中线式尾矿排放工艺在张家口某铁矿的应用

班贵顺

(河北新烨工程技术有限公司矿山设计院，河北张家口 075100)

0 引言

中线式尾矿排放工艺作为国内新兴的尾矿排放工艺，多用于有色金属矿山尾矿排放筑坝，用来解决筑坝材料短缺的问题，而在铁矿尾矿库的应用不多。主要是多数铁矿磨矿细度较粗，用于筑坝的粗尾砂原料充足，直接采用上游式水力填充筑坝，工艺成熟，操作简单，尾矿排放成本较低。张家口市赤城县某铁矿结合自身矿石特点和矿山周边环境现状，在尾矿库排尾运行过程中，摒弃了传统的上游式筑坝方式，采用中线式排尾筑坝，通过近两年的生产实践，取得了不错的效果。

1 中线式排尾方式的选择

1.1 矿山生产情况和周边环境状况

矿山铁矿石储量大，易开采，但原矿品位低，干选后入磨品位15%左右。选矿厂每天处理干选矿石3 000 t，排尾量2 400 t，尾矿干容重1.7 t/m3，排尾浓度20%。矿山距周边村庄较近，周边土地多为耕地和林地，尾矿库扩建征地难度很大。

1.2 中线式排尾方式的确定

选矿厂磨矿细度较粗，尾矿中+0.074 mm的颗粒含量占总量的70%以上，筑坝材料充足;中线式排尾能充分的利用上下游沟道空间，服务年限长;坝体宽大厚重，稳定性好。企业于2008年通过对山西太钢峨口铁矿的考察并结合自身现状，确定新建尾矿库采用中线式水力旋流器排尾筑坝方式，摒弃之前一直沿用的上游式水力充填排尾工艺。

2 尾矿库库址及主要构筑物

2.1 尾矿库库址的选择

尾矿库所在沟道长度1.3 km，既要满足上下游排尾的要求，又要满足尾水澄清距离要求，以保证回水水质。

2.2 尾矿库主要构筑物组成

2.2.1 初期坝

初期坝选在沟道的中下游段，综合上下游库容和满足尾水澄清距离要求，确定坝高为20 m。坝址下游沟道宽阔，保证了尾矿中占到多数的粗颗粒有足够的空间堆存。

上下游库容之比在保证满足下游粗砂排放的同时，适当向上游倾斜，中线式排尾设备出现故障时，在设备检修期内上游有足够的空间容纳未分级的尾矿。通过上下游库容计算，确定下游尾矿排放坡比为 1∶3.5，上下游库容比为 6.5∶3.5。

初期坝采用堆石坝，坝体采用废石堆筑。坝址两岸和沟底基岩出露较多，第四系覆盖层薄，基底及两岸轻～强风化岩即可筑坝。初期坝外坡比1∶2.0，内坡比1∶1.75，内外坝坡均不设马道。初期坝顶作为旋流器工作平台，宽度10 m。

2.2.2 下游挡砂滤水坝及排渗体

初期坝下游设置挡砂滤水坝，滤水坝与初期坝之间沟道底部设排渗体。滤水坝将旋流出的粗砂阻挡在坝前，与排渗体共同作用加速下游粗尾砂的固结。按下游粗尾设计堆放坡度1∶3.5，确定滤水坝高5 m，选用透水性较好的废石筑坝。

2.2.3 排洪设施

尾矿库排洪设施采用溢水塔结合库底铺设排洪涵管的形式，涵管出口设置消力池。溢水塔和排洪涵管采用钢筋混凝土现浇而成，消力池为浆砌石砌筑而成。

3 中线式尾矿排放工艺

中线式尾矿排放工艺是采用水力旋流器将尾矿中的粗细颗粒分级，粗颗粒排至坝外用于筑坝，细颗粒排入库内。中线式排尾工艺首先要选择旋流器，更重要的是尾矿排放过程中旋流器的使用操作。

3.1 旋流器的选型

选择旋流器要考虑单台旋流器的处理能力和尾砂的分级处理效果。单台旋流器的处理能力主要和旋流器的柱体直径、溢流管直径、给矿口当量直径和给矿压力有关［1］，除了旋流器自身影响尾矿分级处理效果外，还有选厂闭路磨矿分级和给矿浓度。

