班貴順

(河北新燁工程技術(shù)有限公司礦山設(shè)計(jì)院，河北張家口 075100)

0 引言

中線(xiàn)式尾礦排放工藝作為國(guó)內(nèi)新興的尾礦排放工藝，多用于有色金屬礦山尾礦排放筑壩，用來(lái)解決筑壩材料短缺的問(wèn)題，而在鐵礦尾礦庫(kù)的應(yīng)用不多。主要是多數(shù)鐵礦磨礦細(xì)度較粗，用于筑壩的粗尾砂原料充足，直接采用上游式水力填充筑壩，工藝成熟，操作簡(jiǎn)單，尾礦排放成本較低。張家口市赤城縣某鐵礦結(jié)合自身礦石特點(diǎn)和礦山周邊環(huán)境現(xiàn)狀，在尾礦庫(kù)排尾運(yùn)行過(guò)程中，摒棄了傳統(tǒng)的上游式筑壩方式，采用中線(xiàn)式排尾筑壩，通過(guò)近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，取得了不錯(cuò)的效果。

1 中線(xiàn)式排尾方式的選擇

1.1 礦山生產(chǎn)情況和周邊環(huán)境狀況

礦山鐵礦石儲(chǔ)量大，易開(kāi)采，但原礦品位低，干選后入磨品位15%左右。選礦廠(chǎng)每天處理干選礦石3 000 t，排尾量2 400 t，尾礦干容重1.7 t/m3，排尾濃度20%。礦山距周邊村莊較近，周邊土地多為耕地和林地，尾礦庫(kù)擴(kuò)建征地難度很大。

1.2 中線(xiàn)式排尾方式的確定

選礦廠(chǎng)磨礦細(xì)度較粗，尾礦中+0.074 mm的顆粒含量占總量的70%以上，筑壩材料充足;中線(xiàn)式排尾能充分的利用上下游溝道空間，服務(wù)年限長(zhǎng);壩體寬大厚重，穩(wěn)定性好。企業(yè)于2008年通過(guò)對(duì)山西太鋼峨口鐵礦的考察并結(jié)合自身現(xiàn)狀，確定新建尾礦庫(kù)采用中線(xiàn)式水力旋流器排尾筑壩方式，摒棄之前一直沿用的上游式水力充填排尾工藝。

2 尾礦庫(kù)庫(kù)址及主要構(gòu)筑物

2.1 尾礦庫(kù)庫(kù)址的選擇

尾礦庫(kù)所在溝道長(zhǎng)度1.3 km，既要滿(mǎn)足上下游排尾的要求，又要滿(mǎn)足尾水澄清距離要求，以保證回水水質(zhì)。

2.2 尾礦庫(kù)主要構(gòu)筑物組成

2.2.1 初期壩

初期壩選在溝道的中下游段，綜合上下游庫(kù)容和滿(mǎn)足尾水澄清距離要求，確定壩高為20 m。壩址下游溝道寬闊，保證了尾礦中占到多數(shù)的粗顆粒有足夠的空間堆存。

上下游庫(kù)容之比在保證滿(mǎn)足下游粗砂排放的同時(shí)，適當(dāng)向上游傾斜，中線(xiàn)式排尾設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，在設(shè)備檢修期內(nèi)上游有足夠的空間容納未分級(jí)的尾礦。通過(guò)上下游庫(kù)容計(jì)算，確定下游尾礦排放坡比為 1∶3.5，上下游庫(kù)容比為 6.5∶3.5。

初期壩采用堆石壩，壩體采用廢石堆筑。壩址兩岸和溝底基巖出露較多，第四系覆蓋層薄，基底及兩岸輕～強(qiáng)風(fēng)化巖即可筑壩。初期壩外坡比1∶2.0，內(nèi)坡比1∶1.75，內(nèi)外壩坡均不設(shè)馬道。初期壩頂作為旋流器工作平臺(tái)，寬度10 m。

2.2.2 下游擋砂濾水壩及排滲體

初期壩下游設(shè)置擋砂濾水壩，濾水壩與初期壩之間溝道底部設(shè)排滲體。濾水壩將旋流出的粗砂阻擋在壩前，與排滲體共同作用加速下游粗尾砂的固結(jié)。按下游粗尾設(shè)計(jì)堆放坡度1∶3.5，確定濾水壩高5 m，選用透水性較好的廢石筑壩。

