随着煤炭开采机械化程度的提高以及煤层中矸石含量的升高，原煤中细粒级的煤炭和脉石矿物增加，原煤质量变差，给煤泥的浮选带来很大的困难，提高低品质煤炭的分选精度迫在眉睫。在浮选过程中，细粒脉石颗粒黏附在煤炭表面的现象称为细泥罩盖。细泥罩盖会降低煤炭的疏水性，阻碍煤炭与气泡的黏附，导致精煤回收率降低，同时脉石会随着煤炭进入泡沫产品中污染浮选精煤[1-2]。石英、高岭石、伊利石作为3种煤泥中常见的脉石矿物，在实际浮选过程中，会通过细泥罩盖和水流夹带等方式污染浮选精煤[3-4]，对精煤的回收率和灰分均造成不利的影响[5-6]。于跃先等[7]的研究表明，高灰细泥的水流夹带和细泥罩盖是造成精煤污染的主要原因，细泥罩盖同时会导致煤炭的可浮性下降，造成低灰精煤损失在尾煤中，使浮选精煤的可燃体回收率降低。
目前抑制细泥罩盖的方法主要是通过界面调控，调节溶液环境，如调节pH、盐离子浓度以及加入分散剂等[8-11];引入纳米气泡[11]、选前超声处理[12-13]也可以起到抑制细泥罩盖的作用。也有学者提出，当细泥罩盖非常严重时，可以在煤炭浮选前通过分级脱除细粒煤泥，有利于提高浮选精煤回收率[14-15]。此外，在调浆过程中使用高速搅拌，增大黏土矿物与目的矿物之间的剪切作用，也可以降低矿物表面的细泥罩盖，提高浮选回收率。研究表明，在高岭石存在下，轻度搅拌会增强高岭石在煤表面的罩盖，而高强度搅拌会抑制高岭石的罩盖，提高精煤可燃体回收率[16]。YU等[17]的研究结果显示，高强度调浆是提高浮选性能的有效途径，无论有无捕收剂，高强度调浆都能减少煤表面的细泥罩盖，显著改善煤表面的疏水性，从而增强煤与捕收剂之间的黏附性，提高可燃体回收率。因此在浮选前进行高强度调浆是缓解细泥罩盖的有效手段。
在细泥罩盖的研究中，通常将煤与脉石按照一定的比例混合，将人工混合矿物用水润湿后进行调浆，然后立即进行浮选试验。这种方法与实际的煤泥分选过程存在一定的差异。在实际的煤炭分选过程中，煤泥在煤炭的开采和分选过程中不断产生，煤与脉石的碰撞接触时间非常长，会使大量脉石稳定地罩盖在煤颗粒表面。短时间的混合润湿过程难以模拟整个细泥罩盖过程，因此通过一段时间的预先润湿处理，使细泥罩盖发生，再进行调浆、浮选更贴近工业实际。笔者将煤炭与3种脉石矿物经过长时间的搅拌混合后再通过单气泡负载实验探究脉石矿物种类和流体剪切速率对细泥罩盖和煤炭可浮性的影响规律，并分析了浮选过程中的煤炭回收率和脉石回收率。探讨了高速剪切作用抑制煤炭浮选中细泥污染的可行性，为降低煤泥浮选过程的细泥污染、提高浮选精煤回收率提供理论支撑。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
单气泡负载实验使用的煤取自山东枣庄滨湖煤矿的重选精煤，经过筛分后粒度为0.250～0.125 mm。此煤种属于肥煤，表面含氧官能团较少，且灰分低，天然疏水性好，排除了矿物杂质、含氧官能团等因素的影响，有利于进行煤炭可浮性的理论研究。浮选实验所选用的煤炭为河南神火某煤矿的浮选精煤，经过筛分取0.500～0.045 mm煤样进行试验。此煤种属于贫瘦煤，灰分以及变质程度相对较高，疏水性中等，更符合实际煤泥浮选的情况。2种煤样的工业分析结果见表1。
表1 煤样工业分析
Table 1 Proximate analysis of the coal samples %
煤样MadAadVdafFCdaf枣庄精煤1.696.2932.0667.94神火精煤1.3511.5715.4284.58
实验中所使用的水均为电导率为18.2×104 Ω·m的去离子水。试验所选用的石英购买自华润有限公司，所用的高岭石和伊利石购买自星海高科有限公司。对3种矿物取样进行XRD分析，试验结果分别如图1～3所示。对3种矿物取样使用GSL-1000激光粒度分析仪(辽宁仪表研究所)进行粒度分布测试，结果如图4所示。3种矿物的XRF分析结果见表2。
