某銅礦中線法筑壩水力分級實驗研究

張 儀,王洪江,文書明

(1.昆明理工大學(xué)國土資源學(xué)院,云南昆明 650093;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

某銅礦中線法筑壩水力分級實驗研究

張 儀1,王洪江2,文書明1

(1.昆明理工大學(xué)國土資源學(xué)院,云南昆明 650093;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

在中線法筑壩過程中,尾礦分級效率與效果至關(guān)重要。首先通過室內(nèi)實驗對尾礦的基本物理性質(zhì)進(jìn)行了研究,通過FX350和FX250旋流器的對比實驗,分析沉砂產(chǎn)率、濃度和粒度等多個參數(shù),選用FX350旋流器可滿足生產(chǎn)要求。幾年的生產(chǎn)實踐表明,采用FX350旋流器可以有效地進(jìn)行尾礦分級和實現(xiàn)中線法堆壩,尾礦庫通過四年運行后壩體外坡無滲透水,中線法筑壩安全可靠,抗震設(shè)防烈度高。

中線法;旋流器;尾礦筑壩;尾礦性質(zhì)

中線法筑壩就是在初期壩上游方向的壩軸線位置,采用旋流器分級,粗砂堆積尾礦進(jìn)行筑壩,細(xì)粒級尾礦漿自流入壩內(nèi)沉降。在堆積過程保持壩頂中線位置始終不變,往垂直方向逐漸升高[1,2]。

某銅礦所處區(qū)域的地震烈度為8度,按照《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(ZBJ I-90)規(guī)定,設(shè)計地震烈度為8～9度的地區(qū)宜采用中線法筑壩。根據(jù)庫容要求,該尾礦壩的高度會超過100 m,屬于高壩范疇[3]。然而,在我國真正采用中線式筑壩的尾礦庫還不多見,尤其是筑高壩的更少。目前僅德興銅礦4號尾礦庫[4]采用中線式筑壩方法,而該地區(qū)的地震烈度為6度。

中線法筑壩[5]的核心就是全尾礦粒度分級,水力旋流器的使用效果決定著中線法筑壩工藝成功與否。因此,需要對該銅礦的中線法筑壩工藝進(jìn)行更嚴(yán)格設(shè)計和研究,以提高中線法筑壩技術(shù)的可靠性與適用性。

1 尾礦物理性質(zhì)

1.1 尾礦顆粒粒級組成

原則上,排向初期壩下游方向沉積的尾礦粒度-0.074 mm比例應(yīng)小于30%,粒度過細(xì)時,配入部分砂石料以增強壩體穩(wěn)定性、抗剪切強度和滲透性。

尾礦顆粒組成決定堆壩力學(xué)性質(zhì),粒級組成見表1。由表1可知,-0.074 mm細(xì)顆粒占65%,該尾礦級配良好,如果選用適宜的水力旋流器,從粒徑上來說,適用于中線法堆壩。

表1 全尾礦顆粒組成試驗測試結(jié)果

1.2 尾礦物理性質(zhì)測試

尾礦進(jìn)行了單位體積重量、密度、含水率、塑限、液限、滲透性、壓縮性和剪切強度等指標(biāo)測定,測定結(jié)果見表2。

由表2可知,尾礦顆粒的密度相對較大,含水率較低,處于液限和塑限之間,尾砂漿基本喪失流動能力,這樣一來中線法筑壩的壩體穩(wěn)定性會大大加強。

尾砂飽和度為68.90%,處于欠飽和狀態(tài),尾礦孔隙率較小;塑性指數(shù)為液限減去塑限,其值為9.70,表明尾砂中的粘粒含量較多,有必要用旋流器進(jìn)行分流。

分別用直接固結(jié)快剪(固結(jié)不排水)和三軸剪切進(jìn)行抗剪強度實驗,其中固結(jié)快剪實驗時設(shè)定的法向壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400kPa,剪切速率設(shè)定為0.8 mm/min;三軸實驗也為固結(jié)不排水,采用應(yīng)變式三軸剪切儀,圍壓分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa,剪切速率為0.276 mm/min,采用軸向應(yīng)變15%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。尾礦在剪切過程中顆粒逐漸被壓碎,細(xì)顆粒增多,隨著壓力的增加,剪切使尾礦的結(jié)構(gòu)變得更加緊密,因而抗剪強度提高,硬化特性逐漸呈現(xiàn)出來,使細(xì)尾礦表現(xiàn)為剪縮性。

表2 全尾礦物理性質(zhì)試驗測試結(jié)果

采用低壓固結(jié)儀進(jìn)行尾礦的壓縮性實驗,施加的最大豎向壓力≥800 kPa,選取第一二級壓力下的壓縮系數(shù)和壓縮模量作為代表值,實驗結(jié)果表明,該尾礦具有中等壓縮性,可壓縮性較大。

2 新型水力旋流器主要技術(shù)參數(shù)

