工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 王洪江彭青松杨莹郭佳宾 Research status and prospect of thickening technology for metal tailings WANG Hong-jiang.PENG Qing-song,YANG Ying.GUO Jia-bin 引用本文： 王洪江，彭青松，杨莹，郭佳宾.金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望.工程科学学报，优先发表.doi:10.13374iss2095- 9389.2021.01.11.001 WANG Hong-jiang,PENG Qing-song,YANG Ying.GUO Jia-bin.Research status and prospect of thickening technology for metal tailings[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.11.001 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.01.11.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 王洪江 彭青松 杨莹 郭佳宾 Research status and prospect of thickening technology for metal tailings WANG Hong-jiang, PENG Qing-song, YANG Ying, GUO Jia-bin 引用本文: 王洪江, 彭青松, 杨莹, 郭佳宾. 金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.01.11.001 WANG Hong-jiang, PENG Qing-song, YANG Ying, GUO Jia-bin. Research status and prospect of thickening technology for metal tailings[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.11.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.11.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
工程科学学报.第44卷，第X期：1-10.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-10,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.11.001;http://cje.ustb.edu.cn 金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 王洪江，2，彭青松)，杨莹)区，郭佳宾) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)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 ☒通信作者，E-mail:monicayang1129@hotmail.com 摘要作为金属矿山膏体充填技术的首要环节，尾砂浓密技术能够显著提高尾砂脱水效率和尾砂利用率，是矿山绿色发展 的重要组成部分，在概述了尾砂浓密脱水技术发展历程的基础上，将浓密机发展阶段分为普通浓密机阶段、高效浓密机阶段 和膏体浓密机阶段，阐述了尾砂浓密工艺的应用现状和国内外几个典型的应用案例.介绍了对尾砂起捕捉作用的单一絮凝 理论和多重絮凝理论，静态动态压缩条件下的床层压缩理论与重力浓密理论，并阐述了各理论的最新研究进展.阐述了现阶 段尾砂浓密静态沉降实验、小型浓密实验和半工业浓密实验等主要研究方法，介绍了聚焦光束反射测量技术、颗粒录影显微 镜技术等先进的观测手段和尾砂浓密技术数值模拟研究现状.现阶段，尾砂浓密脱水技术仍处于发展阶段，存在尾砂浓密的 关键参数不稳定、尾砂浓密的生产调控不及时和尾砂浓密的信息平台不健全等问题，尾砂浓密技术的发展仍面临诸多挑战 最后提出了尾砂浓密技术个性化、自动化和智能化的发展方向. 关键词金属矿：尾砂：浓密设备：脱水工艺：浓密理论：数值模拟 分类号TD853 Research status and prospect of thickening technology for metal tailings WANG Hong-jiang2,PENG Qing-song,YANG Ying,GUO Jia-bin 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 Corresponding author,E-mail:monicayang1129@hotmail.com ABSTRACT In recent years,paste technology has been rapidly promoted in domestic mines.It is a key technology for realizing green mining because it can effectively solve environmental and safety problems caused