水廠鐵礦池填法筑壩工藝研究

李 剛

（首鋼集團有限公司礦業公司水廠鐵礦）

2018年，我國共有非油氣礦山58 185個。礦山產生的尾礦大多堆存在尾礦庫，因而我國尾礦庫數量眾多。受礦石性質的影響，多數礦山不得不面對用細粒尾礦筑壩的問題，這給尾礦庫安全筑壩帶來一定的困難。如何在尾礦粒度較細的情況下，實現尾礦庫的安全、經濟、高效筑壩，首鋼水廠鐵礦探索出一系列經驗和方法，為尾礦庫的安全穩定運行提供了保障。

1 尾礦處置工藝與尾礦粒度

1.1 尾礦處置工藝

2017年以前，水廠鐵礦尾礦處置方式為全尾輸送到尾礦庫，輸送濃度在25%左右，年入庫量566萬t。2017年實施了尾礦一體化處置全流程技術與裝備研究項目，對生產流程中的尾礦按粒級分別提取粗粒級建筑砂、較粗粒級干排砂，細粒級入庫。其中，建筑砂和干排砂占總尾礦量的76%，入庫量占總尾礦量的24%，入庫濃度在35%左右，年入庫量135.84萬t。改造后的尾礦處置工藝見圖1。

1.2 尾礦粒級分析

（1）改造前入庫尾礦粒度見表1，改造后入庫尾礦粒度見表2。

由表1可看出，原入庫尾礦-200目40.6%。

由表2可看出，改造后入庫尾礦-200目80.47%。

2 細粒級尾礦筑壩方法研究

2.1 入庫粒度變細對筑壩方法的影響

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水廠鐵礦在用尾礦庫為二等庫，在尾礦一體化處置全流程技術與裝備研究項目實施前，入庫尾礦粒度-200目占40.60%，尾礦庫筑壩一直采用上游式分散沖積法放礦。尾礦一體化處置全流程技術與裝備研究項目實施后，入庫尾礦粒度-200目占80.47%。入庫粒度變細之初仍采用分散沖積法放礦，但壩體參數低于設計標準。原沉積灘坡度在1.5%，一度降至0.6%～0.7%，低于1%的設計要求；同時，機械設備在灘面上出現下沉現象，無法進行子壩堆筑作業，子壩高度低于防洪標準，直接影響汛期壩體安全。

2.2 細粒級尾礦筑壩方法選擇

我國尾礦庫上游法筑壩方法主要有沖擊法、池填法、水力旋流器沉砂法、水力旋流器聯合筑壩法、一次性筑壩法、渠槽法，近年來又出現了模袋法［1-4］。

上游式尾礦筑壩，尾礦顆粒較粗可采用直接沖積法筑壩；尾礦顆粒較細宜采用分級沖積法筑壩［4］。一般認為+200目含量＜10%為細粒尾礦，-200目含量＜80%時可采用上游法筑壩。從粒徑看，尾礦+200目含量為10%～20%時難以確定是否適宜采用上游法、一次性筑壩或其他方式堆存。由于上游法堆筑工藝簡單、便于管理、經濟合理，因而我國90%以上的尾礦庫采用上游法筑壩［5］。

根據尾礦粒級組成，重點開展了池填法和旋流器分級法筑壩工藝比較，比較內容包括成本和優缺點比較。

（1）成本。①池填法筑壩年運行成本預測83.78萬元，其中人工費45萬元、設備費38.78萬元，設備費包括柴油費37.34萬元和維護費1.44萬元。②旋流器分級筑壩年運行成本預測114萬元，其中人工費60萬元、設備費54萬元，設備費包括柴油費52萬元和維護費2萬元；另外投資84萬元，包括12臺?250 mm旋流器12萬元和旋流器支架、給礦管、溢流管72萬元。

（2）池填法筑壩和旋流器分級筑壩優缺點。池填法筑壩和旋流器分級筑壩優缺點見表3。

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由表3可看出，池填法筑壩具有運行成本低、易操作、防洪能力強等優點。綜合比較，確定采用池填法筑壩工藝。

3 池填法筑壩試驗及參數改進

3.1 試驗

試驗池寬30 m，沿庫內方向＞70 m；沉淀池用人工結合機械挖尾砂筑圍埝，埝高1 m、頂寬1.25 m；采用1根?150 mm放礦管往池內放礦。試驗期間池內排放尾砂2 300 m3，池內截留920 m3，約60%的尾砂通過溢流進入庫內，造成庫內灘面上升速度快。

從試驗放礦的過程看，存在圍埝窄，多次被沖毀，需要內燃設備頻繁對沉淀池進行修復，內燃設備存在陷車隱患，且消耗增加；沉淀池小，需頻繁構筑圍埝，投入過大；溢流管排水方式不合理，流出尾砂量大等問題。

3.2 參數優化

根據試驗中暴露出的問題，對沉淀池尺寸、圍埝尺寸和溢流管排水方式等進行了改進。

（1）通過滲流分析，確定圍埝能夠承受的池內礦漿壓力，以避免發生管涌拉毀圍埝問題。對沉淀池尺寸進行加寬加高，寬度達100 m（二等庫汛期最小控制干灘長度），沿壩軸線方向長度達150 m，圍埝高2.5 m，埝頂寬5 m，見圖2。

（2）溢流管排水方式改造。原溢流管采用鋼管做成直角彎頭，通過直角彎頭上方進行泄水，當池內礦漿面高于溢流管時，溢流正常排出，約有60%的尾砂通過溢流管流走。根據尾砂的自由沉降，對池子進行分層泄水，即在溢流管立管上開孔，隨著池內積水上升及時通過溢流管排出，當尾砂堆至溢流口時，對溢流孔進行封堵。溢流管改進樣式及現場放置方式見圖3、圖4。

沉淀池改進后，池內放礦21.6萬m3、截留尾砂14.4萬m3，僅有20%的尾砂通過溢流口流走。

4 改進后池填法筑壩應用效果

池填法筑壩參數改進后，同步將子壩高度由原來的5 m調整到2.5 m，沉積灘坡比由1.5%調整到1%。對新水村尾礦庫安全現狀的評價表明，沉積灘坡比為1.1%。主壩區現狀壩體在215 m標高及下一評價周期220 m標高正常運行、洪水運行、特殊運行工況下，壩坡最小抗滑安全系數均滿足規范要求。抗滑穩定性安全系數見表4。

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5 結語

（1）水廠鐵礦入庫尾礦-200目含量由40.60%變為80.47%后，按原工藝筑壩無法滿足設計要求，研究確定采用池填法筑壩工藝替代原沖擊法放礦工藝。

（2）研究確定了沿壩軸線方向長150 m、高2.5 m，圍捻寬5 m，沿庫內方向寬100 m等沉淀池參數。

（3）改進了溢流管排水方式，采用分層進水使池內尾礦堆積量達到80%以上。

（4）池填法放礦后，沉積灘坡比達1.1%，有效解決了入庫尾礦粒度變細帶來的筑壩困難、調洪庫容緊張、干灘長度不足等問題，提高了尾礦庫防范安全風險能力。