膏体技术及其在尾矿处理中的应用

惠学德，谢纪元（中国黄金集团科技有限公司，北京 100176）

膏体技术及其在尾矿处理中的应用

Paste technology and its application in tailings treatment

惠学德，谢纪元（中国黄金集团科技有限公司，北京 100176）

膏体是一种不离析、均质的流体，将选矿厂的尾矿浓缩为膏体后堆存于尾矿库中可以减少尾矿库的沉降面积，节约土地，提高尾矿库的安全性，目前该项技术已经在许多矿山成功应用。随着尾矿安全越来越受到重视，土地资源越来越少，膏体技术对于今后矿山建设是一种非常好的选择。

膏体；尾矿堆存；尾矿库

1 概述

1.1 膏体的定义

膏体较为通用的定义是一个定性的范畴，即物料表现为不离析、均质、初始屈服应力不等于零的一个固体质量浓度的范畴。对于尾矿而言，它是密度、粘度、细度和水分处在特定范围的矿浆，在不被搬运的情况下，不会离析。膏体具有流动性，可以自流（坡降比较大），在通过管道进行压力输送时，膏体具有非牛顿体的特性。绝大多数选矿厂产出的尾矿都能制备成膏体，根据大量经验数据和操作实践，按重量百分数计算，膏体最低必须有15%以上的小于20μm级别，才能显示其流动特性并保持有足够的呈胶体状态的水，形成一种不离析的混合体。

留在膏体内的水分子结构是形成膏体特性的重要因素。对尾矿而言，形成膏体的主要因素是尾矿中的水分。选矿厂产出的尾矿经过不同的脱水设备，矿浆中的水分逐步降低，其中有一个很窄的区间就是膏体。这个区间尾矿浓度很高，处在屈服应力急剧上升的初始阶段。

不同性质的尾矿，由于固体密度不同，粒度组成不同，比表面积不同，以及添加剂不同，形成膏体的浓度值也不尽相同。尾矿粒度越细，形成膏体的浓度范围越宽。固体质量浓度的值也越小。如中国各污水处理厂脱水污泥的浓度仅为30%～18%，但是该含固量的污泥在经管道输送以及处理时，均表现为膏体，即不沉降、不离析的均质物料。

膏体技术除了应用于尾矿坑下充填和地表尾矿处理以外，还可以处理其他行业容量很大的废物，如赤泥、烟灰、挖泥船排出的沉淀物等。

1.2 膏体的特性

（1）不离析。膏体的不离析是一个相对概念，是指在一定条件下，膏体内部水分子与矿石颗粒之间、矿石颗粒与矿石颗粒之间受各种作用力的控制，在一段时间内，保持着相对平衡。但是从更长的时间来看，这种平衡可能发生改变。膏体表面暴露在大气中的水分子会蒸发，所以膏体堆存较长时间以后，表面会出现干裂。但是，这种干裂只是水分蒸发，体积缩小，粒度分布关系并没有改变，没有出现粗细颗粒之间的离析。由于没有出现粗细颗粒之间的离析，且干裂以后变得更加致密，所以在大风天气不会扬起粉尘。这是膏体的重要特性，对于保护环境具有重要意义。

（2）渗透率很低。膏体不是绝对不渗透，但渗透率非常低。有的文献中描述，膏体的渗透性比同等物料的渗透性低半个数量级。更多的文献描述膏体不渗透。尾矿堆存的深度越高，其渗透性越低。

与常规的尾矿处理方式比较，尾矿膏体堆存的最大特点是尾矿入库的水分就很少，再加上它的渗透率又很低，所以渗入地下水系的水量是很有限的，对地下水系的影响很小。现在许多选矿厂的尾矿库内为了防止渗漏和在库内回水，不得不在整个库区内铺设不透水膜。采用膏体堆存以后，是否可以取消防渗膜，值得进行研究。这个问题涉及到环保和安全的重大课题，必须根据每一个工程的具体条件，通过科学的试验进行论证。

