尾礦分級(jí)筑壩研究與工業(yè)化應(yīng)用

梁國(guó)棟

（中國(guó)黃金內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021400）

結(jié)合烏山現(xiàn)場(chǎng)可利用設(shè)備情況，開發(fā)可移動(dòng)式旋流分級(jí)設(shè)備；開展基于移動(dòng)分級(jí)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)尾礦分級(jí)試驗(yàn)，揭示入料壓力、沉砂嘴尺寸等對(duì)烏山尾礦分級(jí)效果的影響規(guī)律，分析溢流尾礦粒度組成及沉降特性，提出烏山膏體尾礦中分級(jí)工藝參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，研究分級(jí)尾礦比例逐級(jí)增加對(duì)尾礦庫運(yùn)行的作用特點(diǎn)，探討溢流尾礦放礦位置、放礦量等對(duì)庫內(nèi)灘面沉積及回水澄清的影響規(guī)律，提出烏山膏體尾礦分級(jí)筑壩比例及相關(guān)控制參數(shù)。

基于烏山尾礦庫裝備化分級(jí)尾礦模袋法成壩試驗(yàn)成果，研究移動(dòng)式旋流分級(jí)設(shè)備通行條件及現(xiàn)場(chǎng)模袋隔梗路基布置方式；開展由近及遠(yuǎn)、逐步推進(jìn)式現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)拋砂擠淤試驗(yàn)，探索底層拋砂平夯增強(qiáng)及其它承載力提高措施，提出滿足移動(dòng)分級(jí)設(shè)備移動(dòng)的拋砂厚度及處理措施；在此基礎(chǔ)上，研究烏山膏體尾礦分級(jí)筑壩工藝，測(cè)試筑壩過程中沉砂尾礦固結(jié)沉降量與沉降時(shí)間，揭示烏山尾礦庫分級(jí)尾礦最優(yōu)分層厚度與筑壩布置，明確分級(jí)尾礦壩體相關(guān)力學(xué)參數(shù)，最終形成模袋體包裹分級(jí)沉砂的烏山膏體尾礦分級(jí)分層筑壩技術(shù)。

基于以上研究成果，建立不同分級(jí)比例影響下的尾礦庫內(nèi)地質(zhì)概化分區(qū)模型，基于該模型，研究不同工況組合、不同堆壩高度情況下的壩體穩(wěn)定性，分析筑壩過程中的水砂平衡關(guān)系及相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，優(yōu)化筑壩工藝參數(shù)及運(yùn)行管理，最終形成烏山膏體尾礦分級(jí)筑壩技術(shù)。

經(jīng)過本次工業(yè)試驗(yàn)，取得旋流器分級(jí)筑壩分級(jí)工藝參數(shù)，明確分級(jí)尾礦壩體相關(guān)力學(xué)參數(shù)，最終形成模袋體包裹分級(jí)沉砂的烏山膏體尾礦分級(jí)分層筑壩技術(shù)。當(dāng)用于規(guī)?；I(yè)筑壩時(shí)，較以往的廢石筑壩技術(shù)、模袋筑壩技術(shù)將會(huì)大大降低筑壩成本。

1 項(xiàng)目背景

烏山尾礦庫具有服務(wù)能力大、排放濃度高、筑壩工程量大等特點(diǎn)。結(jié)合尾礦庫運(yùn)行現(xiàn)狀，當(dāng)前烏山尾礦庫后期堆壩上升中仍面臨如下幾個(gè)方面的問題：

（1）尾礦排放濃度高，小于20μm的細(xì)顆粒之間因靜電作用限制了粗顆粒尾礦沉降，另外藥劑使得尾礦粘粒之間始終包裹著水膜，造成尾礦不能夠快速固結(jié)。

（2）尾礦庫堆壩時(shí)間短、上升速度快、工程量大。每年非冰凍期壩體施工時(shí)間僅5個(gè)月需完成近4km長(zhǎng)的筑壩工程量(筑壩軸線長(zhǎng)每年遞增），急需探索新型快速、高效、低成本堆壩工藝（廢石筑壩每年需耗資1.3億元，模袋+廢石筑壩每年耗資近5000萬元）。

