0 引言

随着经济的飞速发展和资源的大量消耗，矿业主要面临着两大难题：资源开采的深部化和地表尾矿废石的灾害化^[1-2].随着尾矿充填技术的不断发展，矿业面临的难题将会得到较好的解决，地表的尾矿用于回填采空区不仅能够控制地下开采的地压显现问题，还能够解决地表尾矿堆存的问题，而且还起到了节能减排及减少地表环境污染等作用^[3].同时，尾矿充填技术还具有提高生产效率、增加矿石资源的回收率、降低矿石贫化率及增加企业的经济效益等优点，因此，矿山充填技术在有色金属矿山、黑色矿山和煤矿得到了较为广泛的应用^[4-5].

目前，全尾砂高浓度料浆充填技术是以没有进行分级脱泥的全尾砂作为充填料，将矿山选矿厂生产出的全尾砂，制备成高浓度料浆充填采空区的一项新型充填技术，是实现矿山无废安全高效开采的重要途径^[6].在没有对尾砂进行分级脱泥的情况下，全尾砂料浆的含泥量高，渗透系数低，同时在脱水的过程中要避免细泥物料的排放.因此，全尾砂料浆高浓度充填的难度主要在于细粒尾砂的沉降与脱水^[7].全尾砂料浆高效脱水技术成为了全尾砂料浆的一项重要工艺与关键技术.絮凝沉降技术因其便捷性和可操作性，在矿山尾矿浓缩中得到了广泛的应用^[8].但絮凝沉降过程受悬浮液的pH值、水离子含量、尾砂表面所带的电量、絮凝剂种类和用量、添加方式、料浆浓度及温度等多方面因素的影响^[9-10].上饶市某矿山因地下开采方法单一而残留较多采空区，为满足今后安全生产的需要，矿山决定采用嗣后充填采矿法对矿体进行回采，利用全尾砂高浓度料浆对采空区进行充填.由于尾砂自然沉降速率较慢，满足不了矿山的实际生产要求，因此，通过在充填料中加入某种絮凝剂来提高尾砂沉降速率.因此，本文主要针对絮凝剂的种类、絮凝剂用量及全尾砂料浆浓度等方面进行试验分析，通过对料浆浓度分别为68 %、70 %、72 %进行添加不同添加量的不同絮凝剂进行沉降试验.

1 全尾砂料浆特性

充填材料的物理性质及成分对絮凝沉降的效果有重要影响^[11]，当尾砂中含有一些能与絮凝剂发生化学反应的有害成分时，加入絮凝剂后并不能产生效果.因此，在试验之前，必须对全尾砂的物理性质、化学成分及粒径组成进行定性的分析.

1.1 物理性质指标

按照《中华人民共和国行业标准-土工试验规程》（SL237-1999）对该矿山全尾砂的干密度、天然密度、容重、含水率、孔隙比及孔隙率进行试验^[12]，全尾砂物理性质指标见表 1.

1.2 化学成分分析

利用GM/F97系列密封式化验制样粉碎机制备样本，采用分析天平、原子吸收光谱仪、感耦等离子体原子发射光谱分析法等设备方法测定了尾砂中的元素成分及含量参数见表 2.

1.3 粒径分布

通过综合运用筛分法和激光粒度仪法对该矿山充填实验全尾砂进行粒度分析试验，得到各粒级组成结果.测试结果见表 3.全尾砂颗粒级配曲线见图 1.

2 絮凝沉降试验

絮凝沉降机理^[13-16]：微小的胶体颗粒和悬浮物颗粒在胶体物质或者电解质的作用下，中和颗粒表面电荷，降低或消除颗粒之间的排斥力，使颗粒结合在一起，体积不断变大，形成体积庞大的絮状沉淀物.因为高分子化合物的极性或带电荷的基团很多，能够在短时间内向许多个颗粒结合，使絮团体积增大，絮团在重力的作用下沉降速率增加.如果形成絮凝体的速率越快或越大，则絮凝作用将越明显.

