汪 斌 汪良峰 朱君星

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山243000)

我國(guó)金屬礦山在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的尾礦，絕大多數(shù)以尾礦庫(kù)形式堆存，一旦發(fā)生尾礦庫(kù)潰壩，不僅給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，而且給周邊環(huán)境安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，帶來(lái)一系列的經(jīng)濟(jì)、安全、生態(tài)和環(huán)境問題［1］。如何解決尾礦庫(kù)帶來(lái)的一系列問題，引起了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者及企業(yè)的高度重視，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外逐漸興起一種新的尾礦處理技術(shù)——尾礦干式堆存技術(shù)。20 世紀(jì)70 年代，加拿大Kidd Creek礦山建成世界上第一座尾礦干堆場(chǎng)［2］，目前國(guó)外尾礦干堆工藝的礦山很多，比如坦桑尼亞的Bulyan hulu 礦山、俄羅斯的Kubaka 礦山、加拿大的Ekati Diamond 和印度的Hindustan 公司［3］。智利的La Coipa礦山的干堆場(chǎng)是世界上最大的尾礦干堆場(chǎng)之一［4］。還有如Kwinana 冶煉廠、VAW Stade 冶煉廠等多家鋁廠也采用干堆工藝［5］。

尾礦濃縮脫水技術(shù)是尾礦干堆的關(guān)鍵工藝，目前國(guó)內(nèi)尾礦脫水分為壓濾脫水(壓濾機(jī)或過(guò)濾機(jī))和濃密脫水(濃密機(jī))或者這二者的結(jié)合，在此基礎(chǔ)上添加的其他工藝如旋流器分級(jí)、振動(dòng)篩篩分等主要起到分級(jí)或加強(qiáng)脫水作用。壓濾脫水形成濾餅，脫水效果好，在黃金礦山尾礦處理中得到廣泛應(yīng)用，比如山東歸來(lái)莊金礦［6-7］、遼寧排山樓金礦［8］、浙江遂昌金礦［9］，但在冶金和有色金屬礦山尾礦脫水中則應(yīng)用較少，這主要是由于壓濾機(jī)的能耗和處理成本較高。濃密脫水后尾礦形成膏體后進(jìn)行干堆，這種膏體干堆主要應(yīng)用在干旱地區(qū)［10］。

目前國(guó)內(nèi)成熟的干堆技術(shù)主要在干旱少雨的北方地區(qū)，而在南方多雨地區(qū)的尾礦干堆工藝仍需進(jìn)一步研究探討。本研究依托武鋼金山店鐵礦尾礦處理工程，開展尾礦固化干堆工藝與應(yīng)用研究。

1 武鋼金山店鐵礦尾礦處置現(xiàn)狀及濃縮方案

1.1 尾礦處置現(xiàn)狀

武鋼金山店鐵礦以張福山礦體為主要開發(fā)礦區(qū)，是武鋼三大井下鐵礦山之一。金山店鐵礦尾礦處理采用傳統(tǒng)的尾礦入庫(kù)堆存，尾礦庫(kù)原設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高為75 m，相應(yīng)總庫(kù)容為2 150 萬(wàn)m3，有效庫(kù)容為1 560萬(wàn)m3，目前剩余庫(kù)容約110 萬(wàn)m3，尾礦庫(kù)服務(wù)期限只有1 a 左右。因此，武鋼金山店鐵礦尾礦的安全處置問題迫在眉睫，關(guān)系到金山店鐵礦能否正常生產(chǎn)。由于建設(shè)新尾礦庫(kù)征地多，工期長(zhǎng)，難以滿足國(guó)家綠色礦山建設(shè)和環(huán)保要求，因此必須采取新思路、新技術(shù)來(lái)解決這一迫在眉睫的工程難題。金山店鐵礦可利用的處置場(chǎng)所有7 hm2的廢棄場(chǎng)地和余華寺塌陷坑，先在廢棄場(chǎng)實(shí)現(xiàn)尾礦的干堆處置，待地表堆完后將干尾礦排入塌陷坑，是目前解決上述工程難題的有效途徑。

1.2 尾礦基本性質(zhì)

