尾矿管道输送扩能研究及应用*

赵昌洪，孙本卓，王 静，邓小卿

（1.云锡大屯锡矿，云南 个旧 661018；2.昆明佩思矿业工程设计有限公司，云南 昆明 650034）

矿浆管道运输具有运量大、占地少、费用低、安全可靠、连续性强、耗能少、经济效益好的特点。但是矿浆管道建成后，管道输送规模被固定。某尾矿管道于2012年开始建设，至大他冲尾矿库的尾矿管道于2014年投入运行，至花坟尾矿库的尾矿管道于2018年投入运行，管道设计尾矿输送量5 600 t/d。

由于产能调整及尾矿排放工艺需要，至花坟尾矿库的尾矿输送量需提高至10 000 t/d（较原设计增加78%），目前管道系统不能满足10 000 t/d的尾矿输送能力，需要基于目前输送系统设备、管道、仪表的能力水平进行扩能改造。

1 现有尾矿输送系统

1.1 现有输送系统主要设计参数

表1 现有输送系统主要设计参数表Tab.1 Main design parameters for the existing transportation system

1.2 现有尾矿输送泵站系统

一台Φ45 m直径的高效浓缩机，一座底流泵站，底流泵站内设置两台离心式喂料泵，正常情况下一用一备。

浓度为7%～15%的尾矿矿浆在φ45 m直径浓缩机内浓缩，底流浓缩达到45%～55%后，通过离心式渣浆泵（主泵喂料泵）对矿浆增压后泵送至主泵内。

一次浓缩至花坟尾矿库距离约10.4 km，一次浓缩机主泵站标高为1 322 m，花坟尾矿库二次深锥浓缩机地坪标高为1 480 m，深锥浓缩机高约30 m，合计主泵站与深锥机尾矿入口高程差为188 m。通过水力计算，主泵的出口压力应达到5.6 MPa（合矿浆扬程340 m），基于尾矿输送管道压力较高且输送流量不大，选择容积式隔膜泵作为尾矿输送主泵[1]。

φ45m直径的高效浓缩机溢流水自流入浓缩机溢流回水池内，通过大流量的水平中开式离心水泵，泵送到选厂高位水池内，回水泵房内四台水平中开式离心泵水泵。正常情况下三台工作，一台备用。当尾矿产量有波动变大时，可以通过运行第四台泵，进行流量峰值的调整，当尾矿产量低时，可以通过只运行一台，或者两台泵来满足产量的变化。

2020年为提高主泵的备用率，采购并安装一台与现有主泵参数一致的主线隔膜泵。目前，3台主线隔膜泵，正常情况下1台运行，2台备用。

现有尾矿输送系统工艺流程见图1[2]，主要工艺设备参数见表2。

图1 现有尾矿输送工艺流程框图Fig.1 Flow block diagram of the existing tailings transportation process

表2 主要设备参数表Tab.2 Parameters of main equipment

1.3 现有尾矿输送管道系统

基于尾矿矿浆管道设计要求，选择合理的管道尺寸及材质，在保证管道内矿浆的运行速度大于矿浆的临界流速前提下，尽可能降低管道的流速，降低主泵的运行压力，提高管道的运行寿命。

表3 花坟尾矿越野管道参数汇总Tab.3 Parameters summarization of cross country pipeline of Huafen tailings

尾矿管道（0～4.53） km，管道连接法兰压力等级为 ANSI Class 600#，尾矿管道 （4.53～10.2）km，管道连接法兰压力等级为ANSI Class 300#，尾矿管道（10.2～10.429） km，管道连接法兰压力等级为ANSI Class 150#。

1.4 现有尾矿输送管道水力模型

根据PSEI多条长距离浆体管道设计经验，使用PSEI矿浆水力模型[3]（WASP）进行铁精矿管道水力计算，水力模型建立时增加6%流量安全余量，管道长度安全余量取5%。

水力模型建立时，内衬橡胶钢管的管道内粗糙度取0.05 mm，水力模型建立时，水力坡度线与管道线路纵剖面间距余量最小50 m；管道最大承压线和最大水力坡度线间距余量为50 m；水力坡度线与管道线路纵剖面间距余量为50 m；管道最大承压线与静水压力线间距余量为125 m。

