗 30gt时，溢流浊度为184.5×106，超过矿山100×106 3底流浓度与泥层高度响应机制分析 的要求.利用式(2)计算得到固体通量0.4tm2.h、 入料固体质量分数12%、固体通量0.4tm2h、 絮凝剂单耗40gt时的溢流浊度为108.5×106，仍 絮凝剂单耗50gt的最佳絮凝浓密参数条件下， 然超标.结合前期静态沉降实验，确定絮凝剂单耗 小型和半工业深锥动态浓密试验所得底流固体质 为50gt 量分数均值分别为62.8%和74.4%.两者差异显 以入料固体质量分数12%、固体通量0.4tm2h-1、 著，直接使用小型动态浓密实验结果进行深锥浓 絮凝剂单耗50gt再次进行小型动态浓密实验， 密机结构参数设计会导致较大的误差.浓密机底 溢流水浊度为70.1×106，平均底流固体质量分数 部尾砂絮团浓度的提高一方面靠耙架的剪切导水 为62.8%，与式(2)和式(3)预测值的偏差分别为 作用24-]，另一方面靠上部泥层的压缩作用9,1 5.1%和3.7% 由于小型和半工业深锥动态浓密试验中絮凝浓密 23半工业深锥动态浓密试验结果及分析 参数相同，且都已充分发挥耙架的剪切导水作用 以入料固体质量分数12%、固体通量0.4tm2-h-1、 (以不搅起压缩层尾砂为限)，因此泥层高度是导 絮凝剂单耗50gt进行半工业深锥动态浓密试 致小型和半工业深锥动态浓密试验底流浓度差异 验，溢流浊度全部在100×106以下，平均32.4×106. 显著的主要因素 底流质量浓度在71%~79%之间，平均74.4%.浓 絮凝剂通过架桥作用2]使尾砂颗粒形成絮 密机底流浓度与泥层高度的关系如图6所示. 团，沉降到浓密机底部形成由絮团、絮团内包裹水 79 和絮团间包裹水组成的压密区.随着泥层高度的 8 增加，浓密机底部尾砂絮团受到的泥层压缩应力 Fitting curve 7 也不断增大，尾砂絮团之间的水被挤出并通过耙 =70.9+7.71+100-5475.355- 架剪切形成的导水通道排走.根据颗粒挤密理论2， 尾砂絮团也逐渐由排列松散的简单立体结构变为 74 排列紧密的锥体结构，宏观上表现为底流浓度提高 3 在泥层高度较低时，泥层的压缩应力与絮团 所受浮力的差值较小，絮团以简单立体结构（图7） ■ ■ 存在，该结构的孔隙比高达0.91，絮团之间的包裹 70 1 水对上部压缩应力也起到一定的缓冲作用，因此 2 3456 7 Mud height/m 随着泥层高度的增加，底流浓度处于缓慢增长阶 图6深锥浓密机底流固体质量分数与泥层高度关系 段，对应于图6中泥层高度1~4m.这与前期研究 Fig.6 Relationship between the solid mass fraction of underflow and 结果27一致 mud height in the deep cone thickener 如图6所示，可将底流浓度随泥层高度的变化 (a (b) 分为缓慢增长阶段（泥层高度1~4m)、快速增长 阶段（泥层高度4~7m)和基本稳定阶段（泥层高 度大于7~8m) 采用多种函数关系对图6中底流固体质量分 数y(%)与泥层高度x(m)数据进行拟合，底流浓度 图7尾砂絮团的简单立体结构.(a)平面图：(b)侧面图 随泥层高度增加呈DoseResp函数增长，拟合优度 Fig.7 Simple three-dimensional structure of tailings flocs:(a)plan;(b) side R2为0.992，拟合公式如下 7.7 泥层高度处于较高水平时，尾砂絮团之间的 y=70.9+ 1+100.5476.355-0 (4) 接触应力迅速提高，絮团间包裹水被快速排出，絮 式(4)为最佳絮凝浓密参数条件下的工业浓 团由简单立方体排列向紧密的锥体结构（图8）转 密机底流固体质量分数与泥层高度的函数关系， 换，因此随泥层高度的增加，底流浓度处于快速增
单耗的增大，溢流浊度降低，底流浓度基本不变. 这与相关研究结果一致[14] . 由表 1 可知，固体通量 0.4 t·m−2·h−1、絮凝剂单耗 30 g·t−1 时，溢流浊度为 184.5×10−6，超过矿山 100×10−6 的要求. 利用式（2）计算得到固体通量 0.4 t·m−2·h−1、 絮凝剂单耗 40 g·t−1 时的溢流浊度为 108.5×10−6，仍 然超标. 结合前期静态沉降实验，确定絮凝剂单耗 为 50 g·t−1 . 以入料固体质量分数12%、固体通量0.4 t·m−2·h−1、 絮凝剂单耗 50 g·t−1 再次进行小型动态浓密实验， 溢流水浊度为 70.1×10−6，平均底流固体质量分数 为 62.8%，与式（2）和式（3）预测值的偏差分别为 5.1% 和 3.7%. 2.3 半工业深锥动态浓密试验结果及分析 以入料固体质量分数12%、固体通量0.4 t·m−2·h−1、 絮凝剂单耗 50 g·t−1 进行半工业深锥动态浓密试 验，溢流浊度全部在 100×10−6 以下，平均 32.4×10−6 . 底流质量浓度在 71%～79% 之间，平均 74.4%. 浓 密机底流浓度与泥层高度的关系如图 6 所示. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 Fitting curve Solid mass fraction of underflow/ % Mud height/m y=70.9+7.7/(1+100.547(5.355−x) ) 图 6 深锥浓密机底流固体质量分数与泥层高度关系 Fig.6 Relationship between the solid mass fraction of underflow and mud height in the deep cone thickener 如图 6 所示，可将底流浓度随泥层高度的变化 分为缓慢增长阶段（泥层高度 1～4 m）、快速增长 阶段（泥层高度 4～7 m）和基本稳定阶段（泥层高 度大于 7～8 m）. 