新型旋流器依靠調(diào)控進(jìn)料顆粒空間預(yù)排列和調(diào)整分級空間大小兩項新技術(shù),使顆粒在進(jìn)料腔體內(nèi)實現(xiàn)了從外到內(nèi)、由粗至細(xì)的排列,增大了粗、細(xì)顆粒分別進(jìn)入底流和溢流的幾率,有效提高了分級效率,并在分級區(qū)內(nèi)減小了紊流程度,降低了能量消耗[6]。

2.1 進(jìn)料體結(jié)構(gòu)

為了提高旋流器的分級性能,人們把研究重點集中在進(jìn)料口形式和柱錐結(jié)構(gòu)形式兩方面。先后推出了切線形、漸開線形、弧線型、螺旋線形、同心圓形以及多管對稱等進(jìn)料形式。所有這些設(shè)計,其進(jìn)料顆粒在進(jìn)料管斷面上基本上屬于均勻分布,沒有考慮將物料顆粒在進(jìn)料管中進(jìn)行預(yù)分級,即沒有調(diào)控進(jìn)料顆粒空間預(yù)排列。

如果顆粒在進(jìn)入旋流器本體之前,能夠依靠預(yù)沉降作用被甩到靠近旋流器本體外壁一側(cè),則顆粒進(jìn)入旋流器后的分離效率將會得到提高。根據(jù)以上理論重新設(shè)計了旋流器的進(jìn)料體結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了進(jìn)料顆粒預(yù)先排列的效果。顆粒在新型進(jìn)料體結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面上的排列效果,如圖1所示。

圖1 新型進(jìn)料體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面上的顆粒排列效果

2.2 柱段結(jié)構(gòu)

旋流器的柱段是一個有益于固相顆粒分離的有效分級空間,分級空間的大小對于分級效果和分級能耗影響很大。通過研究分級空間大小與切向速度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)柱段高度較小時,在溢流管外圍的環(huán)形空間,切向速度沿徑向的變化不大;在錐體部分,在溢流管外置的豎直斷面上,切向速度明顯增大;而當(dāng)柱段高度逐漸增加后,斷面上的切向速度逐漸變?nèi)酢?/p>

以上研究表明,增大分級空間可延長流體在分級機內(nèi)的停留時間,提高分級效率和減小分級粒度,但同時也增加了能量消耗。因此,通過分級效率和能量消耗之間的關(guān)系,找到了一個適合分級的最佳柱段高度[7]。

2.3 錐體角度

對于旋流器錐體角度的設(shè)計,大量的工業(yè)化應(yīng)用數(shù)據(jù)表明,適合一段閉路磨礦分級旋流器的最佳錐角一般是20°,對于細(xì)粒級分級的旋流器的錐體角度一般都采用10°或者多角度的組合錐,而用于高嶺土等超細(xì)粒級分級的旋流器錐體角度會更小。

3 尾礦分級試驗

取代表性尾礦進(jìn)行分級濃縮,提高+0.074 mm粗顆粒尾礦在沉砂中的回收率,減少或不用外來物料堆壩。

3.1 試驗方案

實驗室選用旋流器型號為FX350、FX250,通過變換進(jìn)料濃度等參數(shù)調(diào)整分級指標(biāo),以滿足試驗要求。實驗流程圖如圖2所示。

圖2 旋流器實驗流程圖

3.2 試驗結(jié)果和討論

通過調(diào)整入料壓力、沉砂口徑等參數(shù)達(dá)到最佳技術(shù)指標(biāo)要求,在最佳操作及結(jié)構(gòu)參數(shù)下改變進(jìn)料濃度,得到的試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同旋流器試驗結(jié)果統(tǒng)計表%

由表3可知:(1)FX250旋流器雖然沉砂產(chǎn)率較高,但沉砂中-0.074 mm含量均大于35%,不符合筑壩標(biāo)準(zhǔn);(2)FX350旋流器沉砂中-0.074 mm含量可控制在30%以下,其分級效率可到達(dá)70%左右;(3)選用FX350旋流器時,當(dāng)進(jìn)料濃度為30%左右時,分級效率較高,隨著濃度的增大,沉砂產(chǎn)率及分級效率逐步降低。

因此,選用FX350旋流器。當(dāng)進(jìn)料濃度為30%時,沉砂中-0.074 mm含量30%以下、分級質(zhì)效率在70%以上,此時的沉砂產(chǎn)率在45%左右,完全可以滿足現(xiàn)場的筑壩要求。

3.3 全尾分級物料平衡關(guān)系

現(xiàn)場尾礦干礦量按4 500 t/d(187.5 t/h),礦漿濃度按30%計,物料平衡如表4所示。

表4 旋流器分級物料平衡表

經(jīng)過實驗和計算,擬選用6～8臺FX350旋流器,并聯(lián)使用。旋流器的進(jìn)料體積流量507 m3/h。旋流器的給料壓力在0.08～0.15 MPa之間,選用旋流器的單臺處理量70～100 m3/h。

