尾礦管道輸送擴能研究及應用*

趙昌洪，孫本卓，王 靜，鄧小卿

（1.云錫大屯錫礦，云南 個舊 661018；2.昆明佩思礦業工程設計有限公司，云南 昆明 650034）

礦漿管道運輸具有運量大、占地少、費用低、安全可靠、連續性強、耗能少、經濟效益好的特點。但是礦漿管道建成后，管道輸送規模被固定。某尾礦管道于2012年開始建設，至大他沖尾礦庫的尾礦管道于2014年投入運行，至花墳尾礦庫的尾礦管道于2018年投入運行，管道設計尾礦輸送量5 600 t/d。

由于產能調整及尾礦排放工藝需要，至花墳尾礦庫的尾礦輸送量需提高至10 000 t/d（較原設計增加78%），目前管道系統不能滿足10 000 t/d的尾礦輸送能力，需要基于目前輸送系統設備、管道、儀表的能力水平進行擴能改造。

1 現有尾礦輸送系統

1.1 現有輸送系統主要設計參數

表1 現有輸送系統主要設計參數表Tab.1 Main design parameters for the existing transportation system

1.2 現有尾礦輸送泵站系統

一臺Φ45 m直徑的高效濃縮機，一座底流泵站，底流泵站內設置兩臺離心式喂料泵，正常情況下一用一備。

濃度為7%～15%的尾礦礦漿在φ45 m直徑濃縮機內濃縮，底流濃縮達到45%～55%后，通過離心式渣漿泵（主泵喂料泵）對礦漿增壓后泵送至主泵內。

一次濃縮至花墳尾礦庫距離約10.4 km，一次濃縮機主泵站標高為1 322 m，花墳尾礦庫二次深錐濃縮機地坪標高為1 480 m，深錐濃縮機高約30 m，合計主泵站與深錐機尾礦入口高程差為188 m。通過水力計算，主泵的出口壓力應達到5.6 MPa（合礦漿揚程340 m），基于尾礦輸送管道壓力較高且輸送流量不大，選擇容積式隔膜泵作為尾礦輸送主泵[1]。

φ45m直徑的高效濃縮機溢流水自流入濃縮機溢流回水池內，通過大流量的水平中開式離心水泵，泵送到選廠高位水池內，回水泵房內四臺水平中開式離心泵水泵。正常情況下三臺工作，一臺備用。當尾礦產量有波動變大時，可以通過運行第四臺泵，進行流量峰值的調整，當尾礦產量低時，可以通過只運行一臺，或者兩臺泵來滿足產量的變化。

2020年為提高主泵的備用率，采購并安裝一臺與現有主泵參數一致的主線隔膜泵。目前，3臺主線隔膜泵，正常情況下1臺運行，2臺備用。

現有尾礦輸送系統工藝流程見圖1[2]，主要工藝設備參數見表2。

圖1 現有尾礦輸送工藝流程框圖Fig.1 Flow block diagram of the existing tailings transportation process

表2 主要設備參數表Tab.2 Parameters of main equipment

1.3 現有尾礦輸送管道系統

基于尾礦礦漿管道設計要求，選擇合理的管道尺寸及材質，在保證管道內礦漿的運行速度大于礦漿的臨界流速前提下，盡可能降低管道的流速，降低主泵的運行壓力，提高管道的運行壽命。

表3 花墳尾礦越野管道參數匯總Tab.3 Parameters summarization of cross country pipeline of Huafen tailings

尾礦管道（0～4.53） km，管道連接法蘭壓力等級為 ANSI Class 600#，尾礦管道 （4.53～10.2）km，管道連接法蘭壓力等級為ANSI Class 300#，尾礦管道（10.2～10.429） km，管道連接法蘭壓力等級為ANSI Class 150#。

1.4 現有尾礦輸送管道水力模型

根據PSEI多條長距離漿體管道設計經驗，使用PSEI礦漿水力模型[3]（WASP）進行鐵精礦管道水力計算，水力模型建立時增加6%流量安全余量，管道長度安全余量取5%。

水力模型建立時，內襯橡膠鋼管的管道內粗糙度取0.05 mm，水力模型建立時，水力坡度線與管道線路縱剖面間距余量最小50 m；管道最大承壓線和最大水力坡度線間距余量為50 m；水力坡度線與管道線路縱剖面間距余量為50 m；管道最大承壓線與靜水壓力線間距余量為125 m。