采用多种函数关系对图 6 中底流固体质量分 数 y（%）与泥层高度 x（m）数据进行拟合，底流浓度 随泥层高度增加呈 DoseResp 函数增长，拟合优度 R 2 为 0.992，拟合公式如下. y = 70.9+ 7.7 1+100.547(5.355−x) （4） 式（4）为最佳絮凝浓密参数条件下的工业浓 密机底流固体质量分数与泥层高度的函数关系， 其实用价值在于，可以通过调节泥层高度来达到 井下充填所需要的底流浓度. 3 底流浓度与泥层高度响应机制分析 入料固体质量分数 12%、固体通量 0.4 t·m−2·h−1、 絮凝剂单耗 50 g·t−1 的最佳絮凝浓密参数条件下， 小型和半工业深锥动态浓密试验所得底流固体质 量分数均值分别为 62.8% 和 74.4%，两者差异显 著，直接使用小型动态浓密实验结果进行深锥浓 密机结构参数设计会导致较大的误差. 浓密机底 部尾砂絮团浓度的提高一方面靠耙架的剪切导水 作用[24−25] ，另一方面靠上部泥层的压缩作用[9,18] . 由于小型和半工业深锥动态浓密试验中絮凝浓密 参数相同，且都已充分发挥耙架的剪切导水作用 （以不搅起压缩层尾砂为限），因此泥层高度是导 致小型和半工业深锥动态浓密试验底流浓度差异 显著的主要因素. 絮凝剂通过架桥作用[23] 使尾砂颗粒形成絮 团，沉降到浓密机底部形成由絮团、絮团内包裹水 和絮团间包裹水组成的压密区. 随着泥层高度的 增加，浓密机底部尾砂絮团受到的泥层压缩应力 也不断增大，尾砂絮团之间的水被挤出并通过耙 架剪切形成的导水通道排走. 根据颗粒挤密理论[26] ， 尾砂絮团也逐渐由排列松散的简单立体结构变为 排列紧密的锥体结构，宏观上表现为底流浓度提高. 在泥层高度较低时，泥层的压缩应力与絮团 所受浮力的差值较小，絮团以简单立体结构（图 7） 存在，该结构的孔隙比高达 0.91，絮团之间的包裹 水对上部压缩应力也起到一定的缓冲作用，因此 随着泥层高度的增加，底流浓度处于缓慢增长阶 段，对应于图 6 中泥层高度 1～4 m. 这与前期研究 结果[27] 一致. (a) (b) 2R 2R 2R 2R 图 7 尾砂絮团的简单立体结构. （a）平面图；（b）侧面图 Fig.7 Simple three-dimensional structure of tailings flocs: (a) plan; (b) side 泥层高度处于较高水平时，尾砂絮团之间的 接触应力迅速提高，絮团间包裹水被快速排出，絮 团由简单立方体排列向紧密的锥体结构（图 8）转 换，因此随泥层高度的增加，底流浓度处于快速增 王洪江等： 超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 · 167 ·
168 工程科学学报，第44卷.第2期 长阶段，对应于图6中泥层高度4~7m.这与相关 层1~4m)、快速增长（泥层4~7m)和基本稳定 研究结果一致 (泥层超过7~8m)3个阶段，这跟尾砂絮团在不 同泥层高度下的压缩性能有关.可根据底流浓度 (a) (b) 与泥层高度的函数关系，调节泥层高度来满足井 下充填所需底流浓度 参考文献 [1]Hou H Z,Li C P,Wang S Y,et al.Settling velocity variation of 图8尾砂絮团的锥体结构.(a)平面图：(b)侧面图 mud layer and particle settling characteristics in thickening of Fig.8 Pyramidal structure of tailings flocs:(a)plan;(b)side tailings.J Central South Univ Sci Technol,2019,50(6):1428 (侯贺子，李翠平，王少勇，等.尾矿浓密中泥层沉降速度变化及 随着泥层高度继续增加，虽然浓密机底部尾 颗粒沉降特性.中南大学学报（自然科学版），2019,50(6：1428) 砂絮团所受压缩应力继续增加，但絮团间包裹水 令 Wang K,Yang P,Hudsonedwards K,et al.Status and 已基本全部排出，尾砂絮团已完全形成紧密的锥 development for the prevention and management of tailings dam 体结构，该结构的孔隙比仅为035.此时，泥层高 failure accidents.Chin J Eng,2018,40(5):526 度增加但底流浓度的增长越来越平缓，底流浓度 (王昆，杨鹏，Karen Hudson-Edwards,等.尾矿库遗坝灾害防控 处于基本稳定阶段，对应于图6中泥层高度大于 现状及发展.工程科学学报，2018,40(5)：526) [3] 7~8m.这与前期研究结果)一致 Ruan Z E,Li C P,Zhong Y.Development progress and trend of whole-tailings particles'migration behavior during preparation of 定义絮团总体积与絮团排列结构总体积的比 whole-tailings paste.Met Mine,2014(12):13 值为絮团排列结构的密实度，则简单立体结构的 (阮竹恩，李翠平，钟媛.全尾膏体制备过程中尾矿颗粒运移行 密实度为零锥体结构的密实度为V点，简单立体 为研究进展与趋势.