高濃縮尾礦分級(jí)筑壩工藝流程與設(shè)計(jì)方法

　　摘要針對(duì)目前高濃縮尾礦筑壩過程中分級(jí)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)方法匱乏的現(xiàn)狀，通過對(duì)分級(jí)筑壩計(jì)算相關(guān)的參量進(jìn)行歸納分類，總結(jié)出了13項(xiàng)分壩系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)。基于理論分析，提出了建設(shè)工期、底流沉砂率和原礦分配率的理論計(jì)算公式;演繹基于分離粒度的水力旋流器選型和數(shù)量確定過程，闡述選廠生產(chǎn)規(guī)模與筑壩施工效率之間的分配流程，推導(dǎo)出了系統(tǒng)化的旋流分級(jí)工藝參數(shù)計(jì)算方法，并針對(duì)某高濃度排礦尾礦庫(kù)筑壩工程實(shí)踐，對(duì)所建立的計(jì)算方法的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示：在入料尾礦濃度與計(jì)算設(shè)定值相近的情況下，底流尾礦、溢流尾礦濃度、沉砂產(chǎn)率和底流尾礦中-200目顆粒含量等指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值吻合度較好。研究成果可為高濃度排礦尾礦庫(kù)上游法筑壩施工提供理論技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞尾礦庫(kù)上游法筑壩旋流分級(jí)工藝流程理論計(jì)算

　　自1953年在遼寧楊家杖子興建第一座現(xiàn)代意義上的尾礦庫(kù)后，我國(guó)開始逐步探索并發(fā)展自己的尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)，自此尾礦庫(kù)建設(shè)的數(shù)量增長(zhǎng)迅速[1-2]。截止至2017年年末，中國(guó)尾礦庫(kù)的總數(shù)量已達(dá)到7793座，其中90%以上的尾礦庫(kù)都采用上游法筑壩[3]。

　　采礦職稱論文采礦工程中數(shù)值模擬技術(shù)

　　在采用上游法筑壩的尾礦庫(kù)中，若入庫(kù)尾礦平均粒徑小于0.03mm，-0.019mm顆粒含量大于50%、+0.074mm顆粒含量小于10%且+0.037mm顆粒含量小于30%，該類型尾礦歸屬于細(xì)粒尾礦[4]，不適宜于直接筑壩，但可以通過水力旋流器分級(jí)，采用分級(jí)后產(chǎn)生的高濃縮沉砂筑壩，國(guó)內(nèi)工程界稱這種筑壩施工方法為尾礦分級(jí)上游法[5]。根據(jù)國(guó)內(nèi)筑壩實(shí)踐及相關(guān)試驗(yàn)可知，尾礦分級(jí)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(xì)泥夾層的出現(xiàn)，改善壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而增強(qiáng)堆積子壩的穩(wěn)定性[6]，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)尖山、通化、以及五龍等眾多礦山的尾礦庫(kù)取得了廣泛應(yīng)用[7-8]。

　　歸根結(jié)底，尾礦分級(jí)上游法筑壩的實(shí)施成效與分級(jí)后產(chǎn)生的沉砂質(zhì)量和數(shù)量都有直接關(guān)聯(lián)。沉砂顆粒平均粒徑愈粗質(zhì)量愈優(yōu)，尾礦堆積壩的成型質(zhì)量與穩(wěn)定性也愈佳，但因粗顆粒有限，沉砂率將會(huì)大幅降低，導(dǎo)致有效筑壩方量的減少;沉砂率越高、數(shù)量愈多，尾礦壩工程建設(shè)方量需求愈加容易得到滿足，但沉砂顆粒平均粒徑將會(huì)大大減小，于壩體整體穩(wěn)定不利。