by mining.With the progress in science and technology,the research level of paste technology is constantly improving.Thickening technology of tailings is the primary procedure of paste backfill technology in metal mines,which can significantly improve the efficiency of tailings dewatering and utilization rate of tailings.Tailings thickening technology is an important part of the green development of mines.This paper presented a summary of the development process of tailings thickening and dewatering technology,dividing the development stage of the thickener into three:(1) ordinary thickener stage,(2)high-efficiency thickener stage,and (3)paste thickener stage.The application status of the thickening process of tailings and several typical application cases at home and abroad were also described.In addition,this paper explored different theories,including the single flocculation theory,multiple flocculation theory,bed compression theory under static/dynamic compression,and gravity thickening theory,along with the corresponding latest research progress of each theory.This paper also presented the main research methods of thickening of tailings,namely the static settlement experiment,small-scale thickening experiment,and semi-industrial thickening experiment.Advanced observational methods such as focused beam reflection measurement technology (FBRM)and particle video microscope technology (PVM)were also introduced.Moreover,the paper expounded on the 收稿日期：2021-01-11 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51834001)：中国博士后科学基金资助项目(2021M701516)
金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 王洪江1,2)，彭青松1)，杨 莹1) 苣，郭佳宾1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 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 苣通信作者， E-mail: monicayang1129@hotmail.com 摘 要 作为金属矿山膏体充填技术的首要环节，尾砂浓密技术能够显著提高尾砂脱水效率和尾砂利用率，是矿山绿色发展 的重要组成部分. 在概述了尾砂浓密脱水技术发展历程的基础上，将浓密机发展阶段分为普通浓密机阶段、高效浓密机阶段 和膏体浓密机阶段，阐述了尾砂浓密工艺的应用现状和国内外几个典型的应用案例. 介绍了对尾砂起捕捉作用的单一絮凝 理论和多重絮凝理论，静态/动态压缩条件下的床层压缩理论与重力浓密理论，并阐述了各理论的最新研究进展. 阐述了现阶 段尾砂浓密静态沉降实验、小型浓密实验和半工业浓密实验等主要研究方法，介绍了聚焦光束反射测量技术、颗粒录影显微 镜技术等先进的观测手段和尾砂浓密技术数值模拟研究现状. 现阶段，尾砂浓密脱水技术仍处于发展阶段，存在尾砂浓密的 关键参数不稳定、尾砂浓密的生产调控不及时和尾砂浓密的信息平台不健全等问题，尾砂浓密技术的发展仍面临诸多挑战. 最后提出了尾砂浓密技术个性化、自动化和智能化的发展方向. 