高濃縮尾礦分級筑壩工藝流程與設計方法

劉欣欣 盛明強 艾羅艷 燕 琴

(南昌工學院人居環境學院,江西 南昌 330108)

自1953年在遼寧楊家杖子興建第一座現代意義上的尾礦庫后,我國開始逐步探索并發展自己的尾礦庫設計,自此尾礦庫建設數量增長迅速[1-2]。截至2017年末,我國尾礦庫的總數量已達到7 793 座,其中90%以上的尾礦庫都采用上游法筑壩[3]。在采用上游法筑壩的尾礦庫中,若入庫尾礦平均粒徑小于0.03 mm,-0.019 mm 顆粒含量大于50%、+0.074 mm 顆粒含量小于10%且+0.037 mm 顆粒含量小于30%,該類型尾礦歸屬于細粒尾礦[4],不適宜于直接筑壩,但可以通過水力旋流器分級,采用分級后產生的高濃縮沉砂筑壩,國內工程界稱這種筑壩施工方法為尾礦分級上游法[5]。根據國內筑壩實踐及相關試驗可知,尾礦分級上游法筑壩能夠有效提高沉砂率和粗粒尾礦上壩率,使沉積灘顆粒分布均勻,減少互層和細泥夾層出現,改善壩體內部結構進而增強堆積子壩的穩定性[6],近年來在國內尖山、通化,以及五龍等眾多礦山的尾礦庫得到了廣泛應用[7-8]。歸根結底,尾礦分級上游法筑壩的實施成效與分級后產生的沉砂質量和數量都有直接關聯。沉砂顆粒平均粒徑越粗質量越優,尾礦堆積壩的成型質量與穩定性也越佳,但因粗顆粒有限,沉砂率將會大幅降低,導致有效筑壩方量減少;沉砂率越高、數量越多,尾礦壩工程建設方量需求越容易得到滿足,但沉砂顆粒平均粒徑將會大大減小,于壩體整體穩定不利。工程實踐表明,沉砂的質量與數量主要受入庫尾礦性質、水力旋流器規格、旋流分級工藝流程、工藝參數等因素影響[9]。如何根據入庫尾礦性質,選擇適宜的水力旋流器,設計科學合理的旋流分級工藝流程和參數,從而產生數量與質量均能滿足筑壩施工需求的沉砂,是尾礦分級上游法需要解決的核心問題。

針對上述問題,業內學者與工程技術人員進行了一系列的研究與探索。韓文亮等[10]基于旋流器分選機理推導了旋流器顆粒分選時能耗損失和臨界分選粒徑的計算公式,能夠較為準確地預估旋流器的臨界粒徑,即多大粒徑的顆粒通過旋流器旋流后,由沉砂口排出。該公式基于半自由渦及兩相流基本假定推導,計算精度較高但相關參數難以精確取值。李亮[11]基于Fluent 對尾礦分級旋流器進行了數值模擬,分析了旋流分級過程中給料壓力、速度與濃度的分布規律對旋流器分級效果的影響。該數值模型中運用的雷諾應力(RSM)模型、兩相流MIXTURE 模型對初始和邊界條件的精度要求較高。鑒于理論與數值計算難度大,郭友謙[12]針對尖山尾礦壩筑壩施工實踐,提出了水力旋流器直徑與數量的經驗計算公式,然而一些關鍵指標如沉砂產率和建設工期的理論計算方法卻未涉及。在此基礎上,楊超等[13]通過開展旋流分級正交室內試驗,對二段水力旋流器的選型和旋流分級工藝參數進行了篩選與優化,對工程實踐具有一定的指導意義。劉欣欣等[14]基于分級筑壩現場試驗,也提出了旋流分級工藝參數的篩選優化試驗方案。但上述基于室內試驗和現場試驗的方法只適用于某一具體工程,工作量較大且不具備廣泛適用性。關于尾礦庫分級筑壩工藝和參數的計算方法,目前仍然缺少具有普遍適用性且體系完善的理論研究成果。

