武山铜矿三期扩建工程中尾矿矿浆管道输送技术的应用与分析

魏晓军

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330031）

管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的输方式。管道运输业是中国新兴运输行业，是即铁路、公路、水运、航空运输之后的第五大运输业，它在国民经济和社会发展中起着十分重要的作用，管道运输是利用地下管道将原油、天然气、成品油、矿浆、煤浆等介质送到目的地。长距离矿浆管道输送业务在国内方兴未艾，由于其有节能环保、损耗低、均衡稳定等优势受到了越来越多的矿山业主的欢迎。管道输送固体物料比公路运输费用低，可以满足现代工厂连续生产的要求。通常情况下年运行费用约为管道投资的8%～10%（运行费用：备品备件费、电费、人工工资及管理费用），年折旧率6%～7%，年收入按大约为总投资的35%。因此基本在3年～4年内可以收回全部投资，而管道的运行寿命为20年～25年，所以经济效益比较可观。

1 应用项目概述

武山铜矿是一座地下开采矿山，始建于1966年，几经改造，于2009年扩产达到5000t/d的采选规模。江西铜业股份有限公司为了对武山铜矿深部资源进行整合开发，为“再造一个武山”打下扎实的资源基础。矿山开采几十年，一些陈旧的设备所能提供的产能已经大福减小，而且单位劳动定员的效率及其低下，再加上近两年和未来几年有色金属价格下行的压力，矿山盈利能力越来越弱，走出这种困境的有效途径无非是扩产和增效。三期扩建工程不仅扩大了矿山的生产规模，建成后年产达到10000t/d的采选规模，还提高了矿山的自动化程度，使矿山的装备水平步入国内先进矿山之列。另外，还为国家地方多交利税、增加了就业机会，创造了极大的社会效益[1]。

2 尾矿输送水力模型的应用

2.1 临界流速模型

（1）E.J.瓦斯普模型。

（2）清华大学矿浆模型（本项目中选用模型）。

上述两式中：Vcr—临界流速，m/s；K—修正系数一，取值9；g—重力加速度，9.8m/s2；D—输送管道内径，m；γs—干矿密度，t/m3；γm—矿浆密度，t/m3；Cv—复合流态全部矿浆体积浓度；A—修正系数；d95—通过95%重量的筛孔孔径表示的物料粒径，m；B—修正系数。

2.2 矿浆水损模型（非试验条件下，试算模型）

（1）清水计算模型（旧钢管）,V≥1.2m/s的条件下。

上式中：V—介质管内流速，m/s；dj-管道内径，m。

（2）矿浆损失按照清水扬程损失与矿浆浆体比重的乘积进行二次修正。（近似牛顿流体的粗略修正法）。

式中：pk—矿浆相对密度，i0—输送与矿浆流速相等的清水的水力迫降[2]。

3 现有尾矿输送设施系统描述和分析

3.1 现有尾矿输送设施系统描述

现有选矿工艺尾矿通过高效浓密机浓缩后，重量浓度约30%～35%。浓缩后的矿浆由底部设置的渣浆泵加压输送至中间接力泵站后，再加压输送至云池口尾矿库进行湿排堆存。相关输送设施参数和管线敷设情况如下：

（1）高效底流泵出口标高39.92m，选用泵100-ZJ-1-A50渣浆泵，流量348m3/h，扬程H=90m～92m。

（2）中间加压泵房标高82m，采用水泵性能参数同原高效浓密机底流泵一致。

（3）尾矿输送管路长度约2000m，管道沿地势敷设，敷设过程中几乎无凸出性高点，地形情况呈现一路向上至原中间加压泵站。尾矿输送管道为内径0.3m的陶瓷符合复合管道（管道内壁粗造度可按钢管考虑）。

3.2 现有输送系统分析

表1 临界流速复核分析（瓦斯普）

表2 清华大学模型核算临界流速

表3 水力损失分析与对比

3.3 结论

按照上述理论分析，现有的输送系统，通过理论的分析，浆体扬程需约要99m，比实际运行的92m扬程要高出约7m，偏差幅度约+10%。因此该模型通过现场反馈的数据，是可以适用于工程设计并符合于生产运营的需求。

4 三期扩建设计尾矿输送设施系统描述和分析

4.1 三期扩建尾矿输送设施系统描述

三期扩建工程中选矿工艺尾矿通过新建的Ф60m高效浓密机（地上式）浓缩后，重量浓度约38%～45%。浓缩后的矿浆由底部设置的渣浆泵加压输送至现有云池口尾矿库进行湿排堆存。相关输送设施参数和管线敷设情况如下：

（1）高效底流泵出口标高45.15m，选用200NS-NZJA型渣浆泵，流量740m3/h，扬程H=52m，共计6台。采用3台（3级）串联为一组，一组工作一组备用的形式，一次性将尾矿加压输送至尾矿库，且可根据放矿点远近的要求实现2级～3级串联运行模式的切换。

（2）云池口尾矿库最终坝顶放矿点标高为36m，中途最高点标高88m。

（3）尾矿输送管路长度按5000m计，管道沿地势敷设，从现有浓密机选址出发，经过1.8公里到最高点，标高88m，后经过3.2公里至云池口尾矿库最远放矿点。地形情况呈现先上后下的趋势。尾矿输送管道与现有设施一致。

4.2 设计输送系统分析

临界流速分析同前文一致。

表4 水力损失的分析

4.3 结论

在现有实际生产运行的指标对比和理论输送计算模型的充分理解和掌握的前提下，通过后期对尾矿流变特性的实验性分析的对比，可知在屈服应力τ≤10Pa条件下，中、低重量浓度的尾矿矿浆仍复核牛顿体流体的特性，均可利用上述理论分析模型进行有效的实际应用。武山铜矿三期扩建工程理论分析采用142m～117m的输送压力，设计最终选用的200NS-NZJA型渣浆泵6台，3台（3级）串联为一组，一组工作一组备用的形式，可以完全满足理论计算的要求[3-5]。

5 结语

尾矿会造成严重的环境污染，特别是在我国经济迅速发展对矿物资源的需求日益增加的情况下，大量的尾矿不断产生。但是经过多年的研究和实践，矿山企业和有关研究机构取得了许多先进的科学技术成果，积累了丰富的工作经验。尾矿采用管道输送的项目建设，可大量减少运输成本费用。项目建设有着相当的必要性。同时管道运输是国家积极推进的节能减排和环保项目，符合国家的可持续发展要求，是国家产业政策支持的项目。

尾矿矿浆管道输送的分析与计算模型众多，例如刘德忠公式、E.J.瓦斯普公式、费祥俊公式和清华大学矿浆公式均有一定的约束性，在整体水力损失计算分析上偏差不大，均在10%以内。说明上述公式模型可以很好地适应低屈服应力条件的牛顿流体及非牛顿宾汉流体的水力计算和分析。

通过对武山铜矿现有设施运行参数的对比与分析，在充分掌握现有设施运行条件和参数的前提下，选用清华大学矿浆公式和达西公式，并对其采用单一的矿浆密度修正法进行有效的修正后作为三期扩建工程中尾矿长距离管道输送的设计和设备选型的依据，也反向证明了该模型和该修正方法的适应性较好，值得在未来其他项目中广泛推广。