关键词 金属矿；尾砂；浓密设备；脱水工艺；浓密理论；数值模拟 分类号 TD853 Research status and prospect of thickening technology for metal tailings WANG Hong-jiang1,2) ，PENG Qing-song1) ，YANG Ying1) 苣 ，GUO Jia-bin1) 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 苣 Corresponding author, E-mail: monicayang1129@hotmail.com ABSTRACT In recent years, paste technology has been rapidly promoted in domestic mines. It is a key technology for realizing green mining because it can effectively solve environmental and safety problems caused by mining. With the progress in science and technology, the research level of paste technology is constantly improving. Thickening technology of tailings is the primary procedure of paste backfill technology in metal mines, which can significantly improve the efficiency of tailings dewatering and utilization rate of tailings. Tailings thickening technology is an important part of the green development of mines. This paper presented a summary of the development process of tailings thickening and dewatering technology, dividing the development stage of the thickener into three: (1) ordinary thickener stage, (2) high-efficiency thickener stage, and (3) paste thickener stage. The application status of the thickening process of tailings and several typical application cases at home and abroad were also described. In addition, this paper explored different theories, including the single flocculation theory, multiple flocculation theory, bed compression theory under static/dynamic compression, and gravity thickening theory, along with the corresponding latest research progress of each theory. This paper also presented the main research methods of thickening of tailings, namely the static settlement experiment, small-scale thickening experiment, and semi-industrial thickening experiment. Advanced observational methods such as focused beam reflection measurement technology (FBRM) and particle video microscope technology (PVM) were also introduced. Moreover, the paper expounded on the 收稿日期: 2021−01−11 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目（51834001）；中国博士后科学基金资助项目（2021M701516） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−10，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−10, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.11.001; http://cje.ustb.edu.cn
