中線式尾礦排放工藝在張家口某鐵礦的應用

班貴順

(河北新燁工程技術有限公司礦山設計院，河北張家口 075100)

0 引言

中線式尾礦排放工藝作為國內(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，用來解決筑壩材料短缺的問題，而在鐵礦尾礦庫的應用不多。主要是多數(shù)鐵礦磨礦細度較粗，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，操作簡單，尾礦排放成本較低。張家口市赤城縣某鐵礦結合自身礦石特點和礦山周邊環(huán)境現(xiàn)狀，在尾礦庫排尾運行過程中，摒棄了傳統(tǒng)的上游式筑壩方式，采用中線式排尾筑壩，通過近兩年的生產(chǎn)實踐，取得了不錯的效果。

1 中線式排尾方式的選擇

1.1 礦山生產(chǎn)情況和周邊環(huán)境狀況

礦山鐵礦石儲量大，易開采，但原礦品位低，干選后入磨品位15%左右。選礦廠每天處理干選礦石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，尾礦庫擴建征地難度很大。

1.2 中線式排尾方式的確定

選礦廠磨礦細度較粗，尾礦中+0.074 mm的顆粒含量占總量的70%以上，筑壩材料充足;中線式排尾能充分的利用上下游溝道空間，服務年限長;壩體寬大厚重，穩(wěn)定性好。企業(yè)于2008年通過對山西太鋼峨口鐵礦的考察并結合自身現(xiàn)狀，確定新建尾礦庫采用中線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 尾礦庫庫址及主要構筑物

2.1 尾礦庫庫址的選擇

尾礦庫所在溝道長度1.3 km，既要滿足上下游排尾的要求，又要滿足尾水澄清距離要求，以保證回水水質。

2.2 尾礦庫主要構筑物組成

2.2.1 初期壩

初期壩選在溝道的中下游段，綜合上下游庫容和滿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。

上下游庫容之比在保證滿足下游粗砂排放的同時，適當向上游傾斜，中線式排尾設備出現(xiàn)故障時，在設備檢修期內(nèi)上游有足夠的空間容納未分級的尾礦。通過上下游庫容計算，確定下游尾礦排放坡比為 1∶3.5，上下游庫容比為 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～強風化巖即可筑壩。初期壩外坡比1∶2.0，內(nèi)坡比1∶1.75，內(nèi)外壩坡均不設馬道。初期壩頂作為旋流器工作平臺，寬度10 m。

2.2.2 下游擋砂濾水壩及排滲體

初期壩下游設置擋砂濾水壩，濾水壩與初期壩之間溝道底部設排滲體。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。按下游粗尾設計堆放坡度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 排洪設施

尾礦庫排洪設施采用溢水塔結合庫底鋪設排洪涵管的形式，涵管出口設置消力池。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 中線式尾礦排放工藝

中線式尾礦排放工藝是采用水力旋流器將尾礦中的粗細顆粒分級，粗顆粒排至壩外用于筑壩，細顆粒排入庫內(nèi)。中線式排尾工藝首先要選擇旋流器，更重要的是尾礦排放過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旋流器的處理能力和尾砂的分級處理效果。單臺旋流器的處理能力主要和旋流器的柱體直徑、溢流管直徑、給礦口當量直徑和給礦壓力有關［1］，除了旋流器自身影響尾礦分級處理效果外，還有選廠閉路磨礦分級和給礦濃度。

選礦廠采用單一磁選方法選礦，通過對尾礦的篩分粒級分析，－0.074 mm的含量只占尾礦總量的20%，磨礦粒度較粗。尾礦粒級分析結果見表1。根據(jù)尾礦處理量和尾礦粒級分析表，設備廠商推薦了兩款旋流器進行現(xiàn)場旋流分級試驗。試驗過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不同沉砂咀尺寸旋流出的沉砂和溢流進行了取樣分析，試驗成果見表2。

表1 選礦廠尾礦粒級分析表

試驗結果表明，φ300和φ350旋流器沉砂濃度均達到了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%，沉砂中粒級基本滿足筑壩要求。

表2 旋流器現(xiàn)場試驗成果表

試驗過程中，旋流器采用52 mm沉砂咀時沉砂產(chǎn)率較低，滿足不了下游粗砂排放量。在給礦壓力0.1 MPa～0.12 MPa時，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)率相對較低，旋流器實際的處理量少。φ350旋流器在選用45 mm沉砂咀時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，工作狀態(tài)比較穩(wěn)定。通過廠家產(chǎn)品參數(shù)以及現(xiàn)場實驗，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%計算，單臺旋流器日處理尾礦量240 m3～380 m3，選礦廠日排尾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，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效果的重要因素，為保證給礦壓力的穩(wěn)定，在尾礦庫庫區(qū)左岸地質條件較好的位置設穩(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，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。礦漿自選廠通過渣漿泵泵送至穩(wěn)壓塔內(nèi)，通過塔底部的φ160 mm給礦鋼管自流至旋流器組進行分級處理，溢流管為φ90 mm膠管。排尾示意圖見圖1。