图1 石英的X射线衍射图谱
Fig.1 X-ray diffraction pattern of quartz
表2 3种脉石矿物的X射线荧光光谱分析
Table 2 X-ray fluorescence spectroscopic analysis of three gangue minerals
脉石种类质量分数/%SiO2Fe2O3Al2O3MgOK2OCaOTiO2其他石英98.310.670.400.160.100.26—0.10高岭石52.711.2443.350.242.18—0.150.13伊利石51.217.9727.012.446.510.87—3.99
由图1和表2可知，石英的纯度达到98%以上，几乎不含杂质。从图2可以看出，高岭石的纯度很高，其中只存在少量的云母。根据图3可知，伊利石的纯度很高，仅存在少量的石英。3种脉石矿物的纯度符合实验要求。由图4可知，石英样品的D50(累计体积分数达到50%时对应的颗粒直径)为12.0 μm，高岭石样品的D50为9.4 μm，伊利石样品的D50为10.2 μm。3种脉石矿物的粒度均在10 μm左右，粒度差异小，基本可以排除粒度变化对细泥罩盖的影响。
图2 高岭石的X射线衍射图谱
Fig.2 X-ray diffraction pattern of kaolinite
图3 伊利石的X射线衍射图谱
Fig.3 X-ray diffraction pattern of illite of illite
图4 3种脉石矿物粒度分布曲线
Fig.4 Particle size distribution curves of three gangue minerals
1.2 单气泡负载试验
单气泡负载试验过程及装置如图5所示。
图5 气泡负载量测试过程及系统示意
Fig.5 Schematic of the bubble loading test process
配制质量浓度为10 g/L的煤和2.0 g/L的脉石矿物添加到500 mL浓度为0.1 mmol/L的NaCl溶液中。使用NaCl溶液是为了便于结合DLVO理论计算颗粒间的界作用力。通过机械搅拌使煤与脉石矿物混合，机械搅拌的强度可以由搅拌器转速进行控制，在搅拌器上安装了扭矩传感器，可以在不同转速下实时显示扭矩数据，用于计算流体剪切速率，如式(1)，(2)所示:
(1)
(2)
式中，ε为单位体积能量输入，W/m3;M为扭矩，N·m;v为搅拌速度，r/min;V为悬浮液体积，m3;G为剪切速率，s-1;μ为矿浆动力黏度，Pa·s。
M通过扭矩传感器直接读数获得，v通过人工调节为某一数值，V为固定值500 mL，μ通过旋转流变仪测得，试验悬浮液的动力黏度为1.01 mPa·s。搅拌10 min后，取70 mL悬浮液倒入透明的方形有机玻璃槽内静置1 min，使煤炭颗粒沉降到有机玻璃槽底部。然后使用大容量注射器将煤颗粒床层上方的悬浮液缓慢抽出，并重新注入70 mL相同浓度的NaCl溶液。这一步骤的目的在于减弱分散在悬浮液中的微小脉石颗粒对后续测试中气泡照片拍摄及图像分析的影响。将有机玻璃槽放置于磁力搅拌器上，通过一个固定在槽体上方的微量注射器在液面下方2 cm处产生一个半径为1.9 mm的气泡。调节CCD相机的高度，使气泡处于相机视野的中央。打开磁力搅拌器，将磁转子的转速固定在200 r/min，使有机玻璃槽中的颗粒均匀分散，并与气泡碰撞。搅拌40 s后关闭磁力搅拌器，大部分煤炭颗粒会再次沉降到有机玻璃槽底部，而一部分煤炭颗粒会黏附到气泡表面。将稳定黏附煤颗粒的气泡照片用ImageJ软件进行分析，计算气泡上负载颗粒的截面积以表征气泡的负载量。其中研究脉石种类对煤炭可浮性影响时在固定转速300 r/min下进行(流体剪切速率为32 s-1)。研究剪切速率对煤炭可浮性的影响时分别在300，500，700，1 000 r/min的转速下进行(流体剪切速率分别为32，58，85，116 s-1)。