金属矿山，2014(12)：13) [4] 结构与锥体结构密实度的理论比值为0.707.泥层 Wu A X,Yang Y,Cheng H Y,et al.Status and prospects of paste technology in China.Chin J Eng,2018,40(5):517 高度1~4对应的絮团简单立体结构的底流固体 (吴爱祥，杨莹，程海勇，等.中国膏体技术发展现状与趋势.工 质量分数均值为71.3%（固体体积分数44.46%），泥 程科学学报，2018,40(5)：517) 层高度7~8对应的絮团锥体结构的底流固体质 [5] Zhou Q,Liu J H,Wu A X,et al.Effect and mechanism of 量分数均值为78%（固体体积分数53.32%）.计算 synergist on tailings slurry thickening performance.ChinJEng. 得到简单立体结构与锥体结构密实度的实际比值 2019,41(11):1405 为0.835，与理论比值的偏差为18.0%，表明颗粒挤 (周茜，刘娟红，吴爱样，等.浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的 影响及机理.工程科学学报，2019,41(11)：1405) 密理论分析本文实验结果具有较高的可靠度 [6]Tan C K,Setiawan R,Bao J,et al.Studies on parameter estimation 4结论 and model predictive control of paste thickeners.J Process Control,2015,28:1 (1)分子量1200万的非离子型絮凝剂效果最 [7]Li G C,Wang H J,Jiao H Z,et al.Physical simulation of 佳，最佳固体通量为0.4tm2h,最佳给料固体质 dewaterability law of unclassified tailings in steady state thickener. 量分数为12%，最佳絮凝剂单耗为50g Chin J Nonferrous Met,2019,29(3):649 (2)随絮凝剂单耗的增大，溢流浊度降低，底 (李公成，王洪江，焦华枯，等.稳态浓密机全尾砂脱水规律物理 模拟.中国有色金属学报，2019,29(3)：649) 流浓度基本保持不变.随固体通量的增加，溢流浊 [8]Ruan Z E,Wu A X,Wang J D.et al.Flocculation and settling 度增加，底流浓度减小 behavior of unclassified tailings based on measurement of floc (3)最佳絮凝浓密参数条件下，小型动态浓密 chord length.ChinJEng,2020,42():980 实验所得底流固体质量分数均值为62.8%，半工业 (阮竹恩，吴爱祥，王建栋，等.基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝 深锥动态浓密试验所得底流固体质量分数均值为 沉降行为.工程科学学报，2020,42(8)：980) 74.4%.直接使用小型动态浓密实验结果进行深锥 [9]Wu A X,Yang Y,Wang Y M,et al.Mathematical modelling of 浓密机结构参数设计会导致较大的误差，实际应 underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism.Chin Eng,2018,40(2): 用时必须考虑泥层高度对底流浓度的显著影响 152 (4)深锥浓密机底流固体质量分数随泥层高 (吴爱祥，杨莹，王贻明，等.深锥浓密机底流浓度模型及动态压 度增加呈DoseResp函数增长，分为缓慢增长（泥 密机理分析.工程科学学报，2018,40(2)：152)
长阶段，对应于图 6 中泥层高度 4～7 m. 这与相关 研究结果一致[18] . (a) (b) 2R 2R √￣2R √￣2R 图 8 尾砂絮团的锥体结构. （a）平面图；（b）侧面图 Fig.8 Pyramidal structure of tailings flocs: (a) plan; (b) side 随着泥层高度继续增加，虽然浓密机底部尾 砂絮团所受压缩应力继续增加，但絮团间包裹水 已基本全部排出，尾砂絮团已完全形成紧密的锥 体结构，该结构的孔隙比仅为 0.35. 此时，泥层高 度增加但底流浓度的增长越来越平缓，底流浓度 处于基本稳定阶段，对应于图 6 中泥层高度大于 7～8 m. 这与前期研究结果[17] 一致. π 6 π 6 √ 2 定义絮团总体积与絮团排列结构总体积的比 值为絮团排列结构的密实度，则简单立体结构的 密实度为 ，锥体结构的密实度为 ，简单立体 结构与锥体结构密实度的理论比值为 0.707. 泥层 高度 1～4 m 对应的絮团简单立体结构的底流固体 质量分数均值为 71.3%（固体体积分数 44.46%），泥 层高度 7～8 m 对应的絮团锥体结构的底流固体质 量分数均值为 78%（固体体积分数 53.32%）. 计算 得到简单立体结构与锥体结构密实度的实际比值 为 0.835，与理论比值的偏差为 18.0%，表明颗粒挤 密理论分析本文实验结果具有较高的可靠度. 4 结论 （1）分子量 1200 万的非离子型絮凝剂效果最 佳，最佳固体通量为 0.4 t·m−2·h−1，最佳给料固体质 量分数为 12%，最佳絮凝剂单耗为 50 g·t−1 . （2）随絮凝剂单耗的增大，溢流浊度降低，底 流浓度基本保持不变. 