随着科学技术的快速发展，矿产资源的开发利用程度不断提高，但同时也产生了大量的固体废弃物。充填采矿法不仅能够有效回收利用固体废弃物，而且在改善地压环境方面发挥着重要作用，为实现矿山绿色开采提供了一条有效途径（Wang et al.，2008）。在充填料浆制备过程中，尾砂浓密脱水浓缩作为井下高效充填的关键环节（焦华喆等，2010），其工艺参数选择尤为重要。为了加快尾砂沉降速率并获得适宜的底流浓度，通常采用加入絮凝剂的方法来提高尾砂浓缩效率，加速脱水浓缩过程。

絮凝剂是一种通过物理化学作用使细微颗粒聚集的药剂，在矿山领域，常将絮凝剂的化合物类型划分为有机高分子絮凝剂、无机絮凝剂、矿物类助凝剂和微生物絮凝剂，以及部分复合絮凝剂，如：高分子无机—有机复合絮凝剂等。针对不同类型的尾矿，选用的絮凝剂及其添加量不尽相同，目前国内外学者采用多因素耦合试验方法研究入料浓度、絮凝剂种类和絮凝剂添加量对尾砂沉降效果的影响规律。同时，通过核磁共振、电镜扫描等技术手段对絮凝剂使用效果进行微观、细观等多层面、多角度分析。Wang et al.（2020）和Zhu et al.（2018）利用电镜扫描和激光粒度分析等技术，发现粗尾砂粒与絮凝结构结合，导致絮凝过程中尾砂的加速沉降；吴爱祥等（2016）利用Design-Expert 软件分析并筛选影响全尾砂絮凝沉降的重要因素，考察多因素耦合条件下尾砂的沉降特征及规律。还有学者通过控制变量等方式研究絮凝剂种类及单耗、矿浆浓度等因素对沉降效果的影响规律（王星等，2008；李金鑫等，2021；张美道等，2020）；也有学者通过改变絮凝剂种类及单耗等因素，揭示了絮凝剂种类及单耗对絮凝沉降效果的影响规律，以及有机、无机和复合絮凝剂的作用机理（Fan et al.，2020；康虔等，2019；孙浩等，2021）。刘奇等（2021）、朱建国等（2020）和隋璨等（2020）通过研究中值粒径、-200目粒径含量对絮凝沉降速度的影响，揭示了尾砂粒径对絮凝沉降的影响规律及作用机理。此外，刘奇等（2021）研究了尾砂粒级及密度对底流浓度和单位面积固体通量的影响，并通过回归分析推导了尾砂中值粒径与底流浓度改变量的方程。

目前，全尾砂絮凝沉降的研究主要集中在絮凝剂的种类及单耗等因素，对于尾砂本身物理性质造成的影响规律大多是基于单一因素的研究。然而，由于不同尾砂的物理化学性质不同，最终在尾砂比重、粒级组成等因素上显示出对沉降效果影响的差异性，为探究各因素对尾砂絮凝沉降效果的影响作用，通过研究絮凝剂尾砂比重、中值粒径和-200目粒径含量3种因素对沉降速度和底流浓度的影响规律，为矿山选择适当的絮凝沉降参数提供参考。

（1）尾砂。为研究尾砂物理特性对沉降效果的影响规律，采用4种不同类型的全尾砂开展试验研究，4种尾砂的物理特性和粒级组成分别见表1和图1。

（2）絮凝沉降原理。克托克斯定律（王桂连，2007）认为，在悬浮液中，固体颗粒的自由沉降速度与其直径的平方成正相关，表达式为

式中：v为颗粒自由沉降速度；g为重力加速度；η 为液体黏度；ρ_s为颗粒密度；ρ₁为液体密度；d为颗粒直径。

絮凝剂的作用原理是基于“架桥”原理，如图2所示，尾砂颗粒相互碰撞并在絮凝剂长链作用下吸附桥连在一起（郭佳宾等，2021；史秀志等，2010），其网捕颗粒形成的絮团结构密度大于颗粒本身在砂浆中的密度，随着网捕颗粒的增多，沉降速度随之增加。为了达到更好的沉降效果，以更好地指导实际生产，本试验选用一种常用的矿山絮凝剂AN934SH进行絮凝沉降试验，研究尾砂浆中固体颗粒大小对其絮凝沉降效果的影响。