對(duì)金山店全尾砂礦樣進(jìn)行物理性質(zhì)檢測(cè)，測(cè)定結(jié)果表明:尾礦的密度為2.855 g/cm3，pH 值為7.6，進(jìn)一步通過(guò)粒度分析得到該尾礦粒度組成如表1 所列。

表1 金山店尾礦粒度篩分結(jié)果Table 1 Particle size screening of Jinshandian tailings

1.3 濃縮方案

尾礦濃縮脫水是尾礦地表堆存的重要環(huán)節(jié)，有代表性的尾礦濃縮方式有2 種:一種是用壓濾機(jī)脫水濃縮，另一種是高效濃密機(jī)或深錐濃密機(jī)濃縮。結(jié)合金山店鐵礦的實(shí)際情況，考慮經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)安全、成本控制等因素，最終確定采用深錐濃密方案。濃縮試驗(yàn)表明尾礦濃縮后底流濃度可以達(dá)到65%以上。從金山店選廠尾礦性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果及設(shè)備可靠性多方面因素考慮分析，采用2 臺(tái)20 m 深錐濃密機(jī)作為尾礦濃縮設(shè)備。

尾礦濃縮系統(tǒng)由選廠隔膜泵房、尾礦管線、制備站和深錐濃密機(jī)組成。隔膜泵房位于金山店選廠尾礦車間標(biāo)高42.6 m，20 m 深錐濃密機(jī)位于制備站，進(jìn)料口標(biāo)高156.6 m，尾礦輸送管線2 000 m。經(jīng)計(jì)算，采用現(xiàn)有1 臺(tái)300 m3/h 隔膜泵和2 臺(tái)120 m3/h隔膜泵同時(shí)工作即可滿足尾礦輸送的要求，全年作業(yè)時(shí)間7 920 h，平均輸送尾礦量166.67 t/h 左右，輸送管材采用D325 mm ×16 mm 陶瓷復(fù)合管。尾礦回水管道采用1 條D325 mm ×8 mm 無(wú)縫鋼管，回水管線明設(shè)與尾礦輸送管線平行，全長(zhǎng)1 200 m。

金山店鐵礦所處南方多雨地區(qū)，僅用濃縮膏體堆壩難以確保尾礦庫(kù)的安全，而進(jìn)行壓濾成本高、生產(chǎn)能力難以提升，需要采取其他措施，本研究擬對(duì)濃縮尾礦采取固化措施來(lái)解決這一技術(shù)問題。

2 尾礦高效固化技術(shù)研究

2.1 固化試驗(yàn)方案

金山店鐵礦尾礦干堆除露天堆存外，還需要考慮在塌陷區(qū)和采空區(qū)堆存。向塌陷區(qū)、采空區(qū)堆存尾礦時(shí)，因?yàn)樗輩^(qū)底部可能存在與地下采空區(qū)巷道相連的溶洞、裂隙，為避免尾礦漿液沿裂隙、孔洞流入地下巷道，危及地下采礦作業(yè)人員生命，必須確保固化后的尾砂不具有流動(dòng)性、有一定的抗壓強(qiáng)度。所以試驗(yàn)的要求為:①摻入固化劑的尾砂漿液，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到初凝;②3 d 的抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.05 MPa 以上。

固化試驗(yàn)以室內(nèi)試驗(yàn)為主，部分試驗(yàn)的制樣和養(yǎng)護(hù)放在現(xiàn)場(chǎng)。固化試驗(yàn)采用濃度62%的尾礦，試驗(yàn)針對(duì)特定的S、Y、G、L、H 和Z 等6 種固化劑實(shí)施，在滿足試驗(yàn)要求的前提下，選擇綜合成本最低的固化劑和生產(chǎn)配比。

固化試驗(yàn)具體實(shí)施步驟如下:①首先實(shí)施初選試驗(yàn)，采用濃度為62%的尾砂漿液分別與6 種不同固化劑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)其前期流動(dòng)性及不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下的抗壓強(qiáng)度，依據(jù)試驗(yàn)要求并考慮成本，擇優(yōu)選出2 種固化劑;②開展現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)初選出的2 種固化劑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選取指標(biāo)較優(yōu)的1 種固化劑進(jìn)行下一步試驗(yàn);③進(jìn)行性能檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)選出擬用于生產(chǎn)的固化劑從多方面進(jìn)行檢驗(yàn)，除抗壓、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)外，還包括對(duì)泌水性、耐水性、體積收縮性以及和易性等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，室內(nèi)性能檢測(cè)所用試樣如圖1 所示。