随固体通量的增加，溢流浊 度增加，底流浓度减小. （3）最佳絮凝浓密参数条件下，小型动态浓密 实验所得底流固体质量分数均值为 62.8%，半工业 深锥动态浓密试验所得底流固体质量分数均值为 74.4%. 直接使用小型动态浓密实验结果进行深锥 浓密机结构参数设计会导致较大的误差，实际应 用时必须考虑泥层高度对底流浓度的显著影响. （4）深锥浓密机底流固体质量分数随泥层高 度增加呈 DoseResp 函数增长，分为缓慢增长（泥 层 1～4 m）、快速增长（泥层 4～7 m）和基本稳定 （泥层超过 7～8 m）3 个阶段，这跟尾砂絮团在不 同泥层高度下的压缩性能有关. 可根据底流浓度 与泥层高度的函数关系，调节泥层高度来满足井 下充填所需底流浓度. 参 考 文 献 Hou H Z, Li C P, Wang S Y, et al. Settling velocity variation of mud layer and particle settling characteristics in thickening of tailings. J Central South Univ Sci Technol, 2019, 50（6）: 1428 （侯贺子, 李翠平, 王少勇, 等. 尾矿浓密中泥层沉降速度变化及 颗粒沉降特性. 中南大学学报 (自然科学版), 2019, 50（6）：1428） [1] Wang K, Yang P, Hudsonedwards K, et al. Status and development for the prevention and management of tailings dam failure accidents. Chin J Eng, 2018, 40（5）: 526 （王昆, 杨鹏, Karen Hudson-Edwards, 等. 尾矿库溃坝灾害防控 现状及发展. 工程科学学报, 2018, 40（5）：526） [2] Ruan Z E, Li C P, Zhong Y. Development progress and trend of whole-tailings particles ’ migration behavior during preparation of whole-tailings paste. Met Mine, 2014（12）: 13 （阮竹恩, 李翠平, 钟媛. 全尾膏体制备过程中尾矿颗粒运移行 为研究进展与趋势. 金属矿山, 2014（12）：13） [3] Wu A X, Yang Y, Cheng H Y, et al. Status and prospects of paste technology in China. Chin J Eng, 2018, 40（5）: 517 （吴爱祥, 杨莹, 程海勇, 等. 中国膏体技术发展现状与趋势. 工 程科学学报, 2018, 40（5）：517） [4] Zhou Q, Liu J H, Wu A X, et al. Effect and mechanism of synergist on tailings slurry thickening performance. Chin J Eng, 2019, 41（11）: 1405 （周茜, 刘娟红, 吴爱祥, 等. 浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的 影响及机理. 工程科学学报, 2019, 41（11）：1405） [5] Tan C K, Setiawan R, Bao J, et al. Studies on parameter estimation and model predictive control of paste thickeners. J Process Control, 2015, 28: 1 [6] Li G C, Wang H J, Jiao H Z, et al. Physical simulation of dewaterability law of unclassified tailings in steady state thickener. Chin J Nonferrous Met, 2019, 29（3）: 649 （李公成, 王洪江, 焦华喆, 等. 稳态浓密机全尾砂脱水规律物理 模拟. 中国有色金属学报, 2019, 29（3）：649） [7] Ruan Z E, Wu A X, Wang J D, et al. Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length. Chin J Eng, 2020, 42（8）: 980 （阮竹恩, 吴爱祥, 王建栋, 等. 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝 沉降行为. 工程科学学报, 2020, 42（8）：980） [8] Wu A X, Yang Y, Wang Y M, et al. Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism. Chin J Eng, 2018, 40（2）: 152 （吴爱祥, 杨莹, 王贻明, 等. 深锥浓密机底流浓度模型及动态压 密机理分析. 工程科学学报, 2018, 40（2）：152） [9] · 168 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