（3）试验仪器。试验所需的主要仪器有30目~400目筛网、1 000 mL烧杯、1 000 mL量筒、玻璃棒、电动搅拌器、高精度电子秤、1 000 mL烧瓶、秒表和坐标纸。

将采集的尾砂样品放置于烘箱中烘干，并将其碾细。取一定量的碾磨样品，通过水筛分方法从30目向下筛至400目，再通过脱水、烘干，确定每种尾砂的粒径分布，同时通过激光粒度分析等手段得到尾砂的粒级组成。取300 g水加入烧杯中，放置于搅拌器下，控制搅拌速度为100~300 r/min，待搅起漩涡后分多次加入1#絮凝剂搅拌60~120 min，直至没有成团絮凝剂，配成浓度为0.1%的絮凝剂溶液。配置浓度为20%的尾砂浆，倒入贴有坐标纸的量筒中，设置入料浓度为40 g/t，加入絮凝剂溶液，开始计时，观察固液分离界面下降高度，计算底流浓度。按上述步骤，进行不同尾砂的试验并记录数据，并与无絮凝剂加入的全尾砂沉降试验进行对比，试验过程如图3所示。

试验考察指标主要为沉降速度和底流浓度，沉降速度主要是指单位时间内固液分离界面的下降高度。底流浓度是指沉降一定时间后，当尾砂浆固液分离界面下降至极限，底部压实尾砂浆的浓度即为底流浓度，是尾砂浓密性能的关键技术参数（牛鹏等，2019；郑伯坤等，2018），底流浓度计算公式如下：

式中：C底流为底流浓度；W砂为料浆中尾砂质量；W水为料浆中水的质量；w水为上部澄清水柱质量。

确定尾砂入料浓度为20%，絮凝剂单耗为40 g/t，分别对4种尾砂分别进行絮凝沉降试验，试验结果如图4所示。

为了比较不同尾砂的沉降效果，取前5 min固液分离界面快速下降阶段的平均沉降速度作为考察指标进行对比。由图4（a）可知，加入絮凝剂后，尾砂的沉降过程是一个快速沉降并逐渐趋于平稳的过程，4种尾砂的固液分离界面高度均在前200 s内快速下降，随后缓慢下降并最终稳定在一个固定高度，4种尾砂最终的固液分离界面高度由高到低依次为4号尾砂>3号尾砂>1号尾砂>2号尾砂。从图4（b）可以看出，4种尾砂的沉降速度变化量由高到低依次为2号尾砂>4号尾砂>1号尾砂>3号尾砂，絮凝沉降速度的变化是一个先快速降低、然后不断衰减及最终趋近于0的过程，描述了尾砂浆加入絮凝剂后从快速下降阶段到减速直至停止下降的过程。产生该现象的原因是在尾砂浆中加入絮凝剂后，首先絮凝剂的高分子链对尾砂颗粒进行捕捉，并形成絮团结构，导致了前期的快速下降，而后随着絮团结构接近饱和，不再捕捉颗粒，且上层溶液逐渐稀释，沉降速度逐渐减慢，最后上层溶液稀释至澄清结构，呈现出固液界面不再下降，即沉降速度最终趋近于0的现象。由表1可知，1~4号尾砂比重分别为2.91、3.11、2.93和2.79。如图4所示，尾砂的固液界面下降高度以及沉降速度与尾砂比重均没有明显的单调相关性。如图5（a）所示，从尾砂比重和平均沉降速度来看，二者不存在明显的单因素相关性，而尾砂比重和底流浓度的变化关系及拟合得到的方程如图5（b）所示。

由图6（a）可见，平均沉降速度随尾砂中值粒径的增加而逐渐增大，通过线性拟合得到方程y=0.031+0.031x₂，拟合程度较高，而中值粒径与底流浓度通过非线性回归得到拟合方程y=38.74x^0.147，拟合的负相关系数为0.93，中值粒径与尾砂底流浓度的非线性相关性高，如图6（b）所示。

