基于數(shù)值模擬的某鉛鋅礦選礦廠管道改造研究

郭 威 姜 莉 華海洋 李 曉3

（1.山東黃金集團(tuán)；2.山東捷瑞數(shù)字科技股份有限公司）

內(nèi)蒙古某鉛鋅礦目前采選生產(chǎn)能力為5 000 t/d，主要產(chǎn)品為鋅精礦、鐵精礦、鉛精礦（含銀）、銅精礦。現(xiàn)有Ⅰ號、Ⅱ號選礦廠2套選礦生產(chǎn)系統(tǒng)，其中Ⅰ號選礦廠處理能力約2 000 t/d，Ⅱ號選礦廠處理能力約3 000 t/d，生產(chǎn)工藝流程為破碎—磨礦分級—銅鉛混合浮選—混選精礦分離—混選尾礦選鋅—鋅尾礦選鐵—精礦脫水。

Ⅰ號、Ⅱ號選礦廠共用同一水源給水，水源主要來自尾礦庫回水+全尾充填站溢流回水，回水通過渣漿泵輸送至高位水池，利用高位水池水頭壓力自然給水。2021年以來，選礦廠出現(xiàn)多處浮選槽消泡水給水流量小、流速低的情況，進(jìn)而造成選廠指標(biāo)不穩(wěn)定，對礦山生產(chǎn)運(yùn)營造成了極大的影響。為了解決上述問題，需對選廠給水管網(wǎng)進(jìn)行分析核算，但由于兩座選礦廠給水管道歷經(jīng)多次改造，管網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜，常規(guī)計算分析無法明確水流偏小的具體原因。針對上述情況，該研究從選礦廠給水水源水質(zhì)分析出發(fā)，計算按目前選礦廠管徑應(yīng)滿足的臨界流速［1-5］，同時結(jié)合2個選礦廠給水管網(wǎng)布置情況，建立三維數(shù)值計算模型，對選礦廠給水管道壓力、流速分布情況進(jìn)行模擬計算。通過對模擬計算結(jié)果的分析，針對性地指出了選礦廠給水管道中管徑偏小及管道堵塞的區(qū)域，為選礦廠管路改造提供了理論支撐。

1 溢流回水性質(zhì)

尾礦庫溢流回水水質(zhì)較好，渾濁度＜1 NTU，選礦廠給水水源中含固量主要受全尾充填溢流回水水質(zhì)影響，該研究重點(diǎn)對全尾充填尾砂粒徑組成及溢流回水含固量進(jìn)行測定。

研究所用尾砂通過潛水泵在尾砂池中抽取，將取樣壺置于尾砂出口處，采集約2 kg全尾砂濕料置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，然后再將烘干的樣品均勻攤開，采用四分法取樣約200 g，作為粒度分布測試的樣品。溢流回水取自砂倉頂部溢流水。

采用水篩篩分法［6-7］對尾砂粒度進(jìn)行分析，水篩篩分法所用篩網(wǎng)分別為200，325，400目，采用水洗方法使樣品過200～400目篩，試驗(yàn)過程中嚴(yán)禁采用震動篩網(wǎng)等其他施加外力的方式加快過篩，每一級篩網(wǎng)必須水洗至清澈為止，最后將所有分級后的尾砂收集分類、干燥，計算回收率。

Ⅰ號選廠尾砂粒徑較細(xì)，-0.074 mm粒級占85.04%，-0.037 mm粒級占56.36%，粒徑組成見表1。Ⅱ號選礦廠尾砂-0.074 mm粒級占66.72%，-0.037mm粒級占40.38%，粒徑組成見表2。選礦廠尾砂來料經(jīng)無動力深錐添加絮凝劑沉降后，溢流水含固量為0.019%。

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2 管道臨界流速的確定

臨界流速是漿體利用壓力輸送阻力最小時對應(yīng)的流速，料漿借助重力自流時，欲實(shí)現(xiàn)順利輸送，其實(shí)際工作流速必須大于臨界流速，否則固體顆粒會沉淀于管道底部，造成管路堵塞，給水管道臨界流速采用金川有色金屬公司經(jīng)驗(yàn)公式［8］計算

式中，Vc為臨界流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；D為管道直徑，m；γP為料漿密度，1.01 t/m3；γW為清水密度，1.00 t/m3；K為系數(shù)，取2.0；φ為固體顆粒沉降阻力系數(shù)，13.83；λ為清水阻力系數(shù)，0.02。

選礦廠不同管道直徑對應(yīng)的臨界流速計算結(jié)果見表3。

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3 選礦廠給水管道模型的建立與模擬計算

3.1 模型的建立

給水高位水池位于選礦廠西南翼800 m處，標(biāo)高1 134 m，水池直徑6.3 m，高度5.0 m，水位高度3.0 m，選礦廠工業(yè)場地標(biāo)高約1 050 m，水頭差為84 m。高位水池通過φ400 mm無縫鋼管給水至選礦廠入口處，支管道無縫鋼管直徑為80～300 mm，根據(jù)選礦廠給水管道系統(tǒng)及相對位置關(guān)系1∶1建立給水管網(wǎng)三維數(shù)值計算模型，模型共包含1 337條管道，102個彎頭，1 323個噴嘴，84個閘閥，局部管道布置及數(shù)值計算模型見圖1。

3.2 模擬過程

選礦廠給水管網(wǎng)進(jìn)水端為給水高位水池，出口端對應(yīng)選礦廠實(shí)際各出水點(diǎn)，給水動力為高位水池產(chǎn)生的自然水頭壓力，給水阻力主要是各管道產(chǎn)生的水力管阻，數(shù)值模擬系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置自動解算出管道系統(tǒng)流速、壓力分布情況。

4 模擬結(jié)果分析及選礦廠管道改造

水流流速小于臨界流速的管道中，水中所含雜質(zhì)容易沉降，進(jìn)而逐步結(jié)垢，造成管道內(nèi)徑縮小，導(dǎo)致出水端水量偏小、流速低的情況，進(jìn)而造成選礦廠指標(biāo)不穩(wěn)定。結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果，與表3對比不同規(guī)格管道臨界流速的計算結(jié)果（圖2），篩選出流速小于臨界流速的管道，對該部分管道進(jìn)行拆除，同時結(jié)合管道壓力分布（圖3），對部分管道進(jìn)行更換，增加出水端給水壓力，徹底解決了浮選槽消泡水壓力不足的問題。

5 結(jié) 論

內(nèi)蒙某鉛鋅礦選礦廠給水管道改造頻繁，給水管道布置未整體考慮給水系統(tǒng)壓力分布情況，管徑選擇不當(dāng)、布置不合理導(dǎo)致部分管道逐漸結(jié)垢進(jìn)而影響進(jìn)水流量，研究結(jié)合選廠管道管徑及回水水質(zhì)情況，計算出了不同管道直徑（80～400 mm）下的臨界流速應(yīng)為0.25～0.52 m/s。結(jié)合該鉛鋅礦選礦廠給水管道系統(tǒng)建立了三維數(shù)值計算模型，通過模擬計算分析，對比臨界流速核算結(jié)果找出了流速偏小的管道，同時結(jié)合管道壓力分布情況，對管網(wǎng)系統(tǒng)重新進(jìn)行了選型計算，結(jié)合計算結(jié)果對部分管道進(jìn)行更換、清洗。管道改造后，浮選槽進(jìn)水端流量明顯增加，流速增快，解決了由于進(jìn)水端水量小導(dǎo)致的選礦指標(biāo)不穩(wěn)定的問題，在同類礦山具有較高的推廣應(yīng)用價值。