图2为尾矿输送稳态水力坡度图显示了水力模型计算结果，表明了泵站位置、越野管道线路纵剖面线、管道允许的最大运行压力线、管道停车后的静水压力线及按设计量及设计浓度输送矿浆时管道水力坡度线。

图2 5 600 t/d尾矿输送稳态水力坡度图Fig.2 Steady-state hydraulic slope plot of 5600 t/d tailings transportation

无论任何情况下，管道沿线上任何一点的静压力或运行压力必须低于此点的管道最大允许压力[4]。

2 尾矿输送扩能工艺方案研究

由于尾矿输送量增加后，管道运行压力及流量均增加，在优先保证扩能后管道运行压力应低于越野管道设计压力，一般矿浆管道输送扩能研究方向如下：

1）提高输送浓度降低输送流量；

2）改造主线隔膜泵增加输送压力，增加主线隔膜泵数量增加输送流量[5]；

3）在线路合理位置增加加压泵站，降低主泵输送压力；

4）新建尾矿管道降低主泵输送压力。

2.1 提高输送浓度研究

基于多年Φ45 m直径的高效浓缩机运行情况，并与浓缩机生产厂家进行技术确认，φ45 m高效浓缩机完全能满足10 000 t/d的尾矿处理量，同时，在保证溢流水浊度≤200 mg/L情况下，浓缩机底流浓度能达到55%以上，但由于尾矿处理量增加后，现有絮凝剂添加系统需要进行扩能改造。

采用Mettler RM180粘度计对尾矿矿浆进行粘度测试[6]，图3为通过试验和数据处理后的矿浆浓度与粘度关系图，由图所知，尾矿矿浆浓度提高至55%后，虽然矿浆粘度有所提高，但提高较少，对整体输送影响不大，同时参考其他类似尾矿输送项目运行情况，可以采用55%以上的输送浓度。所以，初步将扩能后尾矿输送浓度确定为55%。

图3 大屯尾矿矿浆重量浓度与相对粘度关系图Fig.3 Relation diagram of weight concentration and relative viscosity of Datun tailings'ore pulp

2.2 改造并增加主线隔膜泵研究

由于尾矿输送量增加至10 000 t/d后，当输送浓度达到55%，输送流量为475 m3/h，现有φ273 mm衬胶管道内流速会达到2.79 m/s。图4为尾矿扩能到10 000 t/d时，直接输送稳态水力模型截图，此时主泵压力会达到7.5 MPa，越野主管道在4.5 km～5.5 km的运行压力会超过主管道的承压能力。

图4 现有管道输送10 000 t/d尾矿稳态水力坡度图Fig.4 Steady-state hydraulic slope plot of 10 000 t/d tailings transported by the existing pipeline

为了保证此方案后期运行安全，需要对（4.5～6.5）km管道进行更换，提高管道承压能力。输送泵站主泵输送压力（5.6 MPa） 也不能满足扩能要求，需要改造或者更换，主泵出口阀门、管道及仪表也需要进行改造更换，总体投资较大，且此方案需要长时间的尾矿管道停产，对选厂生产影响很大，不推荐采用此扩能方案。

2.3 新增加压泵站方案研究

由于尾矿输送量增加后，管道运行压力及流量均增加，基于优先保证扩能后管道运行压力应低于越野管道设计压力，并尽可能地利用现有尾矿输送系统设施，为了将目前大屯尾矿泵站压力降低，通过现场勘察结合水力模型分析，提出在越野管道约8 km处（海拔标高约1 400 m） 新建一座加压泵站，尾矿通过两级泵站增压后输送至花坟尾矿库二次浓缩。图5为新建加压泵站方案稳态水力坡度图，通过水力模型计算正常大屯尾矿输送泵站压力约5.1 MPa，加压泵站出口压力约2.72 MPa。

图5 10 000 t/d尾矿输送加压泵站方案稳态水力坡度图Fig.5 Steady-state hydraulic slope plot of booster pump station for 10 000 t/d tailings transportation

