粘性磷酸盐尾矿浆静置沉降行为及其宏细观响应特征

《Frontiers in Earth Science》：Settling behavior and macro–mesoscopic response characteristics of viscous phosphate tailings slurry under quiescent conditions

　　

摘要 引言： 细颗粒粘性磷酸盐尾矿浆含有高比例的细颗粒，在沉降过程中表现出弱塑性稠度和显著的结构敏感性，导致其行为不同于传统的粗颗粒尾矿。这种行为对尾矿浓缩、澄清回水及后续安全储存具有重要意义。 方法： 研究人员采用通过75微米筛网的磷酸盐尾矿部分，制备了不同固体质量浓度的悬浮液，进行了静置沉降试验。将宏观沉降指标与基于图像的细观观测相结合。 结果： 在不添加絮凝剂的情况下，表观界面高度、区间平均表观界面速度、澄清区浊度、归一化表观界面迁移量以及图像导出的二维孔隙面积比均表现出强烈的阶段性响应特征。研究识别出三个阶段：0-5分钟的快速表观界面形成阶段、5-30分钟的过渡区调整与聚集体重排阶段、以及30分钟后的界面逐步稳定伴随表观沉积层密实阶段。较高浓度组表现出更快的早期表观界面迁移，但最终界面位置更高，且120分钟时的浊度也更高。 讨论： 表观界面迁移、上清液澄清、过渡区调整以及下部沉积层发育是沉降响应的相关但非等效的方面。它们的综合解释为评估细颗粒磷酸盐尾矿浆在静置低固含量条件下的自然沉降与澄清行为提供了实验基础。

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一、研究背景与研究意义

尾矿浆的自然沉降行为直接影响浓缩脱水效率、澄清水回收利用、尾矿库安全储存以及膏体充填等工艺过程。与常规粗颗粒尾矿不同，本研究所涉及的磷酸盐尾矿浆含有高比例的细颗粒，表现出弱塑性稠度、保水倾向以及在沉降过程中显著的浓度依赖性结构演化特征。这些特性可能导致澄清缓慢、形成较厚的过渡区以及后期结构调节时间延长。以往研究表明，细粒尾矿浆常呈现低沉降速率、上清液澄清慢、过渡区相对较厚以及后期压缩不充分等问题，表明其沉降过程与沉积和固结行为密切相关。然而，现有研究多集中于添加絮凝剂的沉降、浓缩强化或一般尾矿浆的沉积行为，而对未添加絮凝剂的粘性磷酸盐尾矿浆在静置条件下的自然沉降过程关注相对有限。因此，理解粘性磷酸盐尾矿浆的自然沉降行为对于改善料浆浓度控制和优化浓缩脱水性能具有重要意义。

二、研究方法

研究人员选取云南磷化集团选矿排放的磷酸盐尾矿为实验材料，经自然风干、破碎、筛分后，取通过75 μm筛网的部分用于料浆配制。采用激光衍射法测定该部分的粒度分布，特征粒径分别为 D₁₀ = 5.442 μm、D₅₀ = 25.169 μm、D₉₀ = 58.898 μm。通过X射线衍射（XRD）分析确定矿物组成主要为白云石（52.1%）、石英（16.6%）、石膏（11.7%）、氟磷灰石（9.9%）和钠长石（9.7%）。采用液限、塑限试验测定稠度指标，液限为24.06%，塑限为12.09%，塑性指数（PI）为11.97%。扫描电子显微镜（SEM）观察显示颗粒形态不规则、棱角分明、表面粗糙。实验设置五个固体质量浓度组（15%、16%、17.5%、19%、20%），在1 L透明玻璃量筒中进行静置沉降试验。利用相机记录整体沉降过程并读取表观界面高度，使用Lichen WGZ-1A型浊度仪测量澄清区浊度，并使用Leyue Z01-5型手持数码显微镜获取典型区域的细观图像。通过ImageJ软件对细观图像进行二值化处理，计算图像导出的二维孔隙面积比。

三、研究结果

3.1 粘性磷酸盐尾矿浆表观沉降界面高度的演化特征

通过对五组浓度料浆的表观界面高度随时间变化的监测发现，初始界面高度均为32 cm。在0-5分钟内，较高浓度组的界面下降更快，表明早期存在浓度依赖性的集体迁移响应。随着沉降进行，各组差异从早期界面迁移速率转向剩余表观界面位移。5-30分钟期间，所有组别界面持续下降，但较低浓度组保留了更大的中间阶段界面位移。30分钟后，界面变化明显减慢。至120分钟时，较低浓度组表现出更大的表观床层收缩。结果表明，料浆浓度在测试范围内具有阶段性影响：高浓度组早期表观界面迁移更快，但中后期剩余界面位移更小；低浓度组则相反。

