尾礦濃縮地面堆放研究與應(yīng)用

司不知（中鋼集團山東礦業(yè)有限公司，山東 蒼山 277700）

尾礦濃縮地面堆放研究與應(yīng)用

Application and study of tailings thickening and stacking on the ground

司不知（中鋼集團山東礦業(yè)有限公司，山東 蒼山 277700）

針對中鋼集團山東礦業(yè)有限公司無尾礦庫的實際情況，在試驗論證的基礎(chǔ)上，采用了旋流器濃縮堆放的地面尾礦存放方式，不但解決了尾礦存放問題，而且濃縮后的尾礦沙可以作為水泥生產(chǎn)的原料，實現(xiàn)了礦業(yè)經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境、資源利用的和諧發(fā)展。

尾礦濃縮；合理利用；地面堆放

1 前言

中鋼集團山東礦業(yè)有限公司蒼山鐵礦位于山東省蒼山縣境內(nèi)，已探明地質(zhì)儲量7 500萬t，為鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，鐵礦石平均地質(zhì)品位32.65%。礦山建設(shè)規(guī)模設(shè)計為采選礦石240萬t/a，選礦尾礦用于井下充填。2008年7月選礦廠建成投產(chǎn)，生產(chǎn)初期，井下充填系統(tǒng)尚未形成，選廠尾礦全部用于充填礦區(qū)周邊的礦坑。截止2009年7月，選礦廠共處理原礦石近70萬t，外排尾礦50余萬噸，西風(fēng)井至選礦廠周圍的礦坑幾乎全部充填完畢并覆土復(fù)耕，可利用的礦坑將使用殆盡，而選礦廠周圍沒有合適的地形（沒有高山峽谷）修建臨時尾礦庫，且礦體周圍居民密集。而原設(shè)計周年溝尾礦庫位于選廠東南方向，距選廠約7km。經(jīng)現(xiàn)場踏勘及從地形圖上查找，選礦廠周圍沒有合適的地形，地形高差不大，只有選擇周念溝山谷作為尾礦庫較合適。周念溝周圍地形高差也只有50～60m，占地面積大。由于土地征用難度較大及井下充填系統(tǒng)形成后，選礦廠的生產(chǎn)尾礦主要用于井下充填采空區(qū)，因此生產(chǎn)初期在周年溝修建尾礦庫既不經(jīng)濟，同時時間上也不容許。

在礦區(qū)周圍修建傳統(tǒng)的尾礦庫不但工程造價高、庫容量小、運行安全程度低，而且實施困難（涉及居民搬遷），建設(shè)周期長，不能滿足山東礦業(yè)公司“邊生產(chǎn)、邊基建，以礦養(yǎng)礦滾動發(fā)展”的戰(zhàn)略需求。選礦廠的生產(chǎn)面臨著尾礦無處排放被迫停產(chǎn)的嚴(yán)峻形勢。

為此，中鋼集團山東礦業(yè)有限公司積極尋求尾礦存放的新方式、新方法，組織專業(yè)工程技術(shù)人員經(jīng)過反復(fù)考察論證，結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況，在充分考慮安全可行、風(fēng)險小、易于操作、方便管理、不占或少占農(nóng)田等方面的綜合因素后，擬定了利用距選礦廠2km平山后村的小荒山溝，進(jìn)行尾礦干堆的存放方案。為此，中鋼集團山東礦業(yè)有限公司選礦廠于2009年5月26日至2009年8月10日，先后從磨選—選別車間內(nèi)拆除3臺用于磨礦分級用的WDS610旋流器進(jìn)行了尾礦濃縮試驗。全部工業(yè)試驗歷時兩個月，與選礦廠生產(chǎn)設(shè)備能力標(biāo)定及流程考查工作同步進(jìn)行，取得了較為滿意的工藝技術(shù)指標(biāo)。即在目前的選礦廠排尾濃度下，選礦廠外排尾礦經(jīng)過濃縮可以取得旋流器沉砂濃度69.85%、沉砂產(chǎn)率70.5%的良好工藝指標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期的目的。并于2009年8月25日正式投入使用，實踐證明，運行至今效果良好，濃縮后的尾礦砂不但存放安全，而且還可以銷往附近的水泥廠作為生產(chǎn)水泥的原料，實現(xiàn)了變廢為寶，同時也減少了尾砂占地面積，為中鋼集團山東礦業(yè)有限公司蒼山鐵礦選礦廠的生產(chǎn)運行提供了可靠的保障。

