将全尾砂分级为粗、细尾砂后分别进行脱水，能很好地解决深锥浓密机压耙、尾砂板结、存储功能有限和运行不稳定（Wu et al.，2019；李辉等，2013；杨莹等，2019）等问题，同时显著降低深锥浓密机的体积和运营成本。通过在浓密沉降后的尾砂浆体中添加分级粗尾砂，进行尾砂重组，可用于制备不同需求的原料膏体，同时降低了对深锥浓密机底流浓度的要求，并形成了相关的工艺技术及装备（刘超等，2022），在个别矿山得到推广和应用。

尾砂的沉降效果与自身粒径大小的关系较为密切（王邦策等，2022），与全尾砂或分级粗尾砂相比，超细尾砂的粒径小，总体上呈粉末状，存在难沉降、沉降速度慢（阮竹恩等，2014；曹三六等，2018；侯贺子等，2019），沉降溢流水浓度过高、底流浓度不达标，以及尾砂利用率低、充填项目无法连续作业等问题（Li et al.，2019；卞继伟等，2017）。近年来，诸多学者在超细尾砂絮凝沉降方面进行了大量的研究。李立涛等（2017）对鞍钢铁矿超细全尾砂开展料浆沉降速率与絮凝浓密机理试验研究，揭示了不同絮凝剂掺量对全尾砂浆沉降速率的影响。王勇等（2013）以某铜尾矿为试验对象，提出将絮凝剂添加量划分为低、合适、高和超高4个区间，并研究每个区间的尾砂浓密影响机理。诸利一等（2021）以山东某金矿超细粒全尾砂为研究对象，以最大沉降平均速度、最终沉降浓密时间和极限底流浓度为指标，对尾砂入料浓度、絮凝剂分子量、絮凝剂单耗量和絮凝剂溶液浓度进行研究，并对影响尾砂絮凝效果的因素进行了大小排序。李金鑫等（2021）采用静态絮凝沉降试验，对某矿细粒级全尾砂的沉降规律进行研究，以固液分离界面的沉降速度、全尾砂的底流浓度及单位面积固体处理量的数据结果进行数学建模，确定最佳的絮凝沉降方案。王新民等（2014）以絮凝剂单耗、料浆浓度和絮凝剂浓度作为输入因子，沉降速度和极限浓度作为输出因子，建立BP神经网络预测模型，优化得到最优超细全尾砂絮凝沉降参数。

上述研究基本是以沉降速度和底流浓度作为判断依据，较少考虑上澄清液浊度。而在实际生产过程中，因为上澄清液要循环利用，对上澄清液的排放有严格的要求，所以，以沉降速度和底流浓度为判断依据对于超细尾砂沉降脱水的应用存在局限性。同时，在超细尾砂沉降试验过程中，沉降界限不明显，得到的沉降曲线也不可靠（周兴龙等，2005）。底流浓度主要是以量筒中的沉降面高度直接计算或取出底流后烘干称重得到，若不采用特殊装置，这2种方法无法做到准确读取沉降高度或在获取底流过程中不扰动尾砂底流。而上澄清液的清澈程度也能反映出尾砂沉降的效果，若能借助设备直接获取到上澄清液，再利用仪器读取浊度值，整个试验过程减少了很多人为因素导致的误差，提高了试验的精确性和数据的可靠性。

为此，提出将上澄清液浊度作为尾砂浓密沉降效果的主要判断依据，再综合考虑沉降速度和絮凝剂成本，进行絮凝剂类型选择和掺量优化试验。

试验使用的分级细尾砂由某萤石矿提供。利用德国BRUKER S1 TITAN MODEL 600光谱分析仪对尾砂的化学元素组成及含量进行分析，结果见表1。采用比重瓶法、自然堆积和密实堆积定容称重法测定尾砂基本物理量，得到其比重为2.615 t/m³，松散容重为0.927 t/m³，密实容重为1.179 t/m³，计算得出的松散孔隙率为64.5%，密实孔隙率为54.8%。利用LS13320型激光粒度仪测定尾砂粒级分布，结果如图1所示。利用德国BRUKER D8 ADVANCE X射线衍射仪对尾砂进行XRD分析，结果见图2。