工程科学学报，第44卷，第X期 research status of numerical simulation of tailings thickening technology and highlighted that the tailings thickening and dewatering technology is still in the development stage with some underlying problems,such as the instability of the key parameters of tailings thickening,the untimely production control of tailings thickening,and the imperfect information platform of tailings thickening.Overall, the development of tailings thickening technology is still facing numerous challenges.Finally,the direction of the development of tailing thickening technology is proposed in terms of personalization,automation,and intelligence. KEY WORDS metal ore;tailings;thickening equipment;dehydration process;thickening theory:numerical simulation 随着我国经济的不断发展，对矿产资源的需 发展，与此同时，设备也得到不断改进.笔者将尾 求量仍大幅攀升.作为国民经济的支柱产业，矿业 砂浓密设备发展分为三个阶段：普通浓密机阶段、 对我国经济的发展起到了不可替代的作用凹.据不 高效浓密机阶段和膏体浓密机阶段，随着设备的 完全统计，我国矿山开发规模居世界第三位，年采 发展，尾砂浓密效率和底流浓度不断提高 掘量达50亿吨.地下和露天开采中，每年产生的 (1)普通浓密机阶段 尾砂量达到6亿吨以上口金属矿尾砂浓密技术通 现代浓密机的起点可以追溯到1905年Dorm 过高效固液分离的方法，使尾砂浆达到高浓度或 浓密机的发明阿它使稀释尾砂浆的连续脱水成为 膏体状态，用于地表堆存或地下充填.尾砂膏体处 可能.普通浓密机是重力浓密设备的典型代表，它 置不仅能够显著提高尾砂利用率，还能保障地下 的理论基础是颗粒自由沉降，可实现颗粒的沉降 采空区安全作业，减轻重金属离子对环境的污染， 分层并在池底进一步压实.浓密机的处理量及溢 成为绿色矿山建设的重要手段 流中的固体含量主要取决于颗粒的沉降速度.根 经过多年的探索与实践，在浓密工艺、浓密设 据Stokes定律，固体颗粒的沉降速度与颗粒直径 备和浓密理论等方面，尾砂浓密技术均取得重大 的平方成正比，与固体颗粒和其周围介质的密度 突破.本文概述了金属矿尾砂浓密脱水技术的发 差成正比，同时不同浓度的尾砂浆固体沉降速率 展历程，总结了尾砂絮凝沉降、床层压缩和重力浓 不同7 密理论的最新研究进展，指出了现阶段尾砂浓密 (2)高效浓密机阶段 的主要研究方法和观测手段.最后，提出了尾砂浓 随着矿石回收率提高，磨矿粒度更细，尾砂颗 密技术个性化、自动化和智能化的发展方向. 粒的重力作用更弱.此时，单纯依靠尾砂颗粒的重 1尾砂浓密技术历史与现状 力难以自由沉降，导致上清液浑浊，难以获得较高 浓度的底流物.由此，人们引入絮凝技术，从而加 尾砂的原始状态是选矿厂排出的低浓度尾砂 快尾砂颗粒沉降]，并由此发展出与之匹配的高效 浆，质量分数仅为20%~30%.尾砂主要处置手段 浓密机.为了满足较高底流浓度和较高处理量的 为井下充填和地表堆存，低浓度尾砂浆易造成尾 要求，国外于20世纪60年代，开始推广高效浓密 砂地表堆存和井下充填效果较差.传统的地表湿 机.我国于1984年成功研制了GX-3.6高效浓密 式直排技术容易造成溃坝间、重金属污染)和扬尘 机，现已用于工业生产中例.高效浓密机结构与普 等危害；低浓度尾砂充填也存在沉缩率大、充填体 通浓密机相似，主要区别在于：①增加了絮凝剂稀 强度低等问题阿因此，将尾砂从低浓度浓缩到高 释和添加装置，使尾砂与絮凝剂得到有效地混合； 浓度以满足高浓度充填或堆存的需要，尤其重要. ②增加进料井的深度：③设有自动控制系统，主要 尾砂浓缩主要分为过滤与浓密两种方式，然 是控制絮凝剂添加量和泥层高度等参数o 而，前者的能力小、能耗高，限制了其在金属矿的 (3)膏体浓密机阶段 大规模应用.而后者克服了上述缺陷，成为尾砂脱 为了进一步提高底流浓度、降低溢流水浊度， 水的主要技术.尾砂浓密技术就是将选矿产生的 在高效浓密机基础上，国外研发出专供尾砂浓密 低浓度尾砂料浆浓缩制备成高浓度料浆的技术， 使用的膏体浓密机.它适用于微细粒物料的处理， 主要采用浓密机等设备，结合絮凝沉降等手段， 能够将低浓度尾砂浆直接浓缩成膏状底流.与高 使尾砂浓密效率和脱水效果得到了极大程度的 效浓密机相比，膏体浓密机提高了浓密机高度以 改善 增大浓密机底部压力，开发了不同原理的自稀释 1.1尾砂浓密设备的发展历程 系统以改善絮凝效果，增设了浓密机体外循环系 尾砂浓密技术的发展得益于尾砂浓密理论的 统以控制底流浓度过高的问题
research status of numerical simulation of tailings thickening technology and highlighted that the tailings thickening and dewatering technology is still in the development stage with some underlying problems, such as the instability of the key parameters of tailings thickening, the untimely production control of tailings thickening, and the imperfect information platform of tailings thickening. Overall, the development of tailings thickening technology is still facing numerous challenges. Finally, the direction of the development of tailing thickening technology is proposed in terms of personalization, automation, and intelligence. KEY WORDS metal ore；tailings；thickening equipment；dehydration process；thickening theory；numerical simulation 随着我国经济的不断发展，对矿产资源的需 求量仍大幅攀升. 