1.3 膏体的自流沉积坡度

膏体的自流沉积坡度与膏体的含水率有关，由于它在尾矿堆存设计中非常重要，每一个工程设计之前都必须进行实物试验。它是计算尾矿库容的最重要的参数。对于特定的尾矿物料而言，在一定浓度范围内即出现膏体的特性。在这个范围之内，浓度越低自流沉积坡度越小。例如目前乌努格吐山的自流沉积坡度只有2%左右。而坦桑尼亚Bulyanhu⁃lu金矿的沉积坡度可以达到10%甚至更高。浓度越低，管道输送阻力越小，节省能源。浓度越高，自流沉积坡度越大，堆积尾矿越多。生产经营者可以利用这种关系，在不同生产时期内，选择不同的膏体浓度。

1.4 膏体在管道内输送的特性

膏体属高粘塑性非牛顿流体，它在管道内的流动特性（流变性）主要取决于外加的剪切力。为了改善全尾砂膏体的输送性能，可以根据需要在膏体中加入不同的添加剂。例如加入磺酸盐或磺化木质素与脂肪醇或脂肪酸皂的混合物，可以使几乎难以流动的膏体顺利地流动。膏体尾矿可以进行长距离输送。Las Cenizas铜矿矿浆浓度73%，输送距离7819m。长距离输送膏体的管道阻力比较大，需要采用隔膜泵或柱塞泵。短距离输送采用离心泵。膏体输送管道如果长时间停车，需要将管道清空，据美国Brass国际工程有限公司介绍其方法是在管道内放置一个略小于管径的塑料球，用高压空气推动塑料球前进。

2 膏体尾矿的堆存方式

膏体堆存的优点：干式堆存，筑坝的工程量很小；流动的水很少或没有。膏体尾矿的堆存方式与传统的矿浆排放的堆存方式有质的区别。由于膏体排入尾矿库以后，水与固体之间，固体中的粗细颗粒之间不产生离析，膏体表面不产生可以流动的水，所以这种排放方式应当属于“管道输送、干式堆存”。这种排放方式在安全、环保方面带来的好处是湿式排放方式不可能做到的。

根据一些文献资料的介绍，结合黄金矿山的实际情况，膏体排放可以有以下几种方式。

2.1 开阔地带自由式堆存

这种堆存方式最成熟，国外文献中介绍的最多。投资最省，最有利于环保和安全。由于膏体的自流沉积坡度很缓，在单点排放的情况下，会形成一个坡度很缓的圆锥形。它的稳定性很好，没有必要为尾矿的安全筑坝。但是为了防止尾矿库内降雨对环境的污染，应当在尾矿库的下游筑一个小坝，让雨水略加沉淀后外排。

目前应用较多的排放方式是开阔地带膏体尾矿排放方式,采用单管下口排放，其优点是结构简单，排放管一次建成，不需要再加高。缺点是排放管埋在尾矿下面，不能更换和维修。

内蒙古金曦金矿地处内蒙古大草原，地势开阔。选矿厂在上游较高位置，尾矿库长1 200多米。地形坡度小于2%，库内铺设防渗膜，下游有一个8m高的不透水坝。原矿的磨矿细度-0.074mm占90%，全泥氰化后尾矿的细度还要更细些。若按照尾矿最后堆积成直径1200m的圆锥体，自流沉积坡度按6%计算，堆高为36m，堆存体积约为1 300万m3，按干尾矿堆密度为1.5t/m3计算，则可堆存尾矿约2 000万t。现有尾矿库可以服务约20年。

金曦金矿原设计采用尾矿压滤，皮带运输机干排方案，该矿冬天最低温度可降至零下35℃，皮带运输机很难正常运转。同时大风天气很多，必须控制尾矿库扬尘。采用“尾矿管道输送、膏体干排”的方案与原设计方案比较，不仅投资省、运营费用低、操作人员少、管理简单，而且对环保和安全最有利。

尾矿排放管道可以参照坦桑尼亚Bulianhulu金矿的做法，多点轮流薄层放矿。在降雨量很少，蒸发量大的地区，采用多条管道轮流前排放的优点是它可能增大膏体的自流沉积的角度，从而增大尾矿的堆存量。因为膏体经过一段时间的风干以后，表面出现干裂，表面强度增加，这时再向上排放膏体尾矿，它会继续停留在原有的尾矿上面。