2 物料性質(zhì)

物料的化學(xué)成分。尾礦主要以石英、普通角閃石、藍(lán)閃石為主，此外含極少量綠泥石、黑云母、長石（斜長石、正長石、微斜長石）石榴石等，鐵礦物主要以硅酸鐵、碳酸鐵、赤鐵礦、褐鐵礦為主，此外尚含有少量的黃鐵礦、磁鐵礦。物相分析結(jié)果見表1。

表1 尾礦鐵物相分析結(jié)果 %

從尾礦鐵物相分析結(jié)果可知，外排尾礦的鐵礦物主要以硅酸鐵為主，其次是赤褐鐵礦，其它鐵礦物含量較低。由于尾礦中鐵礦物的含量達(dá)14.81%，因此尾礦密度較大，有利于尾礦砂的濃縮堆存。尾礦多元素分析結(jié)果見表2。

表2 尾礦多元素分析結(jié)果 %

由表2可以看出，尾礦中SiO2的含量達(dá)63.64%，滿足附近蒼山、棗莊水泥廠對生產(chǎn)水泥輔料的要求（SiO2＞60%）。

原礦石密度為3.47g/cm3，尾礦密度3.03g/cm3，尾礦松散密度1.36g/cm3；外排尾礦濃度16.67%～20.50%；輸送尾砂量177t/h。選礦廠外排尾礦的粒級組成見表3。

表3 選礦廠外排尾礦的粒級組成

由表3可見，選礦廠最終尾礦粒度較粗（-0.074mm占49.94%），且密度大，高達(dá)3.03t/m3、沉降快，這就為尾礦濃縮創(chuàng)造了條件。

3 尾礦濃縮方案的確定

既考慮生產(chǎn)建設(shè)周期要短同時又考慮到投資省、見效快，盡快解決選礦廠尾礦存放問題，更要確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)過研究決定今后的生產(chǎn)中不考慮投資大、耗費高、建設(shè)周期長的高效濃密機，使用可以將原混合物料分成截然不同的兩部分——帶有少量水的粗砂和含有大量水分的溢流的旋流器對生產(chǎn)尾礦進(jìn)行濃縮堆放。因此，直接利用現(xiàn)場條件，從正在使用的選礦廠拆除3臺磨礦—分級用旋流器，安裝在礦區(qū)北側(cè)正在充填的礦坑周邊進(jìn)行濃縮試驗。這樣既節(jié)儉了試驗費用又能保證試驗結(jié)果與生產(chǎn)實際相吻合，同時又不影響選礦廠的正常生產(chǎn)。其原則流程見圖1。

圖1 尾礦濃縮流程示意圖

旋流器入口與尾礦輸送管路相連接，在旋流器的入口處安裝調(diào)節(jié)閥（用以調(diào)節(jié)旋流器的工作壓力、使3臺旋流器的工作壓力保持均衡），在試驗中，選礦廠外排尾礦進(jìn)入旋流器后，底流直接充填礦坑，溢流排放到其它地方，經(jīng)過澄清后的溢流水由回水泵返回選礦廠生產(chǎn)工藝中作為回水使用。