　　工程實(shí)踐表明，沉砂的質(zhì)量與數(shù)量主要受入庫(kù)尾礦性質(zhì)、水力旋流器規(guī)格、旋流分級(jí)工藝流程、工藝參數(shù)等因素的影響[9]。如何根據(jù)入庫(kù)尾礦性質(zhì)，選擇適宜的水力旋流器，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的旋流分級(jí)工藝流程和參數(shù)，從而產(chǎn)生數(shù)量與質(zhì)量均能滿足筑壩施工需求的沉砂，是尾礦分級(jí)上游法需要解決的核心問題。 針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外尾礦工程界的學(xué)者與技術(shù)人員進(jìn)行了一系列的研究與探索。韓文亮等[10]基于旋流器分選機(jī)理推求出了旋流器顆粒分選時(shí)能耗損失和臨界分選粒徑的計(jì)算公式，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)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(dǎo)，計(jì)算精度較高但相關(guān)參數(shù)較為難以準(zhǔn)確定量。

　　李亮[11]基于Fluent對(duì)尾礦分級(jí)旋流器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了旋流分級(jí)過程中給料壓力、速度與濃度的分布規(guī)律對(duì)旋流器分級(jí)效果的影響。該數(shù)值模型中運(yùn)用的雷諾應(yīng)力(RSM)模型、兩相流MIXTURE模型對(duì)初始和邊界條件的精度要求相對(duì)較高。鑒于理論與數(shù)值計(jì)算難度大，郭友謙[12]針對(duì)尖山尾礦壩筑壩施工實(shí)踐，提出了水力旋流器直徑與數(shù)量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，然而一些關(guān)鍵指標(biāo)如沉砂產(chǎn)率和建設(shè)工期的理論計(jì)算方法卻并未涉及。在此基礎(chǔ)上，楊超等[13]通過開展旋流分級(jí)正交室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)二段水力旋流器的選型和旋流分級(jí)工藝參數(shù)進(jìn)行了篩選與優(yōu)化，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

　　劉欣欣等[14]基于分級(jí)筑壩現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，也提出了旋流分級(jí)工藝參數(shù)的篩選優(yōu)化試驗(yàn)方案。但上述基于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(guān)于尾礦庫(kù)分級(jí)筑壩工藝和參數(shù)的計(jì)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。鑒于上述狀況，文章通過對(duì)分級(jí)筑壩計(jì)算相關(guān)的參量進(jìn)行歸納分類，總結(jié)出了包含尾礦壩總工程方量Vdam、壩體高度H和尾礦庫(kù)待筑壩區(qū)域控制面積A等在內(nèi)的共計(jì)13項(xiàng)計(jì)算參數(shù)。

　　在此基礎(chǔ)上，采用理論分析方法，提出了關(guān)鍵參數(shù)如建設(shè)工期T、底流沉砂率γu和原礦分配率η的理論計(jì)算公式;以目前關(guān)于水力旋流器的分級(jí)數(shù)學(xué)模型為指導(dǎo)，推導(dǎo)出了基于分離粒度d50的水力旋流器選型和數(shù)量確定過程，闡述了選廠生產(chǎn)規(guī)模與筑壩施工效率之間的分配流程，并建立了系統(tǒng)化的旋流分級(jí)工藝參數(shù)計(jì)算方法。最后，針對(duì)某高濃度排礦尾礦庫(kù)筑壩工程實(shí)踐，對(duì)所建立的計(jì)算方法的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，研究成果可為國(guó)內(nèi)礦山企業(yè)尾礦庫(kù)分級(jí)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(jí)工藝計(jì)算相關(guān)參數(shù)

　　根據(jù)分級(jí)筑壩工藝設(shè)計(jì)要求，對(duì)計(jì)算所需的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行歸納整理。其中，尾礦壩沉砂干密度ρd通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，取原尾礦烘干后按照設(shè)計(jì)分級(jí)要求篩分重組為沉砂，并測(cè)試其干密度。對(duì)于灘面尾礦天然密度ρb，可在現(xiàn)場(chǎng)尾礦庫(kù)灘面取原狀樣直接測(cè)試。分離粒度d50是指水力旋流器粒度分配曲線中對(duì)應(yīng)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(jí)過程中某個(gè)粒度的顆粒進(jìn)入底流和溢流的概率相等[15]。入料濃度Ci為水力旋流器進(jìn)口端尾礦濃度。沖填礦漿濃度Cf指的是底流沉砂經(jīng)稀釋后的濃度，需滿足泵送基本要求。