在寒冷地区，选矿厂冬天停车会带来许多问题，如何保证在最寒冷的时期连续生产、不停车，解决好冬季尾矿连续排放问题十分重要。根据黄金矿山的经验，充分利用膏体的热容量，在冰层下排放是可行的。只要保证输送泵有足够的压力，尾矿就能够连续排放。在输送泵压力过大时，可以在局部破坏冰层。为了保存尾矿中的热量，排放管道一定要保温。

现在黄金行业准备采用膏体技术排放尾矿的矿山都是在北方干旱、寒冷地区，在南方多雨地区，可能会出现其他问题。

2.2 山谷地形的自由式堆存

这种堆存方式必须有合适的地形，即有一段很平缓而且又比较窄的山沟，利用自然地形平缓，尾矿自流沉积坡度相对比较陡的高差堆存尾矿。这种地形类似河北峪耳崖金矿新选矿厂尾矿库的地形，选矿厂在山上，山下有近2 000m长的平缓山沟。地区降雨量不大，尾矿库两侧需要设排洪沟。

2.3 筑坝堆存

筑坝堆存是尾矿处理的传统做法，也是在多数情况下膏体尾矿堆存需要采用的方法。但是由于尾矿本身不产生水，所以它的堆存要比矿浆尾矿堆存简单和灵活。膏体尾矿堆存多采用上游放矿，下游筑坝。初期坝的工程量比较小，以后随着尾矿排放量的增多，采用下游筑坝法加高尾矿坝。膏体尾矿的排放方式比较灵活，可以单点排放，也可以多点排放，排放地点也可以根据需要选择。

3 尾矿膏体堆存实例

3.1 乌努格吐山铜钼矿

乌努格吐山铜钼矿位于内蒙古自治区满洲里市西南22km，地处内蒙古大草原，交通十分便利。2009年9月投产，设计规模30 000t/d，2010年已经达到35 000t/d，正在准备建设第二期35 000t/d工程。地区严重缺水，矿山购买满洲里城市排放的生活中水进行生产。冬季寒冷，2010年初曾达到过-47℃，常有大风。

矿山储量大、品位低。设计采用浮选法生产铜精矿和钼精矿，尾矿细度-0.074mm占65%。为了节约用水，设计曾考虑过多种过滤干排方案，因冬季严寒和大风，无法实现。尾矿处理采用两台Φ40m深锥浓密机和4台450/8三缸单作用隔膜泵及多种辅助设备。深锥浓密机系引进FLSmidth Dorr-Oliver Eimco公司产品。合同规定尾矿排矿浓度70%。经过近一年的运转，深锥浓密机的排矿浓度基本上保持在62%～65%，接近66%的膏体浓度的低值，国外公司曾几次到现场，通过小型试验，认为可以达到70%的排矿浓度，并提供了改善设备结构的图纸，目前还没有停车改造。从实际生产情况看，排出尾矿有比较缓的自流坡度，尾矿库出现了大面积的干滩，在干滩的末端出现了干裂，这些现象与国外介绍的资料基本一致，所不同的是尾矿库中还有一些水，这些水已经通过虹吸经坝外水泵扬回选矿厂。

由于深锥浓密机的排矿浓度比较低，输送管路的阻力小，浓密机排矿只用隔膜泵的喂料泵就可以实现上游放矿或坝前放矿，省去了大功率隔膜泵的运转，节省了能源。更重要的是在冬季成功地实现了冰下放矿，保证了整个冬季的连续生产。

3.2 Kidd Creek铜锌矿

鹰桥公司Kidd Creek铜锌矿位于加拿大安大略省，生产规模12 000t/d，目前实际运转规模约8000t/d。浮选法工艺，尾矿含硫7%～20%，浓度14%～18%，原设计为尾矿库回水。尾矿库外排水需要先加石灰将pH调到11，沉淀多种重金属，然后再用二氧化硫将pH调回到6～9才能外排。后经过几次改造，安装过两次110m浓密机，均不太成功。

