·1314. 工程科学学报，第39卷，第9期 矿业是国民经济的重要支柱产业之一，为经济 地重组成更紧凑的结构.杨金美等]通过研究指出 建设提供了能源和原材料.随着国家大力倡导绿 超声波与絮凝剂的联用可以降低污泥滤饼含水率，且 色矿山建设和矿业的可持续发展的需求下，要求矿 达到相同滤饼含水率时可减少约80%的絮凝剂使 山尽可能多的回收矿产资源，减少由于采矿引起的 用量. 二次污染及地质灾害，充填采矿技术已经成为未来 鉴于此，创新性的利用超声波一系列性质可以使 发展的趋势[2-].以立式砂仓为代表的尾砂沉降浓 尾砂能够在砂仓中快速浓密，并且实现超声波驱动下 缩设备是现代充填的主要构筑物.在高浓度的充填 砂仓放砂，对于提高立式砂仓充填质量和效率以及降 中，保证进人搅拌环节的砂浆浓度是提高充填质量 低充填成本具有重要意义和工程价值 的重中之重.由于现今矿山生产规模的扩大，充填 1试验材料及装置 量大幅增加，大多需要采用连续充填作业的方式，而 对于连续充填作业，则要求形成快速的固液分离，确 1.1试验材料 保尾砂进入砂仓后，固体尾砂快速沉入仓底，澄清水 本次试验所用尾砂的基本参数有密度、容重、孔隙 从仓顶周边快速溢出.目前加快尾砂沉降浓密的方 率等，测试所得的结果如表1所示 法主要是提供足够的沉降面积和采用絮凝技术以及 表1充填尾砂基本参数 较长的养砂时间5).在沉砂工艺中加入絮凝剂的 Table 1 Basic parameters of tailings 目的主要是提高沉砂速度及沉砂的均匀性，减少分 容重/(g°cm3) 孔隙率/% 密度/(g°cm3) 层离析现象[)，但絮凝剂具有一定的黏性，使细颗粒 1.635 37.60 2.62 尾砂易于附着在砂仓壁上，形成厚层，同时砂仓没有 清泥机构，所以砂仓运行一段时间后，需要定期停车 尾砂的粒级组成是矿山充填工艺选择的重要参考 处理，不利于矿山的连续充填.加入絮凝剂虽然可以 指标，影响着尾矿浓密的脱水效果.因此，选用LMS 在一定程度上加快尾砂浆的沉降速度，但是絮凝剂 30激光粒度分析仪对其粒度分布进行分析，测试的结 使得较小的絮团聚集到一起，产生了絮凝基团，使尾 果如图1所示.从图1中可以看出尾砂的粒径较细， 砂浆浓密的时间有所延长)，而且加入絮凝剂对充 分布比较均匀，小于10.46μm的所占比例64.24%，属 填体的早期强度也有一定影响[] 于超细尾砂 在放砂环节，普遍采用风水联动造浆，采用控压助 同时对尾砂制样，进行了X射线衍射分析，分析 流连续放砂技术，实现长时间稳定放砂[)，但于此同 结果如图2所示.由光学显微镜矿物相分析及X射线 时降低了进入搅拌环节的尾砂浆的浓度，一般矿山放 衍射分析可知，尾砂主要成分有黑云母、斜长石、石英、 砂质量分数只能达到55%~70%之间.为实现高浓度 绿泥石、方解石、拉长石等，除此之外还含有部分黄 充填，要求放砂质量分数达到70%以上，传统的立式 铜矿. 砂仓放砂结构已不能够完全满足工业要求. 1.2试验装置 对于目前矿业快速发展的趋势以及对降低矿业成 1.2.1超声波发生器及换能器（振子）的选取 本的要求，找到一种新型的既经济又快速沉降浓密的 超声波发生器的频率范围为20~45kHz,功率的 方法是十分必要的.由于超声波具有机械效应、空化 变化范围为0~900W,可以通过安装不同数目的换能 作用、热效应、化学效应等，在医学、军事、工业、农业、 器来实现最大功率的转换.