2.2.3 排洪設(shè)施

尾礦庫(kù)排洪設(shè)施采用溢水塔結(jié)合庫(kù)底鋪設(shè)排洪涵管的形式，涵管出口設(shè)置消力池。溢水塔和排洪涵管采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆而成，消力池為漿砌石砌筑而成。

3 中線(xiàn)式尾礦排放工藝

中線(xiàn)式尾礦排放工藝是采用水力旋流器將尾礦中的粗細(xì)顆粒分級(jí)，粗顆粒排至壩外用于筑壩，細(xì)顆粒排入庫(kù)內(nèi)。中線(xiàn)式排尾工藝首先要選擇旋流器，更重要的是尾礦排放過(guò)程中旋流器的使用操作。

3.1 旋流器的選型

選擇旋流器要考慮單臺(tái)旋流器的處理能力和尾砂的分級(jí)處理效果。單臺(tái)旋流器的處理能力主要和旋流器的柱體直徑、溢流管直徑、給礦口當(dāng)量直徑和給礦壓力有關(guān)［1］，除了旋流器自身影響尾礦分級(jí)處理效果外，還有選廠(chǎng)閉路磨礦分級(jí)和給礦濃度。

選礦廠(chǎng)采用單一磁選方法選礦，通過(guò)對(duì)尾礦的篩分粒級(jí)分析，－0.074 mm的含量只占尾礦總量的20%，磨礦粒度較粗。尾礦粒級(jí)分析結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)尾礦處理量和尾礦粒級(jí)分析表，設(shè)備廠(chǎng)商推薦了兩款旋流器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)旋流分級(jí)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中給礦濃度控制在20%，給礦口直徑110 mm，溢流口直徑90 mm，在不同給礦壓力下對(duì)不同沉砂咀尺寸旋流出的沉砂和溢流進(jìn)行了取樣分析，試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表1 選礦廠(chǎng)尾礦粒級(jí)分析表

試驗(yàn)結(jié)果表明，φ300和φ350旋流器沉砂濃度均達(dá)到了70%，不同沉砂咀尺寸、不同給礦壓力下沉砂中+0.074 mm的含量最小值為75%，沉砂中粒級(jí)基本滿(mǎn)足筑壩要求。

表2 旋流器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果表

試驗(yàn)過(guò)程中，旋流器采用52 mm沉砂咀時(shí)沉砂產(chǎn)率較低，滿(mǎn)足不了下游粗砂排放量。在給礦壓力0.1 MPa～0.12 MPa時(shí)，選用45 mm沉砂咀的φ300旋流器發(fā)生了堵塞現(xiàn)象，工作穩(wěn)定性較差，且沉砂產(chǎn)率相對(duì)較低，旋流器實(shí)際的處理量少。φ350旋流器在選用45 mm沉砂咀時(shí)同樣存在堵塞和工作不穩(wěn)定的情況，換成50 mm沉砂咀后，給礦壓力在0.1 MPa時(shí)出現(xiàn)堵塞的征兆，提高至0.12 MPa后征兆消除，給礦壓力保持在 0.14 MPa～0.16 MPa時(shí)，工作狀態(tài)比較穩(wěn)定。通過(guò)廠(chǎng)家產(chǎn)品參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，選用FX350J旋流器，直徑350 mm，錐腳20°，沉砂咀直徑50 mm，給礦壓力為0.12 MPa～0.16 MPa。

單臺(tái)旋流器處理能力50 m3/h～80 m3/h，每天處理礦漿1 200 m3～1 920 m3，按礦漿濃度20%計(jì)算，單臺(tái)旋流器日處理尾礦量240 m3～380 m3，選礦廠(chǎng)日排尾2 400 t，尾礦干容重1.7 t/m3，折合體積1 400 m3，按旋流器處理量下限考慮，選擇6組12臺(tái)，3組使用，3組備用。

3.2 旋流器給礦壓力控制

給礦壓力是決定旋流器分級(jí)效果的重要因素，為保證給礦壓力的穩(wěn)定，在尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)左岸地質(zhì)條件較好的位置設(shè)穩(wěn)壓塔，穩(wěn)壓塔呈倒錐形，12 cm厚鋼板焊接而成，容積120 m3，隨著壩體高度的增加同步抬升。初期排尾時(shí)，底部出漿口與旋流器給礦口的高差為20 m，初始給礦壓力為0.2 MPa。礦漿自選廠(chǎng)通過(guò)渣漿泵泵送至穩(wěn)壓塔內(nèi)，通過(guò)塔底部的φ160 mm給礦鋼管自流至旋流器組進(jìn)行分級(jí)處理，溢流管為φ90 mm膠管。排尾示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 中線(xiàn)排尾示意圖