1.3 冷冻扫描电镜试验
使用COXEM冷冻扫描电镜分别观察低流体剪切速率和高流体剪切速率下3种脉石矿物对煤的罩盖情况。首先将10 g/L的煤和2.0 g/L的脉石矿物颗粒添加到500 mL浓度为0.1 mmol/L的NaCl溶液中，控制搅拌器转速为300 r/min(剪切速率为32 s-1)和1 000 r/min(剪切速率为116 s-1)，搅拌10 min后，在搅拌状态下用滴管在溶液下方约2 cm处吸取约1 mL悬浮液，滴入冷冻台对溶液进行冷冻后，将样品推入样品仓内进行扫描电镜观察。
1.4 zeta电位测试
使用Brookhaven的zeta电位仪对煤炭和脉石的zeta电位进行测量。首先将样品在玛瑙研磨机中研磨2 h，称取0.1 g样品放于1.0 L浓度为0.1 mmol/L的NaCl溶液中。使用磁力搅拌器搅拌使样品分散均匀后，用滴管从中吸取2 mL悬浮液转移到比色皿中，插入电极，在“PALS zeta Potential Measurement”模式下进行测试。
1.5 浮选试验
分别称取30 g煤和脉石混合均匀后作为浮选试验样品，浮选矿浆浓度为60 g/L。将混合好的样品放入搅拌槽内，加入1 L去离子水，使用如图5所示的叶轮搅拌装置进行调浆。控制叶轮搅拌装置的转速为300 r/min，以保证颗粒在矿浆中分散均匀。在此转速下搅拌40 min，使煤与脉石发生充分的碰撞接触。然后将搅拌器转速分别调节至500，700，900，1 100 r/min(剪切速率分别为35，56，80，101 s-1)下进行调浆，并加入药剂。捕收剂使用煤油，用量为100 g/t;起泡剂使用仲辛醇，用量为50 g/t。调浆10 min后，将矿浆倒入浮选槽内进行浮选，浮选实验采用挂槽式浮选机，浮选机充气量为0.10 m3/(m2·min)，浮选槽容积为1 L，叶轮转速为1 000 r/min。为方便计算水回收率，浮选过程中不添加补水。每隔10 s刮泡一次，浮选时间为2 min。收取精煤泡沫至专门容器内，同时将尾煤倒入尾煤容器中。分别将浮选精煤和尾煤用44 μm(325目)泰勒筛筛分后，将得到的筛下脉石产品分别过滤烘干后称重，质量记为J1和W1。收集筛上物放入烧杯中加入300 mL去离子水，加入分散剂六偏磷酸钠高速搅拌5 min后，再次用325目泰勒筛进行筛分，得到筛下脉石产品分别过滤烘干后称重，质量记为J2和W2。J1，J2之和即为脉石的回收量，将所有筛下产品质量相加(J1，J2，W1，W2)即为总的脉石质量，脉石回收量与脉石总质量的比值即为脉石回收率。最后将筛上精煤和尾煤分别过滤，得到精煤和尾煤产品。将所得产品放入80 ℃恒温干燥箱中烘干至质量恒定，冷却至空气干燥状态后分别称量，计算精煤回收率，并测定精煤灰分。
1.6 矿浆黏度测量
矿浆黏度使用美国TA公司的DHR-2旋转流变仪进行测量。测试过程中使用的平板转子直径为40 mm。打开空气净化装置与温度控制器，温度定为25 ℃。测试前对设备进行主机惯量校准、内阻校准和温度校准。校准后将配置好的矿浆放入测试装置内，设置开始测试时两平板之间的距离d=50 μm。在流动扫描模式下测量剪切应力在不同剪切速率下的变化情况，从而计算出矿浆的黏度。其中剪切速率的变化设置在1～1 000 s-1。当矿浆中有粗煤颗粒存在时，由于煤颗粒沉降速度较快，黏度测量过程中煤炭颗粒与转子之间发生碰撞、摩擦引起较大的测量误差。由于大颗粒样品的比表面积较小，颗粒与水溶液之间的相互作用力较低，对黏度影响较小。因此，在使用式(2)计算矿浆的剪切速率时，煤炭与脉石混合矿浆的动力黏度使用脉石矿浆的黏度代替。
2 试验结果与讨论
2.1 脉石种类对煤炭可浮性的影响
