高浓缩尾矿分级筑坝工艺流程与设计方法

刘欣欣 盛明强 艾罗艳 燕 琴

(南昌工学院人居环境学院,江西 南昌 330108)

自1953年在辽宁杨家杖子兴建第一座现代意义上的尾矿库后,我国开始逐步探索并发展自己的尾矿库设计,自此尾矿库建设数量增长迅速[1-2]。截至2017年末,我国尾矿库的总数量已达到7 793 座,其中90%以上的尾矿库都采用上游法筑坝[3]。在采用上游法筑坝的尾矿库中,若入库尾矿平均粒径小于0.03 mm,-0.019 mm 颗粒含量大于50%、+0.074 mm 颗粒含量小于10%且+0.037 mm 颗粒含量小于30%,该类型尾矿归属于细粒尾矿[4],不适宜于直接筑坝,但可以通过水力旋流器分级,采用分级后产生的高浓缩沉砂筑坝,国内工程界称这种筑坝施工方法为尾矿分级上游法[5]。根据国内筑坝实践及相关试验可知,尾矿分级上游法筑坝能够有效提高沉砂率和粗粒尾矿上坝率,使沉积滩颗粒分布均匀,减少互层和细泥夹层出现,改善坝体内部结构进而增强堆积子坝的稳定性[6],近年来在国内尖山、通化,以及五龙等众多矿山的尾矿库得到了广泛应用[7-8]。归根结底,尾矿分级上游法筑坝的实施成效与分级后产生的沉砂质量和数量都有直接关联。沉砂颗粒平均粒径越粗质量越优,尾矿堆积坝的成型质量与稳定性也越佳,但因粗颗粒有限,沉砂率将会大幅降低,导致有效筑坝方量减少;沉砂率越高、数量越多,尾矿坝工程建设方量需求越容易得到满足,但沉砂颗粒平均粒径将会大大减小,于坝体整体稳定不利。工程实践表明,沉砂的质量与数量主要受入库尾矿性质、水力旋流器规格、旋流分级工艺流程、工艺参数等因素影响[9]。如何根据入库尾矿性质,选择适宜的水力旋流器,设计科学合理的旋流分级工艺流程和参数,从而产生数量与质量均能满足筑坝施工需求的沉砂,是尾矿分级上游法需要解决的核心问题。

针对上述问题,业内学者与工程技术人员进行了一系列的研究与探索。韩文亮等[10]基于旋流器分选机理推导了旋流器颗粒分选时能耗损失和临界分选粒径的计算公式,能够较为准确地预估旋流器的临界粒径,即多大粒径的颗粒通过旋流器旋流后,由沉砂口排出。该公式基于半自由涡及两相流基本假定推导,计算精度较高但相关参数难以精确取值。李亮[11]基于Fluent 对尾矿分级旋流器进行了数值模拟,分析了旋流分级过程中给料压力、速度与浓度的分布规律对旋流器分级效果的影响。该数值模型中运用的雷诺应力(RSM)模型、两相流MIXTURE 模型对初始和边界条件的精度要求较高。鉴于理论与数值计算难度大,郭友谦[12]针对尖山尾矿坝筑坝施工实践,提出了水力旋流器直径与数量的经验计算公式,然而一些关键指标如沉砂产率和建设工期的理论计算方法却未涉及。在此基础上,杨超等[13]通过开展旋流分级正交室内试验,对二段水力旋流器的选型和旋流分级工艺参数进行了筛选与优化,对工程实践具有一定的指导意义。刘欣欣等[14]基于分级筑坝现场试验,也提出了旋流分级工艺参数的筛选优化试验方案。但上述基于室内试验和现场试验的方法只适用于某一具体工程,工作量较大且不具备广泛适用性。关于尾矿库分级筑坝工艺和参数的计算方法,目前仍然缺少具有普遍适用性且体系完善的理论研究成果。

