中線法尾礦筑壩中旋流器底流稀釋濃度現(xiàn)場優(yōu)化試驗(yàn)①

李杰林，毛德華，周科平，曾志飛，楊于渲，徐寒冰

（1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410083）

尾礦庫筑壩方法主要有上游法、下游法和中線法3種［1-3］。中線法筑壩是利用水力旋流器對(duì)尾礦進(jìn)行分級(jí)，將所得沉砂與溢流尾砂分別堆筑，沉砂用于尾礦庫壩體堆筑，溢流則進(jìn)入尾礦庫沉降堆存，以固定的壩軸線垂直升高壩體的筑壩工藝，該工藝所筑組合壩結(jié)構(gòu)合理、各自承擔(dān)的作用分明，充分發(fā)揮了沉砂和溢流尾礦各自材料的力學(xué)性能［4-8］。我國目前已有江西德興銅礦4＃尾礦庫、太鋼峨口鐵礦尾礦庫、云南普朗銅礦玉朗佩尾礦庫、大紅山龍都尾礦庫等采用中線法筑壩并運(yùn)行良好。

中線法尾礦筑壩需新增水力旋流器分級(jí)工藝，因不同礦山的尾礦給礦壓力、尾砂粒度、給礦濃度等存在一定差異，旋流器工況參數(shù)的設(shè)計(jì)和確定十分重要，而旋流器底流稀釋濃度就是其中的重要參數(shù)之一。底流稀釋濃度過高，會(huì)造成分級(jí)沉砂在堆積壩上流速較慢，運(yùn)移距離較短，無法達(dá)到堆積壩體外坡比要求，還極易造成底流輸送管道的堵塞，影響筑壩作業(yè)正常進(jìn)行；底流稀釋濃度過低，則底流流速較快，容易在堆積壩外坡面上沖出溝壑，影響堆積壩坡面平整度，對(duì)壩體穩(wěn)定性也會(huì)造成影響，而且用水量增加，筑壩成本增高。為了確定中線法尾礦筑壩中旋流器底流稀釋濃度，在攀鋼集團(tuán)馬家田尾礦庫中開展了現(xiàn)場放礦試驗(yàn)，從旋流器底流沉砂在堆積外坡上的流動(dòng)性、粒徑分布特性以及堆積壩坡面平整度3個(gè)方面分析研究，確定出中線法尾礦分級(jí)筑壩堆積外坡比為1∶3.1時(shí)旋流器底流適宜的稀釋濃度，并開展溢流尾砂和底流沉砂物理性質(zhì)測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)旋流器分級(jí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 旋流器參數(shù)確定

旋流器參數(shù)直接影響尾砂分級(jí)效果，適宜的工況參數(shù)對(duì)分級(jí)后的尾砂快速固結(jié)和規(guī)律流動(dòng)至關(guān)重要。旋流器操作參數(shù)主要包括給礦濃度和給礦壓力；旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括溢流管直徑、沉砂嘴直徑、錐角等。旋流器分級(jí)效果可以通過溢流和沉砂中+0.074 mm粒級(jí)含量和沉砂產(chǎn)率進(jìn)行表征［9］。沉砂中+0.074 mm粒級(jí)含量越高且溢流中+0.074 mm粒級(jí)含量越低，說明分級(jí)效果越好，采用分級(jí)的沉砂筑壩的壩體穩(wěn)定性也越好，細(xì)顆粒含量過高則會(huì)影響壩體穩(wěn)定性［10］。試驗(yàn)中采用長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司研制的2-CZ350-45旋流器組，在固定沉砂嘴錐角45°、溢流管直徑100 mm條件下，分別進(jìn)行旋流器沉砂嘴直徑調(diào)試試驗(yàn)和旋流器壓力調(diào)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。

表2 旋流器給礦壓力調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果（沉砂嘴直徑60 mm）

由表1結(jié)果可知：

1）沉砂+0.074 mm粒級(jí)含量大于75%、-0.02 mm粒級(jí)含量小于10%，能夠滿足中線法筑壩的要求［11］。

2）隨著沉砂嘴直徑增大，沉砂產(chǎn)率逐漸提高，而對(duì)應(yīng)沉砂中+0.074 mm粒級(jí)含量以及+0.02 mm粒級(jí)含量逐漸降低。

