袁家村铁矿微细粒尾矿堆存关键技术及生产实践

柴森茂

(太钢集团岚县矿业有限公司，山西 吕梁 033504)

0 引言

太钢袁家村铁矿位于山西省吕梁境内，设计服务年限39年，设计年处理原矿2 200 万t，年排放尾矿1 460 万t。选矿厂磨矿粒度微细，综合尾矿粒度-0.075 mm约占91.3%，不能用于筑坝，因此尾矿库采用露天采场剥离的废石筑坝，设计采用废石一次性筑坝、分期实施的方案。在生产规模大(尾矿处理量972 万m3/a)、尾矿库容大(全寿命库容5.89 亿m3)、坝高高(筑坝高度最终250 m)以及湿陷性黄土地基条件下微细粒尾矿如何实现安全、高效、经济、环保堆存，国内外没有成熟的技术和经验可供借鉴。袁家村铁矿尾矿采用湿式排放工艺，尾矿库投产至今通过不断在尾矿排放方面的摸索改良，探索出微细粒尾矿废石筑坝尾矿库尾矿排放关键技术。目前，库内干滩状况不断优化，尾矿库各项指标发展良好，为微细粒尾矿堆存提供了关键技术，经济和社会效益显著。

1 袁家村铁矿尾矿库介绍

太钢袁家村铁矿白化宇尾矿库位于山西省岚县袁家村铁矿采场西北侧的近周营、白化宇村，距岚县县城约20 km，距太原市约115 km。尾矿库库址选择在距选矿厂约4 km的白化宇村。尾矿库汇水面积10.4 km2，平均坡度7%，沟长约4.4 km。场地三面环山，山前堆积的黄土被沟谷切割，形成近似黄土梁地貌形态。地面最大高差超过300 m。坝址区跨越数座山丘、数条沟谷。尾矿库总库容约5.89 亿m3、服务年限48.5年。尾矿库采用露天采场剥离的废石筑坝，筑坝方式为下游式筑坝方式，设计采用废石一次性筑坝、分期实施的方案。 废石筑坝最终堆积标高+1 800.0 m，设计最终坝高250 m。

2 尾矿排放工艺设计

与常规尾矿湿式处理相比，尾矿干堆技术在尾矿入库前将尾矿中的大部分水回收循环利用，同时减少尾砂入库后水分向自然环境中的流失，保护自然水体。在国家节能减排、保护环境的号召下，尾矿干堆技术将成为未来尾矿处理的主流。比较适合尾矿膏体干堆的条件有：1)当地的气候条件干燥，蒸发量远远大于降水量的地方；2)通过试验证明能够产生膏体的自动浓缩设备并且在不使用太多的絮凝剂时能够制成膏体；3)相对平坦的足够大的处理膏体尾矿的场地及合适的输送距离及高度。这种尾矿的处理方式提高了尾矿输送的能力、提高尾矿的回水率，减少了尾矿入库水量的流失、尾矿库容利用系数高，占地面积少，大幅度缩短了尾矿固结的时间。基于以上优点，通过比对使用两种不同尾矿处理方式条件下在尾矿库库容、环保及后期运行等方面的不同得出结论，见表1。

表1 常规湿式处理与浓缩尾矿干堆对比表

浓缩尾矿与常规尾矿在堆存处理上没有突出的优点，常规尾矿采用坝前多管分散放矿，在坝前形成尾矿的沉积滩体。而浓缩后的尾矿放矿方式的最大特点是在库内设多个点由上游向坝体方向放矿，在坝前形成集水区。这种放矿方式的优点是库容的利用系数高，但也存在一些缺点。例如：1)上游放矿需将管道铺设在库内，需增加放矿管道及道路；2)浓缩的尾矿由上游向坝前沉积，在山坡面上形成若干个大的滩面，尾矿库的防尘较难处理；3)尾矿由上游排放，集水区在坝前，这样很可能使得尾矿库的调洪库容减小，降低了尾矿库调蓄洪水的能力。

同时，要完成尾矿的干堆处理，不仅在尾矿的排放管线的布置和移动方面存在很多问题，还需要面临着高昂的尾矿脱水费用及膏体尾矿输送等一系列难题。

因此，尾矿库设计采用废石筑坝的方案，尾矿坝与废石场相结合，采用坝前多管分散放矿，为增加尾矿库的库容利用系数，可在尾矿库使用后期将尾矿放矿管伸向库内，在库内充填。

3 生产实践及技术创新

3.1 人造黄土干滩的应用

袁家村铁矿试车期间，尾矿输送浓度仅10%左右，远未达到设计输送浓度60%，入库水量远大于尾砂量，尾砂沉积难以形成干滩，库内水直接与废石坝坝体接触，并通过坝体废石间隙在下游坡脚处局部形成渗漏。这样对尾矿坝坝体存在潜在的危害有：坝体内部水位线上升，影响初期坝的稳定性；在高水力梯度作用下，有管涌和流土危害；堆石散体介质物理力学参数对湿化较为敏感，散体会发生崩解和颗粒破碎，导致结构发生变化，从而改变堆石体本体的物理力学性质；尾矿库安全管理关键指标，特别是干滩长度、安全超高等得不到保障，不符合设计及相关规程的要求。