排尾運(yùn)行中距離穩(wěn)壓塔較近的兩組旋流器給礦壓力的礦漿濃度均能夠滿(mǎn)足要求。最遠(yuǎn)處的旋流器組隨著壩體的抬升，給礦管線(xiàn)的增加，壓力和濃度均達(dá)不到試驗(yàn)要求的值。實(shí)際操作過(guò)程中礦漿輸送管改用內(nèi)壁較為光滑的聚氯乙烯塑料管，降低摩擦以減少沿程壓力損失;在礦漿進(jìn)入末端旋流器組之前補(bǔ)充水分保證給礦濃度，并通過(guò)機(jī)械增壓的方式保證旋流器給礦壓力。

對(duì)礦漿補(bǔ)水和機(jī)械增壓后，第三組旋流器的給礦濃度控制在21%左右，給礦壓力保持在0.13 MPa，并對(duì)底流沉砂和溢流進(jìn)行取樣分析，粒級(jí)分析結(jié)果顯示，沉砂中+0.074 mm顆粒含量達(dá)到了82.7%，分級(jí)效果好于試驗(yàn)數(shù)值，粒級(jí)分析結(jié)果見(jiàn)表3［2］。

3.3 旋流器操作

3.3.1 旋流器沉砂咀淤堵處理

開(kāi)始應(yīng)用旋流器分級(jí)排尾時(shí)，底流沉在沉砂咀下方不斷堆積，很快會(huì)將沉砂咀堵住，尾礦工在操作旋流器時(shí)需要不斷的停車(chē)清淤，影響排尾工作效率低。通過(guò)對(duì)旋流器組進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，將旋流器抬高，與水平面呈30°夾角，沉砂咀與外壩坡坡面的垂直高差為1.5 m，并在每組旋流器的沉砂咀的下方安裝了一塊1.5 m×1.5 m的鋼板，鋼板與水平面的角度和旋流器與水平面的角度一致。沉砂通過(guò)鋼板分散后，呈扇形流出堆積至壩外。通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，沉砂咀沒(méi)有出現(xiàn)被底流堵塞的現(xiàn)象，在旋流器不停車(chē)的情況下，直接清理鋼板下的沉砂，提高了設(shè)備和人員的工作效率。改造后的旋流器排尾見(jiàn)圖2。

表3 粒級(jí)分析表 %

圖2 改造后的旋流器運(yùn)行排尾圖

3.3.2 底流坡度控制

初始階段按照試驗(yàn)參數(shù)運(yùn)行時(shí)，高濃度底流粗砂沉積至壩外，流動(dòng)性較差，流動(dòng)距離短，外壩坡底流沉砂平均坡比僅為1∶2.5，但運(yùn)行外坡坡比需達(dá)到1∶3.5才能保證上下游尾砂面的同步抬升。這就造成了子壩必須提前抬升，下游庫(kù)容得不到充分利用。為保證壩體上下游砂面按照設(shè)計(jì)要求同時(shí)抬升，在保證沉砂率的前提下，旋流器操作過(guò)程中對(duì)沉砂濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，人工控制外坡沉積坡度。實(shí)際操作過(guò)程中，初始底流濃度不低于75%，當(dāng)鋼板下部粗砂沉積到一定量時(shí)，通過(guò)人工調(diào)節(jié)閥門(mén)，降低給礦壓力，使旋流器底流濃度降低至50%左右，將沉積的粗砂沖開(kāi)后底流濃度恢復(fù)至75%，反復(fù)循環(huán)操作后，通過(guò)對(duì)外坡比的測(cè)量，最小坡比為1∶3.8，最大坡比為1∶3.3，外坡沉砂的平均坡比1∶3.5左右，與設(shè)計(jì)值一致。內(nèi)外砂面的上升速度基本保持一致。旋流器組底部安裝鋼軌，方便移動(dòng)排尾，尾礦庫(kù)排尾運(yùn)行見(jiàn)圖3。