旋流器的選擇：不同規(guī)格、不同用途的旋流器可以得到不同的濃縮分離效果，同一種旋流器也會由于溢流管、沉沙嘴直徑的不同，操作條件的不同（如進(jìn)料濃度、工作壓力等）得到不同的效果?？紤]到選礦廠外排尾礦粒度較粗，-0.074mm含量僅占50%，可以使用較大規(guī)格的旋流器進(jìn)行濃縮試驗，因此直接拆除選礦廠備用的WDS610水力旋流器用于尾礦濃縮。

4 濃縮試驗結(jié)果及分析

采樣點的設(shè)置：本次試驗采樣點較少，分別是旋流器的底流、溢流及旋流器的給礦共3個點，在同一時間內(nèi)同時進(jìn)行采樣。旋流器的給礦從尾礦輸送渣漿泵出口管道垂直管段上經(jīng)由放礦閥截取，同時為了確保試驗結(jié)果的精確性，每次條件試驗采樣時間為2小時，采樣時間間隔為30分鐘。

濃縮試驗過程中，旋流器工作壓力的調(diào)整是通過調(diào)整旋流器進(jìn)口管路上閥門的開度來實現(xiàn)；旋流器溢流及底流的調(diào)整，通調(diào)整旋流器的溢流短管及沉砂嘴來實現(xiàn)，旋流器給礦濃度的調(diào)整是通過調(diào)整尾礦輸送渣漿泵進(jìn)口管路上閥門的開度來實現(xiàn)。在整個試驗過程中，為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次改變條件完畢后，系統(tǒng)穩(wěn)定運行20分鐘后開始取樣，并將所取試樣送選礦廠試驗室進(jìn)行研究。因為考慮到實際生產(chǎn)中，僅僅依靠進(jìn)口管路上閥門的開度來控制旋流器的給礦壓力，因閥門磨損較快給生產(chǎn)管理帶來不便，因此對閥門的開度不做具體的研究，僅僅作為在試驗中調(diào)整旋流器的工作壓力之用，查看旋流器工作效果的變化。在實際生產(chǎn)時可采用不同規(guī)格的旋流器，以WDS610旋流器作為主旋流器，以WDS350旋流器為輔助旋流器——壓力調(diào)整之用，通過增加或減少WDS350旋流器的工作臺數(shù)，實現(xiàn)旋流器進(jìn)口壓力的調(diào)控。

選定以上條件進(jìn)行尾礦濃縮試驗，試驗結(jié)果見表4。由表4可以得出如下幾點。

表4 尾礦濃縮試驗結(jié)果

（1）當(dāng)旋流器的進(jìn)料濃度16.67%時，安裝Φ80mm沉砂嘴，在目前的尾礦排放壓力下，可以獲得底流產(chǎn)率為59.33%、濃度75.60%的工藝指標(biāo)。

（2）當(dāng)旋流器的進(jìn)料濃度17.60%時，安裝Φ80mm沉砂嘴，在目前的尾礦排放工作壓力下，可以獲得底流濃度76.8%、產(chǎn)率63.06%的工藝指標(biāo)。由此可見，安裝Φ80mm沉砂嘴，雖然可以得到較高的底流濃度，但產(chǎn)率較低，僅60%左右，也即選礦廠外排尾礦中，有近40%進(jìn)入到溢流中，給溢流水的澄清帶來不利影響。

（3）當(dāng)旋流器的進(jìn)料濃度為18.7%時，安裝Φ100mm沉砂嘴，在目前的尾礦排放壓力下，可以獲得底流產(chǎn)率為70.46%、濃度為70.2%的工藝指標(biāo)。

（4）當(dāng)旋流器的進(jìn)料濃度為18.70%時，安裝Φ110mm沉砂嘴，在目前的尾礦排放壓力下，可以獲得底流產(chǎn)率為76.6%、濃度為58.6%的工藝指標(biāo)。底流產(chǎn)率較高，底流濃度相對較低。