通过ImageJ软件对获得的单气泡负载图片进行处理。首先根据气泡半径确定气泡占据的完整范围，气泡下方即为黏附煤炭颗粒的截面部分。根据拍摄照片的放大倍数确定图片中气泡和黏附颗粒的尺寸，借助ImageJ软件可以计算出黏附煤炭颗粒的截面积，从而反映煤炭的可浮性。不同脉石矿物种类对煤炭的气泡负载量的影响规律如图6所示(图6中混合搅拌时间是指单气泡负载试验前煤与脉石混合搅拌的时间)。从图6可以看出，添加脉石矿物后的煤颗粒气泡负载量相比于无脉石时明显降低，说明3种脉石矿物都会在煤表面发生细泥罩盖，且对煤的可浮性造成不利影响。由于煤炭表面被脉石矿物罩盖，其表面疏水性降低，从而抑制了煤炭与气泡黏附，恶化煤炭的浮选过程。气泡负载量随着气泡负载试验前煤与脉石混合搅拌时间的延长不断下降，且下降的速度随搅拌时间呈现先快后慢的趋势，在40 min后负载量变化不大，并趋于稳定。这说明脉石在煤颗粒表面的细泥罩盖速率一开始较快(前10 min)，之后逐渐降低，一定时间后罩盖量达到最大值，不再发生明显变化。从图6中可以看出，对于添加脉石矿物的试验，添加石英时的气泡负载量最大，高岭石次之，伊利石最小。说明石英对煤炭的可浮性影响最小，高岭石次之，伊利石的影响最大。需要注意的是，在不添加任何脉石矿物的条件下，煤颗粒的负载量也会随着混合搅拌时间的增加而降低。这可能是因为煤表面的极性官能团(羟基、羧基等)会与水分子发生氢键键合作用，形成水化膜。煤颗粒在水中的时间越长，煤表面形成的水化膜越稳定，气泡与颗粒发生碰撞时水化膜的破裂越困难，从而导致煤的可浮性降低[18]。
图6 添加不同脉石矿物后煤颗粒负载量随搅拌时间的变化
Fig.6 Variation of bubble loading of coal particles versus mixing time after adding different gangue minerals
煤炭与脉石混合搅拌50 min后的气泡负载试验结果如图7所示。从图7可以得出，在不添加脉石矿物的空白试验中，气泡上黏附的煤炭颗粒最多，气泡负载颗粒截面积达到1.274 mm2。添加石英后，气泡上负载的煤颗粒截面积为0.906 mm2，相比较于空白试验减少了28.88%。添加高岭石后，负载的煤颗粒截面积为0.623 mm2，相比较于空白试验减少了51.10%。伊利石的添加对负载煤颗粒量的影响最为显著，负载颗粒的截面积下降到0.505 mm2，相比较于空白试验减少了60.36%。这说明了3种脉石矿物对煤炭颗粒可浮性的影响规律，即石英对煤炭颗粒的可浮性影响最小，高岭石次之，伊利石的影响最大。
图7 混合搅拌50 min时不同脉石矿物对煤颗粒负载量 的影响
Fig.7 Influence of different gangue minerals on the bubble loading of coal particles after mixing of 50 min
从图8的扫描电镜测试结果可以看出，煤炭表面存在很多细粒脉石颗粒，3种脉石矿物都在煤颗粒表面发生了细泥罩盖。由图8(a)可知，石英颗粒在煤表面所占面积不大，并以散点状分布，大部分洁净的煤表面暴露在空气中。从图8(b),(c)中能清晰观察到高岭石和伊利石的层状结构，这两种黏土矿物覆盖了煤表面的大部分区域，并在煤颗粒表面形成了一层紧密的罩盖层，暴露在外的洁净煤表面变得很有限，因此煤颗粒难以与气泡发生黏附，使气泡的负载量降低。扫描电镜图片结果与单气泡负载煤颗粒测试结果一致，进一步证明脉石矿物能够罩盖在煤表面，导致煤炭与气泡的黏附作用减弱，降低煤炭的可浮性。
图8 与脉石搅拌混合后煤颗粒的冷冻扫描电镜图(流体剪切速率32 s-1)
Fig.8 Cryo-SEM image analysis of coal after mixing with gangue at fluid shear rate 32 s-1