3）沉砂嘴直徑60 mm時(shí)，沉砂+0.074 mm粒級(jí)含量高且溢流中+0.074 mm粒級(jí)含量低，同時(shí)沉砂產(chǎn)率大于60%，說明旋流器分級(jí)效果較好，故選擇沉砂嘴直徑60 mm。

由表2結(jié)果可知：

1）3種給礦壓力條件下都滿足中線法筑壩工藝對(duì)沉砂+0.074 mm粒級(jí)含量大于75%、-0.02 mm粒級(jí)含量小于10%的要求。

2）當(dāng)給礦壓力從0.10 MPa增加到0.15 MPa時(shí)，沉砂濃度和沉砂產(chǎn)率明顯提高；當(dāng)給礦壓力從0.15 MPa增加到0.20 MPa時(shí)，沉砂濃度繼續(xù)提高，但沉砂產(chǎn)率變化不明顯?？紤]到給礦壓力越大，旋流器磨損越大，且能耗也越高，因此確定適宜給礦壓力為0.15 MPa。

本次旋流器調(diào)試試驗(yàn)給礦濃度為選礦廠最終尾礦濃度，波動(dòng)范圍較小，故不進(jìn)行給礦濃度的調(diào)整。

對(duì)給礦壓力0.15 MPa、沉砂嘴直徑60 mm參數(shù)下獲得的旋流器分級(jí)溢流尾砂進(jìn)行物理指標(biāo)測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表3。

表3 溢流尾砂物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

由表3可知，設(shè)定的旋流器工作參數(shù)下溢流尾砂的密度相對(duì)較大，飽和度大于80%，處于飽和狀態(tài)；孔隙比0.92，壓縮模量9.1 MPa，表明溢流尾砂可壓縮性大；塑性指數(shù)9，表明尾砂中的細(xì)粒含量較多；液性指數(shù)0.56，處于可塑狀態(tài)。溢流尾砂物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果表明該旋流器工況參數(shù)下分級(jí)效果較好。

綜合分析，旋流器適宜的工作參數(shù)為：給礦濃度約37%、給礦壓力0.15 MPa、沉砂嘴直徑60 mm、錐角45°、溢流管直徑100 mm。

2 旋流器分級(jí)底流放礦試驗(yàn)

2.1 堆積壩構(gòu)建

試驗(yàn)在攀枝花馬家田尾礦庫干灘上進(jìn)行，用尾砂堆積出一個(gè)斜坡長8 m、寬3 m、坡比1∶3.1的尾砂堆積壩體，尾砂壩體逐層壓實(shí)。使用坡度儀對(duì)壩體進(jìn)行坡度測(cè)量，保證試驗(yàn)坡比為1∶3.1，試驗(yàn)場地構(gòu)建如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場地情況

2.2 放礦試驗(yàn)流程

采用確定的旋流器工作參數(shù)進(jìn)行放礦試驗(yàn)，觀察沉砂在堆積壩上的流動(dòng)特性和坡面平整度，試驗(yàn)流程如下：

1）將選礦廠通過管道輸送的全尾砂接入到2-CZ350-45旋流器組中，全尾砂經(jīng)過旋流器分級(jí)后，沉砂由旋流器沉砂嘴匯集到沉砂槽中再通過底流管進(jìn)行放礦，分級(jí)溢流則通過溢流管直接排放至試驗(yàn)區(qū)外的尾礦庫中。

2）為了保證放礦均勻，避免沉砂直接沖刷坡面，保護(hù)坡面的平整度，在底流管放礦口處放置一塊木板，沉砂排放至木板上，然后再沿坡面向下流動(dòng)。

3）通過向沉砂槽加水稀釋的方式將底流濃度調(diào)節(jié)到設(shè)定值，并用濃度壺多次測(cè)量底流管出口濃度，確保底流濃度穩(wěn)定在設(shè)定值后進(jìn)行放礦。