-200目粒径含量与沉降速度、底流浓度之间的关系如图7所示。由图7可知，沉降速度随着-200目粒径含量的增加呈现出明显的下降趋势，这是由于尾砂中小颗粒占比增多。如图8所示，当大颗粒占比较少时，絮凝剂高分子长链捕获的颗粒大多为小颗粒，此时絮团结构中空隙较大，同时颗粒之间连接疏松，导致絮团结构密度较小，接近液体本身，使得沉降速度较慢。而随着大颗粒的增加，形成的絮团结构中大小颗粒填充密实，使絮团结构连接紧密，密度较大，体积增大，沉降速度也随之增大。

由图7可知，随着-200目粒径含量的增加，底流浓度随之减小，二者之间的变化规律表现为一条平滑的下降曲线。试验结果表明，虽然絮凝剂的加入有利于加速尾砂浆中固体颗粒的沉降，但同时形成的絮团结构具有一定的锁水效应，导致最终沉底的絮团含水量较高。而当砂浆中固体颗粒较小时，如图8所示，小颗粒形成的絮团结构含水量高于大小颗粒组合密实的絮团结构含水量，进而造成最终的底流浓度较低。

通过对尾砂比重、中值粒径、-200目粒径含量等因素与沉降效果的单因素相关性进行分析，得到了各项因素对尾砂沉降效果的影响规律。同时，为了对比3种因素对沉降速度和底流浓度的相关性及影响大小，对3种因素进行多因素线性拟合，在不考虑因素间交互作用的前提下，研究其对沉降效果的影响规律。

通过多元线性回归对尾砂浆前5 min平均沉降速度和3种因素进行拟合，得到回归方程如式（3）所示，方程的负相关系数为0.631，认为其相关性较弱，该方程无法明确地描述3种因素与沉降速度之间的关系。对拟合结果进行分析得到各因素的显著性（表2），显著性数值越小，表明该因素对拟合结果的影响越大，从表2可以看出，在不考虑3种因素交互作用的前提下，其中-200目粒径含量对沉降速度的影响最大。通过对比3种因素的影响系数，对于沉降速度的影响程度，-200目粒径含量>中值粒径>尾砂比重，但由于方程负相关系数较小，该结果准确程度有待考量，后续试验中可以考虑交互作用下的影响程度研究。

式中：v为尾砂平均沉降速度（mm/s）；x1为尾砂比重；x2为中值粒径（μm）；x3为-200目粒径含量。

在不考虑交互作用的前提下，对3种因素以及底流浓度进行多元线性回归拟合，回归方程如式（4）所示，方程的负相关系数R²=0.838，三因素的显著性分析结果如表3所示。由表3可以看出，尾砂中值粒径对底流浓度的影响大于另外2个因素，即中值粒径与底流浓度的相关性最高。通过数值对比，认为在絮凝沉降的过程中，对底流浓度的影响程度上，中值粒径>-200目粒径含量>尾砂比重。

式中：C底流为底流浓度；x1为尾砂比重，x2为中值粒径（μm）；x3为-200目粒径含量。

通过开展絮凝沉降试验，研究了尾砂比重等因素对絮凝沉降的影响规律，得出如下结论：

（1）在絮凝沉降过程中，尾砂比重与沉降速度、底流浓度的变化规律没有明显的单调性，本试验所采用的4种尾砂的比重对试验结果的影响并不显著。

（2）尾砂中值粒径与沉降速度、底流浓度成正相关，随着-200目粒径含量的增加，尾砂的平均沉降速度和底流浓度呈明显下降趋势，试验结果表明，在一定范围内，颗粒粒径的增大可以增加絮凝沉降速度和底流浓度，表明中值粒径对尾砂浓缩效率的影响较大。

（3）在不考虑交互作用的前提下，通过多元线性回归对试验结果进行分析，结果表明-200目粒径含量对全尾砂絮凝沉降速度的影响程度较大；对底流浓度的影响上，中值粒径的影响较大。综上所述，在尾砂浓缩过程中，粒径大小对浓缩效果的影响较为显著。