作为国民经济的支柱产业，矿业 对我国经济的发展起到了不可替代的作用[1] . 据不 完全统计，我国矿山开发规模居世界第三位，年采 掘量达 50 亿吨. 地下和露天开采中，每年产生的 尾砂量达到 6 亿吨以上[2] . 金属矿尾砂浓密技术通 过高效固液分离的方法，使尾砂浆达到高浓度或 膏体状态，用于地表堆存或地下充填. 尾砂膏体处 置不仅能够显著提高尾砂利用率，还能保障地下 采空区安全作业，减轻重金属离子对环境的污染， 成为绿色矿山建设的重要手段. 经过多年的探索与实践，在浓密工艺、浓密设 备和浓密理论等方面，尾砂浓密技术均取得重大 突破. 本文概述了金属矿尾砂浓密脱水技术的发 展历程，总结了尾砂絮凝沉降、床层压缩和重力浓 密理论的最新研究进展，指出了现阶段尾砂浓密 的主要研究方法和观测手段. 最后，提出了尾砂浓 密技术个性化、自动化和智能化的发展方向. 1 尾砂浓密技术历史与现状 尾砂的原始状态是选矿厂排出的低浓度尾砂 浆，质量分数仅为 20%～30%. 尾砂主要处置手段 为井下充填和地表堆存，低浓度尾砂浆易造成尾 砂地表堆存和井下充填效果较差. 传统的地表湿 式直排技术容易造成溃坝[3]、重金属污染[4] 和扬尘 等危害；低浓度尾砂充填也存在沉缩率大、充填体 强度低等问题[5] . 因此，将尾砂从低浓度浓缩到高 浓度以满足高浓度充填或堆存的需要，尤其重要. 尾砂浓缩主要分为过滤与浓密两种方式，然 而，前者的能力小、能耗高，限制了其在金属矿的 大规模应用. 而后者克服了上述缺陷，成为尾砂脱 水的主要技术. 尾砂浓密技术就是将选矿产生的 低浓度尾砂料浆浓缩制备成高浓度料浆的技术， 主要采用浓密机等设备，结合絮凝沉降等手段， 使尾砂浓密效率和脱水效果得到了极大程度的 改善. 1.1 尾砂浓密设备的发展历程 尾砂浓密技术的发展得益于尾砂浓密理论的 发展，与此同时，设备也得到不断改进. 笔者将尾 砂浓密设备发展分为三个阶段：普通浓密机阶段、 高效浓密机阶段和膏体浓密机阶段，随着设备的 发展，尾砂浓密效率和底流浓度不断提高. （1）普通浓密机阶段. 现代浓密机的起点可以追溯到 1905 年 Dorr 浓密机的发明[6] . 它使稀释尾砂浆的连续脱水成为 可能. 普通浓密机是重力浓密设备的典型代表，它 的理论基础是颗粒自由沉降，可实现颗粒的沉降 分层并在池底进一步压实. 浓密机的处理量及溢 流中的固体含量主要取决于颗粒的沉降速度. 根 据 Stokes 定律，固体颗粒的沉降速度与颗粒直径 的平方成正比，与固体颗粒和其周围介质的密度 差成正比，同时不同浓度的尾砂浆固体沉降速率 不同[7] . （2）高效浓密机阶段. 随着矿石回收率提高，磨矿粒度更细，尾砂颗 粒的重力作用更弱. 此时，单纯依靠尾砂颗粒的重 力难以自由沉降，导致上清液浑浊，难以获得较高 浓度的底流物. 由此，人们引入絮凝技术，从而加 快尾砂颗粒沉降[8] ，并由此发展出与之匹配的高效 浓密机. 为了满足较高底流浓度和较高处理量的 要求，国外于 20 世纪 60 年代，开始推广高效浓密 机. 我国于 1984 年成功研制了 GX−3.6 高效浓密 机，现已用于工业生产中[9] . 高效浓密机结构与普 通浓密机相似，主要区别在于：①增加了絮凝剂稀 释和添加装置，使尾砂与絮凝剂得到有效地混合； ②增加进料井的深度；③设有自动控制系统，主要 是控制絮凝剂添加量和泥层高度等参数[10] . （3）膏体浓密机阶段. 为了进一步提高底流浓度、降低溢流水浊度， 在高效浓密机基础上，国外研发出专供尾砂浓密 使用的膏体浓密机. 它适用于微细粒物料的处理， 能够将低浓度尾砂浆直接浓缩成膏状底流. 与高 效浓密机相比，膏体浓密机提高了浓密机高度以 增大浓密机底部压力，开发了不同原理的自稀释 系统以改善絮凝效果，增设了浓密机体外循环系 统以控制底流浓度过高的问题. · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
王洪江等：金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 3 1.2尾砂浓密工艺应用现状 新疆滴水铜矿由于当地气候干燥，水资源宝 以浓密机为核心的重力脱水工艺四具有流程 贵，同时地势开阔，蒸发量大等因素，膏体堆存成 短、成本低、底流浓度适中、处理能力大的优点， 为其尾砂首选的处置方式该矿尾砂粒度小，含 得到国内外矿山充填领域的广泛应用 泥量高，沉降脱水困难，因此采用膏体浓密机作为 (1)浓密机与其他设备联合脱水工艺 浓密设备，其直径为18m,侧壁深为18m.音体堆 为实现尾砂高效脱水，常将不同固液分离技 存工艺系统投产后，日处理干矿量约4000t:尾砂 术联合使用以提高脱水效率.常见的联合脱水工 浆底流质量分数为61%左右：溢流基本为清水，回 艺有多段联合脱水工艺和两段联合脱水工艺两种 水利用率接近80%. 常见的多段联合脱水工艺，是运用多种设备， Khumani铁矿位于南非北开普省6矿山所处 将尾砂制备成滤饼.