武山銅礦三期擴建工程中尾礦礦漿管道輸送技術的應用與分析

魏曉軍

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330031）

管道運輸是用管道作為運輸工具的一種長距離輸送液體和氣體物資的輸方式。管道運輸業是中國新興運輸行業，是即鐵路、公路、水運、航空運輸之后的第五大運輸業，它在國民經濟和社會發展中起著十分重要的作用，管道運輸是利用地下管道將原油、天然氣、成品油、礦漿、煤漿等介質送到目的地。長距離礦漿管道輸送業務在國內方興未艾，由于其有節能環保、損耗低、均衡穩定等優勢受到了越來越多的礦山業主的歡迎。管道輸送固體物料比公路運輸費用低，可以滿足現代工廠連續生產的要求。通常情況下年運行費用約為管道投資的8%～10%（運行費用：備品備件費、電費、人工工資及管理費用），年折舊率6%～7%，年收入按大約為總投資的35%。因此基本在3年～4年內可以收回全部投資，而管道的運行壽命為20年～25年，所以經濟效益比較可觀。

1 應用項目概述

武山銅礦是一座地下開采礦山，始建于1966年，幾經改造，于2009年擴產達到5000t/d的采選規模。江西銅業股份有限公司為了對武山銅礦深部資源進行整合開發，為“再造一個武山”打下扎實的資源基礎。礦山開采幾十年，一些陳舊的設備所能提供的產能已經大福減小，而且單位勞動定員的效率及其低下，再加上近兩年和未來幾年有色金屬價格下行的壓力，礦山盈利能力越來越弱，走出這種困境的有效途徑無非是擴產和增效。三期擴建工程不僅擴大了礦山的生產規模，建成后年產達到10000t/d的采選規模，還提高了礦山的自動化程度，使礦山的裝備水平步入國內先進礦山之列。另外，還為國家地方多交利稅、增加了就業機會，創造了極大的社會效益[1]。

2 尾礦輸送水力模型的應用

2.1 臨界流速模型

（1）E.J.瓦斯普模型。

（2）清華大學礦漿模型（本項目中選用模型）。

上述兩式中：Vcr—臨界流速，m/s；K—修正系數一，取值9；g—重力加速度，9.8m/s2；D—輸送管道內徑，m；γs—干礦密度，t/m3；γm—礦漿密度，t/m3；Cv—復合流態全部礦漿體積濃度；A—修正系數；d95—通過95%重量的篩孔孔徑表示的物料粒徑，m；B—修正系數。

2.2 礦漿水損模型（非試驗條件下，試算模型）

（1）清水計算模型（舊鋼管）,V≥1.2m/s的條件下。

上式中：V—介質管內流速，m/s；dj-管道內徑，m。

（2）礦漿損失按照清水揚程損失與礦漿漿體比重的乘積進行二次修正。（近似牛頓流體的粗略修正法）。

式中：pk—礦漿相對密度，i0—輸送與礦漿流速相等的清水的水力迫降[2]。

3 現有尾礦輸送設施系統描述和分析

3.1 現有尾礦輸送設施系統描述

現有選礦工藝尾礦通過高效濃密機濃縮后，重量濃度約30%～35%。濃縮后的礦漿由底部設置的渣漿泵加壓輸送至中間接力泵站后，再加壓輸送至云池口尾礦庫進行濕排堆存。相關輸送設施參數和管線敷設情況如下：

（1）高效底流泵出口標高39.92m，選用泵100-ZJ-1-A50渣漿泵，流量348m3/h，揚程H=90m～92m。

（2）中間加壓泵房標高82m，采用水泵性能參數同原高效濃密機底流泵一致。

（3）尾礦輸送管路長度約2000m，管道沿地勢敷設，敷設過程中幾乎無凸出性高點，地形情況呈現一路向上至原中間加壓泵站。尾礦輸送管道為內徑0.3m的陶瓷符合復合管道（管道內壁粗造度可按鋼管考慮）。

3.2 現有輸送系統分析

表1 臨界流速復核分析（瓦斯普）

表2 清華大學模型核算臨界流速

表3 水力損失分析與對比

3.3 結論

按照上述理論分析，現有的輸送系統，通過理論的分析，漿體揚程需約要99m，比實際運行的92m揚程要高出約7m，偏差幅度約+10%。因此該模型通過現場反饋的數據，是可以適用于工程設計并符合于生產運營的需求。

4 三期擴建設計尾礦輸送設施系統描述和分析

4.1 三期擴建尾礦輸送設施系統描述

三期擴建工程中選礦工藝尾礦通過新建的Ф60m高效濃密機（地上式）濃縮后，重量濃度約38%～45%。濃縮后的礦漿由底部設置的渣漿泵加壓輸送至現有云池口尾礦庫進行濕排堆存。相關輸送設施參數和管線敷設情況如下：

（1）高效底流泵出口標高45.15m，選用200NS-NZJA型渣漿泵，流量740m3/h，揚程H=52m，共計6臺。采用3臺（3級）串聯為一組，一組工作一組備用的形式，一次性將尾礦加壓輸送至尾礦庫，且可根據放礦點遠近的要求實現2級～3級串聯運行模式的切換。

（2）云池口尾礦庫最終壩頂放礦點標高為36m，中途最高點標高88m。

（3）尾礦輸送管路長度按5000m計，管道沿地勢敷設，從現有濃密機選址出發，經過1.8公里到最高點，標高88m，后經過3.2公里至云池口尾礦庫最遠放礦點。地形情況呈現先上后下的趨勢。尾礦輸送管道與現有設施一致。

4.2 設計輸送系統分析

臨界流速分析同前文一致。

表4 水力損失的分析

4.3 結論

在現有實際生產運行的指標對比和理論輸送計算模型的充分理解和掌握的前提下，通過后期對尾礦流變特性的實驗性分析的對比，可知在屈服應力τ≤10Pa條件下，中、低重量濃度的尾礦礦漿仍復核牛頓體流體的特性，均可利用上述理論分析模型進行有效的實際應用。武山銅礦三期擴建工程理論分析采用142m～117m的輸送壓力，設計最終選用的200NS-NZJA型渣漿泵6臺，3臺（3級）串聯為一組，一組工作一組備用的形式，可以完全滿足理論計算的要求[3-5]。

5 結語

尾礦會造成嚴重的環境污染，特別是在我國經濟迅速發展對礦物資源的需求日益增加的情況下，大量的尾礦不斷產生。但是經過多年的研究和實踐，礦山企業和有關研究機構取得了許多先進的科學技術成果，積累了豐富的工作經驗。尾礦采用管道輸送的項目建設，可大量減少運輸成本費用。項目建設有著相當的必要性。同時管道運輸是國家積極推進的節能減排和環保項目，符合國家的可持續發展要求，是國家產業政策支持的項目。

尾礦礦漿管道輸送的分析與計算模型眾多，例如劉德忠公式、E.J.瓦斯普公式、費祥俊公式和清華大學礦漿公式均有一定的約束性，在整體水力損失計算分析上偏差不大，均在10%以內。說明上述公式模型可以很好地適應低屈服應力條件的牛頓流體及非牛頓賓漢流體的水力計算和分析。

通過對武山銅礦現有設施運行參數的對比與分析，在充分掌握現有設施運行條件和參數的前提下，選用清華大學礦漿公式和達西公式，并對其采用單一的礦漿密度修正法進行有效的修正后作為三期擴建工程中尾礦長距離管道輸送的設計和設備選型的依據，也反向證明了該模型和該修正方法的適應性較好，值得在未來其他項目中廣泛推廣。