铁矿尾矿库干滩面扬尘分析及防治措施

2014-12-16朱曙光

安徽建筑大学学报 2014年1期

朱曙光，陶涛，田丰，3

（1．安徽建筑大学环境与能源工程学院，合肥 230601；2．安徽长之源环境工程有限公司，合肥 230061；3．污染控制与资源化研究国家重点实验室，南京大学环境学院，南京 210046）

尾矿库是矿山选矿厂生产的必要组成部分。矿石经过破碎、磨矿、选别等处理后，剩余的尾矿通常以矿浆状态存放在尾矿库内。中国现有11946座尾矿库，其中设计坝高超过100m的有26座，库容大于1亿m3的有10座［1］。

尾矿库是环境空气污染的来源之一，在矿区的影响更为显著。尾矿库的大量存在对环境空气质量构成了严重威胁，其对大气环境的污染主要是通过尾矿库扬尘［2］。由于金属矿山尾矿颗粒极细，排出的尾矿干燥无覆盖时，遇大风极易扬尘，人吸入后极易导致呼吸道疾病。因此，亟待对尾矿库扬尘污染的特点和规律开展研究，并提出防治对策。

本文以中钢集团安徽刘塘坊矿业有限公司霍邱县刘塘坊铁矿尾矿库为例，分析铁矿尾矿库干滩扬尘量情况，并提出尾矿库运行后期及闭库期扬尘的防治措施。

1 尾矿及尾矿库基本情况

1．1 尾矿库及尾矿基本概况

刘塘坊尾矿库位于选矿厂东南侧约1．5km的低洼地，即荷叶塘尾矿库。尾矿库场地地貌单一、地势平坦，采用平底四周筑坝围成尾矿库。坝体为不透水粘土坝，设计坝高8－13m，坝上游坡比1:2、下游坡比1:2．1，坝顶宽3．0－4．0m，内、外坡比均为1:2．5。尾矿库地面标高22．3－23．5m，总库容约为355．80万 m3，有效库容约为320．22万 m3，汇水面积0．32km2，服务年限13年，属四等库。尾矿放矿方法采用多管放矿，采用框架式溢水塔与排水管组合排洪系统。

1．2 铁矿尾矿砂的粒径分布

正常情况下，选矿全尾矿部分用于井下充填，部分进入尾矿库。尾矿入库尾砂浓度为20%。2013年10月31日的尾矿粒度组成见表1。由表1可知尾矿砂粒径主要集中在小于0．043mm范围。

表1 尾矿粉尘粒径分布分析

1．3 尾矿库生产工艺

刘塘坊尾矿库运行流程为修筑尾矿坝、尾矿输送、尾矿排放、尾矿库水位控制、水压和位移监测等工艺。尾矿库运营流程见图1。

图1 尾矿库运营流程

1．4 库区所在地气象特征

（1）风速。全年以东北偏北（NNE）风平均风速（3．3m／s）最大，西南偏南（SSW）风平均风速（2．0m／s）最小，最大月平均风速为 6 月西北（NW）风（4．8m／s），最小月平均风速为9、10月西南偏南（SSW）风（1．3m／s）方向。

（2）风向和风频。霍邱县全年主导风向E，出现频率11．5%，次主导风向为SE，出现频率10．78%，静风出现频率7．35%。一月（代表冬季）主导风向NE，出现频率10．19%，次主导风向E，出现频率9．87%，静风出现频率8．09%；四月（代表春季）主导风向SE，出现频率14．17%，次主导风向E，出现频率12．00%，静风出现频率7．00%；七月（代表夏季）主导风向S，出现频率15．35%，次主导风向SE，出现频率15．02%，静风出现频率7．43%；十月（代表秋季）主导风向E，出现频率11．00%，次主导风向SE，出现频率10．36%，静风出现频率10．52%。

（3）大气稳定度。霍邱县全年各级大气稳定度中，D类稳定度出现的频率最高，全年出现频率为53．95%，E类稳定度次之，全年出现频率17．89%，其它各类稳定度出现的频率相对较小。

（4）坝面风速计算。铁矿尾矿库在尾矿库运行后期及闭库期会出现尾砂干滩面。霍邱县月平均风速最大值为4．8m／s，刘塘坊尾矿库距地面高度为13m，考虑到风速随高度的增加而增加，按地面最大风速计算尾矿库坝面风速，计算公式如下:

式中，u1、u——已知高度和所求高度z的风速；m／s

z1、z——已知高度和所求高度；m

m——常数，根据不同稳定度确定，按照D类稳定度确定为0．25。

经计算，地面最大的东北偏北（NNE）风平均风速为3．3m／s，则尾矿库坝面风速为3．52m／s。按地面最大月平均风速4．8m／s计算，则尾矿库坝面风速达5．13m／s。

2 实验材料与方法

2．1 粉尘样品的选取

刘塘坊尾矿库区中的尾矿是以泥浆方式堆存的，库内设有沉积干滩，滩面是由干燥尾矿形成的，尘样取自尾矿库表层和尾矿排口。

2．2 实验设备与方法

实验设备主要有风机、调速器、蜂窝器、测风仪，天平、粉尘采集器。实验风速的测定采用AR816风速计。风速调节范围为0－7m／s，并配有调速器，可实现无级变速。

尾矿扬尘实验的断面尺寸为0．6×0．6×4．8m3。尾矿粉尘量由KC－6120大气采样器捕捉，其称重天平为CP2250电子分析天平，最大称重40g，精度为0．01mg。尾矿尘样实验前后的质量变化均扣除含水率的影响。每组扬尘实验均重复3次。