王洪江等：超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 ·169 [10]Yin S H,Shao Y J,Wu A X,et al.A systematic review of paste (周旭，金晓刚，刘培正，等.基于动态浓密试验的深锥浓密机底 technology in metal mines for cleaner production in China.Clean 流浓度预测模型.金属矿山，2017(12)：39) Prod,2020.247:119590 [19]Zhu L Y,Lyu W S,Yang P,et al.Effect of ultrasound on the [11]Wu A X,Ruan Z E,Wang J D,et al.Optimizing the flocculation flocculation-sedimentation and thickening of unclassified tailings. behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation.Chin J Eng Ultrason Sonochemistry,2020,66:104984 2019,41(8):981 [20]Jiao H Z,Wang S F.Yang Y X,et al.Water recovery (吴爱祥，阮竹恩，王建栋，等.基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行 improvement by shearing of gravity-thickened tailings for 为优化.工程科学学报，2019,41(8)：981) cemented paste backfill.J Clean Prod,2020,245:118882 [12]Li S.Wang X M.Zhang Q L.Dynamic experiments on [21]Wu A X,Ai C M,Wang Y M,et al.Test and mechanism analysis flocculation and sedimentation of argillized ultrafine tailings using on improving rheological property of paste with pumping agent.J fly-ash-based magnetic coagulant.Trans Nonferrous Met Soc Central South Univ Sci Technol,2016,47(8):2752 China,2016.26(7):1975 (吴爱样，艾纯明，王贻明，等.泵送剂改善膏体流变性能试验及 [13]Li L T,Yang Z Q,Wang Z H,et al.Experiments on the 机理分析.中南大学学报（自然科学版），2016,47(8)：2752) flocculation and settling characteristics of the slurry with extra-fine [22]He P,Lin G J,Liu M Q,et al.Theory and application of uniform iron total tailings in angang mine.Min Res Dev,2017,37(3):19 designs.Sci Sin Math,2020,50(5):561 (李立涛，杨志强，王忠红，等.鞍钢矿山超细铁矿全尾砂浆絮凝 (贺平，林共进，刘民千，等.均匀设计理论与应用.中国科学数 沉降特性试验.矿业研究与开发，2017,37(3)：19) 学，2020,50(5)：561) [14]Bian J W,Wang X M,Xiao CC.Experimental study on dynamic [23]Qi C C,Fourie A.Cemented paste backfill for mineral tailings flocculating sedimentation of unclassified tailings.Central South management:Review and future perspectives.Miner Eng,2019, Univ Sci Technol,2017,48(12):3278 144:106025 (卞继伟，王新民，肖崇春.全尾砂动态絮凝沉降试验研究.中南 [24]Jiao HZ,Wang S F,Wu A X,et al.Shear evolution and connected 大学学报（自然科学版），2017,48(12)：3278) mechanism of pore structure in thickening bed of paste.Central [15]Li C H,Shi Y Q,Liu P,et al.Analysis of the sedimentation South Univ Sci Technol,2019,50(5):1173 characteristics of ultrafine tailings based on an orthogonal (焦华枯，王树飞，吴爱样，等，膏体浓密床层孔隙结构剪切演化 experiment.Ady Mater Sci Eng,2019,2019:1 与连通机理.