由图1可知，尾砂d₁₀=5.929 μm，d₅₀=24.82 μm，d₉₀=57.72 μm，其中-75 μm的颗粒累计含量为96.79%，-20 μm的颗粒累计含量为44.21%，属于超细尾砂（吴爱祥等，2019）；计算得出的不均匀系数C_u为4.687，小于5，说明尾砂颗粒粒径均匀，为不连续级配，且基本都是细颗粒，存在脱水困难和不容易沉降的问题。由NOVA3200e型比表面积分析仪测得尾砂比表面积为9.661 m²/g，其内部孔隙较少。由图2可知，该超细尾砂的主要矿物成分为石英，其在尾砂中以不规则的颗粒呈现，可较好地与胶凝材料结合。由表1可知，有害成分S、P、C和影响充填体强度的MgO含量较低，有利于充填体强度发展的Si、Ca、Al和O含量较高，可用于充填。

为了研究超细尾砂自由沉降效果，设置3组对比试验，分别为无絮凝剂、添加质量浓度为45 g/t的1 600万阴离子絮凝剂和添加质量浓度45 g/t的1 800万阴离子絮凝剂试验方案，预制尾砂浆浓度为8%。利用1 000 mL量筒进行超细尾砂静态沉降试验，记录澄清层液面的沉降高度，绘制沉降高度与沉降时间的关系曲线，如图3所示。尾砂自由沉降和絮凝沉降过程如图4所示。

由图3可知，自由沉降中超细尾砂沉降速度慢。在20 min左右，2组絮凝沉降试验的尾砂沉降高度趋于稳定，接近30 min时，3组试验的沉降高度都小于1 mm，差别不明显。由图4（a）可以看出，自由沉降的各个沉降区比较模糊，上澄清液浑浊，沉降高度界限不明显，量筒内壁液面表层附着着些许尾砂泡沫难以沉降。在图4（b）中，即使沉降高度趋于稳定，上澄清液仍有大小不一的絮团（图中用红圈标出）在缓慢下沉，到了30 min后才逐渐稳定。所以，为了加速尾砂沉降并保证上清液清澈，须添加絮凝剂。

参考相关文献（甘德清等，2017；李宗楠等，2014），并结合矿山经验，从诸多类型的絮凝剂中，选择适用于细尾砂沉降的聚丙烯酰胺阴离子、阳离子和非离子絮凝剂，以沉降后的上澄清液浊度作为判断依据，最后根据试验结果选出更适合于该超细尾砂浓密沉降的絮凝剂，同时确定沉降的试验时间。尾砂与水混合阶段和尾砂浆与絮凝剂反应阶段使用六联搅拌器进行，如图5所示。将配制好的一定浓度的尾砂料浆投入六联搅拌器中搅拌，待搅拌均匀并稳定后，再定量加入配制好的絮凝剂溶液。搅拌桨在尾砂和水混合阶段的转速为250~300 r/min；为了不打断絮凝剂的长分子链，尾砂浆与絮凝剂反应阶段的转速控制在40~50 r/min，搅拌时间为5 min。停止搅拌后，静止沉淀至一定时间，分别取出100 mL的上澄清液测定浊度。为提高试验结果的可靠性和精确性，使用浊度仪测定上澄清液浊度。

根据超细尾砂的性质，结合旋流器分级后的浓度，设置预制尾砂浆浓度为8%。选择无絮凝剂、聚丙烯酰胺阴离子1 800万、阳离子1 800万和非离子1 800万，掺量分别为20 g/t和30 g/t，沉降时间为30，60，90 min，进行沉降试验，结果如图6所示。