圖1 中線排尾示意圖

排尾運行中距離穩(wěn)壓塔較近的兩組旋流器給礦壓力的礦漿濃度均能夠滿足要求。最遠處的旋流器組隨著壩體的抬升，給礦管線的增加，壓力和濃度均達不到試驗要求的值。實際操作過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;在礦漿進入末端旋流器組之前補充水分保證給礦濃度，并通過機械增壓的方式保證旋流器給礦壓力。

對礦漿補水和機械增壓后，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，并對底流沉砂和溢流進行取樣分析，粒級分析結果顯示，沉砂中+0.074 mm顆粒含量達到了82.7%，分級效果好于試驗數(shù)值，粒級分析結果見表3［2］。

3.3 旋流器操作

3.3.1 旋流器沉砂咀淤堵處理

開始應用旋流器分級排尾時，底流沉在沉砂咀下方不斷堆積，很快會將沉砂咀堵住，尾礦工在操作旋流器時需要不斷的停車清淤，影響排尾工作效率低。通過對旋流器組進行簡單改造，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。沉砂通過鋼板分散后，呈扇形流出堆積至壩外。通過實踐應用，沉砂咀沒有出現(xiàn)被底流堵塞的現(xiàn)象，在旋流器不停車的情況下，直接清理鋼板下的沉砂，提高了設備和人員的工作效率。改造后的旋流器排尾見圖2。

表3 粒級分析表 %

圖2 改造后的旋流器運行排尾圖

3.3.2 底流坡度控制

初始階段按照試驗參數(shù)運行時，高濃度底流粗砂沉積至壩外，流動性較差，流動距離短，外壩坡底流沉砂平均坡比僅為1∶2.5，但運行外坡坡比需達到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，下游庫容得不到充分利用。為保證壩體上下游砂面按照設計要求同時抬升，在保證沉砂率的前提下，旋流器操作過程中對沉砂濃度進行調節(jié)，人工控制外坡沉積坡度。實際操作過程中，初始底流濃度不低于75%，當鋼板下部粗砂沉積到一定量時，通過人工調節(jié)閥門，降低給礦壓力，使旋流器底流濃度降低至50%左右，將沉積的粗砂沖開后底流濃度恢復至75%，反復循環(huán)操作后，通過對外坡比的測量，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，與設計值一致。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，方便移動排尾，尾礦庫排尾運行見圖3。

圖3 尾礦庫排尾運行圖

3.3.3 冬季排尾及子壩堆筑

冬季排放在實際操作過程中，適當降低尾礦沉砂的濃度，底流濃度平時控制在70%左右，沉砂產(chǎn)率61%，通過對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足筑壩要求。冬季氣溫較低，蒸發(fā)量小;尾砂表面密實度高于夏季，滲水性與其他季節(jié)比相對較差，底流沉砂在外坡的流動性更好，流動距離更遠，測量外坡平均比為1∶3.7。外坡沉砂粗顆粒含量多，即使在冬季，滲水性也較好，表層尾砂的固結很快。外壩坡浸潤線的埋深很深，局部監(jiān)測不到。通過現(xiàn)場觀察，僅在擋砂壩前有少量積水。根據(jù)鉆探取樣分析，表層3 m尾砂的平均含水量僅為10%，冬季排尾期間外壩坡除出現(xiàn)局部拉溝現(xiàn)象外，無凍結現(xiàn)象發(fā)生，通過后續(xù)排尾即可補平。冬季排尾外壩坡狀況見圖4。

圖4 尾礦庫冬季排尾外坡圖

本地區(qū)海拔高程在1 000 m左右，冬天漫長寒冷，持續(xù)近6個月，為保證尾礦在冬季的正常運轉，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系，子壩加高后上下游庫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)率相對于夏季較低，需要適當增大上游庫容量。企業(yè)在實際操作過程中子壩加高4 m，高于設計子壩3 m的單期加高高度。

入冬前當庫內(nèi)尾砂面距壩頂高差小于1 m時開始堆子壩。堆筑子壩材料選用兩岸的剝巖廢石。堆筑時從左右兩岸向中部逐步推進。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，當滿足停用旋流器排尾的平臺堆筑完成后，穩(wěn)壓塔抬升4 m，安裝旋流器后開始排尾運行，同時停用第二組旋流器，直至子壩堆筑完成。排尾作業(yè)僅在提升穩(wěn)壓塔時有間斷，其余子壩堆筑時段至少能夠保證一組旋流器正常運行。

4 結語

1)合理選擇初期排尾作業(yè)平臺的位置和高度，保證上下游尾砂面同步抬升，提高庫容的利用率，延長尾礦庫的服務年限，減少了排尾征地問題，社會效益顯著。2)結合本地區(qū)氣候特點和設備試驗生產(chǎn)指標，靈活操作旋流器，不斷調整底流沉砂的濃度，使外坡比達到了設計要求值，雖然出現(xiàn)拉溝現(xiàn)象，但都深度較淺，通過后續(xù)排尾補坡即可填平，不會影響外壩坡的整體穩(wěn)定。3)通過中線式旋流器排尾技術在張家口地區(qū)的成功應用，為本地區(qū)其他尾礦庫應用該技術提供了很好的范例。

［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)代尾礦設施設計與管理維護技術及尾礦資源綜合利用實用手冊(上冊)［M］.北京：當代中國音像出版社，2010.