导水杆数量和排列对尾矿浓密的影响机理

吴爱祥^{1, 2}，王勇^{1, 2}，王洪江^{1, 2}

(1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083；

2. 北京科技大学 土木与环境工程学院, 北京，100083)

摘要：为了探索导水杆数量及排列方式对尾矿浓密效果的影响，对某铜尾矿开展浓密实验。实验采用自制尾矿浓密装置，该装置可以改变导水杆数量(从0到4)，分别进行导水杆数量为0，1，2(相邻和相对)，3和4根，其他实验参数相同的6组实验。研究结果表明：导水杆数量对尾矿浓密极限质量分数影响明显，导水杆数量从0增加到4，尾矿极限质量分数由55.82%递增至70.28%；当导水杆数量为0时（即没有导水装置），尾矿极限浓密质量分数比导水杆数量为4时的质量分数减小14.46%；当导水杆数量为2时，导水杆位置相对排列比相邻排列极限质量分数高0.95%；导水杆数量对极限质量分数的影响是因为导水通道数量不同；而导水杆相对位置对极限质量分数的影响主要是由于导水通道与尾矿浆表面的连通度不同。

关键词：尾矿；导水杆；导水通道

中图分类号：TD853；TD854         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)01-0244-05

Effect of rake rod number and arrangement on tailings thickening performance

WU Aixiang^{1, 2}, WANG Yong^{1, 2}, WANG Hongjiang^{1, 2}

(1. Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal, Ministry of Education,

University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing,

Beijing 100083, China)

Abstract: In order to explore the effect of rake rod number (RRN) and rake rod arrangement (RRA) on the tailings thickening performance, an experiment was conducted on a copper mine’s tailings. A self-made tailings thickening device was employed. The RRN of the device can be changed from less to more (from 0 to 4). Total six experiments were performed with the RRN of 0, 1, 2 (RRA were adjacent and opposite), 3 and 4, and other experimental parameters being same. The results show that the RRN has an obvious effect on the tailings limit thickening mass fraction. The limit mass fraction increases from 55.82% to 70.28% with the increase of RRN from 0 to 4. The limit mass fraction of 0 rake rods (i.e. without rake) is 14.46% less than that when the RRN is 4. The limit mass fraction of opposite RRA is 0.95% higher than that of adjacent arrangement. The effect of RRN on the thickening mass fraction is caused by the different quantities of water conduction channels. And the influence of RRA (RRN is two) on the thickening mass fraction is mainly because of the connectivity between the water channel and the tailings slurry surface.

Key words: tailing; rake rod; water conduction channel

膏体技术因其优点突出，逐渐被人们所认可，且应用越来越广泛^[1-4]，深锥浓密机是膏体制备的关键设备，与传统浓密机和立式砂仓相比，深锥浓密机在对微细颗粒脱水具有良好的效果，并且可以获得较高的底流浓度^[5-7]。近几年，国内外对深锥浓密机的相关研究越来越多，浓密机传动方式也由四周传动逐渐转变为中心传动^[8]。2009年，孙立滨等^[9]分析了浓缩机(或刮泥机)刮泥板的角度与刮泥效率的关系，并以此为基础对浓缩机直线刮泥板与对数螺旋线刮泥板的刮泥效率进行了探讨；2010年，焦华喆等^[10]分析了细粒全尾沉降规律及其机理；2011年，王勇等^[11]探讨了深锥浓密机底流浓度与浓密机高径比之间的数学关系，是对深锥浓密机底流浓度与外形结构之间关系的一种尝试。但人们对深锥浓密机导水装置对浓密效果影响的相关研究较少。国外对于浓密机的研究相对较早，在1916年，Coe-Clevenger建立了连续沉降模型^[12]，1981年，Warden^[13]建立了叶片对物料输送作用的数学方程；2005年，Gladman等^[14]认为机械搅拌会提高脱水速度和扩大脱水区域；2008年，Rudman等^[15]研究了尾矿浆屈服应力和耙子转速对扭矩的影响，并于2010年，提出耙动效率的计算方法^[16]。这些研究表明了导水装置对尾矿脱水的重要性，但就导水杆及其排列方式对浓密效果影响的研究较少。由于微细颗粒保水能力较强，深锥浓密机之所以能够高效脱水，提高尾矿浓密质量分数，与深锥浓密机内部导水耙架密不可分，因此，本文作者采用自制尾矿浓密装置，研究导水杆数量由0至4依次递增情况下尾矿浓密效果，同时对导水杆数量为2时相对和相邻2种排列方式下的浓密效果进行了探索。最后，从导水通道角度解释导水杆数量和排列方式对尾矿浓密质量分数的影响机理。

