某矿山尾矿浆体输送经济浓度分析

陈琴瑞， 朱学胜(.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 00038；.中铁建铜冠投资有限公司， 安徽 铜陵 44000)

1 前言

选矿厂排出的尾矿需输送至尾矿库进行堆存，尾矿输送系统是保证矿山正常生产的关键环节之一。

随着矿山规模往中、大型发展，采用传统的低浓度输送方式，耗能大，回水率低，不符合节能、节水的要求，还会污染环境，占用大量的土地资源。尾矿输送的主要发展趋势是采用高浓度进行输送，以减少基建投资，降低运营成本，提高回水率。

确定尾矿输送浓度是浆体管道输送的核心，直接关系到尾矿输送系统的安全稳定、建设投资及运营成本。

2 工程概况及尾矿输送工艺参数

2.1 工程概况

某矿山位于南美洲厄瓜多尔，建设规模2 000万t/a，服务年限约30年；项目所在地湿润多雨，水资源丰富，气温全年基本稳定，平均温度为24℃；尾矿库采用废石尾矿联合堆存技术，尾矿坝采用矿山废石下游式分期填筑，最大坝高260m，总库容约为43 470×104m3，总筑坝工程量约为20 740×104m3。

2.2 尾矿输送工艺参数

该项目尾矿输送工艺参数为：

①尾矿量：78 400t/d；

②尾矿密度：2.63t/m3；

③选矿厂排出的尾矿浓度：28%；

④尾矿粒度：-0.074mm占75%；

⑤输送高差：210m；

⑥输送距离：6 500m。

3 尾矿浆体输送经济浓度分析

尾矿浆体输送经济浓度的确定从尾矿堆存工艺、浆体流变特性、浆体输送特性及装机功率4个方面分别进行论述、计算和分析。

3.1 尾矿堆存工艺

目前，尾矿堆存工艺主要有低浓度堆存、高浓度堆存、膏体堆存以及干式堆存等[1]。

低浓度堆存：浓度一般小于30%，选矿厂排出的尾矿不经过浓缩，直接输送至尾矿库进行堆存。低浓度堆存的基建投资较低，是最为广泛应用的堆存工艺，但后期运营成本高，一般适用于小型选矿厂。

高浓度堆存：浓度一般小于60%，选矿厂排出的尾矿经过高效浓密机或高密度浓密机进行浓缩。此种堆存方式基建投资较大，但后期运营成本较低，适用于大、中型选矿厂，不需尾矿筑坝的尾矿库。

膏体堆存：浓度一般大于60%，达到膏体状态，选矿厂排出的尾矿经过深锥浓密机进行浓缩。此种堆存方式基建投资较大，后期运行成本较高，适用于干旱缺水地区、不需尾矿筑坝的尾矿库。

干式堆存：含水率一般小于20%，需要将浓缩后的尾矿再进行压滤，通过汽车或皮带进行输送。此种堆存方式基建投资大，运营成本高，适用于小、中型选矿厂，干旱缺水地区。

该项目所在地降雨频繁、水资源丰富，设计的尾矿库采用矿山废石下游式分期填筑，不需尾矿筑坝，原则上可采用任何浓度进行堆存。从降低尾矿输送系统基建投资及运营成本考虑，设计采用高浓度进行输送。

3.2 浆体流变特性

在水中加入尾矿颗粒增加了尾矿浆体的黏度，大多数情况下，会使尾矿浆体流型发生变化，从牛顿体转变为非牛顿体。大量试验结果表明，随着尾矿浆体浓度的提高，多数表现出宾汉塑性体特性[2-3]，其数学模型为

(1)

式中：τ——切应力，Pa;