首先，将尾砂浆送至水力旋流 地区为半干旱气候，蒸发量大，水资源匮乏，用水 器，其沉砂经过带式真空过滤或高频振动脱水筛， 受到严格的限制.该矿为提高水资源的利用效率， 脱水后得到高浓度滤饼，水力旋流器溢流排往浓 同时因地制宜，采用膏体堆存作为尾矿处置方式 密机；浓密机进行一定脱水后提高尾砂浓度，再同 矿山选用两台浓密机，主浓密机直径为90m,膏体 尾砂浆一同进入水力旋流器，构成一个闭合循环 浓密机直径为18m.主浓密机可回收大部分的水， 处理后得到的尾砂含水量小于20%，但处理能力 主浓密机底流泵送至膏体浓密机进一步浓密，得 小，适用于小型选矿厂) 到的膏体泵送至堆存地点.其采用的膏体浓密机 两段联合脱水工艺则分为“旋流器+浓密机” 侧壁高度为12m,底部锥角为30°，处理能力在 联合工艺以及“浓密机+过滤”联合工艺两种.前 147th到300th1之间，尾砂浆底流质量分数最 者将尾砂浆送至旋流器，底流形成浓缩尾砂，构成 高能达到70% 最终产品：溢流则送入浓密机中进行脱水后，再同 2尾砂浓密理论研究现状 尾砂浆一同进入水力旋流器，构成一个闭合循环 后者则是先将尾砂送入浓密机中脱水，浓密机底 尾砂浓密理论是尾砂浓密技术的理论基础， 流再进入压滤机进一步脱水，尾砂最终以滤饼的 主要包含尾砂絮凝理论、床层压缩理论和重力浓 形式排出 密理论三个方面. 在上述的联合脱水工艺中，浓密机主要采用 2.1尾砂絮凝理论 高效浓密机，用于处理细颗粒尾砂，发挥澄清溢流 絮凝理论是尾砂浓密的理论基础，主要考察 水的作用.联合脱水工艺主要应用在传统的分级 絮凝剂分子对尾砂颗粒的捕捉作用.根据絮凝剂 尾砂充填、干式排尾等尾砂处置技术中 种类和数量，絮凝理论可以分为单一絮凝理论和 (2)浓密机一段脱水工艺. 多重絮凝理论， 膏体浓密机可直接处理超细颗粒含量多的全 (1)单一絮凝理论 尾砂，具有占地面积小、连续作业处理能力大、底 尾砂絮凝是向分散的悬浮胶体溶液中加入絮 流浓度高等优点.由此可见，仅采用膏体浓密机单 凝剂，通过电荷中和、吸附、架桥和交联等作用， 一设备即可处理全尾砂，能达到膏体堆存和膏体 促使水中胶体微粒聚集.尾砂絮凝影响因素众多， 充填的浓度要求，大大简化了全尾砂浓密脱水工 除絮凝剂和尾砂的自身属性外，尾砂入料浓度、入 艺，是尾砂浓密技术的重大进展，在膏体充填领域 料流量、絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度、pH值及 得到普遍应用， 剪切作用等均对尾砂絮凝沉降有影响四.目前在尾 1.3尾砂浓密机技术应用案例 砂浓密方面应用较多的主要为有机高分子絮凝 会泽铅锌矿膏体充填系统于2006年建成， 剂，其絮团生成快、颗粒大，沉降速度快刚 尾砂浓密脱水采用一段脱水工艺，这是我国第一 (2)多重絮凝理论 次采用膏体浓密机进行全尾砂浓密.该膏体浓密 多重絮凝是指采用两种或两种以上的絮凝剂/ 机直径为11m,高度为16m,有效容积为1110m3, 混凝剂对尾砂进行固液分离的过程.国内外研究 满足550m3d的平均充填量需要.尾砂浆从选厂 学者认为，相比于单聚合物，双聚合物系统在细颗 泵送而来的入料的质量分数为20%~25%，经絮凝 粒捕获和形成更大的絮团方面有显著优势，获得 沉降、浓密脱水后的尾砂浆底流质量分数可达 的上清液浊度低、絮团沉降速度快9 71%75%. 对于多重絮凝机理，目前较为流行的观点认
1.2 尾砂浓密工艺应用现状 以浓密机为核心的重力脱水工艺[11] 具有流程 短、成本低、底流浓度适中、处理能力大的优点， 得到国内外矿山充填领域的广泛应用[12] . （1） 浓密机与其他设备联合脱水工艺. 为实现尾砂高效脱水，常将不同固液分离技 术联合使用以提高脱水效率. 常见的联合脱水工 艺有多段联合脱水工艺和两段联合脱水工艺两种. 常见的多段联合脱水工艺，是运用多种设备， 将尾砂制备成滤饼. 首先，将尾砂浆送至水力旋流 器，其沉砂经过带式真空过滤或高频振动脱水筛， 脱水后得到高浓度滤饼，水力旋流器溢流排往浓 密机；浓密机进行一定脱水后提高尾砂浓度，再同 尾砂浆一同进入水力旋流器，构成一个闭合循环. 处理后得到的尾砂含水量小于 20%，但处理能力 小，适用于小型选矿厂[13] . 两段联合脱水工艺则分为“旋流器+浓密机” 联合工艺以及“浓密机+过滤”联合工艺两种. 前 者将尾砂浆送至旋流器，底流形成浓缩尾砂，构成 最终产品；溢流则送入浓密机中进行脱水后，再同 尾砂浆一同进入水力旋流器，构成一个闭合循环. 后者则是先将尾砂送入浓密机中脱水，浓密机底 流再进入压滤机进一步脱水，尾砂最终以滤饼的 形式排出. 在上述的联合脱水工艺中，浓密机主要采用 高效浓密机，用于处理细颗粒尾砂，发挥澄清溢流 水的作用. 联合脱水工艺主要应用在传统的分级 尾砂充填、干式排尾等尾砂处置技术中. （2） 浓密机一段脱水工艺. 膏体浓密机可直接处理超细颗粒含量多的全 尾砂，具有占地面积小、连续作业处理能力大、底 流浓度高等优点. 由此可见，仅采用膏体浓密机单 一设备即可处理全尾砂，能达到膏体堆存和膏体 充填的浓度要求，大大简化了全尾砂浓密脱水工 艺，是尾砂浓密技术的重大进展，在膏体充填领域 得到普遍应用. 1.3 尾砂浓密机技术应用案例 会泽铅锌矿膏体充填系统[14] 于 2006 年建成， 尾砂浓密脱水采用一段脱水工艺，这是我国第一 次采用膏体浓密机进行全尾砂浓密. 该膏体浓密 机直径为 11 m，高度为 16 m，有效容积为 1110 m 3 ， 满足 550 m3 ·d−1 的平均充填量需要. 尾砂浆从选厂 泵送而来的入料的质量分数为 20%～25%，经絮凝 沉降、浓密脱水后的尾砂浆底流质量分数可达 71%～75%. 