尾矿分级筑坝研究与工业化应用

梁国栋

（中国黄金内蒙古矿业有限公司，内蒙古 满洲里 021400）

结合乌山现场可利用设备情况，开发可移动式旋流分级设备；开展基于移动分级设备的现场尾矿分级试验，揭示入料压力、沉砂嘴尺寸等对乌山尾矿分级效果的影响规律，分析溢流尾矿粒度组成及沉降特性，提出乌山膏体尾矿中分级工艺参数；在此基础上，研究分级尾矿比例逐级增加对尾矿库运行的作用特点，探讨溢流尾矿放矿位置、放矿量等对库内滩面沉积及回水澄清的影响规律，提出乌山膏体尾矿分级筑坝比例及相关控制参数。

基于乌山尾矿库装备化分级尾矿模袋法成坝试验成果，研究移动式旋流分级设备通行条件及现场模袋隔梗路基布置方式；开展由近及远、逐步推进式现场分级抛砂挤淤试验，探索底层抛砂平夯增强及其它承载力提高措施，提出满足移动分级设备移动的抛砂厚度及处理措施；在此基础上，研究乌山膏体尾矿分级筑坝工艺，测试筑坝过程中沉砂尾矿固结沉降量与沉降时间，揭示乌山尾矿库分级尾矿最优分层厚度与筑坝布置，明确分级尾矿坝体相关力学参数，最终形成模袋体包裹分级沉砂的乌山膏体尾矿分级分层筑坝技术。

基于以上研究成果，建立不同分级比例影响下的尾矿库内地质概化分区模型，基于该模型，研究不同工况组合、不同堆坝高度情况下的坝体稳定性，分析筑坝过程中的水砂平衡关系及相关经济指标，优化筑坝工艺参数及运行管理，最终形成乌山膏体尾矿分级筑坝技术。

经过本次工业试验，取得旋流器分级筑坝分级工艺参数，明确分级尾矿坝体相关力学参数，最终形成模袋体包裹分级沉砂的乌山膏体尾矿分级分层筑坝技术。当用于规模化工业筑坝时，较以往的废石筑坝技术、模袋筑坝技术将会大大降低筑坝成本。

1 项目背景

乌山尾矿库具有服务能力大、排放浓度高、筑坝工程量大等特点。结合尾矿库运行现状，当前乌山尾矿库后期堆坝上升中仍面临如下几个方面的问题：

（1）尾矿排放浓度高，小于20μm的细颗粒之间因静电作用限制了粗颗粒尾矿沉降，另外药剂使得尾矿粘粒之间始终包裹着水膜，造成尾矿不能够快速固结。

（2）尾矿库堆坝时间短、上升速度快、工程量大。每年非冰冻期坝体施工时间仅5个月需完成近4km长的筑坝工程量(筑坝轴线长每年递增），急需探索新型快速、高效、低成本堆坝工艺（废石筑坝每年需耗资1.3亿元，模袋+废石筑坝每年耗资近5000万元）。

（3）尾矿粘粒含量高，入库后渗透性差，力学强度低，稳定性难以保障。

综合以上因素，高寒地区膏体尾矿安全快速筑坝已成为乌山矿建设运行的一大难题，亟需开展与膏体尾矿特性及周边环境相适应的、其排放规划、坝体结构、筑坝方法相互协同的、且能有效实现乌山膏体尾矿安全、高效、低成本的筑坝工艺及安全控制技术。本次试验研究主要探索分级尾矿筑坝在乌山尾矿库运用的可行性[1-3]。

2 项目技术内容

现场工业试验拟采用移动式旋流站开展乌山膏体尾矿分级筑坝现场试验。筑坝方式采用装备化模袋作埂联合分级尾砂充填，其中，分级尾砂模袋作梗部分采用模袋法自动筑坝装备进行充灌筑坝，分级尾砂充填部分采用移动式旋流站进行分级筑坝。