τB——屈服应力，Pa；

η——刚度系数，Pa·s。

浆体的流变特性(τB、η)是影响浆体管道输送阻力的重要因素。而流变参数与浆体浓度密切相关，一般随着浓度提高呈指数规律增加。

本项目中尾矿浆体的流变参数见表1，屈服应力、刚度系数随浓度的变化曲线分别如图1、图2所示。

表1 尾矿浆体流变参数表

图1 屈服应力- 浓度曲线

图2 刚度系数- 浓度曲线

从图1、图2可以看出，当尾矿浓度超过65%后，浆体的流变参数发生突变，上升特别快。而浆体输送的水力坡降与流变参数密切相关，因此尾矿输送浓度不宜超过65%。

3.3 浆体输送特性

1)塌落度

在尾矿输送试验中，测定了尾矿浆体不同浓度的塌落度，具体如图3所示。

图3 尾矿浆体塌落度

从图3可以看出，当尾矿浓度在60%左右时，物料具有非常好的流动性，适宜泵送；当浓度超过65%时，物料流动性变差；当浓度超过70%时，物料开始出现膏体特性。

2)浆体流态与水力坡降

在浆体管道输送中，根据两相流理论，按尾矿颗粒的悬浮状况可划分为均质流、似均质流、非均质流；按水流的流态可划分为层流输送和紊流输送。在设计中，要充分考虑固体颗粒悬浮及流态两个方面的影响，预测不同管径的浆体输送参数。

过渡流速为层流过渡到紊流的流速，一般认为与浆体的流变特性相关，而与管径基本无关。对于宾汉塑性体浆体，过渡流速主要与屈服应力τB有关，根据瓦斯普分析[4]，过渡流速可按式(2)进行计算

(2)

式中：ρm——浆体密度；

k——系数，一般取19～22。

如果尾矿颗粒细，浓度高，黏度高，屈服应力大，浆体在输送过程中根本紊动不起来，同时也不会发生沉降分层，则可按层流输送，即工作流速仅需小于过渡流速即可。如果尾矿颗粒粗，浓度低，黏度小，屈服应力小，如按层流输送就会发生沉降分层，进而造成堵管，则浆体需按紊流输送，即工作流速需大于临界流速。

根据相关公式[5]，计算了尾矿浆体不同输送浓度的工作流速、临界流速、过渡流速及水力坡降，分析了浆体输送流态，详见表2。根据表2绘制水力坡降与浓度的变化关系，具体如图4所示。

表2 尾矿浆体不同浓度输送参数表

图4 水力坡降- 浓度曲线

从表2及图4可以看出：

(1)浆体浓度在60%以下，屈服应力小，过渡流速小，为紊流输送；浆体浓度63%，屈服应力大，过渡流速大，为层流输送。从国内外管道输送设计及运行来看，紊流输送更为可靠，除处于膏体状态的浆体外，一般都按紊流进行设计。

(2)水力坡降随着浓度的提高而增加，尤其是浓度超过60%后，会发生突变。

(3)从保证管道输送安全及降低阻力损失的角度考虑，尾矿输送浓度不宜超过60%，按紊流输送设计。

3.4 装机功率

尾矿输送系统的装机功率反映了尾矿输送的运营成本。根据表2计算的水力坡降，计算尾矿浆体不同输送浓度下所需的装机功率，见表3。

从表3可以看出，装机功率及管道内径随着尾矿浓度的提高而降低，从降低尾矿输送系统基建投资及运营成本角度考虑，尾矿输送浓度宜为60%。

表3 尾矿浆体不同输送浓度装机功率计算表

综上所述，综合分析尾矿堆存工艺、浆体流变特性、浆体输送特性及装机功率等，最终确定尾矿输送经济浓度为60%。

4 结论

尾矿输送浓度是浆体管道输送的关键参数，决定着尾矿输送系统的安全稳定、基建投资及运营成本。确定尾矿输送浓度不仅需要进行相关输送试验研究，还需在试验的基础上综合考虑尾矿堆存工艺、浆体特性、尾矿输送关键设备的技术参数等，合理确定出既满足工艺要求，又经济合理的输送浓度。