结合pH=7时3种脉石矿物与煤的Zeta电位测试结果以及DLVO理论，按照式(3)和(4)对煤炭与3种脉石颗粒间的范德华作用能进行计算，按照式(5)对煤炭与3种脉石颗粒间的双电层作用能进行计算，并将2者加和得到总作用能。
(3)
(4)
(5)
式中，Evdw为颗粒间范德华作用能;Eedl为颗粒间双电层作用能;A132为Hamaker常数;R1和R2分别为煤和脉石矿物颗粒的半径;h为颗粒间的距离;kB为Boltzmann常数，取1.381×10-23 J/K;T为温度(本实验温度为293.15 K);h1为Planck常数，取6.626×10-34 J·s;ω为紫外区的特征弛豫频率，取2.068×1016 rad/s;n1，n2和n3分别为煤、脉石和水的折射率，煤的折射率取1.70，石英、高岭石、伊利石的折射率分别取1.55，1.55和1.53，水的折射率取1.33;ε为0.1 mmol/L NaCl溶液的相对介电常数，取78.5 C2·m/J;ε0为真空中的介电常数，取8.854×10-12 C2·m/J;ψ1和ψ2为煤和脉石矿物的表面电位，由测量的zeta电位值替代(表3)；κ为Debye长度，在0.1 mmol/L NaCl溶液中取30.4 nm。
表3 煤与脉石颗粒Zeta电位测试结果
Table 3 Zeta potential measurement results of coal and gangue particles
样品煤石英高岭石伊利石Zeta电位值/mV-6-18-35-60
由图9(a)可知，煤与3种脉石矿物的范德华作用能都为负值，且差别不大，在作用距离内均为吸引力，主要是双电层作用力的差别造成了界面作用力的不同。伊利石带有很强的负电，与煤之间的双电层吸引力最大，其次是高岭石。而石英与煤颗粒之间存在双电层斥力，虽然范德华吸引力能克服此双电层斥力，使得总作用力表现为吸引力，但相比于伊利石和高岭石吸引力较小，在试验条件下伊利石很容易罩盖在煤表面，降低其可浮性。脉石和煤颗粒间的作用能曲线可以解释3种脉石矿物在煤表面的罩盖行为，这也与单气泡负载试验的结果一致。
图9 脉石和煤炭颗粒间的作用势能曲线
Fig.9 Interaction energy curves of gangue and coal particles
2.2 流体剪切速率对煤炭可浮性的影响
不同剪切速率下石英对煤颗粒负载量的影响如图10所示。随着混合搅拌转速的提高，煤颗粒的负载量逐渐升高。由于在500 r/min转速时气泡负载颗粒的截面积已经与不添加石英时几乎不存在差异，因此没有进行转速为1 000 r/min的试验。在叶轮转速为300 r/min时，相比于不添加任何脉石矿物的空白试验，石英的添加明显降低了气泡上煤颗粒的负载量。当叶轮的转速增加到500 r/min和700 r/min时，气泡上负载煤颗粒的截面积随搅拌时间的变化曲线与空白试验结果的曲线基本重合。这说明提高剪切速率后，石英难以罩盖在煤表面，细泥罩盖的得到有效抑制，煤炭的可浮性得到提高。
图10 不同剪切速率下石英对煤颗粒负载量的影响
Fig.10 Effect of quartz on bubble loading under different shear rates
由图11的试验结果可以看出，随着流场强度的增加，煤颗粒在气泡上的负载量有所增加，即高岭石对煤颗粒的负载量影响减小，表明高岭石与煤颗粒的细泥罩盖程度减弱了。在叶轮转速为300 r/min混合搅拌50 min后单气泡负载的煤颗粒截面积为0.623 mm2，相比于不添加脉石矿物时的1.274 mm2，负载煤颗粒的截面积下降了51.09%。随着叶轮转速升高到500，700，1 000 r/min，负载煤颗粒的截面积分别升高到了0.789，0.957，0.997 mm2。但在转速为1 000 r/min的高强度流场下，相比较于空白试验条件，气泡负载煤颗粒的截面积仍然下降了21.74%。这说明在高剪切速率下，高岭石仍然会在煤炭表面形成明显的细泥罩盖，煤炭的可浮性仍然较差。