新疆滴水铜矿由于当地气候干燥，水资源宝 贵，同时地势开阔，蒸发量大等因素，膏体堆存成 为其尾砂首选的处置方式[15] . 该矿尾砂粒度小，含 泥量高，沉降脱水困难，因此采用膏体浓密机作为 浓密设备，其直径为 18 m，侧壁深为 18 m. 膏体堆 存工艺系统投产后，日处理干矿量约 4000 t；尾砂 浆底流质量分数为 61% 左右；溢流基本为清水，回 水利用率接近 80%. Khumani 铁矿位于南非北开普省[16] . 矿山所处 地区为半干旱气候，蒸发量大，水资源匮乏，用水 受到严格的限制. 该矿为提高水资源的利用效率， 同时因地制宜，采用膏体堆存作为尾矿处置方式. 矿山选用两台浓密机，主浓密机直径为 90 m，膏体 浓密机直径为 18 m. 主浓密机可回收大部分的水， 主浓密机底流泵送至膏体浓密机进一步浓密，得 到的膏体泵送至堆存地点. 其采用的膏体浓密机 侧壁高度为 12 m，底部锥角为 30°，处理能力在 147 t·h−1 到 300 t·h−1 之间，尾砂浆底流质量分数最 高能达到 70%. 2 尾砂浓密理论研究现状 尾砂浓密理论是尾砂浓密技术的理论基础， 主要包含尾砂絮凝理论、床层压缩理论和重力浓 密理论三个方面. 2.1 尾砂絮凝理论 絮凝理论是尾砂浓密的理论基础，主要考察 絮凝剂分子对尾砂颗粒的捕捉作用. 根据絮凝剂 种类和数量，絮凝理论可以分为单一絮凝理论和 多重絮凝理论. （1）单一絮凝理论. 尾砂絮凝是向分散的悬浮胶体溶液中加入絮 凝剂，通过电荷中和、吸附、架桥和交联等作用[17] ， 促使水中胶体微粒聚集. 尾砂絮凝影响因素众多， 除絮凝剂和尾砂的自身属性外，尾砂入料浓度、入 料流量、絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度、pH 值及 剪切作用等均对尾砂絮凝沉降有影响[2] . 目前在尾 砂浓密方面应用较多的主要为有机高分子絮凝 剂，其絮团生成快、颗粒大，沉降速度快[18] . （2）多重絮凝理论. 多重絮凝是指采用两种或两种以上的絮凝剂/ 混凝剂对尾砂进行固液分离的过程. 国内外研究 学者认为，相比于单聚合物，双聚合物系统在细颗 粒捕获和形成更大的絮团方面有显著优势，获得 的上清液浊度低、絮团沉降速度快[19−21] . 对于多重絮凝机理，目前较为流行的观点认 王洪江等： 金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 为四，初次絮凝剂通过电中和/架桥作用与尾砂浆 用使得絮团之间的相互位置不断发生改变，当上 中的细颗粒结合形成初始絮团，初始絮团再与二 下部孔隙连通时，便形成导水通道.絮团之间的水 次絮凝剂结合形成最终絮团.因此，适当添加带相 分在静压力作用下，沿着导水通道上排 反电荷的聚合物，以增强絮凝效果)除了影响单 Jeldres等B7研究了颗粒物料静态沉降过程， 一絮凝剂使用效果的因素外，多重絮凝效果的主 发现了导水通道在床层表面形成的“火山口现 要影响因素还包括絮凝剂组合类型、絮凝剂添 象”，如图l所示；O'Donnell和Bayrak ta8发现了 加方式2和絮凝剂的添加顺序2等 静态浓密过程中的区域通道、主通道、交叉通道 2.2床层压缩理论 等导水通道；Du等B9在对搅拌前后絮团细观结构 床层压缩理论是尾砂浓密的重要依据，主要 变化的研究中，发现了“蜂房结构”和搅拌产生的 考察静态/动态压缩条件下，絮团变形过程中的固 瞬时导水通道.对于导水通道的尺寸、存在时间、 液分离.床层压缩理论主要包括静态/动态絮团压 连通度与絮网结构的关系等还需要进一步探索 缩变形理论、剪切导水理论等 (1)静态/动态絮团压缩变形理论 Volcano 絮团压缩变形是指在重力作用下，一定厚度 的絮团得到压缩，并释放其内部水分，实现尾砂与 水进一步分离.絮团压缩方式主要分为静态压缩 Crater 和动态压缩两种，静态压缩主要研究形成网状结 构的絮团，进入压密区域后，因重力作用发生尾砂 脱水的现象.静态压缩研究中，絮团结构强度和内 部含水量是影响脱水效果的重要因素27-2刘动态 压缩研究，除了借助絮团本身的重力作用外，还通 国1某颗粒物料静态沉降导水通道与火山口现象 过浓密机耙架的剪切作用，进一步改善压密区床 Fig.1 Water channel and the volcanic phenomenon of static 层的脱水效果.此时，剪切作用比重力作用的影响 sedimentation of a granular material 更大、耙架结构、转速]等也是影响尾砂脱水 2.3重力浓密理论 效果的主要因素 重力浓密理论是尾砂浓密的根本原因.重力 为了进一步探讨絮团压缩变形的内在规律， 浓密理论主要包括C-C沉降理论、Kytch沉降理 国内外学者针对浓密机内不同阶段絮团的形成和 论、B-W沉降理论及不同理论的扩展研究等O 演化展开研究.Gladman等B自制尾砂浓密物理 2.3.1C-C沉降理论 模拟实验平台，开展了剪切环境对压缩絮团影响 Coe-Clevenger沉降理论（简称C-C沉降理 的研究，剪切作用显著提高了高岭土底流浓度 论)是基于斯托克斯定律(Stokes law),对单个 Comings等B]研究表明，浓密机耙架能够改善压 颗粒行为进行研究而提出的.该理论认为，在整个 密区尾砂浓密效果，其主要影响因素是耙子转速 自由沉降期间，沉降速度是浓度的函数.将沉降模 和浓密机底部锥角.Usher和Scales!研究获得了 型分为四大区域，包括澄清区、干涉沉降区、过渡 类似的结论，耙架转速和锥角的提高能够获得更 区和压密区.