鉴于上述分析,本研究通过对分级筑坝计算相关的参量进行归纳分类,总结出了包含尾矿坝总工程方量Vdam、坝体高度H和尾矿库待筑坝区域控制面积A等在内的共13 项计算参数。在此基础上,采用理论分析方法,提出了关键参数如建设工期T、底流沉砂率γu和原矿分配率η的理论计算公式;以目前关于水力旋流器的分级数学模型为指导,推导出了基于分离粒度d50的水力旋流器选型和数量确定过程,阐述了选厂生产规模与筑坝施工效率之间的分配流程,并建立了系统化的旋流分级工艺参数计算方法。最后,针对某高浓度排矿尾矿库筑坝工程实践,对所提计算方法的可行性和有效性进行了验证,研究成果可为国内矿山企业尾矿库分级上游法筑坝和沿海围垦工程堤防施工提供理论支撑。

1 分级工艺计算相关参数

根据分级筑坝工艺设计要求,对计算所需的相关参数进行归纳整理,得到如表1所示的13 项参数。其中,尾矿坝沉砂干密度ρd通过室内试验测试,取原尾矿烘干后按照设计分级要求筛分重组为沉砂,并测试其干密度。对于滩面尾矿天然密度ρb,可在现场尾矿库滩面取原状样直接测试。分离粒度d50是指水力旋流器粒度分配曲线中对应溢流(或沉砂)分配率为50%的粒度值,其物理意义为旋流器分级过程中某个粒度的颗粒进入底流和溢流的概率相等[15]。入料浓度Ci为水力旋流器进口端尾矿浓度。充填矿浆浓度Cf指的是底流沉砂经稀释后的浓度,需满足泵送基本要求。

2 分级工艺设计与计算方法

2.1 建设工期、沉砂产率与原矿分配率

在进行分级尾矿筑坝时,需要从选厂排放尾矿中分出一定比例(该比例称为原矿分配率η)的矿浆用于旋流分级,未参与分级的原尾矿以及旋流分级产生的溢流尾矿需排放至尾矿库中。因此,无论是从企业生产还是筑坝施工需求来讲,在分级尾矿筑坝施工期间选厂都需要继续保持生产。随着尾矿坝不断加高,入库尾矿也在不断积累,尾矿库滩面将会持续上升,尾矿坝加高的速度要始终略高于尾矿库滩面的上升速度;此外,沉砂产量还需要满足筑坝工程量的需求,该过程被称为砂量平衡。砂量平衡计算与建设工期T、沉砂产率γu和原矿分配率η密切相关。建设工期内,在原矿分配率一定的条件下,沉砂产率越高,坝体上升速度越快,砂量平衡越容易得到满足,但沉砂夹细问题较为突出;反之,则砂量平衡将无法保证。因此,需要通过以下计算分析初步确定建设工期、沉砂产率和原矿分配率。

(1)施工期坝体平均加高速度。公式为

式中,vdam为施工期坝体平均加高速度,cm/d;H为坝体高度,m;T为建设工期,d。

(2)计算沉砂固相质量(干重)。公式为

式中:Mu为沉砂固相质量,t;M为选厂尾矿产量,t/d;η为原矿分配率,%;γu为沉砂产率,%。沉砂固相质量应等于尾矿堆积坝固相质量,即:

式中,ρd为尾矿坝沉砂干密度,kg/m3;Vdam为尾矿坝总工程方量,万m3。

由式(3)可推导得:

(3)计算工期内总入库尾矿固相质量。公式为

式中,Mp为施工期总入库尾矿固相质量,t。

(4)工期内滩面平均上升速度。公式为

式中,vb为施工期滩面平均上升速度,cm/d;φ为库容利用系数;A为尾矿库待筑坝区域控制面积,万m2;ρb为滩面尾矿天然密度,kg/m3。

(5)假定施工期间坝体平均加高速度vdam等于滩面上升速度vb,则有:

由式(7)推导出:

根据式(4)和式(8)可以得到:

进而可以推导出:

将式(10)代入式(4)可得:

利用式(11)尚无法精确确定沉砂产率γu和原矿分配率η取值。由上述分析可知:沉砂产率γu大小将直接影响沉砂质量,即-200 目颗粒含量。假设控制溢流尾矿-200 目颗粒为95%,根据质量守恒原理,可以得到沉砂产率γu的计算公式:

式中,P为原尾矿中-200 目颗粒含量,%;Pu为沉砂中-200 目颗粒含量,%,可根据沉砂质量要求直接给定,一般为30%～50%。计算出产率γu后,再将其代入式(11)即可得到原矿分配率η。

2.2 水力旋流器选型与数量

水力旋流器是分级筑坝系统的核心设备之一,需要从原尾矿特性和筑坝工程量入手,选择适宜规格和数量的水力旋流器,用以生产质量合格且数量足够的沉砂。工程实践中,一般是以分离粒度d50作为旋流器直径计算的依据,计算公式为[5]

式中,D为水力旋流器的计算直径,cm;d50为分离粒度,高浓缩尾矿建议取35～45 μm;du为沉砂口直径,cm;p为入料口压强,对于35～45 μm 的分离粒度一般取120～160 kPa;Gs为尾矿真密度;dov为溢流口直径,cm;Ci为入料浓度,为减少原矿稀释水量同时获得较好分级效果,建议取值范围为35%～45%。

由式(13)得出旋流器计算直径D,再根据不同品牌和型号的旋流器,选择与计算直径D、初定的沉砂口直径du相近的水力旋流器,进而确定实际的旋流器参数(入料口当量直径df和溢流口直径dov),在此基础上,确定计算水力旋流器的数量N,公式为

式中,N为水力旋流器的数量,台;K0为系数,取值方法可参考《选矿工程师手册 第1 册 上 选矿通论》[17];df为入料口当量直径,cm。当入料口为方形时,换算式为

式中,b为入料口宽度,cm;l为入料口高度,cm。

2.3 旋流分级工艺流程与参数

高浓缩尾矿分级筑坝工艺流程如图1所示。基本流程为:在选矿厂生产的尾矿中,分出比例为η的一部分作为参与分级原尾矿,剩余未参与分级的原尾矿直接排放至尾矿库;参与分级原尾矿在原矿稀释槽中补水稀释后,由入料泵输送给水力旋流器机组;经水力旋流器分级后,溢流尾矿直接排放至尾矿库,底流尾矿在底流稀释槽中补水稀释后,通过冲填泵输送至施工区域用于筑坝。

通过计算工艺流程图中各项物料的传递与分配,即可得到旋流分级工艺的系列参数,进而为泵、管路和机电等设施选型提供依据。本研究基于水力旋流器分离性能计算方法[18],推导出的相关指标计算公式如图1 和式(16)至式(22)所示。

式中,K1、K2为系数;S为分股比,等于底流尾矿与溢流尾矿流量之比;C为原尾矿浓度,%;Ci为入料浓度,%;Cu为底流尾矿浓度,%;Co为溢流尾矿浓度,%;Cf为充填矿浆浓度,%;Q为选厂尾矿流量,m3/h;Qp为参与分级原尾矿流量,m3/h;Qi为入料尾矿流量,m3/h;Qu为底流尾矿流量,m3/h;Qf为充填矿浆流量,m3/h。

3 分级筑坝系统现场实施

3.1 尾矿特性与计算参数

某坝前分散排矿尾矿库平均排矿浓度为55 %,入库尾矿平均粒径为0.021 mm,小于0.074 mm 颗粒含量为75.9 %,小于0.045 mm 颗粒含量为65.86%,小于0.020 mm 颗粒含量为48.69 %,小于0.005 mm 颗粒含量为15.49%,属尾粉质黏土。后期堆积坝拟采用分级上游法堆筑,分级筑坝计算的相关参数取值见表2。