图11 不同剪切速率下高岭石对煤颗粒负载量的影响
Fig.11 Effect of kaolinite on bubble loading under different shear rates
由图12的试验结果可知，随着剪切速率的增加，伊利石对煤颗粒的负载量影响变小，即剪切速率的增加减弱了伊利石在煤颗粒表面的细泥罩盖。相比于石英和高岭石，伊利石对煤颗粒在气泡上的负载量的影响更为显著。当叶轮转速为300 r/min和500 r/min时，搅拌50 min后单气泡负载煤颗粒的截面积分别为0.505 mm2和0.647 mm2，相比于不添加脉石矿物时下降了60.36%和49.22%。此时伊利石对煤炭可浮性的抑制比较严重。随着叶轮转速升高到700 r/min和1 000 r/min，负载煤颗粒的截面积分别升高到0.901，0.987 mm2，负载煤颗粒的截面积相比于无脉石时分别下降了29.28%和22.53%，说明提高剪切速率可以抑制伊利石在煤炭表面的细泥罩盖，提高煤炭的可浮性，但相比于不添加脉石矿物时的可浮性仍然很低。
图12 不同剪切速率下伊利石对煤颗粒负载量的影响
Fig.12 Effect of illite on bubble loading under different shear rates
综上试验结果可知，高剪切速率可以完全抑制石英在煤颗粒表面的细泥罩盖，而对于高岭石和伊利石两种黏土矿物，高剪切速率能够在一定程度上降低细泥罩盖程度，却不能完全消除，仍有一部分脉石矿物能稳定罩盖在煤颗粒表面，并阻碍了煤颗粒与气泡的黏附。可以看出，石英对煤炭可浮性的抑制可通过高速剪切消除，而高岭石和伊利石对煤炭可浮性的抑制作用很强，难以通过高速剪切消除。这主要受到矿物颗粒间界面作用力的影响，当矿物间的吸引力相对弱时，高强度流场对于抑制细泥罩盖有很明显的效果，而当矿物间的吸引力相对强时，高剪切速率难以对矿物表面罩盖的脉石颗粒达到“清洗”效果，不能彻底抑制细泥罩盖的发生。通过冷冻扫描电镜的结果也可以得到验证。图13为3种脉石矿物与煤在转速为1 000 r/min混合搅拌后的冷冻扫描电镜图片，从图13(a)可以看出，经过高速流体剪切作用后，煤表面十分清洁，石英颗粒没有在煤表面形成罩盖。从图13(b)，(c)可以看到，经过高速流体剪切作用后，仍有一部分高岭石和伊利石罩盖的煤表面，但相比于在低转速下的细泥罩盖量有所降低，这说明高速剪切作用使罩盖在煤表面的脉石矿物减少，有利于提高煤炭的可浮性，但不能完全消除高岭石、伊利石等黏土矿物的细泥罩盖。
图13 与脉石搅拌混合后煤颗粒的冷冻扫描电镜图片(流体剪切速率116 s-1)
Fig.13 Cryo-SEM image analysis of coal after mixing with gangue at fluid shear rate 116 s-1
2.3 高速剪切调浆对煤炭浮选的影响
由于在实际浮选过程中都会存在脉石矿物，只用低灰精煤进行浮选实验与实际浮选过程差异较大，因此不再进行无脉石的空白实验。将煤炭分别与3种脉石矿物在不同剪切速率下混合调浆后的浮选结果如图14所示。从图14可以看出，浮选精煤的回收率随调浆转速的增加而升高。在调浆转速为500 r/min(剪切速率为35 s-1)时，添加石英的浮选精煤回收率为50.95%，此时添加高岭石和伊利石的精煤回收率分别为63.02%和72.64%。说明在低调浆转速下石英对煤炭浮选的抑制最严重，高岭石次之，伊利石最弱。