1  实验装置和方法

1.1  实验材料

实验尾矿来自某铜矿选厂，尾矿基本物理性能和粒级组成如表1和表2所示。由表2可知：该尾矿颗粒粒度相对较小，具有较好的保水性能。

1.2  实验装置

自制尾矿浓密装置如图1所示。该装置由搅拌器和电脑监控2部分组成，搅拌器中的转子由4根导水杆组成，呈现圆周均匀分布。导水杆采用中心传动，通过电脑程序可对其转速、转动时间等参数进行控制。

表1  尾矿基本物理性能

Table 1  Physical properties of tailings

表2  尾矿粒级分布

Table 2  Particle size distribution of tailings

图1  自制尾矿浓密装置^[17]

Fig. 1  Self-made tailings thickening device

1.3  实验方法

(1) 观察图1所示装置的沉降情况，以固液分离界面不再变化时的高度作为极限沉降高度，极限沉降高度对应的尾矿质量分数视为极限浓密质量分数。

(2) 每组实验以导水杆数量以及排列方式不同作为影响因素。导水杆数量依次为0根、1根、2根、3根和4根，其中2根导水杆排列方式又可分为相对和相邻。因此，共有6组实验，各组实验导水杆排列方式如图2所示。

图2  导水杆不同数量和排列方式俯视图

Fig. 2  Planform of different rake rod numbers and rake rod arrangements

(3) 6组实验材料配比如下：尾矿浆配置质量分数为25%(尾矿添加量均为750 g，水的添加量均为2 250 g)，絮凝剂溶液质量分数为0.3%，絮凝剂单耗为25 g/t(6.25 g)。

(4) 实验过程先加水，再加絮凝剂溶液，通过程序设定转子转速为3 r/min进行低速搅拌。搅拌约5 min，重新修改程序，设置转速为0.10 r/min。当转速调整为0.05 r/min时，用自制漏斗均匀快速添加尾矿。

2  结果与分析

2.1  实验结果

对尾矿溶液进行充分搅拌(约9 h)，直至界面高度不再变化，认为此时尾矿达到该实验组别的极限质量分数。各组实验结果如表3所示。

表3  不同导水杆数量及排列方式测试结果

Table 3  Test results of different rake rod number and rake rod arrangement

根据表3，绘制底流极限质量分数与导水杆数量之间的关系如图3所示。

2.2  分析

由图3可知：在导水杆转速为0.1 r/min、絮凝剂单耗、尾矿初始质量分数等条件下，尾矿浓密的极限质量分数随着导水杆数量不同而变化；当导水杆数量为0即没有导水装置时，极限质量分数仅为55.82%，当导水杆数量为1时，极限质量分数由55.82%突增为67.41%，增加了11.59%，可见导水装置是提高底流质量分数的重要因素；当导水杆数量由1增至4时，极限质量分数由67.41%渐增至70.28%，增加了2.87%。

图3  极限浓密质量分数与导水杆数量的关系

Fig. 3  Relationship between rake rod number and limit thickening mass fraction

值得注意的是：当导水杆数量为2时，导水杆位置相对排列比相邻排列极限质量分数高0.95%，也比导水杆数量为1时极限质量分数高1.73%，3根和4根导水杆所得到的极限质量分数与2根导水杆得到的极限质量分数相比上升幅度并不大，这一结论与现场深锥浓密机导水装置对称排列的设计方式较为吻合。

3  导水杆结构对尾矿浓密影响机理

浓密实验时，在导水杆的外力扰动下，尾矿松散排列就会失去稳定，尾矿颗粒在重力和泥层压力作用下重新排列，周围微细颗粒将落入孔隙内，尾矿浆结构将产生不可恢复的变形，使得尾矿得到压实，质量分数升高。与此同时，孔隙间的水分沿着导水装置打开的一条条泌水通道升至泥层上部，伴随着溢流水  溢出。