圖1 固化試驗(yàn)室內(nèi)試樣Fig.1 Test sample in solidifying laboratory

2.2 固化試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)初篩試驗(yàn)，并綜合考慮成本，選出H 和Z 型固化劑，2 種固化劑灰砂比為1∶ 40 和1∶ 30 時(shí)滿足試驗(yàn)要求。進(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中Z 固化劑固化性能較差，不能滿足試驗(yàn)要求，而H 固化劑當(dāng)灰砂比為1∶ 30 時(shí)滿足試驗(yàn)要求。性能檢驗(yàn)試驗(yàn)采用H 固化劑，灰砂比采用1∶ 30 和1∶ 24，試驗(yàn)內(nèi)容包括泌水性試驗(yàn)、體積收縮性試驗(yàn)、耐水性試驗(yàn)、塌落度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。以下對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

(1)泌水性。摻入H 固化劑的尾砂固化體泌水試驗(yàn)表明:在前5 h 泌水速度較快，之后速度減慢，在10 h 后泌水量趨于穩(wěn)定?；疑氨?∶ 30 時(shí)，總泌水量約為尾砂固化體體積的12%;灰砂比1∶ 24 時(shí)，總泌水量約為尾砂固化體體積的10%?？梢?，在相同濃度的尾礦下，固化劑摻量增加，泌水性降低，泌水量減少，因?yàn)榇蟛糠值淖杂伤畢⑴c固化劑與尾礦的水化反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 固化尾礦泌水性Fig.2 Bleeding performance of the solidified tailings

(2)固化尾礦體積收縮性。體積收縮試驗(yàn)表明:灰砂比1∶ 30 和1∶ 24 時(shí)，在養(yǎng)護(hù)4 d 后垂直方向沉降已經(jīng)停止，最大沉降量分別為4.7 mm 和3.7 mm。體積收縮在養(yǎng)護(hù)5 d 后趨于穩(wěn)定，體積分別收縮了18%和12.3%?？梢?，在相同尾砂濃度下，體積收縮性與固化劑摻量成反比，與泌水性強(qiáng)弱成正比。試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 固化尾礦垂直沉降量Fig.3 Vertical settlement of solidified tailings

圖4 固化尾礦體積收縮率Fig.4 Volume shrinkage of solidifying tailings

(3)固化尾礦強(qiáng)度。從抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)可以看出，養(yǎng)護(hù)3 d和7 d后，灰砂比1 ∶ 24 時(shí)的尾砂固化體黏聚力值要大于灰砂比1∶ 30 時(shí)的指標(biāo);在相同摻量下，慢剪得出的黏聚力指標(biāo)要高于固化快剪的指標(biāo)。養(yǎng)護(hù)7 d 的黏聚力要大于3 d 的黏聚力。養(yǎng)護(hù)28 d后自然狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較7 d 的相應(yīng)指標(biāo)有一定增長(zhǎng)，但不是很大。這說(shuō)明固化尾砂在7 d 左右時(shí)間已建立一定的強(qiáng)度，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢。當(dāng)固化尾砂養(yǎng)護(hù)28 d 后在水中浸沒1 d，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)衰減很小。具體結(jié)果如圖5 ～圖11 所示。

圖5 灰砂比1∶ 24 固化尾礦3 d 抗剪強(qiáng)度Fig.5 Shear strength of three-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 24

(4)耐水性。摻入H 固化劑的尾砂固化試塊，在冷水中浸泡24 h 后，表面完好，無(wú)裂紋，如圖12 所示。測(cè)其抗壓強(qiáng)度值，可知灰砂比分別為1∶ 30 和1∶ 24時(shí)的強(qiáng)度分別衰減了13%和16.5%。由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，固化試塊的強(qiáng)度沒有建立完全，且在冷水中浸泡24 h，對(duì)試塊前期形成的強(qiáng)度影響較大?；疑氨仍酱螅枰磻?yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)，因此，前期在水中浸泡對(duì)于灰砂比1∶ 24 的試塊比對(duì)灰砂比1∶ 30 的試塊抗壓強(qiáng)度影響更大。在實(shí)際工程中，應(yīng)該盡量保證尾砂固化體在前期處于自然養(yǎng)護(hù)，以便固化體能夠建立足夠的抗壓強(qiáng)度。