大屯尾矿输送泵站主泵压力及流量均满足输送要求，尾矿管道扩能后，正常2台主泵运行1台备用，仅需对现有浓缩机底流泵、隔膜泵进出管道进行改造。

加压泵站内设置有2组串联离心渣浆泵（一组运行，一组备用），每组串联泵由3台离心渣浆泵串联。尾矿矿浆经过加压泵站加压后输送至花坟尾矿库内的深锥浓缩机内。

在新增加压泵站及尾矿新建主泵未竣工前，现有系统还能一直保持5 600 t/d的输送能力输送，本方案对现有生产的影响非常少。

2.4 新建管道方案研究

10 000 t/d的尾矿输送量较原管道设计尾矿输送量5 600 t/d增加较多，为了降低管道运行成本及运行压力，设计新建一条φ323.8 mm的内衬橡胶钢管。新建管道输送10 000 t/d的尾矿，设计输送浓度范围50%～55%，设计输送浓度点为53%，图6为新建管道方案稳态水力坡度图，通过水力模型计算正常主泵出口运行压力为4.9 MPa，运行流量503 m3/h。现有φ273.1 mm的内衬橡胶钢管作为尾矿输送系统的备用管道。

图6 10 000 t/d尾矿输送新建管道方案稳态水力坡度图Fig.6 Steady-state hydraulic slope plot of new pipeline for 10 000 t/d tailings transportation

大屯尾矿输送泵站主泵压力及流量均满足输送要求，尾矿管道扩能后，正常2台主泵运行1台备用，仅需要对现有浓缩机底流泵、隔膜泵进出管道进行改造。

尾矿浆在主泵站内加压后，通过新建的一条 φ323.8 mm，壁厚 8 mm，内衬橡胶 8 mm，长度约10.5 km的越野管道输花坟尾矿库内的深锥浓缩机内。

3 项目建设分析研究

本尾矿管道输送扩能工程，属于扩建项目，在方案分析研究过程中还需要进行建设难度、建设时间、建设投资、对现有生产影响对比分析[7]。

从表4分析数据可知，加压泵站方案较新建管道方案，建设难度低、建设时间短、建设投资相对较低、对现有生产影响相对较小，加压泵站方案更有利于工程实施。

表4 尾矿扩能输送方案建设分析Tab.4 Construction analysis on capacity expansion transportation scheme of tailings

4 建设风险研究

越野管道输送工程，常常涉及征地、外部协调、建设过程中的环境保护等，为了项目后期建设顺利实施，还需要在方案分析时，进行各方案的建设风险分析[8]。

4.1 建设风险因素识别

1）技术风险。因管道输送技术不先进、技术采用不合理引起的工程问题造成的损失；

2）工程风险。因工程地质条件、水文地质条件和工程设计本身发生重大变化，导致工程量增加、投资增加、工期延长所造成的损失；

3）资金风险。因资金来源中断或供应不足，导致融资成本提高，给建设和运营造成的损失；

4）外部协作风险。投资项目所需要的供水排水、供电供气、通讯、交通等主要外部协作配套条件发生重大变化，给建设和运营带来困难；

5）环境与社会风险。存在于征地补偿环节和实施过程中对周边居民造成的负面影响，影响项目目标的实现。

4.2 建设风险估计

基于上节识别的风险因素，对各风险因素进行风险程度估计，其中风险程度分为高、较高、中、较低、低五个层次。并对新建加压泵站方案及新建管道方案进行风险评定。

从表5的风险评估数据看出，加压泵站方案各风险因素中无中风险及以上因素，总体风险可控，有利于项目建设实施。

表5 加压泵站方案风险水平评估表Tab.5 Risk level assessment of booster pump station scheme

从表6的风险评估数据看出，新建管道方案各风险因素中社会风险及项目用地为较高风险，地质、工程量及工程管理为中风险，可能因这些风险影响项目建设，特别是项目建设投资及进度。

表6 新建管道方案风险水平评估表Tab.6 Risk level assessment of new installed pipeline scheme

5 结语

1）矿浆管道扩能首先应考虑提高输送浓度，在不超过设计输送压力的前提下增加输送量。提高输送浓度需要对矿浆特性进行试验研究，根据试验得出矿浆粘度数据判断提高输送浓度是否可行；

2）矿浆管道扩能改造方案研究应基于现有输送系统配置，并结合现有生产运行情况研究方案，提出的可行性的改造方案应尽可能降低方案建设对现有生产的影响；

3）完成可行的工艺方案后，需要对各方案的建设难度、建设时间、建设投资、对现有生产影响进行综合分析比较；

4）矿浆管道输送属于线性工程，一般工程战线长，自然环境与社会环境复杂，在建设方案研究时一定要进行建设风险研究；

5） 针对大屯尾矿10 000 t/d管道输送系统扩能，新建加压泵站方案更适合。