选矿厂采用单一磁选方法选矿，通过对尾矿的筛分粒级分析，－0.074 mm的含量只占尾矿总量的20%，磨矿粒度较粗。尾矿粒级分析结果见表1。根据尾矿处理量和尾矿粒级分析表，设备厂商推荐了两款旋流器进行现场旋流分级试验。试验过程中给矿浓度控制在20%，给矿口直径110 mm，溢流口直径90 mm，在不同给矿压力下对不同沉砂咀尺寸旋流出的沉砂和溢流进行了取样分析，试验成果见表2。

表1 选矿厂尾矿粒级分析表

试验结果表明，φ300和φ350旋流器沉砂浓度均达到了70%，不同沉砂咀尺寸、不同给矿压力下沉砂中+0.074 mm的含量最小值为75%，沉砂中粒级基本满足筑坝要求。

表2 旋流器现场试验成果表

试验过程中，旋流器采用52 mm沉砂咀时沉砂产率较低，满足不了下游粗砂排放量。在给矿压力0.1 MPa～0.12 MPa时，选用45 mm沉砂咀的φ300旋流器发生了堵塞现象，工作稳定性较差，且沉砂产率相对较低，旋流器实际的处理量少。φ350旋流器在选用45 mm沉砂咀时同样存在堵塞和工作不稳定的情况，换成50 mm沉砂咀后，给矿压力在0.1 MPa时出现堵塞的征兆，提高至0.12 MPa后征兆消除，给矿压力保持在 0.14 MPa～0.16 MPa时，工作状态比较稳定。通过厂家产品参数以及现场实验，选用FX350J旋流器，直径350 mm，锥脚20°，沉砂咀直径50 mm，给矿压力为0.12 MPa～0.16 MPa。

单台旋流器处理能力50 m3/h～80 m3/h，每天处理矿浆1 200 m3～1 920 m3，按矿浆浓度20%计算，单台旋流器日处理尾矿量240 m3～380 m3，选矿厂日排尾2 400 t，尾矿干容重1.7 t/m3，折合体积1 400 m3，按旋流器处理量下限考虑，选择6组12台，3组使用，3组备用。

3.2 旋流器给矿压力控制

给矿压力是决定旋流器分级效果的重要因素，为保证给矿压力的稳定，在尾矿库库区左岸地质条件较好的位置设稳压塔，稳压塔呈倒锥形，12 cm厚钢板焊接而成，容积120 m3，随着坝体高度的增加同步抬升。初期排尾时，底部出浆口与旋流器给矿口的高差为20 m，初始给矿压力为0.2 MPa。矿浆自选厂通过渣浆泵泵送至稳压塔内，通过塔底部的φ160 mm给矿钢管自流至旋流器组进行分级处理，溢流管为φ90 mm胶管。排尾示意图见图1。

图1 中线排尾示意图

排尾运行中距离稳压塔较近的两组旋流器给矿压力的矿浆浓度均能够满足要求。最远处的旋流器组随着坝体的抬升，给矿管线的增加，压力和浓度均达不到试验要求的值。实际操作过程中矿浆输送管改用内壁较为光滑的聚氯乙烯塑料管，降低摩擦以减少沿程压力损失;在矿浆进入末端旋流器组之前补充水分保证给矿浓度，并通过机械增压的方式保证旋流器给矿压力。

对矿浆补水和机械增压后，第三组旋流器的给矿浓度控制在21%左右，给矿压力保持在0.13 MPa，并对底流沉砂和溢流进行取样分析，粒级分析结果显示，沉砂中+0.074 mm颗粒含量达到了82.7%，分级效果好于试验数值，粒级分析结果见表3［2］。

3.3 旋流器操作

3.3.1 旋流器沉砂咀淤堵处理

开始应用旋流器分级排尾时，底流沉在沉砂咀下方不断堆积，很快会将沉砂咀堵住，尾矿工在操作旋流器时需要不断的停车清淤，影响排尾工作效率低。通过对旋流器组进行简单改造，将旋流器抬高，与水平面呈30°夹角，沉砂咀与外坝坡坡面的垂直高差为1.5 m，并在每组旋流器的沉砂咀的下方安装了一块1.5 m×1.5 m的钢板，钢板与水平面的角度和旋流器与水平面的角度一致。沉砂通过钢板分散后，呈扇形流出堆积至坝外。通过实践应用，沉砂咀没有出现被底流堵塞的现象，在旋流器不停车的情况下，直接清理钢板下的沉砂，提高了设备和人员的工作效率。改造后的旋流器排尾见图2。