鑒于上述分析,本研究通過對分級筑壩計算相關的參量進行歸納分類,總結出了包含尾礦壩總工程方量Vdam、壩體高度H和尾礦庫待筑壩區域控制面積A等在內的共13 項計算參數。在此基礎上,采用理論分析方法,提出了關鍵參數如建設工期T、底流沉砂率γu和原礦分配率η的理論計算公式;以目前關于水力旋流器的分級數學模型為指導,推導出了基于分離粒度d50的水力旋流器選型和數量確定過程,闡述了選廠生產規模與筑壩施工效率之間的分配流程,并建立了系統化的旋流分級工藝參數計算方法。最后,針對某高濃度排礦尾礦庫筑壩工程實踐,對所提計算方法的可行性和有效性進行了驗證,研究成果可為國內礦山企業尾礦庫分級上游法筑壩和沿海圍墾工程堤防施工提供理論支撐。

1 分級工藝計算相關參數

根據分級筑壩工藝設計要求,對計算所需的相關參數進行歸納整理,得到如表1所示的13 項參數。其中,尾礦壩沉砂干密度ρd通過室內試驗測試,取原尾礦烘干后按照設計分級要求篩分重組為沉砂,并測試其干密度。對于灘面尾礦天然密度ρb,可在現場尾礦庫灘面取原狀樣直接測試。分離粒度d50是指水力旋流器粒度分配曲線中對應溢流(或沉砂)分配率為50%的粒度值,其物理意義為旋流器分級過程中某個粒度的顆粒進入底流和溢流的概率相等[15]。入料濃度Ci為水力旋流器進口端尾礦濃度。充填礦漿濃度Cf指的是底流沉砂經稀釋后的濃度,需滿足泵送基本要求。

2 分級工藝設計與計算方法

2.1 建設工期、沉砂產率與原礦分配率

在進行分級尾礦筑壩時,需要從選廠排放尾礦中分出一定比例(該比例稱為原礦分配率η)的礦漿用于旋流分級,未參與分級的原尾礦以及旋流分級產生的溢流尾礦需排放至尾礦庫中。因此,無論是從企業生產還是筑壩施工需求來講,在分級尾礦筑壩施工期間選廠都需要繼續保持生產。隨著尾礦壩不斷加高,入庫尾礦也在不斷積累,尾礦庫灘面將會持續上升,尾礦壩加高的速度要始終略高于尾礦庫灘面的上升速度;此外,沉砂產量還需要滿足筑壩工程量的需求,該過程被稱為砂量平衡。砂量平衡計算與建設工期T、沉砂產率γu和原礦分配率η密切相關。建設工期內,在原礦分配率一定的條件下,沉砂產率越高,壩體上升速度越快,砂量平衡越容易得到滿足,但沉砂夾細問題較為突出;反之,則砂量平衡將無法保證。因此,需要通過以下計算分析初步確定建設工期、沉砂產率和原礦分配率。

(1)施工期壩體平均加高速度。公式為

式中,vdam為施工期壩體平均加高速度,cm/d;H為壩體高度,m;T為建設工期,d。

(2)計算沉砂固相質量(干重)。公式為

式中:Mu為沉砂固相質量,t;M為選廠尾礦產量,t/d;η為原礦分配率,%;γu為沉砂產率,%。沉砂固相質量應等于尾礦堆積壩固相質量,即:

式中,ρd為尾礦壩沉砂干密度,kg/m3;Vdam為尾礦壩總工程方量,萬m3。

由式(3)可推導得:

(3)計算工期內總入庫尾礦固相質量。公式為

式中,Mp為施工期總入庫尾礦固相質量,t。

(4)工期內灘面平均上升速度。公式為

式中,vb為施工期灘面平均上升速度,cm/d;φ為庫容利用系數;A為尾礦庫待筑壩區域控制面積,萬m2;ρb為灘面尾礦天然密度,kg/m3。

(5)假定施工期間壩體平均加高速度vdam等于灘面上升速度vb,則有:

由式(7)推導出:

根據式(4)和式(8)可以得到:

進而可以推導出:

將式(10)代入式(4)可得:

利用式(11)尚無法精確確定沉砂產率γu和原礦分配率η取值。由上述分析可知:沉砂產率γu大小將直接影響沉砂質量,即-200 目顆粒含量。假設控制溢流尾礦-200 目顆粒為95%,根據質量守恒原理,可以得到沉砂產率γu的計算公式:

式中,P為原尾礦中-200 目顆粒含量,%;Pu為沉砂中-200 目顆粒含量,%,可根據沉砂質量要求直接給定,一般為30%～50%。計算出產率γu后,再將其代入式(11)即可得到原礦分配率η。

2.2 水力旋流器選型與數量

水力旋流器是分級筑壩系統的核心設備之一,需要從原尾礦特性和筑壩工程量入手,選擇適宜規格和數量的水力旋流器,用以生產質量合格且數量足夠的沉砂。工程實踐中,一般是以分離粒度d50作為旋流器直徑計算的依據,計算公式為[5]

式中,D為水力旋流器的計算直徑,cm;d50為分離粒度,高濃縮尾礦建議取35～45 μm;du為沉砂口直徑,cm;p為入料口壓強,對于35～45 μm 的分離粒度一般取120～160 kPa;Gs為尾礦真密度;dov為溢流口直徑,cm;Ci為入料濃度,為減少原礦稀釋水量同時獲得較好分級效果,建議取值范圍為35%～45%。

由式(13)得出旋流器計算直徑D,再根據不同品牌和型號的旋流器,選擇與計算直徑D、初定的沉砂口直徑du相近的水力旋流器,進而確定實際的旋流器參數(入料口當量直徑df和溢流口直徑dov),在此基礎上,確定計算水力旋流器的數量N,公式為

式中,N為水力旋流器的數量,臺;K0為系數,取值方法可參考《選礦工程師手冊 第1 冊 上 選礦通論》[17];df為入料口當量直徑,cm。當入料口為方形時,換算式為

式中,b為入料口寬度,cm;l為入料口高度,cm。

2.3 旋流分級工藝流程與參數

高濃縮尾礦分級筑壩工藝流程如圖1所示?；玖鞒虨?在選礦廠生產的尾礦中,分出比例為η的一部分作為參與分級原尾礦,剩余未參與分級的原尾礦直接排放至尾礦庫;參與分級原尾礦在原礦稀釋槽中補水稀釋后,由入料泵輸送給水力旋流器機組;經水力旋流器分級后,溢流尾礦直接排放至尾礦庫,底流尾礦在底流稀釋槽中補水稀釋后,通過沖填泵輸送至施工區域用于筑壩。

通過計算工藝流程圖中各項物料的傳遞與分配,即可得到旋流分級工藝的系列參數,進而為泵、管路和機電等設施選型提供依據。本研究基于水力旋流器分離性能計算方法[18],推導出的相關指標計算公式如圖1 和式(16)至式(22)所示。

式中,K1、K2為系數;S為分股比,等于底流尾礦與溢流尾礦流量之比;C為原尾礦濃度,%;Ci為入料濃度,%;Cu為底流尾礦濃度,%;Co為溢流尾礦濃度,%;Cf為充填礦漿濃度,%;Q為選廠尾礦流量,m3/h;Qp為參與分級原尾礦流量,m3/h;Qi為入料尾礦流量,m3/h;Qu為底流尾礦流量,m3/h;Qf為充填礦漿流量,m3/h。

3 分級筑壩系統現場實施

3.1 尾礦特性與計算參數

某壩前分散排礦尾礦庫平均排礦濃度為55 %,入庫尾礦平均粒徑為0.021 mm,小于0.074 mm 顆粒含量為75.9 %,小于0.045 mm 顆粒含量為65.86%,小于0.020 mm 顆粒含量為48.69 %,小于0.005 mm 顆粒含量為15.49%,屬尾粉質黏土。后期堆積壩擬采用分級上游法堆筑,分級筑壩計算的相關參數取值見表2。