　　2分級(jí)工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算方法

　　2.1建設(shè)工期、沉砂產(chǎn)率與原礦分配率

　　分級(jí)尾礦筑壩，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(jí)，未參與分級(jí)的原尾礦以及旋流分級(jí)產(chǎn)生的溢流尾礦需排放至尾礦庫(kù)中。因此，無(wú)論是從企業(yè)生產(chǎn)還是筑壩施工需求來(lái)講，分級(jí)尾礦筑壩施工期間選廠都需要繼續(xù)保持生產(chǎn)。隨著尾礦壩的不斷加高，入庫(kù)尾礦也在不斷積累，尾礦庫(kù)灘面將會(huì)持續(xù)上升，尾礦壩加高的速度要始終略高于尾礦庫(kù)灘面的上升速度;此外，沉砂的產(chǎn)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(jì)算與建設(shè)工期T、沉砂產(chǎn)率γu和原礦分配率η密切相關(guān)。

　　建設(shè)工期內(nèi)，在原礦分配率一定的條件下，沉砂產(chǎn)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(xì)問題較為突出;反之，則砂量平衡將無(wú)法保證。因此，需要通過以下計(jì)算分析初步確定建設(shè)工期、沉砂產(chǎn)率和原礦分配率。

　　2.2水力旋流器選型與數(shù)量

　　水力旋流器是分級(jí)筑壩系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，需要以原尾礦特性和筑壩工程量入手，選擇適宜規(guī)格和數(shù)量的水力旋流器，用以生產(chǎn)質(zhì)量合格且數(shù)量足夠的沉砂。

　　2.3旋流分級(jí)工藝流程與參數(shù)

　　基本流程為：在選礦廠生產(chǎn)尾礦中，分出比例為η的一部分作為參與分級(jí)原尾礦，剩余未參與分級(jí)原尾礦直接排放至尾礦庫(kù);參與分級(jí)原尾礦在原礦稀釋槽中補(bǔ)水稀釋后，由入料泵輸送給水力旋流器機(jī)組;經(jīng)水力旋流器分級(jí)后，溢流尾礦直接排放至尾礦庫(kù)，底流尾礦在底流稀釋槽中補(bǔ)水稀釋后，通過沖填泵輸送至施工區(qū)域用以筑壩。

　　3分級(jí)筑壩系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

　　3.1尾礦特性與計(jì)算參數(shù)

　　某壩前分散排礦尾礦庫(kù)平均排礦濃度為55%，入庫(kù)尾礦平均粒徑為0.021mm，小于0.074mm顆粒含量為75.9%，小于0.045mm顆粒含量為65.86%，小于0.020mm顆粒含量為48.69%，小于0.005mm顆粒含量為15.49%，屬尾粉質(zhì)黏土。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　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(diǎn)。從輸送的角度來(lái)看是有利的，可以節(jié)約電耗、增加回水量;但從筑壩的角度看，采用高濃度放礦，會(huì)出現(xiàn)粗細(xì)尾礦不分級(jí)、灘面飽和、固結(jié)程度差、強(qiáng)度指標(biāo)低等情況。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于高濃度放礦尾礦庫(kù)，分級(jí)上游法是相對(duì)較為適宜的筑壩方法。在分級(jí)筑壩系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可以采用上述設(shè)計(jì)和計(jì)算方法分別確定建設(shè)工期、沉砂產(chǎn)率和原礦分配率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水力旋流器的選型和數(shù)量計(jì)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，進(jìn)而為水、漿管路和機(jī)電設(shè)施的選型提供依據(jù)。除尾礦庫(kù)工程外，相關(guān)理論成果對(duì)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(guó)內(nèi)東南沿海地區(qū)因石料匱乏而砂土料分布廣泛，多數(shù)圍墾工程一般采用砂土料充灌土工管袋構(gòu)筑圍堤，但高含黏(粉)土料充灌管袋脫水固結(jié)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(lái)源范圍�；�于所提出的分級(jí)筑壩工藝流程與設(shè)計(jì)方法，可考慮對(duì)高含黏(粉)土料實(shí)施旋流分級(jí)，以底流沉砂充灌管袋構(gòu)筑圍堤，將能夠有效提高圍墾工程施工效率。

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　　作者：劉欣欣盛明強(qiáng)艾羅艷燕琴

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