4）穩(wěn)定放礦10 min后，停止放礦，等待尾砂自然沉降30 min后進(jìn)行取樣。

5）重復(fù)以上步驟，進(jìn)行不同底流稀釋濃度的放礦試驗(yàn)。

2.3 流動(dòng)性及坡面平整度分析

底流濃度的大小直接影響尾砂在堆積坡面上的流動(dòng)性和堆積特性，共進(jìn)行了底流稀釋濃度64%、70%和78%條件下的放礦試驗(yàn)。

放礦試驗(yàn)現(xiàn)場情況表明：

1）堆積坡度1∶3.1時(shí)，3種不同底流稀釋濃度的尾砂均能實(shí)現(xiàn)自流并沉積。

2）底流稀釋濃度64%時(shí)，底流流動(dòng)速度快，在放礦口處沖刷出較深的溝壑。沿堆積壩向下，溝壑深度逐漸減小，底流受溝壑約束而向堆積壩周圍擴(kuò)散范圍小，尾砂主要是順溝壑流動(dòng)，運(yùn)移距離較遠(yuǎn)。

3）底流稀釋濃度70%時(shí)，底流流動(dòng)速度適中，雖在放礦口沖刷出溝壑，但沿堆積壩向下，溝壑較小，且堆積壩下部溝壑會(huì)逐漸被尾砂填平，這種填平趨勢(shì)會(huì)逐漸朝放礦口方向延伸。

4）底流稀釋濃度78%時(shí)，底流流動(dòng)速度慢，尾砂運(yùn)移距離近，在放礦口處尾砂堆積速度快，且沿堆積壩向下出現(xiàn)明顯的“層疊狀”沉積特點(diǎn)，尾砂流動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域較小。

放礦試驗(yàn)過程中觀察各底流濃度下尾砂在堆積坡面上的流動(dòng)性以及坡面的平整度，旋流器底流稀釋濃度64%時(shí)，由于含水量較高，尾砂流速較快，運(yùn)移過程中沉積速度較慢，堆積壩沖出較大溝壑，對(duì)坡面平整度影響較大；底流稀釋濃度78%時(shí)，尾砂流速較慢，運(yùn)移過程中沉積速度較快，“層疊狀”沉積特點(diǎn)比較明顯，此時(shí)排砂口區(qū)域堆積上升速度較快，尾砂運(yùn)移距離較短，會(huì)造成放礦時(shí)遠(yuǎn)離排砂口區(qū)域（靠近堆積壩腳區(qū)域）無尾砂堆積；底流稀釋濃度70%時(shí)，尾砂流速較適中，運(yùn)移過程中沉積速度適中，尾砂運(yùn)移距離較長，雖堆積過程中在坡面上會(huì)沖出溝壑，但深度較淺，且會(huì)被底流逐漸填平，因此，旋流器底流稀釋濃度70%為宜。

2.4 沉積規(guī)律分析

待尾砂自然沉降30 min后取樣，取樣點(diǎn)設(shè)置以放礦口為1＃取樣點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)取樣點(diǎn)，依次編號(hào)，設(shè)置取樣深度為5 cm，取樣位置及取樣點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。

取樣后采用篩析法［12］對(duì)尾砂粒徑進(jìn)行分析，得到不同底流稀釋濃度下沉砂顆粒的粒徑篩分結(jié)果，如圖2所示。

由圖2可知：

圖2 不同取樣點(diǎn)尾砂顆粒級(jí)配曲線

1）在坡比為1∶3.1的堆積坡面上放礦時(shí)，3種不同稀釋濃度6個(gè)取樣點(diǎn)的尾砂粒度-0.02 mm粒級(jí)含量都小于10%、+0.074 mm粒級(jí)含量大于75%，因此3種水力旋流器底流稀釋濃度都符合設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)中線法筑壩沉砂粒度組成+0.074 mm粒級(jí)含量不低于75%、-0.02 mm粒級(jí)含量不大于10%的要求。

2）底流稀釋濃度64%時(shí)，尾砂粒徑分布較為接近，是因?yàn)楹慷?、流速較快、在坡面上沖出溝壑，底流沉積較為均勻，無明顯沉積分布特性。

3）底流稀釋濃度70%時(shí)，尾砂粒徑分布區(qū)別明顯，由1＃取樣點(diǎn)到6＃取樣點(diǎn)，整體上呈現(xiàn)出距離底流放礦口越遠(yuǎn)尾礦細(xì)顆粒含量越多、距離底流放礦管越近尾礦粗顆粒含量越多的沉積分布特性。