中南大学学报（自然科学版），2019,50(5)：1173) [16]Shi X Z,Chen F,Lu E W,et al.Experimental study on [25]Gladman B R,Rudman M,Scales P J.The effect of shear on sedimentation characteristics of ultrafine leach residue after gravity thickening:Pilot scale modelling.Chem Eng Sci,2010, flocculation.Min Metall Eng,2018,38(2):1 65(14):4293 (史秀志，陈飞，卢二伟，等.超细粒级浸出渣絮凝沉降特性试验 [26]Wang H J,Wang Y,Wu A X,et al.Dynamic compaction and 研究.矿冶工程，2018,38(2)：1) static compaction mechanism of fine unclassified tailings.J Univ [17]Gao W H.Wang H J,Chen H,et al.Study on main factors of Sci Technol Beijing,2013,35(5):566 underflow concentration in the dynamics thickening process of (王洪江，王勇，吴爱祥，等.细粒全尾动态压密与静态压密机理 tailings.Met Mine,2016(11):102 北京科技大学学报，2013,35(5)：566) (高维鸿，王洪江，陈辉，等.尾矿动态浓密过程中底流浓度主要 [27]Yang Y,Wu A X,Wang H J,et al.Mechanics model of rake 影响因素研究.金属矿山，2016(11)：102) torque based on sludge height and its mechanism analysis.J [18]Zhou X,Jin X G,Liu P Z,et al.Prediction model for underflow Central South Univ Sci Technol,2019,50(1):165 concentration of deep cone thickener based on dynamic thickening (杨莹，吴爱祥，王洪江，等.基于泥层高度的粑架扭矩力学模型 experimentation.Met Mine,2017(12):39 及机理分析.中南大学学报（自然科学版），2019,50(1)：165)
Yin S H, Shao Y J, Wu A X, et al. A systematic review of paste technology in metal mines for cleaner production in China. J Clean Prod, 2020, 247: 119590 [10] Wu A X, Ruan Z E, Wang J D, et al. Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation. Chin J Eng, 2019, 41（8）: 981 （吴爱祥, 阮竹恩, 王建栋, 等. 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行 为优化. 工程科学学报, 2019, 41（8）：981） [11] Li S, Wang X M, Zhang Q L. Dynamic experiments on flocculation and sedimentation of argillized ultrafine tailings using fly-ash-based magnetic coagulant. Trans Nonferrous Met Soc China, 2016, 26（7）: 1975 [12] Li L T, Yang Z Q, Wang Z H, et al. Experiments on the flocculation and settling characteristics of the slurry with extra-fine iron total tailings in angang mine. Min Res Dev, 2017, 37（3）: 19 （李立涛, 杨志强, 王忠红, 等. 鞍钢矿山超细铁矿全尾砂浆絮凝 沉降特性试验. 矿业研究与开发, 2017, 37（3）：19） [13] Bian J W, Wang X M, Xiao C C. Experimental study on dynamic flocculating sedimentation of unclassified tailings. J Central South Univ Sci Technol, 2017, 48（12）: 3278 （卞继伟, 王新民, 肖崇春. 全尾砂动态絮凝沉降试验研究. 中南 大学学报 (自然科学版), 2017, 48（12）：3278） [14] Li C H, Shi Y Q, Liu P, et al. Analysis of the sedimentation characteristics of ultrafine tailings based on an orthogonal experiment. Adv Mater Sci Eng, 2019, 2019: 1 [15] Shi X Z, Chen F, Lu E W, et al. Experimental study on sedimentation characteristics of ultrafine leach residue after flocculation. Min Metall Eng, 2018, 38（2）: 1 （史秀志, 陈飞, 卢二伟, 等. 