（3）尾礦粘粒含量高，入庫后滲透性差，力學(xué)強(qiáng)度低，穩(wěn)定性難以保障。

綜合以上因素，高寒地區(qū)膏體尾礦安全快速筑壩已成為烏山礦建設(shè)運(yùn)行的一大難題，亟需開展與膏體尾礦特性及周邊環(huán)境相適應(yīng)的、其排放規(guī)劃、壩體結(jié)構(gòu)、筑壩方法相互協(xié)同的、且能有效實(shí)現(xiàn)烏山膏體尾礦安全、高效、低成本的筑壩工藝及安全控制技術(shù)。本次試驗(yàn)研究主要探索分級(jí)尾礦筑壩在烏山尾礦庫運(yùn)用的可行性[1-3]。

2 項(xiàng)目技術(shù)內(nèi)容

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)擬采用移動(dòng)式旋流站開展烏山膏體尾礦分級(jí)筑壩現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。筑壩方式采用裝備化模袋作埂聯(lián)合分級(jí)尾砂充填，其中，分級(jí)尾砂模袋作梗部分采用模袋法自動(dòng)筑壩裝備進(jìn)行充灌筑壩，分級(jí)尾砂充填部分采用移動(dòng)式旋流站進(jìn)行分級(jí)筑壩。

后經(jīng)過會(huì)議討論，確定以烏山現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，對(duì)上述移動(dòng)式旋流站設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)；模袋充灌采用原尾礦充灌。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

（1）灘面尾礦取樣檢測(cè)（30個(gè)點(diǎn)位，檢測(cè)其十字板強(qiáng)度、含水量）。

（2）灘面尾礦原狀樣取樣檢測(cè)（2個(gè)點(diǎn)位，檢測(cè)其密度、含水量）。

（3）旋流分級(jí)工藝參數(shù)研究試驗(yàn)檢測(cè)（選取40%、45%、50%三種給量濃度工況下檢測(cè)其底流產(chǎn)率，和底流沉砂含水量、十字板強(qiáng)度值隨時(shí)間的變化規(guī)律）。

（4）尾礦細(xì)度產(chǎn)率，選取某一時(shí)間段內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算-200目細(xì)度產(chǎn)率。

（5）濃度產(chǎn)率，計(jì)算公式：

計(jì)算三種光況下的濃度產(chǎn)率及每日的濃度產(chǎn)率與實(shí)驗(yàn)條件的相關(guān)規(guī)律。

（6）底流沉沙含水量、粒度變化分布規(guī)律（選取4個(gè)點(diǎn)位，檢測(cè)試驗(yàn)周期內(nèi)濃度、含水量、-200目細(xì)度、-325目細(xì)度百分比含量及規(guī)律）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

（1）本次試驗(yàn)所得到的尾砂粒級(jí)+200目含量在75%～80%適合于分級(jí)筑壩所要求的粒徑。

（2）受所選用設(shè)備影響本次分級(jí)筑壩試驗(yàn)的尾砂產(chǎn)率適中在35%左右，可以通過選用小直徑的旋流器解決。

（3）此實(shí)驗(yàn)在發(fā)現(xiàn)和解決未來分級(jí)筑壩問題提供了方向，尤其在旋流器移動(dòng)、運(yùn)行參數(shù)、溢流管放礦方式等都獲得了一定經(jīng)驗(yàn)。

3 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

烏山二期尾礦庫建設(shè)之初，由于沒有成功的尾礦膏體筑壩先例，設(shè)計(jì)院為了設(shè)計(jì)的安全與可靠性，采用了“一次性筑壩、分期施工”的下游法廢石筑壩方案，壩料為采場(chǎng)剝離廢石。服務(wù)年限16.5年，筑壩費(fèi)用21.51億元，平均每年筑壩費(fèi)用高達(dá)1.3億元。

2016年10月中旬，烏山采用大池田法尾礦膏體筑壩法加高堆積壩5m（770m-775m）。

2017年5月～2018年4月，完成了775m-785m標(biāo)高模袋+廢石聯(lián)合筑壩段，總堆積壩高度10m。

2016年筑壩費(fèi)用較原設(shè)計(jì)平均每年筑壩費(fèi)用低8563.3萬元（約4500萬元）；2017年筑壩10m高的費(fèi)用較原設(shè)計(jì)筑壩費(fèi)用低21960.84萬元（約4000萬元）。

采用旋流器分級(jí)筑壩技術(shù)將比以往的筑壩工程費(fèi)用更加低廉，這也是進(jìn)行本次工業(yè)試驗(yàn)的初衷。

目前國(guó)內(nèi)將旋流器分級(jí)筑壩技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)領(lǐng)域的都是小型礦山，在大型礦山還沒有先例。如果烏山將旋流器分級(jí)筑壩技術(shù)運(yùn)用到尾礦筑壩，前景和影響力都十分可觀。