由图6可知，相比其他2种类型的絮凝剂，阴离子絮凝剂的浊度更低，说明其沉降效果更好。当沉降时间为30 min时，絮凝沉降的浊度比自由沉降（无絮凝剂）的浊度低，而沉降时间为60 min时结果则相反。原因在于试验测的是尾砂沉降后的上澄清液浊度，而浊度主要与液体中的悬浮体含量有关，添加了絮凝剂的尾砂颗粒被长分子链连接，有助于促进沉降但也存在制约作用，无絮凝剂添加的尾砂从始至终做的是自由沉降，不受絮凝剂限制，所以相比之下，只要沉降时间够久，测出的浊度就越小。由图6可以看出，在60 min以后絮凝剂对尾砂沉降产生了制约作用。当然，沉降作用受到抑制也很可能与预制浆浓度、絮凝剂分子量和添加量有关。

从本次试验结果来看，絮凝剂对沉降的制约作用发生在30~60 min之间。虽然在60 min后尾砂自由沉降的浊度结果更佳，但30~60 min沉降时间取得的沉降效果对于絮凝剂分子量之间的比较和选型也具有参考价值。综合考虑，在量筒试验中沉降30 min后上澄清液中的絮团沉降才趋于稳定，所以在开展絮凝剂类型选择和掺量优化的试验中，以沉降30 min的浊度作为主要判断依据，沉降60 min的浊度作为辅助判断依据。

由于无法判断入料浓度、絮凝剂分子量和掺量这3个因变量之间是否存在交互影响，且考虑到絮凝剂产品的稳定性问题，针对整个选型过程设计全面试验。根据某萤石矿生产数据，水力旋流器排放的尾砂浆浓度约为14%，以14%为最大边界值，设置了5%、8%、11%和14%这4种预制浆浓度。阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂的分子量越高，则价格越贵，为控制经济成本，分子量选择1 200万、1 400万、1 600万和1 800万，掺量选择15，20，25，30，35 g/t。

在沉降时间为30 min和60 min时测定浊度值，并比较试验结果。结合絮凝剂价格，选出同一种预制料浆浓度下的最佳絮凝剂分子量和最佳掺量，推荐适合该矿山深锥絮凝机尾砂沉降的入料浓度。

絮凝沉降的机理主要是尾砂颗粒与絮凝剂分子链之间的架桥作用［图7（a）］（林继辉等，2013；隋璨等，2020）。在加入絮凝剂浓液后，尾砂颗粒迅速和长分子链形成大小不一的絮团，连接的尾砂颗粒越多，长分子链形成的絮团越大，即质量越大，沉降速度也就越快。在浓度较低的预制料浆中，尾砂颗粒在水中的分布较分散，且在较大颗粒先进行沉降后，细颗粒尾砂在上层水中更为自由，此时形成更长分子链的絮凝剂连接的细尾砂颗粒更多，留在上澄清液中的尾砂就越少，则浊度更低。若絮凝剂的掺量过低，絮凝沉降效果不明显。

然而，絮凝剂用量过高也会起到反作用，即起絮凝保护作用［图7（b）］（张钦礼等，2017；金磊等，2012）。全部颗粒的吸附面被高分子覆盖后，颗粒因受到高分子的阻碍而不能聚集。同时还存在分子链的吸附面被较粗颗粒占据，或连接较粗颗粒后位置还未占满就先进行了沉降的问题。总之，絮凝剂掺量超过一定值时，会分散尾砂，漂浮在沉降过渡区而无法沉降，使尾砂浆变得浓稠，所以，并不是掺量越多沉降效果就越好。

（1）预制浆质量浓度为5%时，上澄清液浊度与絮凝剂掺量的关系如图8所示。由图8可知，使用分子量为1 800万的阴离子絮凝剂，当预制浆质量浓度为5%，沉降时间为30 min时，测得的浊度比自由沉降的浊度低，且在絮凝剂掺量为15 g/t时浊度最低。使用其他分子量的絮凝剂反而使浊度更高。当沉降时间为60 min时，使用絮凝剂的料浆浊度比自由沉降的浊度高，其中使用1 800万分子量阴离子絮凝剂测得的浊度最低。