圖2為尾礦輸送穩態水力坡度圖顯示了水力模型計算結果，表明了泵站位置、越野管道線路縱剖面線、管道允許的最大運行壓力線、管道停車后的靜水壓力線及按設計量及設計濃度輸送礦漿時管道水力坡度線。

圖2 5 600 t/d尾礦輸送穩態水力坡度圖Fig.2 Steady-state hydraulic slope plot of 5600 t/d tailings transportation

無論任何情況下，管道沿線上任何一點的靜壓力或運行壓力必須低于此點的管道最大允許壓力[4]。

2 尾礦輸送擴能工藝方案研究

由于尾礦輸送量增加后，管道運行壓力及流量均增加，在優先保證擴能后管道運行壓力應低于越野管道設計壓力，一般礦漿管道輸送擴能研究方向如下：

1）提高輸送濃度降低輸送流量；

2）改造主線隔膜泵增加輸送壓力，增加主線隔膜泵數量增加輸送流量[5]；

3）在線路合理位置增加加壓泵站，降低主泵輸送壓力；

4）新建尾礦管道降低主泵輸送壓力。

2.1 提高輸送濃度研究

基于多年Φ45 m直徑的高效濃縮機運行情況，并與濃縮機生產廠家進行技術確認，φ45 m高效濃縮機完全能滿足10 000 t/d的尾礦處理量，同時，在保證溢流水濁度≤200 mg/L情況下，濃縮機底流濃度能達到55%以上，但由于尾礦處理量增加后，現有絮凝劑添加系統需要進行擴能改造。

采用Mettler RM180粘度計對尾礦礦漿進行粘度測試[6]，圖3為通過試驗和數據處理后的礦漿濃度與粘度關系圖，由圖所知，尾礦礦漿濃度提高至55%后，雖然礦漿粘度有所提高，但提高較少，對整體輸送影響不大，同時參考其他類似尾礦輸送項目運行情況，可以采用55%以上的輸送濃度。所以，初步將擴能后尾礦輸送濃度確定為55%。

圖3 大屯尾礦礦漿重量濃度與相對粘度關系圖Fig.3 Relation diagram of weight concentration and relative viscosity of Datun tailings'ore pulp

2.2 改造并增加主線隔膜泵研究

由于尾礦輸送量增加至10 000 t/d后，當輸送濃度達到55%，輸送流量為475 m3/h，現有φ273 mm襯膠管道內流速會達到2.79 m/s。圖4為尾礦擴能到10 000 t/d時，直接輸送穩態水力模型截圖，此時主泵壓力會達到7.5 MPa，越野主管道在4.5 km～5.5 km的運行壓力會超過主管道的承壓能力。

圖4 現有管道輸送10 000 t/d尾礦穩態水力坡度圖Fig.4 Steady-state hydraulic slope plot of 10 000 t/d tailings transported by the existing pipeline

為了保證此方案后期運行安全，需要對（4.5～6.5）km管道進行更換，提高管道承壓能力。輸送泵站主泵輸送壓力（5.6 MPa） 也不能滿足擴能要求，需要改造或者更換，主泵出口閥門、管道及儀表也需要進行改造更換，總體投資較大，且此方案需要長時間的尾礦管道停產，對選廠生產影響很大，不推薦采用此擴能方案。

2.3 新增加壓泵站方案研究

由于尾礦輸送量增加后，管道運行壓力及流量均增加，基于優先保證擴能后管道運行壓力應低于越野管道設計壓力，并盡可能地利用現有尾礦輸送系統設施，為了將目前大屯尾礦泵站壓力降低，通過現場勘察結合水力模型分析，提出在越野管道約8 km處（海拔標高約1 400 m） 新建一座加壓泵站，尾礦通過兩級泵站增壓后輸送至花墳尾礦庫二次濃縮。圖5為新建加壓泵站方案穩態水力坡度圖，通過水力模型計算正常大屯尾礦輸送泵站壓力約5.1 MPa，加壓泵站出口壓力約2.72 MPa。

圖5 10 000 t/d尾礦輸送加壓泵站方案穩態水力坡度圖Fig.5 Steady-state hydraulic slope plot of booster pump station for 10 000 t/d tailings transportation