本次试验最终所选用的超 化工等领域有广泛的应用，Du等)提出浓密机结合 声波发生器如图3(a)所示.试验所使用超声波频率 超声波处理，合适的超声波能量、合适的作用时间以及 选定为20kHz,超声波换能器单个换能器功率范围为 合适的作用区域对提高最终沉降浓度很有效果，最高 0~100W.如图3(b)所示 可提高11%，同时通过冷冻制样扫描电镜 1.2.2超声浓密砂仓模型 (Cyo-SEM),从微观结构上分析了超声波处理砂浆， 本试验研究日的是施加超声波对尾砂沉降浓密以 颗粒絮体结构的改变.Li等[]提出利用超声波处理 及放砂的影响，砂仓模型需要安装超声波换能器，考虑 可以改变水煤浆的流变特性，降低水煤浆的表观黏度 超声波换能器固有尺寸大小，如果设计成圆柱体，超声 值.Omran等[u]利用超声波处理菱镁矿浮选，可以有 波换能器将不能很好的与模型安装匹配，从而导致从 效降低泡沫尺寸，使泡沫稳定性增加，泡沫吸收时间变 超声波换能器输出的能量不能全部作用在模型及砂浆 长.Guo等提出了超声处理时间对水煤浆黏度的不 上，导致能量的散失，同时超声波换能器的空振容易造 同影响原因.金焱等)在指出功率15~30W的范围 成换能器的损坏.并且为了更清晰的读取沉降高度， 内，可将液相中的微颗粒聚集于声压较小的区域.Cu 减小试验误差，以及更直观的观察试验现象，砂仓模型 等[]利用超声波处理污泥，发现多孔絮凝物可以容易 的一面需采用透明有机玻璃，采用圆柱形砂仓在制作工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 矿业是国民经济的重要支柱产业之一,为经济 建设提供了能源和原材料[1] . 随着国家大力倡导绿 色矿山建设和矿业的可持续发展的需求下,要求矿 山尽可能多的回收矿产资源,减少由于采矿引起的 二次污染及地质灾害,充填采矿技术已经成为未来 发展的趋势[2鄄鄄3] . 以立式砂仓为代表的尾砂沉降浓 缩设备是现代充填的主要构筑物. 在高浓度的充填 中,保证进入搅拌环节的砂浆浓度是提高充填质量 的重中之重[4] . 由于现今矿山生产规模的扩大,充填 量大幅增加,大多需要采用连续充填作业的方式,而 对于连续充填作业,则要求形成快速的固液分离,确 保尾砂进入砂仓后,固体尾砂快速沉入仓底,澄清水 从仓顶周边快速溢出. 目前加快尾砂沉降浓密的方 法主要是提供足够的沉降面积和采用絮凝技术以及 较长的养砂时间[5鄄鄄6] . 在沉砂工艺中加入絮凝剂的 目的主要是提高沉砂速度及沉砂的均匀性,减少分 层离析现象[7] ,但絮凝剂具有一定的黏性,使细颗粒 尾砂易于附着在砂仓壁上,形成厚层,同时砂仓没有 清泥机构,所以砂仓运行一段时间后,需要定期停车 处理,不利于矿山的连续充填. 加入絮凝剂虽然可以 在一定程度上加快尾砂浆的沉降速度,但是絮凝剂 使得较小的絮团聚集到一起,产生了絮凝基团,使尾 砂浆浓密的时间有所延长[8] ,而且加入絮凝剂对充 填体的早期强度也有一定影响[9] . 在放砂环节,普遍采用风水联动造浆,采用控压助 流连续放砂技术,实现长时间稳定放砂[10] ,但于此同 时降低了进入搅拌环节的尾砂浆的浓度,一般矿山放 砂质量分数只能达到 55% ~ 70% 之间. 为实现高浓度 充填,要求放砂质量分数达到 70% 以上,传统的立式 砂仓放砂结构已不能够完全满足工业要求. 对于目前矿业快速发展的趋势以及对降低矿业成 本的要求,找到一种新型的既经济又快速沉降浓密的 方法是十分必要的. 