（5）當(dāng)旋流器的進(jìn)料濃度為20.50%時，安裝Φ100mm沉砂嘴，經(jīng)過調(diào)壓后，可以獲得底流產(chǎn)率為75.30%、濃度為69.85%的“雙七十”工藝指標(biāo)。

由此可見，相同的沉沙嘴由于給礦濃度的不同，導(dǎo)致了濃縮效果的不同，可見旋流器的給礦濃度對旋流器的濃縮分級影響較大；在其他條件不變的情況下，相同的給礦濃度、不同的沉沙嘴也會導(dǎo)致濃縮分級效果的不同，沉沙嘴大，進(jìn)入底流中的尾礦砂數(shù)量增多，但底流濃度降低；相反，沉沙嘴直徑變小、底流濃度變高，但底流數(shù)量變小，也即進(jìn)入溢流中的尾礦量增多，需要堆放的尾砂量減少。因此，在生產(chǎn)實際中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的具體情況，在滿足堆放要求的前提下，采用較大規(guī)格的沉沙嘴適當(dāng)降低底流濃度，從而增加尾礦堆放的數(shù)量。

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，在不影響濃縮尾礦干堆的前提下適當(dāng)降低旋流器的底流濃度，提高進(jìn)入底流中的尾砂數(shù)量。因尾礦粒度較粗（-0.074mm占50%）、沉降較快、濃縮后尾砂堆積角較大，據(jù)現(xiàn)場測試可以達(dá)到20°左右，采用65%的底流濃度，可以使干堆尾礦的數(shù)量達(dá)到全部尾礦量的75%以上，進(jìn)入溢流中的尾砂量僅為輸送量的1/4左右，為尾礦回水的重復(fù)利用奠定了基礎(chǔ)，同時也減少了溢流中細(xì)粒級部分的存儲費用。

5 應(yīng)用實踐

中鋼集團山東礦業(yè)有限公司選礦廠于2009年8月25日開始啟用平山后小山溝作為尾礦存放處理場，其總庫容僅35萬m3，如果采用傳統(tǒng)的尾礦排放方式，選礦廠達(dá)產(chǎn)后，年處理礦石量240萬t，每月處理礦量為21.8萬t，選礦比為3.98，可生產(chǎn)精礦5.48萬t，預(yù)選拋廢石量為5.45萬t，需要輸送的尾礦量為10.87萬t，折合7.99萬m3，即正常生產(chǎn)時四個月就將填平閉庫。為了延長臨時尾礦庫的使用壽命，確保選礦廠生產(chǎn)的正常進(jìn)行，根據(jù)尾礦濃縮試驗的結(jié)果，在現(xiàn)場安裝了WDS610和WDS350水力旋流器各5臺對生產(chǎn)外排尾礦進(jìn)行濃縮干堆。旋流器安裝位置高于存放溢流的礦坑30m，濃縮后的尾礦砂直接存放在山坡上，且山勢較為平緩，適宜尾砂的存放，經(jīng)風(fēng)吹、日曬晾干后，由于尾礦中SiO2的含量達(dá)63.64%，滿足制作水泥用原料的要求，可以將之銷往附近的水泥廠，溢流經(jīng)過尾礦管道自流到尾礦坑中，經(jīng)自然沉降澄清后，回水返回選廠重復(fù)利用?，F(xiàn)場設(shè)置濃縮后尾砂存放處理場所兩處，二者交替使用，使?jié)饪s后的尾礦砂有充足的時間風(fēng)化、晾干，方便運輸銷售。

實際生產(chǎn)中，由于考慮到濃縮后的尾礦砂不是用于筑壩，無需將底流中細(xì)粒級物料剔除，因此在滿足使用要求的前提下，可以使用小直徑的旋流器，以提高底流中尾砂的數(shù)量。因此在實際生產(chǎn)過程中，WDS350水力旋流器5臺為主、WDS610水力旋流器1臺作為處理能力不足時的補充之用，運行結(jié)果見表5。