表2 某尾矿库分级筑坝计算参数Table 2 Calculation parameters of classification damming for a tailing pond

3.2 分级筑坝工艺流程与计算结果

通过计算可以得到以下结果:

(1)沉砂产率γu= 29.38%,原矿分配率η=52.27%,建设工期T=48.88 d。

(2)假定分离粒度d50=37.0 μm,沉砂口直径du=4.0 cm,入料口压强p=160.0 kPa,溢流口直径dov=8.0 cm,入料浓度Ci=40.0%;根据上述数值,得到水力旋流器计算直径D=25.4 cm;根据计算直径,选择内径为25.4 cm、入料口当量直径df=8.0 cm 的水力旋流器,代入式(14)计算得到,水力旋流器的数量为N=20.15 台,取21 台。

(3)在此基础上,按照图1 和式(16)至式(22)分别进行了计算,结果如图2所示。

图2 尾矿库分级筑坝工艺流程与参数计算结果Fig.2 Process flow and parameter calculation results of classification damming for tailings pond

3.3 现场应用效果分析

根据上述设计工艺流程,在尾矿库现场装配的分级筑坝系统如图3所示。系统主要包含两部分:原矿稀释槽(图3(a))和底流稀释槽(图3(b))。原尾矿在原矿稀释槽中经补水稀释后,采用渣浆泵输送给水力旋流器机组,旋流分级后产生的底流尾矿在底流稀释槽中补水稀释后由充填泵管道输送至筑坝区域。

图3 尾矿库现场分级筑坝系统Fig.3 On-site classification damming system for tailings pond

系统稳定运行过程中,分别在原矿稀释槽内、水力旋流器沉砂口和溢流管口取尾矿样,测试入料尾矿、底流尾矿与溢流尾矿的浓度。结果显示:入料浓度为41.85%(计算设定值Ci=40.0%),底流尾矿浓度为69.73%(计算结果Cu=70.80%),溢流尾矿浓度为35.42%(计算结果Co=33.90%),由此得到实际的沉砂产率为31.23%(计算结果γu=29.38%)。通过对入料尾矿、底流尾矿与溢流尾矿样开展粒度测试,得到尾矿粒径级配曲线如图4所示。由图4 可知:底流尾矿中-200 目颗粒含量为32.27%(计算设定值Pu=30.0%)。上述结果表明,在入料浓度计算设定值与现场实测值相近的条件下,理论计算结果与现场监测数据吻合度较好。

图4 尾矿粒径级配测试曲线Fig.4 Particle size grading test curves of tailings

4 结论

(1)高浓缩尾矿具有固体浓度大、不离析、高黏度、渗透率低等特点,从输送的角度来看是有利的,可以节约电耗、增加回水量;但从筑坝的角度看,采用高浓度放矿,会出现粗细尾矿不分级、滩面饱和、固结程度差、强度指标低等情况。工程实践经验表明,对于高浓度放矿尾矿库,分级上游法是相对较为适宜的筑坝方法。在分级筑坝系统设计过程中,可以采用上述设计和计算方法分别确定建设工期、沉砂产率和原矿分配率,在此基础上进行水力旋流器选型和数量计算;通过绘制工艺流程图并推求各组分矿浆的物料传递过程,可为水、浆管路和机电设施的选型提供依据。

(2)除了尾矿库工程外,相关理论成果对沿海围垦工程中堤防建筑物的施工也具有一定的参考意义。国内东南沿海地区因石料匮乏而砂土料分布广泛,多数围垦工程一般采用砂土料充灌土工管袋构筑围堤,但高含黏(粉)土料充灌管袋脱水固结效率低的问题始终难以彻底解决,大大缩小了围垦工程施工材料的来源范围。基于所提出的分级筑坝工艺流程与设计方法,可考虑对高含黏(粉)土料实施旋流分级,以底流沉砂充灌管袋构筑围堤,有助于提高围垦工程施工效率。