圖3 尾礦庫(kù)排尾運(yùn)行圖

3.3.3 冬季排尾及子壩堆筑

冬季排放在實(shí)際操作過(guò)程中，適當(dāng)降低尾礦沉砂的濃度，底流濃度平時(shí)控制在70%左右，沉砂產(chǎn)率61%，通過(guò)對(duì)底流沉砂的顆粒分析，+0.074 mm顆粒含量占到78%，粗顆粒的含量能夠滿(mǎn)足筑壩要求。冬季氣溫較低，蒸發(fā)量小;尾砂表面密實(shí)度高于夏季，滲水性與其他季節(jié)比相對(duì)較差，底流沉砂在外坡的流動(dòng)性更好，流動(dòng)距離更遠(yuǎn)，測(cè)量外坡平均比為1∶3.7。外坡沉砂粗顆粒含量多，即使在冬季，滲水性也較好，表層尾砂的固結(jié)很快。外壩坡浸潤(rùn)線(xiàn)的埋深很深，局部監(jiān)測(cè)不到。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察，僅在擋砂壩前有少量積水。根據(jù)鉆探取樣分析，表層3 m尾砂的平均含水量?jī)H為10%，冬季排尾期間外壩坡除出現(xiàn)局部拉溝現(xiàn)象外，無(wú)凍結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，通過(guò)后續(xù)排尾即可補(bǔ)平。冬季排尾外壩坡?tīng)顩r見(jiàn)圖4。

圖4 尾礦庫(kù)冬季排尾外坡圖

本地區(qū)海拔高程在1 000 m左右，冬天漫長(zhǎng)寒冷，持續(xù)近6個(gè)月，為保證尾礦在冬季的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，子壩加高選在入冬前，決定子壩加高高度的因素主要有溢流沉砂平衡關(guān)系，子壩加高后上下游庫(kù)容要能夠容納一年的尾礦量，加高前特別要考慮冬季底流濃度和沉砂產(chǎn)率相對(duì)于夏季較低，需要適當(dāng)增大上游庫(kù)容量。企業(yè)在實(shí)際操作過(guò)程中子壩加高4 m，高于設(shè)計(jì)子壩3 m的單期加高高度。

入冬前當(dāng)庫(kù)內(nèi)尾砂面距壩頂高差小于1 m時(shí)開(kāi)始堆子壩。堆筑子壩材料選用兩岸的剝巖廢石。堆筑時(shí)從左右兩岸向中部逐步推進(jìn)。筑壩初始階段第一組和第三組旋流器停止排尾，第二組旋流器正常工作，當(dāng)滿(mǎn)足停用旋流器排尾的平臺(tái)堆筑完成后，穩(wěn)壓塔抬升4 m，安裝旋流器后開(kāi)始排尾運(yùn)行，同時(shí)停用第二組旋流器，直至子壩堆筑完成。排尾作業(yè)僅在提升穩(wěn)壓塔時(shí)有間斷，其余子壩堆筑時(shí)段至少能夠保證一組旋流器正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

1)合理選擇初期排尾作業(yè)平臺(tái)的位置和高度，保證上下游尾砂面同步抬升，提高庫(kù)容的利用率，延長(zhǎng)尾礦庫(kù)的服務(wù)年限，減少了排尾征地問(wèn)題，社會(huì)效益顯著。2)結(jié)合本地區(qū)氣候特點(diǎn)和設(shè)備試驗(yàn)生產(chǎn)指標(biāo)，靈活操作旋流器，不斷調(diào)整底流沉砂的濃度，使外坡比達(dá)到了設(shè)計(jì)要求值，雖然出現(xiàn)拉溝現(xiàn)象，但都深度較淺，通過(guò)后續(xù)排尾補(bǔ)坡即可填平，不會(huì)影響外壩坡的整體穩(wěn)定。3)通過(guò)中線(xiàn)式旋流器排尾技術(shù)在張家口地區(qū)的成功應(yīng)用，為本地區(qū)其他尾礦庫(kù)應(yīng)用該技術(shù)提供了很好的范例。

［1］孫肇淑，胡岳華.旋流器參數(shù)的合理選擇［J］.礦業(yè)工程，2003，23(6)：38-40.

［2］石 明，金種集.現(xiàn)代尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)與管理維護(hù)技術(shù)及尾礦資源綜合利用實(shí)用手冊(cè)(上冊(cè))［M］.北京：當(dāng)代中國(guó)音像出版社，2010.