表5 水力旋流器運行結(jié)果 %

由表5可以看出，由于現(xiàn)場同時采用WDS610與WDS350旋流器聯(lián)合作業(yè)，濃縮效率與試驗所用的單一種WDS610相比，當(dāng)旋流器給礦濃度幾乎相同時（前者18.7%，后者18.5%），沉砂產(chǎn)率由70.46%提高到80.52%，進(jìn)入溢流中尾砂量僅為全部輸送量的20%左右，礦坑的使用壽命延長了4倍。旋流器濃縮尾礦排放法見圖2。

圖2 旋流器濃縮尾礦排放示意圖

旋流器置于山坡之上，選礦廠的尾礦漿經(jīng)由尾礦輸送渣漿泵進(jìn)入旋流器中。濃縮后的尾礦砂沿著自然地勢由上向下排放。在山坡的坡腳下建一簡單的攔擋堤壩，將濃縮后的尾礦砂置于堤內(nèi)，溢流直接進(jìn)入礦坑內(nèi)。由于尾礦密度大沉降速度快，因此濃縮尾礦砂堆放表面坡度較大，攔擋堤壩高度可以相應(yīng)降低?，F(xiàn)場僅在坡腳建2m高攔擋堤壩可就可滿足使用要求。由于濃縮后尾砂濃度較高，尾礦砂存放區(qū)域內(nèi)不見明水。濃縮后的尾礦砂在排放和流動過程中，經(jīng)過蒸發(fā)和脫水，因而進(jìn)行了一定的固結(jié)[1]。根據(jù)尾礦的排放順序，可以對存放的尾礦進(jìn)行銷售或當(dāng)其達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時進(jìn)行覆蓋和復(fù)墾。

截止2010年6月25日，選礦廠共處理原礦石104萬t，累計尾礦輸送量51.85萬t，折合38.12萬m3，經(jīng)旋流器濃縮干堆尾礦量30.5萬m3，幾乎全部銷往水泥廠，僅7.62萬m3的細(xì)粒級尾礦砂從溢流進(jìn)入到礦坑中，礦坑的利用系數(shù)按0.8計算，35萬m3礦坑可以滿足選礦廠處理原礦石385.8萬t，礦坑的使用壽命延長了4倍。

同時由于尾礦密度大，因此尾礦顆粒沉降速度快、回水質(zhì)量高，對礦坑回水進(jìn)行了測定，取回水1 000mL，經(jīng)過沉淀澄清過濾烘干后，懸浮物的重量為92.3mg，合92.3mg/L，完全滿足工業(yè)用水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)為懸浮物濃度＜500mg/L）。2009年10月，現(xiàn)場敷設(shè)Φ273鋼管2 000m，將礦坑溢流水輸送回選礦廠，直接進(jìn)入生產(chǎn)工藝中，從而使選礦廠的新水使用量由原來的3.5m3/t降低到1.66m3/t原礦，節(jié)約生產(chǎn)用水52.6%。選礦廠達(dá)產(chǎn)后每年可以節(jié)約水資源費441.6萬元。

旋流器濃縮尾礦干堆的特點如下。

（1）安全性高。干堆方式尾砂中含水量很低，尾砂處于不飽和狀態(tài)，不會形成泥石流，目前，國內(nèi)外尚無干堆尾礦庫潰壩實例。溢流水進(jìn)入容積僅35萬m3的礦坑中，礦坑面積小減少了滲流量，且礦坑遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的尾礦壩堅固得多，因此其安全性毋容置疑。

（2）占地面積少。礦坑35萬m3，且深度達(dá)20m之多，礦坑表面積較小，濃縮后干堆尾砂的高度可以超過壩體的高度，實踐證明，采用干堆的尾礦庫庫容可達(dá)傳統(tǒng)尾礦庫庫容的3～4倍[2]，即干堆尾礦占地面積為傳統(tǒng)尾礦庫的1/3～1/4。選廠又將濃縮后的尾礦砂經(jīng)過風(fēng)化、晾干后及時運往水泥廠，使土地的占用面積進(jìn)一步減少。