1995年安装了奥特昆普35m高压缩比浓密机，排出尾矿的自流坡度为2.5%～3%，絮凝剂用量20～25g/t，冬天用量略高。尾矿密度3.1t/m3，粒度-0.74mm占85%、-0.02mm占50%、-0.002mm占10%。现场尾矿的渗透速度约为1.2×10-7m/s。由于尾矿排出后，很快沿表面散开，整个尾矿库在干燥和凝结，接近收缩干裂时的浓度是80.4%。整个尾矿库是稳定的，地震分析认为，在里氏6.2级地震的情况下，不会发生震动液化。这种排矿方式对于石灰制备站有很大影响，只有需要增加坡度时才添加石灰。围绕1 200万m2的尾矿库周围有环形道路，道路比原来的地面高出2～3m，尾矿库北半部堆存的是深锥浓密机排放的尾矿，很开阔，半径1 000m，中心放矿点比道路高23m，边缘与道路成凹形，比道路低2～3m。到目前为止，已经堆存了1亿多吨尾矿。从前放矿方式是沿着A-B线用阀门放矿，向北推进。为了进行复垦，现在是一个点放矿，目的是覆盖到北半部的边缘，这时排放的尾矿也会向南推进。在北半部放矿的末端，建设了一个石灰添加站，目的是增加尾矿的粘度，同时也改变尾矿的成分和酸度。目前这个石灰站很少应用。

为了防止排出的酸性废水，曾经设想过多种方案。如果尾矿不含硫化物，可以在尾矿的表层播种种子和肥料。但是堆存的尾矿中含有7%～20%或更多的硫化物，还有排出的酸性水，尾矿中还有酸性很强的黄钾铁矾。一种方案是用临近矿山不含硫化物的尾矿覆盖在现有尾矿的上面。另一种方案是在尾矿上面安装喷淋器。后一个方案投资比较少，对矿山最有利。

3.3 坦桑尼亚Bulyanhulu金矿地表膏体尾矿处理

Bulyanhulu金矿位于坦桑尼亚北部，赤道南3°，属半干旱气候，旱季雨季分明，年降雨量1200mm，年蒸发量1 600mm。设计规模2 500t/d，重选和浮选工艺，附属于巴里克黄金公司。矿山2001年投产，25%的膏体尾矿用于坑内充填，75%的膏体尾矿通过管道输送，在地表堆存。选择膏体尾矿地表堆存是由于供水紧张，而且地表没有适合建造常规尾矿库的地方。这种选择使回水管理变得很简单。

（1）当初设计思路有以下几点。节省水资源；地表水管理;减小尾矿坝的工程量;保证固化的尾矿和正在流动的尾矿膏体在发生地震时的安全,减少尾矿库的风险；保持尾矿中含有充分的水，防止空气进入，防止尾矿发生氧化（产生酸）;在生产期间和闭库以后，尾矿库周边围堤上要保持人员和设备的出入通道;防止渗漏，把渗漏污水的流动减小到最低限度；阻止水和风的浸蚀并且为闭库以后的管理提供方便。

（2）膏体制备。尾矿在选矿厂内脱水、用圆盘过滤机过滤成滤饼，然后用皮带运输机输送到膏体制备车间，滤饼在膏体搅拌槽中加水制备成理想浓度的膏体。用标准的宽度为250mm的混凝土溜槽进行试验，认为73%的浓度是能够用泵输送又能形成最大堆积坡度的极限值。尾矿用柱塞泵扬送到尾矿库，距离1 600m。不会离析的尾矿在尾矿库内可以沿一定线路自然流动几个小时，不需要任何外力推动。

（3）尾矿库。尾矿库比较平缓，从上游到下游的长度为780m，南北宽285m。有5个高12m的放矿塔柱，塔柱间距120m。尾矿库周边有围堤和排水沟。尾矿库纵向坡度从选矿厂方向向下为2%，放矿塔柱开始放矿时有12m高差，按10∶1的坡度堆积，恰好到达围堤。围堤高3m，有组织地将水排到下游的两个沉淀池，沉淀池容积按百年一遇24小时洪水设计。这种设计保证尾矿表面不会积水，大大减少了灾难性事故的风险。