（2）当预制浆质量浓度为8%时，上澄清液浊度与絮凝剂掺量的关系如图9所示。由图9可知，当预制浆质量浓度为8%时，4种分子量的絮凝剂均有降低浊度的效果。其中，分子量为1 600万的阴离子絮凝剂在沉降30 min时测得的浊度比其他3种分子量阴离子絮凝剂的浊度低，效果最明显。当掺量为25 g/t时，浊度出现最低值，为17.8NTU。当沉降时间为60 min时，1 600万絮凝剂5种掺量的浊度均低于自由沉降的浊度。

（3）当预制浆质量浓度为11%时，上澄清液浊度与絮凝剂掺量的关系如图10所示。由图10（a）可以看出，当预制浆质量浓度为11%，沉降时间为30 min时，4种分子量的絮凝剂均有降低浊度的效果，其中，1 200万和1 600万分子量絮凝剂的效果比较明显，且二者效果相当，而浊度最低值出现在使用1 600万分子量阴离子絮凝剂且絮凝剂掺量为35 g/t时。由图10（b）可知，当沉降时间为60 min，分别使用1 200万和1 600万分子量絮凝剂时，大部分掺量条件下测得的浊度均低于自由沉降时测得的浊度。

（4）预制浆质量浓度为14%时，上澄清液浊度与絮凝剂掺量的关系如图11所示。由图11（a）可知，当预制浆质量浓度为14%时，4种分子量的絮凝剂可不同程度地降低浊度，其中，1 200万和1 400万分子量絮凝剂的效果比较明显，但随絮凝剂掺量对浊度的影响规律并不显著。当沉降时间为30 min，使用1 200万分子量絮凝剂且掺量为30 g/t时，出现浊度最低值。由图11（b）可知，当沉降时间为60 min时，1 200万和1 600万分子量絮凝剂5种掺量条件下测得的浊度低于自由沉降的浊度。与预制浆质量浓度为5%、8%和11%相比，14%预制浆质量浓度高，尾砂含量多，因此分子量小的絮凝剂更适合。

综上所述，当预制尾砂浆质量浓度为5%时，最佳絮凝剂分子量为1 800万，最佳掺量为15 g/t，在沉降30 min时测得的浊度与自由沉降相比降低了6NTU。当预制浆质量浓度为8%时，最佳絮凝剂分子量为1 600万，最佳掺量为25 g/t，在沉降30 min时测得的浊度与自由沉降相比降低了17.2NTU。当预制浆质量浓度为11%时，最佳絮凝剂分子量为1 600万，最佳单耗量为30 g/t，在沉降30 min时测得的浊度与自由沉降相比降低了17.9NTU。当预制浆质量浓度为14%时，最佳絮凝剂分子量为1 200万，最佳掺量为30 g/t，在沉降30 min时测得的浊度与自由沉降相比降低了12NTU。

可以看出，当预制料浆质量浓度为8%、11%和14%时，使用对应的最佳絮凝剂分子量和最佳掺量所测得的浊度相差不大，即沉降效果相差不大。考虑到絮凝剂的价格，推荐该矿山深锥浓密机的入料质量浓度设为14%。

通过开展超细尾砂絮凝沉降试验，分析了不同预制尾砂浆浓度、絮凝剂类型和絮凝剂掺量对上澄清液浊度的影响，并提出了以沉降速度和上澄清液浊度为判断依据的絮凝剂优选方法。通过在某萤石矿的实际应用，得出如下主要结论：

（1）以沉降速度和上澄清液浊度作为判断依据，用于超细尾砂浓密沉降的絮凝剂选型是可行的。

（2）自由沉降法并不适用于超细尾砂浓密沉降。

（3）絮凝沉降同时存在架桥作用与颗粒保护作用，通过开展上澄清液浊度试验可获得不同预制尾砂浆浓度的最佳絮凝剂选型和最佳掺量。