圖6 灰砂比1∶ 30 固化尾礦3 d 抗剪強(qiáng)度Fig.6 Shear strength of three-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 30

圖7 灰砂比1∶ 24 固化尾礦7 d 抗剪強(qiáng)度Fig.7 Shear strength of seven-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 24

圖8 灰砂比1∶ 30 固化尾礦7 d 抗剪強(qiáng)度Fig.8 Shear strength of seven-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 30

圖9 灰砂比1∶ 24 固化尾礦28 d 抗剪強(qiáng)度Fig.9 Shear strength of twenty eight-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 24

圖10 灰砂比1∶ 24 固化尾礦28 d 抗剪強(qiáng)度(泡水24 h)Fig.10 Shear strength of twenty eight-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 24(soaked in water for 24 hours)

圖11 不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)固化尾礦抗壓強(qiáng)度變化Fig.11 Variation of Shear strength of solidified tailings cured for different duration

圖12 浸泡24 h 后表面完好，無(wú)裂紋Fig.12 Intact and crack-free surface after soaked for 24 hours

(5)塌落度試驗(yàn)。另外還做了塌落度試驗(yàn)，3 h塌落度26.3 ～28.4 cm，可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，在壩頂放礦時(shí)，尾礦漿也能夠較好自流。

2.3 固化試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)步驟確定固化劑后，通過(guò)多種試驗(yàn)驗(yàn)證固化效果。從泌水性試驗(yàn)分析，泌水量約為10%，且到短時(shí)間內(nèi)(試驗(yàn)中為20 h)基本停止，這樣能確保尾礦的流動(dòng)性，對(duì)輸送是有利的;體積收縮也在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，不致影響堆壩后的穩(wěn)定性;從抗剪強(qiáng)度分析，參考《GB50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》附表C 進(jìn)行比較，固化后的尾礦黏聚力得到很大的提升，以灰砂比1∶ 24 固化尾礦7 d 抗剪快剪指標(biāo)為例，與尾粉土相比，內(nèi)摩擦角相差無(wú)幾，而黏聚力則達(dá)到3 倍以上，固結(jié)效果相當(dāng)顯著，與尾中砂相比，雖然內(nèi)摩擦角為后者的86%，但黏聚力達(dá)到后者的400%，綜合來(lái)看，強(qiáng)度也顯著提高;另外抗壓強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求，而且隨著時(shí)間穩(wěn)步增長(zhǎng)，28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.2 MPa 以上;短時(shí)間耐水性較優(yōu)，長(zhǎng)期耐水性還需要實(shí)踐進(jìn)一步檢驗(yàn);塌落度試驗(yàn)表明固化尾礦流動(dòng)性較好，滿足輸送要求。綜上所述，金山店鐵尾礦固化試驗(yàn)數(shù)據(jù)充足，試驗(yàn)效果理想，生產(chǎn)中灰砂比可以在1∶ 30 和1∶ 24 之間選取。

3 金山店固化尾礦堆壩工藝研究

3.1 尾礦固化干堆工藝

(1)尾礦固化工藝。現(xiàn)有直徑70 m 普通濃密機(jī)27% ～30%濃度的尾礦由隔膜泵與管道(325 mm×16 mm)輸送至仙人山制備站20 m 深錐濃密機(jī)上口;尾礦在濃密機(jī)內(nèi)進(jìn)行絮凝沉降并控制泥床高度來(lái)得到65%左右濃度的尾礦，底流尾礦與適量固化劑經(jīng)高濃度攪拌機(jī)混合攪拌，然后通過(guò)管道(主管219 mm ×10 mm 與PF 鋼絲塑料復(fù)合管219 mm ×15 mm)自流至露天干堆場(chǎng);濃密機(jī)溢流自流至水池(用于清洗攪拌機(jī)和管道)，其余通過(guò)無(wú)縫鋼管325 mm×8 mm 返回選廠循環(huán)水系統(tǒng)再利用。