5个放矿塔柱可以通过主管道上的阀门任意开启和关停，主管道位于尾矿库的北堤上，每一条从主管道到放矿塔柱的分管道都可以进行清洗，冲洗分管道的尾矿不返回膏体制备车间。

膏体离开管道以后会继续流动，直到膏体的强度不断增大而停止流动。膏体强度增大而固化的主要机制是膏体的自重和脱水（蒸发）因素，对于Buly⁃anhulu的膏体而言，两种减少膏体水分的因素比自重固化而增加强度的影响更大，因为它发生的速度相当快。Bulyanhulu的膏体尾矿从放矿塔柱多点向尾矿库放矿，膏体不离析，有极少量渗出水，膏体以最厚为300mm的层状流动。表面层的尾矿不断脱水增加强度，这个薄薄的尾矿层脱水增加强度是尾矿堆存的关键。不断脱水的尾矿层还达不到停止流动的程度，放矿点轮流放矿，每个点达到要求的终端时停止放矿。逐渐堆高的尾矿形成的堆积坡度大约为10∶1。

Bulyanhulu的尾矿有可能产生酸，因此必须对关闭后的尾矿库定期进行维护，减少其对于环境的危害。当尾矿堆积高度达到塔柱顶端时，尾矿库还要继续向南部低处扩建，根据需要再建一个这种类型的尾矿库。输送膏体的主管道将移位到尾矿堆上，为了减少已关闭尾矿库的危害，要定期轮流地向前覆盖尾矿。

（4）当前膏体堆存的情况。膏体堆存工艺运转良好，能够供应均质的膏体。按照设计要求，围绕塔柱成功地形成了稳定的由许多薄层组成的环形尾矿堆。在第一个尾矿库，平均沉积坡度超过了13.5∶1（即水平∶垂直为7.4%）。沉积坡度低于期望值的主要原因是一个点的放矿时间过长和尾矿层的厚度太厚，这两个因素都是不利于尾矿脱水。到目前为止，所获得的沉积坡度已经令人满意，而在新尾矿库投产时将会有新的挑战，当整个系统连续在最佳条件下运转时，有可能达到10∶1的坡度。

从堆存尾矿表面小于3m的位置取样，尾矿固化良好，含水分平均为24.6%（水重∶全重），平均孔隙比（void ratio）为0.84。脱水良好的尾矿水分为22%，放矿两天后的尾矿为28%，刚刚沉积下来的尾矿含水分为36%。向下一直到穿过整个尾矿厚度，可以认为在尾矿当中基本没有或完全没有流动水。

（5）结论。在坦桑尼亚北部的Bulyanhulu矿山成功地实现了膏体尾矿管道输送、地表堆存。通过多次薄层放矿，已经筑成了稳固的环形尾矿堆。结论是尾矿膏体堆存可以实现工程化，以满足土工技术和环境保护的要求。尾矿空隙中含水接近饱和状态，尾矿的氧化速度很慢。但是，这种状态一旦被破坏，尾矿空隙中失去饱和的水，从目视就可以看出，尾矿氧化速度很快。以前的结果说明薄层放矿和脱水对于阻止尾矿氧化时是有效的。

到目前为止，可以清楚地得出如下结论。①通过管道排放膏体尾矿是可行的。②脱水是使沉积尾矿增加强度的关键。③已经脱水的尾矿，其空隙中保留了几乎饱和的水（使氧化反应减小到最低），阻止腐蚀的产生、阻止产生粉尘。④薄层放矿最有利于膏体脱水，最大层厚约为30cm。⑤最有利于膏体脱水的循环周期是5天。

3.4 膏体技术在我国其它矿山的应用情况

膏体技术最早在我国使用是用于井下充填,金川公司在1994年就开始使用膏体技术用于井下充填,使用效果很好。后来逐步在矿山尾矿堆存中使用,目前使用比较成功的有山西太钢公司的峨口铁矿的尾矿堆存,中洲铝厂尾矿堆存和前面介绍的黄金集团公司几个矿山的尾矿堆存等。

中洲铝厂是一家规模较大的铝厂，位于河南焦作市附近，2005年该厂用隔膜泵将尾矿从铝厂泵送到深锥浓密机，在浓密池安装了离心泵和螺杆泵将粘稠的尾矿泵送到处理池，因为尾矿较稀（含固率45%），尾矿占用土地面积较大，而当地土地资源很紧张，没有新增土地可用，铝厂自2005年5月以后开始寻求解决问题的办法，于是决定采用膏体技术，在2006年购买了1台普茨迈斯膏体泵KOS2180，于2007年投入使用，使用效果很好。中洲铝厂在2008年又购进了1台大型号的膏体泵KOS25100,输送能力达到150m3/h，目前使用效果很好。铝厂排出的膏体物料包含42%～45%的尾矿，20%～22%的飞灰，1%～3%的水泥，含固率65%～67%，该种膏体干燥很快，没有渗透水，稳定性好，一周后推土机和挖土机就可以在上面作业，该公司目前已堆150万m3的尾矿膏体，既保证了尾矿安全，也节约了土地。