2.1 试验材料

试验选用的器材：1 000 mL量筒、1 000 mL烧杯、滴定管、电子称（精度0.01 g）、玻璃棒、坐标纸、秒表计时器.

试验所用的全尾砂料浆浓度为68 %、70 %和72 % 3种，选用硫酸铝钾、十二烷基苯磺酸钠及分子量为300万的聚丙烯酰胺3种絮凝剂.分别对絮凝剂的添加量为10 g/t、20 g/t及30 g/t进行试验.

2.2 试验步骤

试验室利用量筒进行间歇沉降试验，通常用澄清液面随时间的改变表示沉降速率.本试验采用1 000 mL的量筒进行室内静置沉降试验，试验方法如下：

1）试验前的准备工作：将坐标纸剪成长条形，贴于量筒侧线上作为刻度尺；准备试验所需的尾砂，本次沉降试验均采用风干的全尾砂.

2）根据试验方案，提前20 min配置好所需1 ‰溶度的絮凝剂溶液，计算试验所需的全尾砂量、水及絮凝剂溶液，并分别称取备用.

3）先将称取的干全尾砂加入到烧杯中，再将称取的水及絮凝剂溶液注入烧杯，用玻璃棒将其搅拌1 min，将制备好的溶液倒入1 L的量筒内，静置在试验平台上，同时用秒表计时器计时，每隔一段时间记录澄清液面的高度.开始时沉降速率快，记录的时间间隔为2 min，随着沉降速率的减慢，记录的时间间隔增大.

3 试验结果及分析

全尾砂沉降试验在不添加絮凝剂时及添加不同量的絮凝剂时的各组试验数据见表 4~表 6，同时根据试验数据，绘制成澄清液高度随时间的变化曲线见图 2~图 4.

3.1 全尾砂浓度的影响

由澄清液高度变化曲线图（图 2~图 4），可知3种浓度澄清液高度变化趋势：在0~10 min变化较快，该时期全尾砂处于沉降阶段，10 min之后变化较为缓慢，此时全尾砂处于压密阶段.对于某种特定的全尾砂，在某种絮凝剂作用下，不同浓度的全尾砂的沉降特性也完全不同^[17]，通过对比不同浓度全尾砂料浆的澄清层液面高度变化，浓度70 %全尾砂料浆沉降速率及效果明显优于浓度68 %和72 %的全尾砂.

3.2 絮凝剂种类的影响

絮凝过程是絮凝剂分子通过将分散尾砂颗粒结合成比较大的絮团，进而加速沉降.当全尾砂中加入明矾后，开始可以看到量筒中全尾砂颗粒浑浊，较大的絮凝颗粒沉降，但是澄清层界面不明显；而添加聚丙烯酰胺或十二烷基苯磺酸钠后，全尾砂沉降速率明显提高，澄清层的浊度减小.观察曲线图（图 2~图 4）可知，全尾砂在添加絮凝剂后，沉降速率及沉降效果得到显著提升，但综合各絮凝剂的絮凝沉降速率及效果对比，聚丙烯酰胺优于十二烷基苯磺酸钠优于明矾.

