高濃縮尾礦分級筑壩工藝流程與設(shè)計(jì)方法

　　摘要針對目前高濃縮尾礦筑壩過程中分級系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)方法匱乏的現(xiàn)狀，通過對分級筑壩計(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)�；�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)化的旋流分級工藝參數(shù)計(jì)算方法，并針對某高濃度排礦尾礦庫筑壩工程實(shí)踐，對所建立的計(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)場監(jiān)測數(shù)值吻合度較好。研究成果可為高濃度排礦尾礦庫上游法筑壩施工提供理論技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞尾礦庫上游法筑壩旋流分級工藝流程理論計(jì)算

　　自1953年在遼寧楊家杖子興建第一座現(xiàn)代意義上的尾礦庫后，我國開始逐步探索并發(fā)展自己的尾礦庫設(shè)計(jì)，自此尾礦庫建設(shè)的數(shù)量增長迅速[1-2]。截止至2017年年末，中國尾礦庫的總數(shù)量已達(dá)到7793座，其中90%以上的尾礦庫都采用上游法筑壩[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中，若入庫尾礦平均粒徑小于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，采用分級后產(chǎn)生的高濃縮沉砂筑壩，國內(nèi)工程界稱這種筑壩施工方法為尾礦分級上游法[5]。根據(jù)國內(nèi)筑壩實(shí)踐及相關(guān)試驗(yàn)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(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]，近年來在國內(nèi)尖山、通化、以及五龍等眾多礦山的尾礦庫取得了廣泛應(yīng)用[7-8]。

　　歸根結(jié)底，尾礦分級上游法筑壩的實(shí)施成效與分級后產(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)量主要受入庫尾礦性質(zhì)、水力旋流器規(guī)格、旋流分級工藝流程、工藝參數(shù)等因素的影響[9]。如何根據(jù)入庫尾礦性質(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，是尾礦分級上游法需要解決的核心問題。 針對上述問題，國內(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對尾礦分級旋流器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了旋流分級過程中給料壓力、速度與濃度的分布規(guī)律對旋流器分級效果的影響。該數(shù)值模型中運(yùn)用的雷諾應(yīng)力(RSM)模型、兩相流MIXTURE模型對初始和邊界條件的精度要求相對較高。鑒于理論與數(shù)值計(jì)算難度大，郭友謙[12]針對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]通過開展旋流分級正交室內(nèi)試驗(yàn)，對二段水力旋流器的選型和旋流分級工藝參數(shù)進(jìn)行了篩選與優(yōu)化，對工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

　　劉欣欣等[14]基于分級筑壩現(xiàn)場試驗(yàn)，也提出了旋流分級工藝參數(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)于尾礦庫分級筑壩工藝和參數(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，文章通過對分級筑壩計(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)化的旋流分級工藝參數(shù)計(jì)算方法。最后，針對某高濃度排礦尾礦庫筑壩工程實(shí)踐，對所建立的計(jì)算方法的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，研究成果可為國內(nèi)礦山企業(yè)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(jì)算相關(guān)參數(shù)

　　根據(jù)分級筑壩工藝設(shè)計(jì)要求，對計(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)測試，取原尾礦烘干后按照設(shè)計(jì)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(xiàn)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(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，未參與分級的原尾礦以及旋流分級產(chǎn)生的溢流尾礦需排放至尾礦庫中。因此，無論是從企業(yè)生產(chǎn)還是筑壩施工需求來講，分級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，入庫尾礦也在不斷積累，尾礦庫灘面將會持續(xù)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原尾礦，剩余未參與分級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(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(bǔ)水稀釋后，通過沖填泵輸送至施工區(qū)域用以筑壩。

　　3分級筑壩系統(tǒng)現(xiàn)場實(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平均排礦濃度為55%，入庫尾礦平均粒徑為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

　　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，會出現(xiàn)粗細(xì)尾礦不分級、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(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)。除尾礦庫工程外，相關(guān)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(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源范圍�；�于所提出的分級筑壩工藝流程與設(shè)計(jì)方法，可考慮對高含黏(粉)土料實(shí)施旋流分級，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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