澄清区的固体浓度非常低，尾砂絮团 高浓度的底流.Gladman等研究表明，机械搅拌 以最大的速率沉降，絮团之间互不干涉：干涉沉降 能够提高压密区尾砂脱水速度，扩大尾砂脱水区域 区的固体浓度较低，尾砂絮团快速沉降，沉降过程 (2)剪切导水理论 中絮团之间发生轻微干涉，但未形成连续网状结 剪切导水理论是絮团压缩变形理论的有力补 构；过渡区的固体浓度逐渐提高，尾砂絮团沉降速 充，主要分析压缩床层内部水分流出的通道.该理 度逐渐降低，絮团之间的干涉作用增强，絮网结构 论认为，在自然沉积状态下，床层下部水分均匀 介于沉降区和压密区之间：压密区的固体浓度很 分布，絮团之间水和絮团内部水均呈稳定状态.水 高，沉降速度变得非常小，尾砂絮团之间相互接 分相互无法连通，与絮团形成静力平衡.侧向搅拌 触、支撑，形成连续网状结构 时，搅拌产生压力作用和拉力作用，打破了絮团与 在一组沉降实验中，随着时间的延长，固体浓 水之间的静力平衡，破坏了絮团自身结构，絮团内 度由初始浓度逐步增加至底流浓度；沉降速度逐 部水分释放，并在局部集中.同时，搅拌的扰动作 步降低，造成固体通量呈升高-降低-升高的变化
为[22] ，初次絮凝剂通过电中和/架桥作用与尾砂浆 中的细颗粒结合形成初始絮团，初始絮团再与二 次絮凝剂结合形成最终絮团. 因此，适当添加带相 反电荷的聚合物，以增强絮凝效果[23] . 除了影响单 一絮凝剂使用效果的因素外，多重絮凝效果的主 要影响因素还包括絮凝剂组合类型[24]、絮凝剂添 加方式[25] 和絮凝剂的添加顺序[26] 等. 2.2 床层压缩理论 床层压缩理论是尾砂浓密的重要依据，主要 考察静态/动态压缩条件下，絮团变形过程中的固 液分离. 床层压缩理论主要包括静态/动态絮团压 缩变形理论、剪切导水理论等. （1）静态/动态絮团压缩变形理论. 絮团压缩变形是指在重力作用下，一定厚度 的絮团得到压缩，并释放其内部水分，实现尾砂与 水进一步分离. 絮团压缩方式主要分为静态压缩 和动态压缩两种. 静态压缩主要研究形成网状结 构的絮团，进入压密区域后，因重力作用发生尾砂 脱水的现象. 静态压缩研究中，絮团结构强度和内 部含水量是影响脱水效果的重要因素[27−29] . 动态 压缩研究，除了借助絮团本身的重力作用外，还通 过浓密机耙架的剪切作用，进一步改善压密区床 层的脱水效果. 此时，剪切作用比重力作用的影响 更大. 耙架结构[30]、转速[31] 等也是影响尾砂脱水 效果的主要因素. 为了进一步探讨絮团压缩变形的内在规律， 国内外学者针对浓密机内不同阶段絮团的形成和 演化展开研究. Gladman 等[32] 自制尾砂浓密物理 模拟实验平台，开展了剪切环境对压缩絮团影响 的研究，剪切作用显著提高了高岭土底流浓度. Comings 等[33] 研究表明，浓密机耙架能够改善压 密区尾砂浓密效果，其主要影响因素是耙子转速 和浓密机底部锥角. Usher 和 Scales[34] 研究获得了 类似的结论，耙架转速和锥角的提高能够获得更 高浓度的底流. Gladman 等[35] 研究表明，机械搅拌 能够提高压密区尾砂脱水速度，扩大尾砂脱水区域. （2）剪切导水理论. 剪切导水理论是絮团压缩变形理论的有力补 充，主要分析压缩床层内部水分流出的通道. 该理 论认为[36] ，在自然沉积状态下，床层下部水分均匀 分布，絮团之间水和絮团内部水均呈稳定状态. 水 分相互无法连通，与絮团形成静力平衡. 侧向搅拌 时，搅拌产生压力作用和拉力作用，打破了絮团与 水之间的静力平衡，破坏了絮团自身结构，絮团内 部水分释放，并在局部集中. 同时，搅拌的扰动作 用使得絮团之间的相互位置不断发生改变，当上 下部孔隙连通时，便形成导水通道. 絮团之间的水 分在静压力作用下，沿着导水通道上排. Jeldres 等[37] 研究了颗粒物料静态沉降过程， 发现了导水通道在床层表面形成的“火山口现 象”，如图 1 所示；O’Donnell 和 Bayrak [38] 发现了 静态浓密过程中的区域通道、主通道、交叉通道 等导水通道；Du 等[39] 在对搅拌前后絮团细观结构 变化的研究中，发现了“蜂房结构”和搅拌产生的 瞬时导水通道. 对于导水通道的尺寸、存在时间、 连通度与絮网结构的关系等还需要进一步探索. Volcano Crater 图 1 某颗粒物料静态沉降导水通道与火山口现象 Fig.1 Water channel and the volcanic phenomenon of static sedimentation of a granular material 2.3 重力浓密理论 重力浓密理论是尾砂浓密的根本原因. 重力 浓密理论主要包括 C−C 沉降理论、Kytch 沉降理 论、B−W 沉降理论及不同理论的扩展研究等[40] . 2.3.1 C−C 沉降理论 Coe−Clevenger 沉降理论 （简 称 C−C 沉降理 论 ）[41] 是基于斯托克斯定律（Stokes law），对单个 颗粒行为进行研究而提出的. 该理论认为，在整个 自由沉降期间，沉降速度是浓度的函数. 将沉降模 型分为四大区域，包括澄清区、干涉沉降区、过渡 区和压密区. 澄清区的固体浓度非常低，尾砂絮团 以最大的速率沉降，絮团之间互不干涉；干涉沉降 区的固体浓度较低，尾砂絮团快速沉降，沉降过程 中絮团之间发生轻微干涉，但未形成连续网状结 构；过渡区的固体浓度逐渐提高，尾砂絮团沉降速 度逐渐降低，絮团之间的干涉作用增强，絮网结构 介于沉降区和压密区之间；压密区的固体浓度很 高，沉降速度变得非常小，尾砂絮团之间相互接 触、支撑，形成连续网状结构. 在一组沉降实验中，随着时间的延长，固体浓 度由初始浓度逐步增加至底流浓度；沉降速度逐 步降低，造成固体通量呈升高−降低−升高的变化 · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期