3.3 絮凝剂添加量的影响

由于3种浓度澄清液高度变化趋势大体相同，而浓度为70 %的全尾砂沉降速率最快，因此仅对浓度为70 %的全尾砂的试验结果进行分析，通过对比添加絮凝剂后的澄清层液面变化，絮凝剂的添加在一定程度上加快了全尾砂的沉降速率，然而全尾砂沉降速率受絮凝剂的添加量限制.根据絮凝沉降规律，一般情况下，絮凝剂添加量并非越大越好，过高会使絮凝效果失效，过低絮凝效果不明显，因此絮凝剂添加量存在一个最佳的添加量^[18].采用MATLAB软件对数据进行回归处理分析.絮凝剂明矾、十二烷基苯磺酸钠和聚丙烯酰胺沉降回归模型如式（1）、式（2）和式（3）所示.对于回归模型的负相关系数R²、显著水平检验值F_t及水平标准值F_0.05（3，3），F_0.05（3，3）=9.28，对式（1）有：R²=0.906 3，F_t=19.339 5>F_0.05（3，3），回归模型显著；对式（2）有：R²=0.948 0，F_t=36.432 8>F_0.05（3，3），回归模型显著；对式（3）有：R²=0.966 3，F_t=57.368 5>F_0.05（3，3），回归模型显著.3种絮凝剂的回归模型具有一定的可信度.

$ {V_1} = 0.9938{e^{ - 0.0007{{({x_1} - 29.45)}^2}}} $

(1)

$ {V_2} = 1.0393{e^{ - 0.0009{{({x_2} - 28.32)}^2}}} $

(2)

$ {V_3} = 0.9906{e^{ - 0.008{{({x_3} - 28.73)}^2}}} $

(3)

其中：V₁、V₂、V₃分别为使用絮凝剂明矾、十二苯烷基磺酸钠和聚丙烯酰胺的沉降平均速率，基于纲量分析$V = \frac{{\int {h(t)dt} }}{{{T^2}}},{\rm{mm}}/{\rm{min}};$

x₁、x₂、x₃分别为使用絮凝剂明矾、十二苯烷基磺酸钠和聚丙烯酰胺的添加量，g/t；

然后对V₁求x₁的偏导、对V₂求x₂的偏导和对V₃求x₃的偏导，令$\frac{{\partial {V_1}}}{{\partial {x_1}}} = 0$、$\frac{{\partial {V_2}}}{{\partial {x_2}}} = 0$及$\frac{{\partial {V_3}}}{{\partial {x_3}}} = 0$，确定出各絮凝剂的最佳添加量：明矾为29 g/t，十二烷基苯磺酸钠为28 g/t，聚丙烯酰胺为29 g/t.

3.4 经济成本分析

从经济成本上分析，通过市场调查可知，各絮凝剂用量及絮凝剂成本见表 7.

综上分析可得，明矾与另外2种絮凝剂相比，经济成本低，而且澄清液液面下降也较低，因此，选用明矾作为该矿山充填添加的絮凝剂.

4 结论

1）全尾砂在不添加任何絮凝剂的情况下沉降速率较慢，絮凝剂添加后，沉降速率明显提高.絮凝剂对全尾砂沉降效果有重要影响.

2）不同浓度全尾砂的沉降速率与效果有明显差异，浓度为70 %的全尾砂沉降速率及效果优于浓度为68 %和72 %的全尾砂.全尾砂沉降效果受尾砂浓度影响.

3）全尾砂在絮凝剂添加量不同的情况下，沉降速率及效果有所不同；在添加量相同的情况下，聚丙烯酰胺絮凝沉降效果优于十二烷基苯磺酸钠，且十二烷基苯磺酸钠絮凝沉降效果优于明矾.絮凝剂种类和絮凝剂添加量都是影响全尾砂沉降效果的重要因素.

4）确定了3种絮凝剂的沉降模型：明矾为V₁=0.993 8e^{-0.0007（x₁-29.45）2}；十二烷基苯磺酸钠为V₂=1.039 3e^{-0.000 9（x₂-289.32）2}；聚丙烯酰胺为V₃=0.990 6·e^{-0.008（x₃-289.73）2}.同时确定出3种絮凝剂最佳添加量：明矾为29 g/t，十二烷基苯磺酸钠为28 g/t，聚丙烯酰胺为29 g/t.

5）综合经济成本的考虑，明矾经济成本最低，而且沉降效果也较好.因此，建议矿山选用明矾作为充填使用的絮凝剂，添加量为29 g/t，全尾砂浓度为70 %.