4）底流稀釋濃度78%時(shí)，尾砂粒徑分布整體上呈現(xiàn)距離放礦口越遠(yuǎn)尾砂細(xì)顆粒含量越多、距離底流放礦口越近尾砂粗顆粒含量越多的分布特性，但由于底流含水量少，流速較慢，底流沉積較為均勻，各取樣點(diǎn)粒徑差別較小。

綜合分析可知，底流稀釋濃度70%時(shí)，底流尾砂顆粒沉積較好，有利于中線法筑壩堆積壩體的形成。

3 堆積沉砂物理性質(zhì)測(cè)試

按選定的旋流器工作參數(shù)，并將底流稀釋濃度設(shè)置為70%進(jìn)行放礦，獲得了分級(jí)尾砂堆積壩，待自然沉積后，測(cè)試堆積壩沉砂的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表4。

由表4可知，旋流器分級(jí)堆積沉砂飽和度為34%，含水率為8%，一般來說，尾砂含水量越少，其強(qiáng)度就越高［13］；孔隙比為0.99，壓縮模量為15.2 MPa，表明堆積沉砂的顆粒較粗，密實(shí)度較好，可壓縮性小，強(qiáng)度較高；垂直和水平滲透系數(shù)為1.33×10-3cm／s，為中等透水土層，遭遇洪水時(shí)能更好地排水，確保壩體安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表4 堆積壩沉砂物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

對(duì)堆積沉砂進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，控制圍壓分別為200 kPa、400 kPa、600 kPa和800 kPa，固結(jié)不排水試驗(yàn)的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線和堆積沉砂Mohr-Coulomb強(qiáng)度包絡(luò)線分別見圖3和圖4。

圖3 不同圍壓下堆積沉砂主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4 堆積沉砂Mohr-Coulomb強(qiáng)度包絡(luò)線

由圖3可以看出，軸向應(yīng)變小于5%時(shí)，在開始階段曲線呈近似線性，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變?cè)鲩L較快，但隨著軸向應(yīng)變不斷增大，主應(yīng)力差不斷增高達(dá)到峰值，這是剪切過程中尾砂顆粒重新組合排列的表現(xiàn)。主應(yīng)力差達(dá)到峰值后整體呈現(xiàn)出隨著應(yīng)變?cè)黾又鲬?yīng)力差變化不大的特點(diǎn)，說明尾砂顆粒的抗剪強(qiáng)度是有限的。

通過圖4可以求出堆積沉砂的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、有效內(nèi)聚力和有效內(nèi)摩擦角。沉砂c＇＜ccu、φ＇＞φcu，有效內(nèi)聚力為28.89 kPa，有效內(nèi)摩擦角達(dá)到了38.25°，其內(nèi)聚力較小，而內(nèi)摩擦角相對(duì)較大，說明沉砂中粗顆粒含量較多，堆積壩體力學(xué)性能好。

對(duì)比表2和表3可知，旋流器分級(jí)的溢流尾砂和堆積沉砂的物理性質(zhì)差別明顯。堆積沉砂的密度、孔隙比、壓縮模量大于溢流尾砂，含水率和飽和度小于溢流尾砂，表明旋流器分級(jí)效果較好，底流沉砂堆積壩體力學(xué)強(qiáng)度高、滲透性能好。

4 結(jié) 論

1）當(dāng)旋流器操作參數(shù)設(shè)置為給礦濃度大約37%、給礦壓力0.15 MPa，旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置為溢流管直徑100 mm、沉砂嘴直徑60 mm、錐角45°時(shí)，旋流器分級(jí)效果較好，分級(jí)的沉砂粒度能滿足中線法筑壩粒度要求并且沉砂產(chǎn)率較高。

2）綜合考慮沉砂在堆積外坡上的流動(dòng)性、粒徑分布特性以及堆積壩坡面平整度，最終確定中線法尾砂分級(jí)筑壩堆積外坡比為1∶3.1時(shí)適宜的底流稀釋濃度為70%。

3）堆積沉砂物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果表明，底流稀釋濃度70%時(shí)沉砂的沉積效果好、固結(jié)強(qiáng)度高、滲透能力強(qiáng)。