（3）經(jīng)濟效益高。不但減少了征地費用、住戶遷移費用等，而且尾礦銷售到水泥廠，實現(xiàn)了礦產(chǎn)資源的綜合利用，創(chuàng)造出了新的價值。截止2010年6月25日，銷售尾礦砂25萬m3，實現(xiàn)利潤125萬元，實現(xiàn)了礦業(yè)產(chǎn)品的綜合利用。

（4）見效快。由于旋流器操作簡單、安裝方便、快捷，占地面積小、重量輕且處理能力大、生產(chǎn)效率高，從實驗研究到投入生產(chǎn)運行不足3個月，從而確保了選礦廠生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

（5）投資省。尾礦濃縮僅僅購買了5臺WDS350旋流器，總投資10萬元左右，另外5臺WDS610來自選礦廠的備用旋流器。尾礦輸送距離為2 000m，鋼管直徑為Φ325鋼管，管線投資為120萬元，總投資額為130萬元，到2010年6月已將投資全部收回。

（6）尾礦產(chǎn)量高。由于濃縮后的尾礦砂不是用來筑壩，而是進(jìn)行堆放或銷售，因?qū)ξ驳V砂中各粒級的含量沒有特別的要求。因此在滿足堆放的前提下，進(jìn)入底流中的細(xì)粒級含量越高，則堆放的尾礦砂量就越大，對選礦廠的生產(chǎn)越有利。由于旋流器是一種高效濃縮設(shè)備，一臺WDS610水力旋流器處理能力高達(dá)300～400m3/h，WDS350處理能力高達(dá)100～150m3/h，正常生產(chǎn)時兩臺WDS610或5臺WDS350水力旋流器即可滿足生產(chǎn)需要。根據(jù)旋流器的工作原理可以得知，小直徑旋流器分級粒度細(xì)，因此使用小直徑旋流器可以增大堆放尾礦的比例，從而提高了底流中尾礦砂的數(shù)量。

6 結(jié)語

中鋼集團山東礦業(yè)有限公司采用尾礦濃縮干堆方式，解決了當(dāng)前選礦廠生產(chǎn)面臨的尾礦無處存放的難題，確保了選礦廠的正常生產(chǎn)。該種存放方式在國內(nèi)剛剛起步，國外已被廣泛采用，符合我國礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展要求。以該種方式堆存的尾礦又可以銷售到附近的水泥廠，尾礦回水率高，使選礦廠的新水用量大幅度降低，尾礦得到再利用。實現(xiàn)了“資源—產(chǎn)品—廢物再利用”的良性循環(huán)[3]。

[1]王 軍.尾礦濃縮堆存—選礦廢渣處理的發(fā)展趨向[J].金屬礦山，2009，（5）增刊：8-12.

[2]B.C.S羅賓遜.旋流器在尾礦處理中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2009，（11）增刊：447-448.

[3]徐興濤，崔喜權(quán).礦山企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的構(gòu)想與實踐[J].礦業(yè)工程，2008,6（5）.

TD926.4

B

2010-10-12

司不知（1963-），男，河北靈壽人，選礦高級工程師，中鋼集團山東礦業(yè)有限公司選礦車間技術(shù)副主任。

Abstract:In view of the practical situation that there is no tailings pond in Shandong mining Co.,Ltd.,Sinosteel Corporation,based on the test and demonstration,the way of stacking tailings on the ground after tailings thickening by cyclone is adopted.It solves the problem of tailings stacking,and the thickened tailings can be used as materials of cement production,which achieves harmonious development of mining economy,ecological environment and resource utilization.

Key words:tailings thickening;reasonable utilization;stacking on the ground

1672-609X（2011）02-0022-04