圖13 尾礦固化干堆工藝流程Fig.13 Process chart of dry stacking of the solidified tailings

(2)固化尾礦干堆設(shè)計(jì)。尾礦堆壩方式類似上游法，堆壩過(guò)程進(jìn)行分區(qū)實(shí)施，子壩坡比1∶ 2，總壩坡比小于1∶ 2.5，目前工程已完成一期子壩堆筑。

3.2 尾礦固化制備與輸送

為了節(jié)省設(shè)備投資、降低運(yùn)行費(fèi)用及操作管理簡(jiǎn)便，尾礦干堆采用管道自流輸送。制備站設(shè)在余華寺干堆場(chǎng)地附近且具有一定高差的仙人山緩坡地段。制備站平面52.0 m×41.5 m，占地2 158 m2，場(chǎng)地標(biāo)高+139.0 m;其中攪拌機(jī)站12.0 m ×8.5 m，占地102 m2，地面標(biāo)高+135.0 m(自流管道最高點(diǎn)+135.0 m，最低點(diǎn)+47 m，最大相對(duì)高差88 m)。

制備站耗用材料除了鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)外，主要是工藝管道。材料品種主要有普通鋼板(厚12 mm)，不同規(guī)格的無(wú)縫鋼管，PF 鋼絲塑料復(fù)合管等。其中70 m 普通濃密機(jī)底流尾礦泵送耐磨陶瓷管道規(guī)格325 mm×16 mm，管道長(zhǎng)度2 km(70 m 普通濃密機(jī)泵房至制備站的直線距離1.5 km)，高差118.9 m(+42.8～+158.7 m);回水用無(wú)縫鋼管(325 mm ×8 mm)長(zhǎng)2 km 制備站自流至選廠)。此外還有各種型號(hào)的閥門、單向閥等。

3.3 固化尾礦干堆效果評(píng)價(jià)

武鋼金山店鐵礦尾礦固化干堆先進(jìn)行試運(yùn)行，試運(yùn)行過(guò)程順利，經(jīng)過(guò)濃縮脫水后尾砂濃度達(dá)到65%以上，尾礦濃縮工藝研究達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，生產(chǎn)中灰砂比采用1∶ 27，尾礦堆體穩(wěn)定性較好。

尾礦濃縮固化工藝試運(yùn)行順利之后投入使用，運(yùn)行3 個(gè)月后礦方委托工勘單位對(duì)尾礦堆體進(jìn)行鉆孔取樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)(見表2)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明固化后尾砂堆積體強(qiáng)度較高，固化效果理想。

根據(jù)勘察報(bào)告的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用巖土分析軟件GeoStudio 對(duì)現(xiàn)狀尾礦和堆壩20 m 后的壩體進(jìn)行極限平衡穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見表3。從壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，武鋼金山店鐵礦尾礦固化干堆運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié) 論

(1)提出采用深錐濃縮脫水并進(jìn)行固化的工藝應(yīng)用于武鋼金山店鐵礦尾礦處置，濃縮后的尾礦濃度能達(dá)到65%，添加固化劑后的尾礦3 d 強(qiáng)度達(dá)到0.05 MPa 以上。利用現(xiàn)有閑置場(chǎng)地，通過(guò)2 臺(tái)20 m深錐濃密機(jī)濃縮尾礦，添加固結(jié)劑混合攪拌，形成有一定強(qiáng)度的膏體，通過(guò)自流輸送，排入尾礦堆場(chǎng)，最終實(shí)現(xiàn)尾礦干堆排放，且成功安全運(yùn)行。

(2)金山店鐵礦采用干堆處置尾礦，避免了新建尾礦庫(kù)，節(jié)省了大量時(shí)間，經(jīng)濟(jì)上也更劃算，干堆系統(tǒng)服務(wù)完后還可以作為充填系統(tǒng)使用。金山店鐵礦尾礦處置是南方多雨地區(qū)實(shí)施尾礦干堆的成功案例，對(duì)南方多雨地區(qū)類似工程有重要的參考借鑒意義。

表2 尾礦強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表［11］Table 2 Results of strength test of the tailings［11］

表3 干堆場(chǎng)穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 3 Analysis of dry tailings dam stability

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