4 經(jīng)濟(jì)效益

以785m～790m標(biāo)高模袋筑壩工程為例，模袋工程量約208.56萬m3，邊角廢石筑壩工程量約10.1萬m3（設(shè)計(jì)由吉林長(zhǎng)春黃金設(shè)計(jì)院出具）。

（1）采用模袋+廢石筑壩技術(shù)所需費(fèi)用：

模袋工程量：208.56萬m3，廢石工程量：10.1萬m3；模袋筑壩每m3單價(jià)26.8元；廢石筑壩每m3單價(jià)17元。

總筑壩費(fèi)用=208.56＊26.8+10.1＊17=5761.1萬元。

（2）采用旋流器分級(jí)筑壩技術(shù)所需費(fèi)用：

旋流器分級(jí)筑壩技術(shù)工程量：145.5萬m3；模袋筑壩技術(shù)工程量73.16萬m3；旋流器分級(jí)筑壩技術(shù)設(shè)備、材料費(fèi)估算：350萬元；旋流器分級(jí)筑壩技術(shù)人工費(fèi)：每臺(tái)套旋流器組2人/班，4版兩倒制（18臺(tái)套），每臺(tái)套給料泵配3人/班，四班兩倒制（2臺(tái)套），管路巡檢配備3人/班，四班兩倒制。合計(jì)180人，按工時(shí)費(fèi)200元/天、無霜期150天工期計(jì)算，人工費(fèi)約540萬；電費(fèi)：200KW給料泵電機(jī)2臺(tái)，20KW攪拌器電機(jī)2臺(tái)，附屬照明設(shè)施總功率20KW。電費(fèi)合計(jì)約28.8萬KW，當(dāng)?shù)毓I(yè)用電0.5元/KW。電費(fèi)約15萬元。

旋流器分級(jí)筑壩總費(fèi)用=350+540+15=905萬元。

模袋筑壩費(fèi)用=73.16＊26.8=1960.69萬元。

合計(jì)筑壩總費(fèi)用2865.69萬元。

（3）節(jié)約成本約=5761.1-2865.69=2904.41萬元。

5 結(jié)論

（1）基于烏山尾礦庫裝備化分級(jí)尾礦模袋法成壩試驗(yàn)成果，研究移動(dòng)式旋流分級(jí)設(shè)備通行條件及現(xiàn)場(chǎng)模袋隔梗路基布置方式；開展由近及遠(yuǎn)、逐步推進(jìn)式現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)拋砂擠淤試驗(yàn)，探索底層拋砂平夯增強(qiáng)及其它承載力提高措施，提出滿足移動(dòng)分級(jí)設(shè)備移動(dòng)的拋砂厚度及處理措施；在此基礎(chǔ)上，研究烏山膏體尾礦分級(jí)筑壩工藝，測(cè)試筑壩過程中沉砂尾礦固結(jié)沉降量與沉降時(shí)間，揭示烏山尾礦庫分級(jí)尾礦最優(yōu)分層厚度與筑壩布置，明確分級(jí)尾礦壩體相關(guān)力學(xué)參數(shù)，最終形成模袋體包裹分級(jí)沉砂的烏山膏體尾礦分級(jí)分層筑壩技術(shù)。

（2）基于以上研究成果，建立不同分級(jí)比例影響下的尾礦庫內(nèi)地質(zhì)概化分區(qū)模型，基于該模型，研究不同工況組合、不同堆壩高度情況下的壩體穩(wěn)定性，分析筑壩過程中的水砂平衡關(guān)系及相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，優(yōu)化筑壩工藝參數(shù)及運(yùn)行管理，最終形成烏山膏體尾礦分級(jí)筑壩技術(shù)。

（3）經(jīng)過本次工業(yè)試驗(yàn)，取得旋流器分級(jí)筑壩分級(jí)工藝參數(shù)，明確分級(jí)尾礦壩體相關(guān)力學(xué)參數(shù)，最終形成模袋體包裹分級(jí)沉砂的烏山膏體尾礦分級(jí)分層筑壩技術(shù)。當(dāng)用于規(guī)?；I(yè)筑壩時(shí)，較以往的廢石筑壩技術(shù)、模袋筑壩技術(shù)將會(huì)大大降低筑壩成本。

（4）采用模袋+廢石筑壩技術(shù)所需費(fèi)用為5761.1萬元；采用旋流器分級(jí)筑壩技術(shù)所需費(fèi)用為2865.69萬元。所以節(jié)約成本約=5761.1-2865.69=2904.41萬元。