4 中線法筑壩現(xiàn)場應(yīng)用效果

4.1 堆壩設(shè)計要求

堆壩設(shè)計要求為:坡比1∶3;壩頂寬20 m;分級尾砂粒度+0.074 mm粒度含量≥70%,壩高≤60 m時,干灘長度≥70 m,壩高＞60 m時,干灘長度≥100 m,壩體總高150 m(起始海拔2 430 m,終止海拔2 580 m),庫容810萬m3,服務(wù)年限15 a。

4.2 目前運行情況

目前運行情況如下:

1.坡比:1∶3.06,已經(jīng)達(dá)到設(shè)計要求。

2.壩寬:南端壩寬20 m,中端壩寬20 m,北端壩寬20 m,完全達(dá)到設(shè)計要求。

3.分級尾砂粒:尾礦壩取綜合樣分析,共取三組樣品,粒度分析結(jié)果如表5所示。

表5 分級尾砂粒度分析結(jié)果

從粒度分析結(jié)果看,1號樣+0.074 mm粒級達(dá)到70.67%,2號樣+0.074 mm粒級達(dá)到71.17%,3號樣+0.074 mm粒級達(dá)到72.38%;雖然選礦對磨礦細(xì)度要求提高,選廠提高了磨礦細(xì)度,通過補加外來砂石料和攪拌浸出粗粒料,粒度基本達(dá)到設(shè)計要求。

4.壩長:壩長229 m。

5.干灘:干灘長120 m。

6.堆壩材料:由于該礦尾礦細(xì)度較細(xì),分級尾砂(沉砂)量小且粒度細(xì),不能完全滿足堆壩要求,補充攪拌浸出尾礦,補充砂石物料,要求筑壩用砂石最大塊度≤30 cm。

7.堆壩量:一二選廠每年產(chǎn)生尾礦量120萬t,每年需要40萬m3庫容,現(xiàn)在壩高海拔2 533.58 m,累計堆壩168萬m3;2010年外來砂石料3.6萬m3, 2011年1～9月,使用新型旋流器后外來砂石料減少至2萬m3,全年預(yù)計2.7萬m3。

8.浸潤線:浸潤線作為尾礦壩安全運行的重要參數(shù),要進(jìn)行定期觀測記錄,并根據(jù)壩高繪制浸潤線走勢圖;該礦尾礦壩設(shè)置有浸潤線觀測設(shè)施,要求尾礦車間認(rèn)真做好觀測設(shè)施的延續(xù)與維護(hù)工作并做好日常觀測記錄。目前壩體無滲水,浸潤線觀測孔無水,壩體安全可靠。

旋流器放礦示意圖如圖3所示。

5 結(jié) 論

某銅礦尾礦庫采用中線法堆壩,服務(wù)年限由上游法的3 a增加至中線法的15 a;現(xiàn)在已經(jīng)服務(wù)4 a,堆積尾礦168萬m3,安全可靠,壩外無滲透水。

采用FX350旋流器可以有效地進(jìn)行尾礦分級和實現(xiàn)中線法堆壩;根據(jù)試驗研究結(jié)果,采用中線法堆壩,可以在保證尾礦壩安全的基礎(chǔ)上,降低堆壩成本,增加庫容,更有利于生產(chǎn)經(jīng)營管理。

圖3 水力旋流器放礦示意圖

[1] 蔣家超,招國棟.礦山固體廢棄物處理與資源化[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[2] 張錦瑞,王偉之.金屬礦山尾礦綜合利用與資源化[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010.

[3] 田文旗,薛劍光.尾礦庫安全技術(shù)與管理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010.

[4] 梁金建.德興銅礦四號尾礦庫中線法堆壩生產(chǎn)實踐[J].中國礦山工程,2008,37(1):16-17.

[5] 郭瑞.中線法筑造尾礦庫的探討與實施[J].冶金叢刊,2006, (1):45-47.

[6] 尚海洋,王清,刁懷樂,等.水力旋流器控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J].有色金屬工程,2011,(4):20-23.

[7] 韓寧,劉文禮.用于超細(xì)分級的水力旋流器的研究[J].煤炭加工與綜合利用,2008,(1):6-10.

Abstract:The classific efficiency and effect of tailings are very important in the midcourt line method damming.The basic physical propertiesof the tailing were studed,contrast test of FX350 and FX250 hydrocyclone was proceeded,and yield ratio,concentration,partical size of were analysed.The production practice showed that the FX350 hydrocyclone device can effectively classify this tailings,the midcourt line method damming can be realized.The tailings pond has been in motion for 4 years.There is no seepage water on outside slope of the dam.The midcourt line method damming is safe and reliable,and seismic fortification intensity is high.

Key words:midcourt line method;hydrocyclone;tailings damming;tailings property

A Study of Hydraulic Classification Experimental with Centerline Method Damming in a Copper Mine

ZHANG Yi1,WANG Hong-jiang2,WEN Shu-ming1
(1.Faculty of L and Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology, Kunming650093,China;2.Civil and Envrionmental Engineering Institute,University of Science and Technology Bejing,Bejing100083,China)

TD926.4+1

A

1003-5540(2012)02-0005-04

2012-02-26

張儀(1965-),男,博士生,高級工程師,主要從事銅礦物加工和鎳濕法冶金研究工作。