当导水杆数量为1，且该导水杆刚刚打开导水通道又转至另一位置，待该导水杆再次到达该位置时，某些水分还来不及通过导水通道到达泥层表面，通道便又堵死，如图4所示。因此，尾矿浆中的部分水分始终寄居于微细颗粒之间，不能有效导出，致使尾矿浆质量分数相对较低。

而当导水杆为2根时，打开的导水通道在即将闭合前，另一根导水杆重新打开该通道，因此，尾矿浆质量分数要高。当2根导水杆相邻时，导水杆之间夹角较小，部分导水通道被连续打开，而部分通道仍然存在被堵死的情况，如图5(c1)所示；当导水杆相对时， 2根导水杆相互补充，导水通道打开闭合呈现一定规律，此时，合理的转速是保证高效浓密的基础。因此，相对位置比相邻位置导水效率更高，如图5(c2)所示。

图4  导水杆数量为1时导水通道示意图

Fig. 4  Conduction water channel of 1 rake rod

图5  导水杆不同数量和排列方式导水通道示意图

Fig.5  Water conduction channel of different rake rod numbers and rake rod arrangements

当导水杆逐渐增加为3根和4根时，尾矿浆内部导水通道能够保持较好的畅通度，因此，质量分数要更高，分别为69.46%和70.28%。与2根导水杆相比，质量分数上升幅度较小，这主要与尾矿自身的孔隙逐渐接近饱和状态有关。相比而言，4根导水杆极限质量分数要更高，导水通道示意如图5(d)和5(e)所示。

由实验结果可以得知：导水杆数量对尾矿浓密效果具有较大影响，没有导水装置尾矿质量分数很难提升，尾矿浆浓密主要依靠泥层自重压力的不断增加来提高质量分数。而分布于絮团之间的水分不易达到泥层上部，这也是导水杆数量为0时压密质量分数最低的原因，当导水杆数量为0时，导水通道示意图如图5(a)所示。

4  结论

(1) 导水杆数量对尾矿浓密效果有较大影响。当导水杆数量为0即没有导水装置时，尾矿浓密的极限质量分数仅为55.82%，当导水杆数量为1时，极限质量分数由55.82%突增为67.41%，增加了11.59%；当导水杆数量由1增至4时，极限质量分数由67.41%渐增至70.28%，增加了2.87%。

(2) 从导水通道角度分析了不同导水杆数量对尾矿脱水效果影响机理。当导水杆数量为0时，尾矿浓密主要依靠泥层自身压力的不断增加来提高质量分数，而分布于絮团之间的水分不易达到泥层表面，压密质量分数低；当只有1根导水杆时，导水通道数量少，且有不良导水通道存在，因此，质量分数相对较低；而当导水杆数量为2根时，打开的导水通道在即将闭合前，另一根导水杆重新打开该通道，尾矿浆质量分数比1条导水通道时高；当导水杆逐渐增加为3根和4根时，尾矿浆内部导水通道数量进一步增加，且能保持较好的畅通，因此，所得尾矿浆质量分数更高。

(3) 当导水杆数量为2时，相对排列极限质量分数为69.14%，比相邻排列高出0.95%。这是因为：当2根导水杆相邻时，导水杆之间夹角较小，部分导水通道被连续打开，而部分通道仍然存在被堵死的情况；当2根导水杆相对排列时，导水杆相互补充，2条导水通道可被规律性的打开。与2根导水杆相对排列相比，当导水杆数量增至3根和4根时，质量分数上升幅度并不大，分别为0.32%和1.14%，可见，2根相对排列是一种较好的排列方式，这与现场深锥浓密机导水杆排列方式相吻合。

参考文献：

[1] Grabinsky M W. In situ monitoring for ground truthing paste backfill designs[C]// Jewell R, Fourie A. Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings. Perth: Australian Centre for Geomechanics, 2010: 85-98.

[2] Fall M, Nasir O. Predicting the temperature and strength development within cemented paste backfill structures[C]// Jewell R, Fourie A. Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings. Perth: Australian Centre for Geomechanics, 2010: 125-136.