表3 粒级分析表 %

图2 改造后的旋流器运行排尾图

3.3.2 底流坡度控制

初始阶段按照试验参数运行时，高浓度底流粗砂沉积至坝外，流动性较差，流动距离短，外坝坡底流沉砂平均坡比仅为1∶2.5，但运行外坡坡比需达到1∶3.5才能保证上下游尾砂面的同步抬升。这就造成了子坝必须提前抬升，下游库容得不到充分利用。为保证坝体上下游砂面按照设计要求同时抬升，在保证沉砂率的前提下，旋流器操作过程中对沉砂浓度进行调节，人工控制外坡沉积坡度。实际操作过程中，初始底流浓度不低于75%，当钢板下部粗砂沉积到一定量时，通过人工调节阀门，降低给矿压力，使旋流器底流浓度降低至50%左右，将沉积的粗砂冲开后底流浓度恢复至75%，反复循环操作后，通过对外坡比的测量，最小坡比为1∶3.8，最大坡比为1∶3.3，外坡沉砂的平均坡比1∶3.5左右，与设计值一致。内外砂面的上升速度基本保持一致。旋流器组底部安装钢轨，方便移动排尾，尾矿库排尾运行见图3。

图3 尾矿库排尾运行图

3.3.3 冬季排尾及子坝堆筑

冬季排放在实际操作过程中，适当降低尾矿沉砂的浓度，底流浓度平时控制在70%左右，沉砂产率61%，通过对底流沉砂的颗粒分析，+0.074 mm颗粒含量占到78%，粗颗粒的含量能够满足筑坝要求。冬季气温较低，蒸发量小;尾砂表面密实度高于夏季，渗水性与其他季节比相对较差，底流沉砂在外坡的流动性更好，流动距离更远，测量外坡平均比为1∶3.7。外坡沉砂粗颗粒含量多，即使在冬季，渗水性也较好，表层尾砂的固结很快。外坝坡浸润线的埋深很深，局部监测不到。通过现场观察，仅在挡砂坝前有少量积水。根据钻探取样分析，表层3 m尾砂的平均含水量仅为10%，冬季排尾期间外坝坡除出现局部拉沟现象外，无冻结现象发生，通过后续排尾即可补平。冬季排尾外坝坡状况见图4。

图4 尾矿库冬季排尾外坡图

本地区海拔高程在1 000 m左右，冬天漫长寒冷，持续近6个月，为保证尾矿在冬季的正常运转，子坝加高选在入冬前，决定子坝加高高度的因素主要有溢流沉砂平衡关系，子坝加高后上下游库容要能够容纳一年的尾矿量，加高前特别要考虑冬季底流浓度和沉砂产率相对于夏季较低，需要适当增大上游库容量。企业在实际操作过程中子坝加高4 m，高于设计子坝3 m的单期加高高度。

入冬前当库内尾砂面距坝顶高差小于1 m时开始堆子坝。堆筑子坝材料选用两岸的剥岩废石。堆筑时从左右两岸向中部逐步推进。筑坝初始阶段第一组和第三组旋流器停止排尾，第二组旋流器正常工作，当满足停用旋流器排尾的平台堆筑完成后，稳压塔抬升4 m，安装旋流器后开始排尾运行，同时停用第二组旋流器，直至子坝堆筑完成。排尾作业仅在提升稳压塔时有间断，其余子坝堆筑时段至少能够保证一组旋流器正常运行。

4 结语

1)合理选择初期排尾作业平台的位置和高度，保证上下游尾砂面同步抬升，提高库容的利用率，延长尾矿库的服务年限，减少了排尾征地问题，社会效益显著。2)结合本地区气候特点和设备试验生产指标，灵活操作旋流器，不断调整底流沉砂的浓度，使外坡比达到了设计要求值，虽然出现拉沟现象，但都深度较浅，通过后续排尾补坡即可填平，不会影响外坝坡的整体稳定。3)通过中线式旋流器排尾技术在张家口地区的成功应用，为本地区其他尾矿库应用该技术提供了很好的范例。

［1］孙肇淑，胡岳华.旋流器参数的合理选择［J］.矿业工程，2003，23(6)：38-40.

［2］石 明，金种集.现代尾矿设施设计与管理维护技术及尾矿资源综合利用实用手册(上册)［M］.北京：当代中国音像出版社，2010.