表2 某尾礦庫分級筑壩計算參數Table 2 Calculation parameters of classification damming for a tailing pond

3.2 分級筑壩工藝流程與計算結果

通過計算可以得到以下結果:

(1)沉砂產率γu= 29.38%,原礦分配率η=52.27%,建設工期T=48.88 d。

(2)假定分離粒度d50=37.0 μm,沉砂口直徑du=4.0 cm,入料口壓強p=160.0 kPa,溢流口直徑dov=8.0 cm,入料濃度Ci=40.0%;根據上述數值,得到水力旋流器計算直徑D=25.4 cm;根據計算直徑,選擇內徑為25.4 cm、入料口當量直徑df=8.0 cm 的水力旋流器,代入式(14)計算得到,水力旋流器的數量為N=20.15 臺,取21 臺。

(3)在此基礎上,按照圖1 和式(16)至式(22)分別進行了計算,結果如圖2所示。

圖2 尾礦庫分級筑壩工藝流程與參數計算結果Fig.2 Process flow and parameter calculation results of classification damming for tailings pond

3.3 現場應用效果分析

根據上述設計工藝流程,在尾礦庫現場裝配的分級筑壩系統如圖3所示。系統主要包含兩部分:原礦稀釋槽(圖3(a))和底流稀釋槽(圖3(b))。原尾礦在原礦稀釋槽中經補水稀釋后,采用渣漿泵輸送給水力旋流器機組,旋流分級后產生的底流尾礦在底流稀釋槽中補水稀釋后由充填泵管道輸送至筑壩區域。

圖3 尾礦庫現場分級筑壩系統Fig.3 On-site classification damming system for tailings pond

系統穩定運行過程中,分別在原礦稀釋槽內、水力旋流器沉砂口和溢流管口取尾礦樣,測試入料尾礦、底流尾礦與溢流尾礦的濃度。結果顯示:入料濃度為41.85%(計算設定值Ci=40.0%),底流尾礦濃度為69.73%(計算結果Cu=70.80%),溢流尾礦濃度為35.42%(計算結果Co=33.90%),由此得到實際的沉砂產率為31.23%(計算結果γu=29.38%)。通過對入料尾礦、底流尾礦與溢流尾礦樣開展粒度測試,得到尾礦粒徑級配曲線如圖4所示。由圖4 可知:底流尾礦中-200 目顆粒含量為32.27%(計算設定值Pu=30.0%)。上述結果表明,在入料濃度計算設定值與現場實測值相近的條件下,理論計算結果與現場監測數據吻合度較好。

圖4 尾礦粒徑級配測試曲線Fig.4 Particle size grading test curves of tailings

4 結論

(1)高濃縮尾礦具有固體濃度大、不離析、高黏度、滲透率低等特點,從輸送的角度來看是有利的,可以節約電耗、增加回水量;但從筑壩的角度看,采用高濃度放礦,會出現粗細尾礦不分級、灘面飽和、固結程度差、強度指標低等情況。工程實踐經驗表明,對于高濃度放礦尾礦庫,分級上游法是相對較為適宜的筑壩方法。在分級筑壩系統設計過程中,可以采用上述設計和計算方法分別確定建設工期、沉砂產率和原礦分配率,在此基礎上進行水力旋流器選型和數量計算;通過繪制工藝流程圖并推求各組分礦漿的物料傳遞過程,可為水、漿管路和機電設施的選型提供依據。

(2)除了尾礦庫工程外,相關理論成果對沿海圍墾工程中堤防建筑物的施工也具有一定的參考意義。國內東南沿海地區因石料匱乏而砂土料分布廣泛,多數圍墾工程一般采用砂土料充灌土工管袋構筑圍堤,但高含黏(粉)土料充灌管袋脫水固結效率低的問題始終難以徹底解決,大大縮小了圍墾工程施工材料的來源范圍。基于所提出的分級筑壩工藝流程與設計方法,可考慮對高含黏(粉)土料實施旋流分級,以底流沉砂充灌管袋構筑圍堤,有助于提高圍墾工程施工效率。