大屯尾礦輸送泵站主泵壓力及流量均滿足輸送要求，尾礦管道擴能后，正常2臺主泵運行1臺備用，僅需對現有濃縮機底流泵、隔膜泵進出管道進行改造。

加壓泵站內設置有2組串聯離心渣漿泵（一組運行，一組備用），每組串聯泵由3臺離心渣漿泵串聯。尾礦礦漿經過加壓泵站加壓后輸送至花墳尾礦庫內的深錐濃縮機內。

在新增加壓泵站及尾礦新建主泵未竣工前，現有系統還能一直保持5 600 t/d的輸送能力輸送，本方案對現有生產的影響非常少。

2.4 新建管道方案研究

10 000 t/d的尾礦輸送量較原管道設計尾礦輸送量5 600 t/d增加較多，為了降低管道運行成本及運行壓力，設計新建一條φ323.8 mm的內襯橡膠鋼管。新建管道輸送10 000 t/d的尾礦，設計輸送濃度范圍50%～55%，設計輸送濃度點為53%，圖6為新建管道方案穩態水力坡度圖，通過水力模型計算正常主泵出口運行壓力為4.9 MPa，運行流量503 m3/h?，F有φ273.1 mm的內襯橡膠鋼管作為尾礦輸送系統的備用管道。

圖6 10 000 t/d尾礦輸送新建管道方案穩態水力坡度圖Fig.6 Steady-state hydraulic slope plot of new pipeline for 10 000 t/d tailings transportation

大屯尾礦輸送泵站主泵壓力及流量均滿足輸送要求，尾礦管道擴能后，正常2臺主泵運行1臺備用，僅需要對現有濃縮機底流泵、隔膜泵進出管道進行改造。

尾礦漿在主泵站內加壓后，通過新建的一條 φ323.8 mm，壁厚 8 mm，內襯橡膠 8 mm，長度約10.5 km的越野管道輸花墳尾礦庫內的深錐濃縮機內。

3 項目建設分析研究

本尾礦管道輸送擴能工程，屬于擴建項目，在方案分析研究過程中還需要進行建設難度、建設時間、建設投資、對現有生產影響對比分析[7]。

從表4分析數據可知，加壓泵站方案較新建管道方案，建設難度低、建設時間短、建設投資相對較低、對現有生產影響相對較小，加壓泵站方案更有利于工程實施。

表4 尾礦擴能輸送方案建設分析Tab.4 Construction analysis on capacity expansion transportation scheme of tailings

4 建設風險研究

越野管道輸送工程，常常涉及征地、外部協調、建設過程中的環境保護等，為了項目后期建設順利實施，還需要在方案分析時，進行各方案的建設風險分析[8]。

4.1 建設風險因素識別

1）技術風險。因管道輸送技術不先進、技術采用不合理引起的工程問題造成的損失；

2）工程風險。因工程地質條件、水文地質條件和工程設計本身發生重大變化，導致工程量增加、投資增加、工期延長所造成的損失；

3）資金風險。因資金來源中斷或供應不足，導致融資成本提高，給建設和運營造成的損失；

4）外部協作風險。投資項目所需要的供水排水、供電供氣、通訊、交通等主要外部協作配套條件發生重大變化，給建設和運營帶來困難；

5）環境與社會風險。存在于征地補償環節和實施過程中對周邊居民造成的負面影響，影響項目目標的實現。

4.2 建設風險估計

基于上節識別的風險因素，對各風險因素進行風險程度估計，其中風險程度分為高、較高、中、較低、低五個層次。并對新建加壓泵站方案及新建管道方案進行風險評定。

從表5的風險評估數據看出，加壓泵站方案各風險因素中無中風險及以上因素，總體風險可控，有利于項目建設實施。

表5 加壓泵站方案風險水平評估表Tab.5 Risk level assessment of booster pump station scheme

從表6的風險評估數據看出，新建管道方案各風險因素中社會風險及項目用地為較高風險，地質、工程量及工程管理為中風險，可能因這些風險影響項目建設，特別是項目建設投資及進度。

表6 新建管道方案風險水平評估表Tab.6 Risk level assessment of new installed pipeline scheme

5 結語

1）礦漿管道擴能首先應考慮提高輸送濃度，在不超過設計輸送壓力的前提下增加輸送量。提高輸送濃度需要對礦漿特性進行試驗研究，根據試驗得出礦漿粘度數據判斷提高輸送濃度是否可行；

2）礦漿管道擴能改造方案研究應基于現有輸送系統配置，并結合現有生產運行情況研究方案，提出的可行性的改造方案應盡可能降低方案建設對現有生產的影響；

3）完成可行的工藝方案后，需要對各方案的建設難度、建設時間、建設投資、對現有生產影響進行綜合分析比較；

4）礦漿管道輸送屬于線性工程，一般工程戰線長，自然環境與社會環境復雜，在建設方案研究時一定要進行建設風險研究；

5） 針對大屯尾礦10 000 t/d管道輸送系統擴能，新建加壓泵站方案更適合。