某铜矿中线法筑坝水力分级实验研究

张 仪,王洪江,文书明

(1.昆明理工大学国土资源学院,云南昆明 650093;2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083)

某铜矿中线法筑坝水力分级实验研究

张 仪1,王洪江2,文书明1

(1.昆明理工大学国土资源学院,云南昆明 650093;2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083)

在中线法筑坝过程中,尾矿分级效率与效果至关重要。首先通过室内实验对尾矿的基本物理性质进行了研究,通过FX350和FX250旋流器的对比实验,分析沉砂产率、浓度和粒度等多个参数,选用FX350旋流器可满足生产要求。几年的生产实践表明,采用FX350旋流器可以有效地进行尾矿分级和实现中线法堆坝,尾矿库通过四年运行后坝体外坡无渗透水,中线法筑坝安全可靠,抗震设防烈度高。

中线法;旋流器;尾矿筑坝;尾矿性质

中线法筑坝就是在初期坝上游方向的坝轴线位置,采用旋流器分级,粗砂堆积尾矿进行筑坝,细粒级尾矿浆自流入坝内沉降。在堆积过程保持坝顶中线位置始终不变,往垂直方向逐渐升高[1,2]。

某铜矿所处区域的地震烈度为8度,按照《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ I-90)规定,设计地震烈度为8～9度的地区宜采用中线法筑坝。根据库容要求,该尾矿坝的高度会超过100 m,属于高坝范畴[3]。然而,在我国真正采用中线式筑坝的尾矿库还不多见,尤其是筑高坝的更少。目前仅德兴铜矿4号尾矿库[4]采用中线式筑坝方法,而该地区的地震烈度为6度。

中线法筑坝[5]的核心就是全尾矿粒度分级,水力旋流器的使用效果决定着中线法筑坝工艺成功与否。因此,需要对该铜矿的中线法筑坝工艺进行更严格设计和研究,以提高中线法筑坝技术的可靠性与适用性。

1 尾矿物理性质

1.1 尾矿颗粒粒级组成

原则上,排向初期坝下游方向沉积的尾矿粒度-0.074 mm比例应小于30%,粒度过细时,配入部分砂石料以增强坝体稳定性、抗剪切强度和渗透性。

尾矿颗粒组成决定堆坝力学性质,粒级组成见表1。由表1可知,-0.074 mm细颗粒占65%,该尾矿级配良好,如果选用适宜的水力旋流器,从粒径上来说,适用于中线法堆坝。

表1 全尾矿颗粒组成试验测试结果

1.2 尾矿物理性质测试

尾矿进行了单位体积重量、密度、含水率、塑限、液限、渗透性、压缩性和剪切强度等指标测定,测定结果见表2。

由表2可知,尾矿颗粒的密度相对较大,含水率较低,处于液限和塑限之间,尾砂浆基本丧失流动能力,这样一来中线法筑坝的坝体稳定性会大大加强。

尾砂饱和度为68.90%,处于欠饱和状态,尾矿孔隙率较小;塑性指数为液限减去塑限,其值为9.70,表明尾砂中的粘粒含量较多,有必要用旋流器进行分流。

分别用直接固结快剪(固结不排水)和三轴剪切进行抗剪强度实验,其中固结快剪实验时设定的法向压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400kPa,剪切速率设定为0.8 mm/min;三轴实验也为固结不排水,采用应变式三轴剪切仪,围压分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa,剪切速率为0.276 mm/min,采用轴向应变15%作为破坏标准。尾矿在剪切过程中颗粒逐渐被压碎,细颗粒增多,随着压力的增加,剪切使尾矿的结构变得更加紧密,因而抗剪强度提高,硬化特性逐渐呈现出来,使细尾矿表现为剪缩性。

表2 全尾矿物理性质试验测试结果

采用低压固结仪进行尾矿的压缩性实验,施加的最大竖向压力≥800 kPa,选取第一二级压力下的压缩系数和压缩模量作为代表值,实验结果表明,该尾矿具有中等压缩性,可压缩性较大。

2 新型水力旋流器主要技术参数

新型旋流器依靠调控进料颗粒空间预排列和调整分级空间大小两项新技术,使颗粒在进料腔体内实现了从外到内、由粗至细的排列,增大了粗、细颗粒分别进入底流和溢流的几率,有效提高了分级效率,并在分级区内减小了紊流程度,降低了能量消耗[6]。