[3] Belem T, Fourie A B, Fahey M. Time-dependent failure criterion for cemented paste backfills[C]// Jewell R, Fourie A. Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings. Perth: Australian Centre for Geomechanics, 2010: 147-162.

[4] Nasir O, Fall M. Coupling binder hydration temperature and compressive strength development of underground cemented paste backfill at early ages[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25(1): 9-20.

[5] Lake P, Boris M E, Gollaher T. High density paste thickener in Siberia[C]// Jewell R, Fourie A. Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings. Canada: Australian Centre For Geomechanics, 2010: 411-419.

[6] Rosart J W. Advantages of bolted tank construction for paste thickeners[C]// Jewell R, Fourie A. Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings. Canada: Australian Centre for Geomechanics, 2010: 403-410.

[7] Huynh L, Beattie D A, Fornasiero D, et al. Effect of polyphosphate and naphthalene sulfonate formaldehyde condensate on the rheological properties of dewatered tailings and cemented pastebackfill[J]. Minerals Engineering, 2006, 19(1): 28-36.

[8] 丛安生, 姜春波, 邓威, 等. 大型中心传动浓缩(刮泥)机的应用与发展[J]. 中国环保产业, 2009(5): 41-44.

CONG Ansheng, JIANG Chunbo, DENG Wei, et al. Application and development of large-sized central conveying concentrated (sludge) scraper[J]. China Environmental Protection Industry, 2009(5): 41-44.

[9] 孙立滨, 郑嵩, 张照元. 浓缩机直线刮泥板与对数螺旋线刮泥板刮泥效率的探讨[J]. 机械工程师, 2009(12): 131-132.

SUN Libin, ZHENG Song, ZHANG Zhaoyuan. Discussion on the efficiency of scraping mud by using the straight line board and the logarithmic spiral board on thickener mud scraper[J]. Mechanical Engineer, 2009(12): 131-132.

[10] 焦华喆, 王洪江, 吴爱祥, 等. 全尾砂絮凝沉降规律及其机理[J]. 北京科技大学学报, 2010, 32(6): 702-707.

JIAO Huazhe, WANG Hongjiang, WU Aixiang, et al. Rule and mechanism of flocculation sedimentation of unclassified tailings[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2010, 32(6): 702-707.

[11] 王勇, 王洪江, 吴爱祥. 基于高径比的深锥浓密机底流浓度数学模型[J]. 武汉理工大学学报, 2011, 33(8): 113-117.

WANG Yong, WANG Hongjiang, WU Aixiang. Mathematical model of deep cone thickener underflow concentration based on the height to diameter ratio[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2011, 33(8): 113-117.

[12] Lester D R, Usher S P, Scales P J. Estimation of the hindered settling function from batch settling tests[J]. AIChEJ, 2005, 51(4): 1158-1168.

[13] Warden J H. The design of rakes for continuous thickeners especially for waterworks coagulant sludges[J]. Filtr Sep, 1981, 18: 113-116.

[14] Gladman B, de Kretser RG, Rudman M, et al. Effect of shear on particulate suspension dewatering[J]. Chemical Engineering Research & Design, 2005, 83: 1-4.

[15] Rudman M, Simic K, Paterson D A, et al. Raking in gravity thickeners[J]. International Journal of Minerals Processing, 2008, 86: 114-130.

[16] Rudman M, Paterson D A, Simic K. Efficiency of raking in gravity thickeners[J]. International Journal of Mineral Processing, 2010, 95: 30-39.

[17] 王勇, 吴爱祥, 王洪江, 等. 絮凝剂对膏体浓密的影响机理 [J]. 北京科技大学学报, 2013, 35(11): 1419-1423.

WANG Yong, WU Aixiang, WANG Hongjiang, et al. Effect mechanism of flocculant on paste thickening[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2013, 35(11): 1419-1423.

(编辑  杨幼平)

收稿日期：2012-12-21；修回日期：2013-04-15

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAB08B02)；国家自然科学基金重点资助项目(50934002)；国家自然科学基金资助项目(51374034，51074013，51104011)

通信作者：王勇(1985-)，男，陕西延安人，博士，从事膏体采矿和尾矿浓密技术研究；电话：010-62334680；E-mail: wangyong8551@126.com