3 实验结果与分析

3．1 尾矿尘样粒径分析

将取自尾矿排放口的尾砂与库区表层的硬化尾砂进行粒径分析，结果见图2所示。

图2 排放口尾砂与硬化表层尾砂粒径比较

由图2可知，尾矿排口大于0．074mm粒径的尾砂占67．24%。取自硬化后的库区表面尘样中，大于0．074mm粒径的尾砂下降到63．45%。对小于0．030mm粒径的两种尾砂，库区表面的占14．72%，而排口的占10．01%。这说明了尾矿排口的尾砂中大粒径的比重高于库区表面样尘中的比重。相反的是排口的小粒径比重要低于库区表面尘样中的比重。

分析可知，取自尾矿排放口的尾砂为泥浆形态。排口尾砂经过液相充分混合，不同粒径的尾砂呈均质状态。自然沉淀后的库区尘样在重力作用下，粗大颗粒沉降较快，细小颗粒沉降较慢。这造成了小粒径的集中在表层分布，而大粒径多分布在下层。库区表面的尘样趋于小粒径富集区域，造成了尾砂粒径的差异。

3．2 尾矿尘样含水率变化分析

将取回的尾矿尘样自然静置，可以得出其含水率的变化规律，具体如图3所示。

图3 尾砂含水率变化

在自然蒸发状态，根据蒸发时间的不同，可以得到不同含水率的尘样。尾砂含水率在前5h下降较快，经24h的自然蒸发，其含水率由原来的13．68%下降到0．15%左右；时间越长其含水率越低，但基本稳定在0．11%左右。

3．3 尾砂含水率对实验风速的影响

将尾矿粉尘制成泥浆置于容器中，均匀搅拌后，静置沉淀，然后吸走上层的水分，再让其自然蒸发，根据蒸发时间的不同，得到不同含水率的尘样。在不同实验风速条件下，获得其起尘量数据，具体见表2。

表2 不同含水率尘样的吹风实验结果

在尾砂泥浆混合沉淀过程中，尾砂受重力和浮力的作用，粗大颗粒沉降较快，细小颗粒沉降较慢，凝成一整块，表面结壳且平坦光滑。在不同含水率条件下，大颗粒比表面积小，颗粒之间的吸附作用小，含水量的提高不会促成更大颗粒的出现；而细小颗粒会因含水量的增加而凝聚成较大的颗粒，其起动风速则反映了更大粒径的物理行为。实验结果表明:起动风速不仅与粒径有关，而且与含水率有关。含水率的提高，尾砂的起动风速也相应地增加。

3．4 尾矿起尘量与实验风速的关系

采用自然干燥状态库区表面粉尘进行实验。经测试，实验用尾砂的含水率为0．11%。试验中，分别使用了3．0、4．0、5．0、5．1、5．2、5．5m／s实验风速，得出起尘量与实验风速关系如表3:

表3 不同实验风速与起尘量关系

由表3的结果可以看出，实验风速为3．0m／s时，实验起尘量较少，为0．1620g／h。随着风速的增加，起尘量也逐步变大。风速达5．5m／s时，起尘量增加到0．4860g／h。

4 扬尘防治措施

铁矿尾矿粉尘中的细尘和极细尘比重较高，水分蒸发后，沉积干滩表面的细小粉尘凝聚而结壳，因此对干滩表面起到抑制扬尘的作用。经过长期的日照和风蚀，粉尘的含水量逐渐下降，从而导致结壳的干滩表面破坏，进而在风力的作用下发生起尘。

因为尾矿库的干滩面积大，扬尘影响范围广，所以需要采取适当措施，确保减小对周围环境空气的影响。

4．1 运营期尾矿库的治理措施

（1）采取多管放矿工艺，即采用多管小流量分散放矿的方式将尾矿均匀排入库区。均匀排放的尾砂在各分区范围内可形成表面覆盖较细粒级的尾矿层。在重力沉淀和自然蒸发作用下，尾砂可干化形成致密的表皮层，具有较好的抗风蚀能力［3］。致密表层不仅有利于短期的防尘，而且有利于长期固定尾矿库的表面。

（2）建造专用洒水管网，通过专用洒水系统增加尾矿砂的含水率。增加含水率的情况下，尾砂的粘滞性增加，团聚作用加强，因而加大了粉尘的起动风速值［4］。这是减少扬尘污染的一种常用方法。

（3）使用粉尘覆盖剂，通过高分子聚合物和微细粉尘保持着特殊的浸透力和结合力，在粉尘表面形成硬化层［5］。硬化层不仅能够抑制风蚀作用，而且有利于植物的生长。粉尘覆盖剂使用的关键是如何控制在不同运营时期的动态表面的控制；过于频繁地使用会造成费用的增加。而在极端天气情况下使用，有利于扬尘的控制。这是治理尾矿库干滩产生扬尘的有效新技术。