3.2 区间平均表观界面速度的衰减规律

区间平均表观界面速度结果显示，初始阶段各组的界面速度较高，且随浓度增加而增大。例如，在0-1分钟区间，15%至20%浓度组的表观界面速度从2.59 cm/min增至4.01 cm/min。到10分钟结束时，各组速度已降至约1.5 cm/min，组间差异变小。10-30分钟期间，速度继续下降，系统逐渐从快速界面迁移转变为过渡区调整和颗粒重排。30分钟时，各组速度降至0.13至0.026 cm/min。120分钟时，所有组别的速度均接近零，表明主要的宏观界面迁移过程基本完成。

3.3 粘性磷酸盐尾矿浆澄清区浊度衰减与澄清行为

澄清区浊度的时间变化曲线显示，较高料浆浓度导致更高的1分钟浊度，并且需要更长的时间达到相同的澄清水平。1分钟时，15%至20%浓度组的浊度分别为2658、2827、3168、3469和3692 NTU。前10分钟是澄清最剧烈的阶段，到10分钟时浊度已急剧下降至157-485 NTU。30分钟时，浊度进一步降至11-52 NTU，表明上清液的主要澄清过程基本完成。此后，各组浊度缓慢下降。至120分钟时，较低浓度组表现出更低的浊度，而较高浓度组在澄清区残留了更多的悬浮细颗粒。

3.4 粘性磷酸盐尾矿浆的空间分层特征

基于沉降过程中的图像记录，研究人员观察到三个典型的空间区域逐渐形成：上部澄清区、中部过渡区和下部沉积区。0-10分钟是空间分层快速发展的主要阶段。较高浓度组中，较短的颗粒间距可能促进了早期协调向下迁移，但更强的颗粒拥挤导致了较厚的过渡区、较慢的澄清和较小的剩余界面位移。60-120分钟期间，澄清区扩大，过渡区收缩，下部沉积层视觉上趋于稳定。360分钟的图像显示，相对于120分钟，整体分层格局无明显变化。

3.5 宏观沉降指标与细观结构演化的关系

为了表征不同料浆浓度下表观界面迁移的相对进程，研究人员定义了归一化界面迁移度 S(t)。结果显示，所有浓度组的 S(t) 均呈现相似的时序模式：早期快速增长，中期增速减缓，后期逐步趋近于1。0-5分钟内，S(t) 增至0.375-0.541，表明此期间完成了0-120分钟总表观界面位移的37.5%-54.1%。5-30分钟期间，S(t) 继续增长但速率显著降低，系统进入以过渡区调整和聚集体重排为主的阶段。30分钟时，S(t) 已达0.919-0.988，表明超过90%的相对位移已完成。细观图像分析显示，不同空间区域的表观形态各异。澄清区可见悬浮颗粒较少；表观水-浆界面形成澄清液体与下方浑浊浆体之间的过渡边界；过渡区含有更多正在进行缓慢迁移和重排的细颗粒与聚集体；下部沉积区颗粒堆积更为连续，图像尺度结构显得更致密。对典型区域的图像进行二值化处理后得到的二维孔隙面积比数据表明，下部沉积区的孔隙面积比从2分钟的2.51%逐步降至120分钟的0.80%；表观水-浆界面的孔隙面积比从7.74%降至2.50%；过渡区的孔隙面积比则先从3.55%升至10分钟时的5.23%（可能与初期聚集体的松散堆积有关），随后又降至120分钟时的2.80%。

四、讨论与结论

讨论部分指出，表观界面迁移、上清液澄清、过渡区调整和下部沉积层发育是沉降响应中相互关联但不等效的方面。没有任何单一指标能够独立地表征沉降系统时空演化的所有方面。研究人员认为，粘性磷酸盐尾矿浆的自然沉降过程可划分为三个阶段：第一阶段（0-5分钟）为快速表观界面形成期，主要表现为颗粒和初始聚集体从悬浮状态向下迁移，同时上部澄清区开始形成，水-浆界面逐渐显现，下部沉积区开始发展初始沉积骨架；第二阶段（5-30分钟）为过渡区调整和聚集体重排期，此时沉降不再仅由快速颗粒迁移控制，而是逐渐转变为涉及过渡区调整、聚集体重排和沉积结构生长的耦合过程；第三阶段（30分钟后）为界面逐步稳定伴随表观沉积层密实期，宏观界面接近稳定，界面速度接近零，澄清区浊度低，局部颗粒重排、孔隙水排出和沉积体进一步密实可能在底部沉积层内继续进行。

研究结论： 在不添加絮凝剂的条件下，表观界面高度、区间平均表观界面速度、澄清区浊度、归一化表观界面迁移量以及图像导出的二维孔隙面积比均表现出强烈的阶段性响应特征。研究识别出三个阶段：0-5分钟的快速表观界面形成阶段，5-30分钟的过渡区调整与聚集体重排阶段，以及30分钟后的界面逐步稳定伴随表观沉积层密实阶段。较高浓度组表现出更快的早期表观界面迁移，但最终界面位置更高，且120分钟时的浊度也更高。表观界面迁移、上清液澄清、过渡区调整以及下部沉积层发育是沉降响应的相关但非等效的方面。它们的综合解释为评估细颗粒磷酸盐尾矿浆在静置低固含量条件下的自然沉降与澄清行为提供了实验基础。