2.1 进料体结构

为了提高旋流器的分级性能,人们把研究重点集中在进料口形式和柱锥结构形式两方面。先后推出了切线形、渐开线形、弧线型、螺旋线形、同心圆形以及多管对称等进料形式。所有这些设计,其进料颗粒在进料管断面上基本上属于均匀分布,没有考虑将物料颗粒在进料管中进行预分级,即没有调控进料颗粒空间预排列。

如果颗粒在进入旋流器本体之前,能够依靠预沉降作用被甩到靠近旋流器本体外壁一侧,则颗粒进入旋流器后的分离效率将会得到提高。根据以上理论重新设计了旋流器的进料体结构,实现了进料颗粒预先排列的效果。颗粒在新型进料体结构和传统结构断面上的排列效果,如图1所示。

图1 新型进料体结构与传统结构断面上的颗粒排列效果

2.2 柱段结构

旋流器的柱段是一个有益于固相颗粒分离的有效分级空间,分级空间的大小对于分级效果和分级能耗影响很大。通过研究分级空间大小与切向速度之间的关系,发现当柱段高度较小时,在溢流管外围的环形空间,切向速度沿径向的变化不大;在锥体部分,在溢流管外置的竖直断面上,切向速度明显增大;而当柱段高度逐渐增加后,断面上的切向速度逐渐变弱。

以上研究表明,增大分级空间可延长流体在分级机内的停留时间,提高分级效率和减小分级粒度,但同时也增加了能量消耗。因此,通过分级效率和能量消耗之间的关系,找到了一个适合分级的最佳柱段高度[7]。

2.3 锥体角度

对于旋流器锥体角度的设计,大量的工业化应用数据表明,适合一段闭路磨矿分级旋流器的最佳锥角一般是20°,对于细粒级分级的旋流器的锥体角度一般都采用10°或者多角度的组合锥,而用于高岭土等超细粒级分级的旋流器锥体角度会更小。

3 尾矿分级试验

取代表性尾矿进行分级浓缩,提高+0.074 mm粗颗粒尾矿在沉砂中的回收率,减少或不用外来物料堆坝。

3.1 试验方案

实验室选用旋流器型号为FX350、FX250,通过变换进料浓度等参数调整分级指标,以满足试验要求。实验流程图如图2所示。

图2 旋流器实验流程图

3.2 试验结果和讨论

通过调整入料压力、沉砂口径等参数达到最佳技术指标要求,在最佳操作及结构参数下改变进料浓度,得到的试验数据如表3所示。

表3 不同旋流器试验结果统计表%

由表3可知:(1)FX250旋流器虽然沉砂产率较高,但沉砂中-0.074 mm含量均大于35%,不符合筑坝标准;(2)FX350旋流器沉砂中-0.074 mm含量可控制在30%以下,其分级效率可到达70%左右;(3)选用FX350旋流器时,当进料浓度为30%左右时,分级效率较高,随着浓度的增大,沉砂产率及分级效率逐步降低。

因此,选用FX350旋流器。当进料浓度为30%时,沉砂中-0.074 mm含量30%以下、分级质效率在70%以上,此时的沉砂产率在45%左右,完全可以满足现场的筑坝要求。

3.3 全尾分级物料平衡关系

现场尾矿干矿量按4 500 t/d(187.5 t/h),矿浆浓度按30%计,物料平衡如表4所示。

表4 旋流器分级物料平衡表

经过实验和计算,拟选用6～8台FX350旋流器,并联使用。旋流器的进料体积流量507 m3/h。旋流器的给料压力在0.08～0.15 MPa之间,选用旋流器的单台处理量70～100 m3/h。

4 中线法筑坝现场应用效果

4.1 堆坝设计要求

堆坝设计要求为:坡比1∶3;坝顶宽20 m;分级尾砂粒度+0.074 mm粒度含量≥70%,坝高≤60 m时,干滩长度≥70 m,坝高＞60 m时,干滩长度≥100 m,坝体总高150 m(起始海拔2 430 m,终止海拔2 580 m),库容810万m3,服务年限15 a。

4.2 目前运行情况

目前运行情况如下:

1.坡比:1∶3.06,已经达到设计要求。

2.坝宽:南端坝宽20 m,中端坝宽20 m,北端坝宽20 m,完全达到设计要求。

3.分级尾砂粒:尾矿坝取综合样分析,共取三组样品,粒度分析结果如表5所示。

表5 分级尾砂粒度分析结果

从粒度分析结果看,1号样+0.074 mm粒级达到70.67%,2号样+0.074 mm粒级达到71.17%,3号样+0.074 mm粒级达到72.38%;虽然选矿对磨矿细度要求提高,选厂提高了磨矿细度,通过补加外来砂石料和搅拌浸出粗粒料,粒度基本达到设计要求。

4.坝长:坝长229 m。

5.干滩:干滩长120 m。

6.堆坝材料:由于该矿尾矿细度较细,分级尾砂(沉砂)量小且粒度细,不能完全满足堆坝要求,补充搅拌浸出尾矿,补充砂石物料,要求筑坝用砂石最大块度≤30 cm。

7.堆坝量:一二选厂每年产生尾矿量120万t,每年需要40万m3库容,现在坝高海拔2 533.58 m,累计堆坝168万m3;2010年外来砂石料3.6万m3, 2011年1～9月,使用新型旋流器后外来砂石料减少至2万m3,全年预计2.7万m3。

8.浸润线:浸润线作为尾矿坝安全运行的重要参数,要进行定期观测记录,并根据坝高绘制浸润线走势图;该矿尾矿坝设置有浸润线观测设施,要求尾矿车间认真做好观测设施的延续与维护工作并做好日常观测记录。目前坝体无渗水,浸润线观测孔无水,坝体安全可靠。

旋流器放矿示意图如图3所示。

5 结 论

某铜矿尾矿库采用中线法堆坝,服务年限由上游法的3 a增加至中线法的15 a;现在已经服务4 a,堆积尾矿168万m3,安全可靠,坝外无渗透水。

采用FX350旋流器可以有效地进行尾矿分级和实现中线法堆坝;根据试验研究结果,采用中线法堆坝,可以在保证尾矿坝安全的基础上,降低堆坝成本,增加库容,更有利于生产经营管理。

图3 水力旋流器放矿示意图

[1] 蒋家超,招国栋.矿山固体废弃物处理与资源化[M].北京:冶金工业出版社,2007.

[2] 张锦瑞,王伟之.金属矿山尾矿综合利用与资源化[M].北京:冶金工业出版社,2010.

[3] 田文旗,薛剑光.尾矿库安全技术与管理[M].北京:冶金工业出版社,2010.

[4] 梁金建.德兴铜矿四号尾矿库中线法堆坝生产实践[J].中国矿山工程,2008,37(1):16-17.

[5] 郭瑞.中线法筑造尾矿库的探讨与实施[J].冶金丛刊,2006, (1):45-47.

[6] 尚海洋,王清,刁怀乐,等.水力旋流器控制技术研究与应用[J].有色金属工程,2011,(4):20-23.

[7] 韩宁,刘文礼.用于超细分级的水力旋流器的研究[J].煤炭加工与综合利用,2008,(1):6-10.

Abstract:The classific efficiency and effect of tailings are very important in the midcourt line method damming.The basic physical propertiesof the tailing were studed,contrast test of FX350 and FX250 hydrocyclone was proceeded,and yield ratio,concentration,partical size of were analysed.The production practice showed that the FX350 hydrocyclone device can effectively classify this tailings,the midcourt line method damming can be realized.The tailings pond has been in motion for 4 years.There is no seepage water on outside slope of the dam.The midcourt line method damming is safe and reliable,and seismic fortification intensity is high.

Key words:midcourt line method;hydrocyclone;tailings damming;tailings property

A Study of Hydraulic Classification Experimental with Centerline Method Damming in a Copper Mine

ZHANG Yi1,WANG Hong-jiang2,WEN Shu-ming1
(1.Faculty of L and Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology, Kunming650093,China;2.Civil and Envrionmental Engineering Institute,University of Science and Technology Bejing,Bejing100083,China)

TD926.4+1

A

1003-5540(2012)02-0005-04

2012-02-26

张仪(1965-),男,博士生,高级工程师,主要从事铜矿物加工和镍湿法冶金研究工作。