当调浆转速增加到700 r/min(剪切速率为56 s-1)时，添加石英后的精煤回收率达到60.42%，相比于500 r/min时增加了18.59%。继续增加调浆转速至900 r/min和1 100 r/min(剪切速率为80 s-1和101 s-1)，浮选精煤的回收率分别增加到63.92%和67.55%，浮选精煤的灰分随调浆转速的增加略有提高。添加高岭石后，调浆转速从500 r/min提高至700 r/min时，精煤回收率增加了9.58%，继续增加调浆转速精煤的回收率虽然略有提升，但整体变化不大，浮选精煤的灰分随调浆转速的增加而升高。添加伊利石以后，浮选精煤的回收率在调浆转速为700 r/min时相比于500 r/min仅增加1.44%，而当转速增加到900 r/min和1 100 r/min时，回收率分别增加4.48%和7.93%，浮选精煤的灰分随调浆转速的增加呈现降低的趋势。
图14 不同调浆剪切速率时脉石对煤浮选效果的影响
Fig.14 Effect of gangue on coal floatation under different conditioning shear rates
图15为在不同调浆剪切速率下的水回收率与脉石回收率结果。从图15可以看出，脉石回收率与水回收率没有直接的线性关系，说明回收的脉石不仅仅是通过水流夹带进入浮选精煤中的，还有一部分脉石颗粒罩盖在煤颗粒表面，从而随精煤带出。在不同调浆转速下，添加3种脉石矿物后的水回收率基本保持稳定，说明调浆强度不会对水回收率造成显著影响。与高岭石混合后的水回收率最高，伊利石次之，石英最少。在低调浆转速下，高岭石和伊利石的回收率基本相同，明显高于石英，而当调浆转速增加至900 r/min后，高岭石和伊利石回收率降低，且高岭石的降低速率更大，但仍高于石英回收率。
图15 不同调浆剪切速率时水回收率与脉石回收率
Fig.15 Effect of gangue on water recovery and gangue recovery under different conditioning shear rates
添加石英后，增加调浆转速可以降低石英在煤炭表面的细泥罩盖，煤炭的可浮性提高，浮选效果得到明显改善。添加石英后浮选精煤的灰分随调浆转速的提高略有升高，这说明经过高速调浆后，一部分疏水性较差的煤炭也进入到了泡沫产品中，导致精煤灰分提高。水回收率在一定程度上与浮选泡沫中颗粒的粒度相关，泡沫中细颗粒越多，水回收率越高[19]。石英的回收率随调浆强度的增加而略有增加，这是由于调浆强度的增加，细泥罩盖量减少，分散在矿浆体系中的石英增加，会有一部分石英通过水流夹带的方式进入浮选精煤，此时石英回收率的变化主要是受到水流夹带的影响。添加高岭石后，精煤回收率在调浆转速升高到700 r/min后，继续增加调浆转速精煤回收率变化较小，这可能是由于高岭石存在自身团聚现象。高岭石的铝氧八面体表面的等电点在6～8，而高岭石的硅氧四面体表面的等电点<4，因此在此次试验条件下，高岭石会发生自身团聚[20]。随着剪切速率的升高，与煤炭表面作用力比较弱的高岭石被清洗掉，而与煤之间相互作用比较强的高岭石很容易罩盖在煤颗粒表面，靠流场作用很难将这部分高岭石去除。在流场强度增加时，分散在矿浆中的高岭石碰撞概率增加，更容易团聚形成絮团，粒度增大，难以进入浮选泡沫中，因此随水流夹带的高岭石量也有所降低，导致高岭石的回收率降低。添加伊利石后的精煤回收率随搅拌强度的增加而增加，这主要是由于伊利石很容易在煤表面形成稳定的罩盖，流体剪切作用会抑制细泥罩盖现象，罩盖在煤表面的伊利石数量减少，使精煤回收率提高。但由于浮选泡沫在实验条件下已经达到稳定状态，伊利石回收率基本保持稳定，随水流夹带的量基本不变，但是细泥罩盖量降低，导致伊利石回收率降低。
