高浓缩尾矿分级筑坝工艺流程与设计方法

　　摘要针对目前高浓缩尾矿筑坝过程中分级系统理论设计方法匮乏的现状，通过对分级筑坝计算相关的参量进行归纳分类，总结出了13项分坝系统设计的关键计算参数。基于理论分析，提出了建设工期、底流沉砂率和原矿分配率的理论计算公式;演绎基于分离粒度的水力旋流器选型和数量确定过程，阐述选厂生产规模与筑坝施工效率之间的分配流程，推导出了系统化的旋流分级工艺参数计算方法，并针对某高浓度排矿尾矿库筑坝工程实践，对所建立的计算方法的可行性和有效性进行了验证。结果显示：在入料尾矿浓度与计算设定值相近的情况下，底流尾矿、溢流尾矿浓度、沉砂产率和底流尾矿中-200目颗粒含量等指标的计算结果与现场监测数值吻合度较好。研究成果可为高浓度排矿尾矿库上游法筑坝施工提供理论技术支撑。

　　关键词尾矿库上游法筑坝旋流分级工艺流程理论计算

　　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，自此尾矿库建设的数量增长迅速[1-2]。截止至2017年年末，中国尾矿库的总数量已达到7793座，其中90%以上的尾矿库都采用上游法筑坝[3]。

　　采矿职称论文采矿工程中数值模拟技术

　　在采用上游法筑坝的尾矿库中，若入库尾矿平均粒径小于0.03mm，-0.019mm颗粒含量大于50%、+0.074mm颗粒含量小于10%且+0.037mm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的出现，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取得了广泛应用[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。沉砂颗粒平均粒径愈粗质量愈优，尾矿堆积坝的成型质量与稳定性也愈佳，但因粗颗粒有限，沉砂率将会大幅降低，导致有效筑坝方量的减少;沉砂率越高、数量愈多，尾矿坝工程建设方量需求愈加容易得到满足，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、工艺参数等因素的影响[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，国内外尾矿工程界的学者与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求出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，能够较为准确的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较为难以准确定量。

　　李亮[11]基于Fluent对尾矿分级旋流器进行了数值模拟，得出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相对较高。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并未涉及。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。鉴于上述状况，文章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等在内的共计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，对所建立的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。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。冲填矿浆浓度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

　　分级尾矿筑坝，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，分级尾矿筑坝施工期间选厂都需要继续保持生产。随着尾矿坝的不断加高，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，沉砂的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。

　　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，需要以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。

　　2.3旋流分级工艺流程与参数

　　基本流程为：在选矿厂生产尾矿中，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以筑坝。

　　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0.021mm，小于0.074mm颗粒含量为75.9%，小于0.045mm颗粒含量为65.86%，小于0.020mm颗粒含量为48.69%，小于0.005mm颗粒含量为15.49%，属尾粉质黏土。

　　4结语

　　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的选型和数量计算;通过绘制工艺流程图并推求各组分矿浆的物料传递过程，进而为水、浆管路和机电设施的选型提供依据。除尾矿库工程外，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，将能够有效提高围垦工程施工效率。

　　参考文献

　　[1]周振民,李香园.我国尾矿坝溃坝事故成因及生态环境影响评价[J].金属矿山,2012(11):121-124，167.ZHOUZhenmin,LIXiangyuan.Thecauseoftailingsdamaccidentandecologicalenvironmentalimpactassessmentinchina[J].MetalMine,2012,47(11):121-124，167.

　　[2]王昆,杨鹏,KarenHudson-Edwards,等.尾矿库溃坝灾害防控现状及发展[J].工程科学学报,2018,40(5):526-539.WANGKun,YANGPeng,KarenHudson-Edwards,etal.Statusanddevelopmentforthepreventionandmanagementoftailingsdamfailureaccidents[J].ChineseJournalofEngineering,2018,40(5):526-539.

　　[3]杨曌.山谷型尾矿库失稳数值模拟及工程应用研究[D].廊坊:华北科技学院，2019.YANGZhao.Numericalsimulationandengineeringapplicationofvalleytailingspondsfailure[D].Langffang:NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,2019.

　　[4]吴爱祥,杨盛凯,王洪江,等.超细全尾膏体处置技术现状与趋势[J].采矿技术,2011,11(3):4-8,18.WUAixiang,YANGShengkai,WANGHongjiang,etal.Statusandtrendofultra-fineoriginalpastetailingsdisposaltechnology[J].MiningTechnology,2011,11(3):4-8,18.

　　作者：刘欣欣盛明强艾罗艳燕琴

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