由于超声波具有机械效应、空化 作用、热效应、化学效应等,在医学、军事、工业、农业、 化工等领域有广泛的应用,Du 等[11] 提出浓密机结合 超声波处理,合适的超声波能量、合适的作用时间以及 合适的作用区域对提高最终沉降浓度很有效果,最高 可 提 高 11% , 同 时 通 过 冷 冻 制 样 扫 描 电 镜 (Cryo鄄SEM),从微观结构上分析了超声波处理砂浆, 颗粒絮体结构的改变. Li 等[12] 提出利用超声波处理 可以改变水煤浆的流变特性,降低水煤浆的表观黏度 值. Omran 等[13]利用超声波处理菱镁矿浮选,可以有 效降低泡沫尺寸,使泡沫稳定性增加,泡沫吸收时间变 长. Guo 等[14]提出了超声处理时间对水煤浆黏度的不 同影响原因. 金焱等[15] 在指出功率 15 ~ 30 W 的范围 内,可将液相中的微颗粒聚集于声压较小的区域. Chu 等[16]利用超声波处理污泥,发现多孔絮凝物可以容易 地重组成更紧凑的结构. 杨金美等[17] 通过研究指出 超声波与絮凝剂的联用可以降低污泥滤饼含水率,且 达到相同滤饼含水率时可减少约 80% 的絮凝剂使 用量. 鉴于此,创新性的利用超声波一系列性质可以使 尾砂能够在砂仓中快速浓密,并且实现超声波驱动下 砂仓放砂,对于提高立式砂仓充填质量和效率以及降 低充填成本具有重要意义和工程价值. 1 试验材料及装置 1郾 1 试验材料 本次试验所用尾砂的基本参数有密度、容重、孔隙 率等,测试所得的结果如表 1 所示. 表 1 充填尾砂基本参数 Table 1 Basic parameters of tailings 容重/ (g·cm - 3 ) 孔隙率/ % 密度/ (g·cm - 3 ) 1郾 635 37郾 60 2郾 62 尾砂的粒级组成是矿山充填工艺选择的重要参考 指标,影响着尾矿浓密的脱水效果. 因此,选用 LMS鄄 30 激光粒度分析仪对其粒度分布进行分析,测试的结 果如图 1 所示. 从图 1 中可以看出尾砂的粒径较细, 分布比较均匀,小于 10郾 46 滋m 的所占比例 64郾 24% ,属 于超细尾砂. 同时对尾砂制样,进行了 X 射线衍射分析,分析 结果如图 2 所示. 由光学显微镜矿物相分析及 X 射线 衍射分析可知,尾砂主要成分有黑云母、斜长石、石英、 绿泥石、方解石、拉长石等,除此之外还含有部分黄 铜矿. 1郾 2 试验装置 1郾 2郾 1 超声波发生器及换能器(振子)的选取 超声波发生器的频率范围为 20 ~ 45 kHz,功率的 变化范围为 0 ~ 900 W,可以通过安装不同数目的换能 器来实现最大功率的转换. 本次试验最终所选用的超 声波发生器如图 3( a) 所示. 试验所使用超声波频率 选定为 20 kHz,超声波换能器单个换能器功率范围为 0 ~ 100 W. 如图 3(b)所示. 1郾 2郾 2 超声浓密砂仓模型 本试验研究目的是施加超声波对尾砂沉降浓密以 及放砂的影响,砂仓模型需要安装超声波换能器,考虑 超声波换能器固有尺寸大小,如果设计成圆柱体,超声 波换能器将不能很好的与模型安装匹配,从而导致从 超声波换能器输出的能量不能全部作用在模型及砂浆 上,导致能量的散失,同时超声波换能器的空振容易造 成换能器的损坏. 并且为了更清晰的读取沉降高度, 减小试验误差,以及更直观的观察试验现象,砂仓模型 的一面需采用透明有机玻璃,采用圆柱形砂仓在制作 ·1314·