从图14可以看出，添加伊利石后浮选精煤的回收率最高，添加高岭石时的精煤回收率次之，添加石英的精煤回收率最低。这与单气泡负载实验中3种脉石矿物对煤炭可浮性的影响规律相反，这可能是由于煤炭浮选效果影响除了与煤炭可浮性影响有关，还与其他因素如泡沫稳定性、脉石矿物形状等有关。研究表明，相比于球形颗粒，针状或者片状颗粒更有利于提高泡沫的稳定性[21]。如图16所示，石英颗粒接近球形的不规则状，高岭石和伊利石为层片状结构，因此高岭石和伊利石的浮选泡沫更加稳定，有利于浮选精煤的回收。并且石英的粒度相较于后两者偏大，因此添加石英进行浮选的泡沫稳定性相对较差。这就导致了添加高岭石和伊利石的精煤回收率明显高于添加石英后的精煤回收率。此外，颗粒形状会对细泥夹带产生影响。研究表明，随着脉石颗粒长径比增加，脉石的水流夹带会加剧[22]，因此石英的水流夹带量要低于高岭石和伊利石。从图15中可以看出，伊利石的回收率要高于高岭石，而高速调浆使细泥罩盖量减少，随水流夹带的伊利石量增加。伊利石在矿浆中的分散性更好，因此伊利石的泡沫稳定性更强，更有利于浮选精煤的回收。添加3种脉石矿物后的浮选精煤灰分不完全相同，并且呈现出不同的变化趋势。这主要与煤的不均质性和浮选精煤中的脉石回收量有关。石英和高岭石的浮选精煤灰分随调浆强度的增加略有增加，这是由于高速调浆使煤表面罩盖的脉石量减少，灰分相对较高的煤也被浮出，造成浮选精煤灰分的提高。而添加伊利石后浮选精煤的灰分在调浆转速为900 r/min之前变化不大，这主要是由于伊利石在实验条件下的泡沫稳定性一直很强，因此精煤灰分没有较大变化。而在调浆转速为1 100 r/min时，煤炭表面的伊利石罩盖量显著降低，使本身被脉石罩盖的低灰精煤得以与气泡黏附，从而使精煤灰分降低。
图16 不同调浆剪切速率时泡沫示意
Fig.16 Froth schematic diagram under different conditioning shear rates
添加不同脉石浮选时精煤的回收率和细泥罩盖情况以及泡沫中脉石的水流夹带情况随调浆剪切速率的变化规律如图16所示。针对3种脉石矿物在煤表面的细泥罩盖现象，在调浆过程中提高剪切速率可以提高精煤的回收率，减少细泥罩盖的发生。针对石英而言，高速剪切对精煤回收率的提高幅度最大，但同时会导致脉石回收率增加，这主要是由于高速剪切提高了石英的分散性，使石英的水流夹带加剧。对于伊利石和高岭石，提高剪切速率对精煤回收率的提升幅度较小，但可以降低脉石的回收率，有利于提高浮选精煤品质。综合来说，仅通过高速剪切调浆并不能使浮选效果达到最佳状态，需要结合其他手段，如调节泡沫高度、加入喷淋水、调节电解质等手段，在抑制细泥罩盖的同时，避免脉石的水流夹带加剧，从而全面改善浮选效果，在提高浮选精煤回收率的同时，降低精煤灰分。
3 结 论
(1)通过单气泡负载实验中气泡负载煤颗粒的数量，可以定量分析3种脉石矿物对煤可浮性的影响。根据实验结果可以得出，石英对煤炭可浮性的影响最小，高岭石次之，伊利石对可浮性的影响最大，这与冷冻扫描电镜的观测结果和颗粒间界面作用力的计算结果一致。
(2)在低剪切速率下，3种脉石矿物的细泥罩盖程度较大，严重影响煤炭的可浮性。流体剪切速率增加会降低3种脉石矿物在煤炭表面的罩盖，提高煤炭的可浮性。其中石英对煤可浮性的抑制作用在剪切速率达到58 s-1后几乎可以消除，高岭石和伊利石在煤炭表面的细泥罩盖都会随剪切速率的升高而减小，但在剪切速率达到118 s-1时细泥罩盖仍无法完全消除，这与扫描电镜的观测结果一致。
(3)高速剪切调浆会降低3种脉石矿物在煤炭表面的细泥罩盖并提高精煤的回收率。与石英混合的精煤回收率提高幅度最大，高岭石和伊利石的精煤回收率提高幅度均较小。除了细泥罩盖，水流夹带也会对浮选回收率产生较大的影响，需要综合考虑各种因素的作用，达到减少细泥污染的目的。
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