为解决以上问题，采用了在尾矿库内堆筑黄土干滩方案，见图1。

人造干滩长度为同高程初期坝长度，方向与初期坝平行，用的废石取自采场，黄土取自尾矿库；生产过程中，分为1 610 m、1 622 m、1 628 m、1 632 m、1 640 m五个堆筑标高。随着选矿系统稳定，尾矿输送浓度的提升，尾矿库人造干滩前已形成稳定尾砂干滩，至三期坝后不再堆筑人造干滩。人造黄土干滩是尾矿库内为形成稳定干滩前有效过渡工程，有效提升了尾矿坝渗透稳定性。

图1 初期坝人造黄土干滩示意图

3.2 废石筑坝条件下尾矿放矿管道布设

根据国内细粒级尾矿筑坝试验和细粒级的尾矿筑坝工程实践，要求用于筑坝的尾矿粒级特征具有如下特征：1)平均粒径 dp<0.030 mm；2)-0.019 mm 含量>50%；3)+0.074 mm 含量<10%；4)用于筑坝的粒径+37 μm含量≤30%。袁家村铁矿可筑坝尾矿粒度极少，磨矿粒度-0.074 mm 占92.75%，见表2。

表 2 袁家村尾矿泥颗粒分析试验

因此，利用采矿剥离的废石分期填筑尾矿库坝体，在废石筑坝条件下直接将尾矿放矿主管道布设在废石坝顶，放矿支管设置在坝内坡。

在保证各期坝面设计标高条件下，提升坝东高度，沿着坝面自东向西保持0.5%的坡降，保证放矿管道内尾矿正常流动，防止矿浆淤积。为避免放矿支管在坝内坡放矿冲刷坝内坡脚，设计专门的放矿管道支架：支架设置在坝内坡，垂直距离距滩顶3 m，支架末端保持水平伸入库内1 m，通过钢丝绳、钢钎固定在尾矿坝内坡黄土保护层上，将放矿支管布设在支架上，放矿时矿浆喷射入库内，避免了矿浆冲刷坝内坡。通过稳定的放矿生产，尾矿坝前沿坝已形成长度超过450 m、安全超高5 m以上的尾矿干滩，见图2。

图2 尾矿排放

3.3 放矿管道优化

尾矿矿浆通过选矿厂隔膜泵、尾矿输送管道到达尾矿坝前，为消除矿浆过高势能，设置缓冲箱、逐级跌落管道系统。为消除尾砂冲击力，保护跌落管，设计在跌落管底部放置了缓冲垫片，每组管道底部放置了4个橡胶垫片，厚度约30 cm，12组共计48个。在实际生产过程中该橡胶垫片虽能起到一定的缓冲作用，但重量较轻，易被矿浆浮起，堵塞放矿主管道，出现跌落管顶部溢矿，影响正常生产。随之将管内橡胶垫片全部取出，用钢球代替，在跌落管底部第一层放置了直径约10 cm的钢球19个，第二层放置18个，由于钢球重量较大不会随矿浆带走，所以既能防止尾砂冲刷管道又能避免管道堵塞。

尾矿初期坝(1 630 m)在放矿主管道上每隔12 m安装一根分散放矿支管，放矿管道维护难度大。在二期坝(1 650 m)进行每隔24 m安装一根分散放矿支管研究，发现干滩形成正常，于是在三期坝(1 670 m)上面直接进行每隔24 m安装一根分散放矿支管设计，使得三期坝放矿支管数量由原先的113根减少至63根，有效减少支管数量，从管道备件数量、安装、维护成本上均有较大降低，产生可观的经济效益。

3.4 放矿方式优化

尾矿初期坝、二期坝尾矿排放方式采用分组分散放矿，放矿时开启单组相应数量的放矿支管，该放矿方式存在支管间距近，存在严重的汇流现象，由于单根管流量较大，滩面上矿浆流速大，尾砂沉积时间短，导致干滩上升速率慢，每月上涨速率保持在0.5 m，且滩面上常出现深度1 m以上的冲刷沟，对起滩效果不利，干滩坡度维持在0.5%左右；单组放矿不均匀，需经常调整放矿支管位置，耗费人力、物力，对生产组织不利。单组放矿时由于每组只有11根放矿支管，存在单个放矿阀门长时间开启的现象，导致该组管道内的三通磨损严重，常出现三通漏矿现象，对放矿管控难度较大。

三期坝后改善放矿方式，由单组放矿改成多组联合放矿，在开启的放矿支管数量不变的条件下大幅度提高了放矿支管间距，使得矿浆冲击面积提高，矿浆流速变缓，为尾矿沉积提供优良条件，起滩效果明显提高。通过放矿方式的改善，尾矿库内干滩坡度由之前的0.5%提升至0.7%，干滩长度稳定在350 m以上。

四期坝后持续对放矿方式进行优化，在多组联合放矿基础上实施对放矿支管的进一步分散，放矿时单管流量降低至原先的三分之一，有效减缓了矿浆在滩面上的流速，在坝内坡前有充足时间沉积，使得库内干滩上涨速率稳定在每月0.41 m的情况下，滩面更加平整、起滩更加均匀，截止2020年上半年，尾矿库滩面坡度已提升至了1.12%，安全超高达到5.5 m以上，调洪库容显著提升，尾矿库安全储备明显提升，具体参数见表3。

表3 2016～2020年尾矿库干滩变化

4 结语

袁家村铁矿尾矿库开发的尾矿排放关键技术，解决了生产规模大、磨矿粒度细及废石筑坝条件下，微细粒尾矿高效、安全、经济堆存的技术难题，为类似尾矿库的建设、发展提供了可参考借鉴的模式，社会效益与经济效益显著。