超细粒级浸出渣絮凝沉降特性试验 研究. 矿冶工程, 2018, 38（2）：1） [16] Gao W H, Wang H J, Chen H, et al. Study on main factors of underflow concentration in the dynamics thickening process of tailings. Met Mine, 2016（11）: 102 （高维鸿, 王洪江, 陈辉, 等. 尾矿动态浓密过程中底流浓度主要 影响因素研究. 金属矿山, 2016（11）：102） [17] Zhou X, Jin X G, Liu P Z, et al. Prediction model for underflow concentration of deep cone thickener based on dynamic thickening experimentation. Met Mine, 2017（12）: 39 [18] （周旭, 金晓刚, 刘培正, 等. 基于动态浓密试验的深锥浓密机底 流浓度预测模型. 金属矿山, 2017（12）：39） Zhu L Y, Lyu W S, Yang P, et al. Effect of ultrasound on the flocculation-sedimentation and thickening of unclassified tailings. Ultrason Sonochemistry, 2020, 66: 104984 [19] Jiao H Z, Wang S F, Yang Y X, et al. Water recovery improvement by shearing of gravity-thickened tailings for cemented paste backfill. J Clean Prod, 2020, 245: 118882 [20] Wu A X, Ai C M, Wang Y M, et al. Test and mechanism analysis on improving rheological property of paste with pumping agent. J Central South Univ Sci Technol, 2016, 47（8）: 2752 （吴爱祥, 艾纯明, 王贻明, 等. 泵送剂改善膏体流变性能试验及 机理分析. 中南大学学报 (自然科学版), 2016, 47（8）：2752） [21] He P, Lin G J, Liu M Q, et al. Theory and application of uniform designs. Sci Sin Math, 2020, 50（5）: 561 （贺平, 林共进, 刘民千, 等. 均匀设计理论与应用. 中国科学:数 学, 2020, 50（5）：561） [22] Qi C C, Fourie A. Cemented paste backfill for mineral tailings management: Review and future perspectives. Miner Eng, 2019, 144: 106025 [23] Jiao H Z, Wang S F, Wu A X, et al. Shear evolution and connected mechanism of pore structure in thickening bed of paste. J Central South Univ Sci Technol, 2019, 50（5）: 1173 （焦华喆, 王树飞, 吴爱祥, 等. 膏体浓密床层孔隙结构剪切演化 与连通机理. 中南大学学报 (自然科学版), 2019, 50（5）：1173） [24] Gladman B R, Rudman M, Scales P J. The effect of shear on gravity thickening: Pilot scale modelling. Chem Eng Sci, 2010, 65（14）: 4293 [25] Wang H J, Wang Y, Wu A X, et al. Dynamic compaction and static compaction mechanism of fine unclassified tailings. J Univ Sci Technol Beijing, 2013, 35（5）: 566 （王洪江, 王勇, 吴爱祥, 等. 细粒全尾动态压密与静态压密机理. 北京科技大学学报, 2013, 35（5）：566） [26] Yang Y, Wu A X, Wang H J, et al. Mechanics model of rake torque based on sludge height and its mechanism analysis. J Central South Univ Sci Technol, 2019, 50（1）: 165 （杨莹, 吴爱祥, 王洪江, 等. 基于泥层高度的耙架扭矩力学模型 及机理分析. 中南大学学报 (自然科学版), 2019, 50（1）：165） [27] 王洪江等： 超细全尾砂深锥动态絮凝浓密试验 · 169 ·