4 尾矿膏体堆存是尾矿处理工艺的重大进展

尾矿膏体堆存的最大特点是“管道输送，干式堆存”。与常规的尾矿处理工艺相比，它仍然保持了可以长距离管道输送的优点，但是它不需要建设类似水库性质的尾矿库和长距离的尾矿回水系统。与尾矿过滤、干式堆存的工艺相比，保持了尾矿不再排水，不需要尾矿回水系统的优点，省去了基建投资和生产成本都相当昂贵的尾矿过滤系统，省去了复杂的多点布料的皮带运输机系统。特别是在气候非常寒冷、风沙经常肆虐的地区，这种布料方式比较适合。根据前面叙述的膏体特性，总结出尾矿膏体堆存具有以下优点。

（1）尾矿膏体堆存属于尾矿干式排放的一种形式，在平地排放时形成坡度很缓的圆锥体，从上游排放时形成坡度很缓的扇形锥体。尾矿堆积的坡度约为2%～10%（可以在生产中调节），稳定性很好。在地形较为平坦的地区（例如在内蒙古的许多地方），在地表堆放膏体无论是在堆放设施还是堆放方式方面都增加了灵活性。不用建设需要管理的尾矿库，进行开放式的堆放。与同等容量的尾矿库相比，其工程量更小，不需要为尾矿的稳定性筑坝，只需要建一个比较简单的雨水澄清坝就可以了。尾矿从管道内排出以后，表面不会出水，但是随着大气中水分蒸发，最后体积会收缩，出现干裂。这时如果再在干裂的表面继续排放尾矿，最终排放的坡度会陡一些，有可能继续增加尾矿的排放量。

（2）表面干裂的尾矿，粗细颗粒之间不出现离析，使尾矿内部结构更加紧密，所以表面干裂以后的尾矿，不会出现扬尘，对保护环境十分有利。

（3）膏体尾矿的渗透性非常差，试验室和现场的试验表明，膏体的渗透性通常约比相应的尾矿物料低半个数量级。但是膏体尾矿并不是完全不渗透，尾矿堆存高度增加以后，由于压力增加，深部尾矿中的水会渗入地下的水系中。由于膏体尾矿本身含水就很少，再加上渗透又很慢，所以对地下水系的影响很小。

（4）与常规的尾矿处理方式相比，膏体排放和堆存的方式不向尾矿库排放多余的水，尾矿回水全部经过深锥膏体浓密机返回，它的水利用率高于常规的尾矿处理方式。

（5）膏体尾矿可以使用管道输送是这种方法的最突出的优点。在尾矿输送的各种方案中，管道输送灵活、容易管理、生产成本低。

（6）尾矿膏体堆存属于干式堆存，不需要建设类似水库性质的尾矿库。没有类似水库的安全隐患。

（7）基本建设投资和生产成本。与传统的尾矿干式堆存相比，由于取消了尾矿过滤和多点排放的皮带运输机，其基本建设投资和生产成本将大幅度降低。与传统的尾矿湿式排放相比，在多数情况下，会降低基本建设投资。

从目前看到的资料，尾矿膏体堆存基本上是在干旱、开阔地区，在多雨地区是否适合膏体排放和堆存还需要进一步探讨。

TD926.4

B

2010-12-06

惠学德（1966-），男，湖北郧县人，高级工程师,从事矿山生产和科研管理工作。

Abstract:The paste is a kind of mixing and homogeneous fluid body.The tailings from concentrator is thickened and then stock⁃piled in the tailings pond,which can reduce the settling area of tailings pond,save the land,and improve the safety of tailings pond,and the technology has successfully applied in a lot of mines at present.As the tailings safety is attracting more and more at⁃tention,and the land resource is becoming scarce,the paste technology is a very good choice for mine construction in the future.

Key words:paste;tailings stacking;tailings pond

1672-609X（2011）02-0049-06