后经过会议讨论，确定以乌山现有设备为基础，对上述移动式旋流站设备系统进行改进；模袋充灌采用原尾矿充灌。

现场实验数据：

（1）滩面尾矿取样检测（30个点位，检测其十字板强度、含水量）。

（2）滩面尾矿原状样取样检测（2个点位，检测其密度、含水量）。

（3）旋流分级工艺参数研究试验检测（选取40%、45%、50%三种给量浓度工况下检测其底流产率，和底流沉砂含水量、十字板强度值随时间的变化规律）。

（4）尾矿细度产率，选取某一时间段内实验数据，计算-200目细度产率。

（5）浓度产率，计算公式：

计算三种光况下的浓度产率及每日的浓度产率与实验条件的相关规律。

（6）底流沉沙含水量、粒度变化分布规律（选取4个点位，检测试验周期内浓度、含水量、-200目细度、-325目细度百分比含量及规律）。

实验结论：

（1）本次试验所得到的尾砂粒级+200目含量在75%～80%适合于分级筑坝所要求的粒径。

（2）受所选用设备影响本次分级筑坝试验的尾砂产率适中在35%左右，可以通过选用小直径的旋流器解决。

（3）此实验在发现和解决未来分级筑坝问题提供了方向，尤其在旋流器移动、运行参数、溢流管放矿方式等都获得了一定经验。

3 主要技术创新点

乌山二期尾矿库建设之初，由于没有成功的尾矿膏体筑坝先例，设计院为了设计的安全与可靠性，采用了“一次性筑坝、分期施工”的下游法废石筑坝方案，坝料为采场剥离废石。服务年限16.5年，筑坝费用21.51亿元，平均每年筑坝费用高达1.3亿元。

2016年10月中旬，乌山采用大池田法尾矿膏体筑坝法加高堆积坝5m（770m-775m）。

2017年5月～2018年4月，完成了775m-785m标高模袋+废石联合筑坝段，总堆积坝高度10m。

2016年筑坝费用较原设计平均每年筑坝费用低8563.3万元（约4500万元）；2017年筑坝10m高的费用较原设计筑坝费用低21960.84万元（约4000万元）。

采用旋流器分级筑坝技术将比以往的筑坝工程费用更加低廉，这也是进行本次工业试验的初衷。

目前国内将旋流器分级筑坝技术运用到工业领域的都是小型矿山，在大型矿山还没有先例。如果乌山将旋流器分级筑坝技术运用到尾矿筑坝，前景和影响力都十分可观。

4 经济效益

以785m～790m标高模袋筑坝工程为例，模袋工程量约208.56万m³，边角废石筑坝工程量约10.1万m³（设计由吉林长春黄金设计院出具）。

（1）采用模袋+废石筑坝技术所需费用：

模袋工程量：208.56万m³，废石工程量：10.1万m³；模袋筑坝每m³单价26.8元；废石筑坝每m³单价17元。

总筑坝费用=208.56＊26.8+10.1＊17=5761.1万元。

（2）采用旋流器分级筑坝技术所需费用：

旋流器分级筑坝技术工程量：145.5万m³；模袋筑坝技术工程量73.16万m³；旋流器分级筑坝技术设备、材料费估算：350万元；旋流器分级筑坝技术人工费：每台套旋流器组2人/班，4版两倒制（18台套），每台套给料泵配3人/班，四班两倒制（2台套），管路巡检配备3人/班，四班两倒制。合计180人，按工时费200元/天、无霜期150天工期计算，人工费约540万；电费：200KW给料泵电机2台，20KW搅拌器电机2台，附属照明设施总功率20KW。电费合计约28.8万KW，当地工业用电0.5元/KW。电费约15万元。

旋流器分级筑坝总费用=350+540+15=905万元。

模袋筑坝费用=73.16＊26.8=1960.69万元。

合计筑坝总费用2865.69万元。

（3）节约成本约=5761.1-2865.69=2904.41万元。

5 结论

（1）基于乌山尾矿库装备化分级尾矿模袋法成坝试验成果，研究移动式旋流分级设备通行条件及现场模袋隔梗路基布置方式；开展由近及远、逐步推进式现场分级抛砂挤淤试验，探索底层抛砂平夯增强及其它承载力提高措施，提出满足移动分级设备移动的抛砂厚度及处理措施；在此基础上，研究乌山膏体尾矿分级筑坝工艺，测试筑坝过程中沉砂尾矿固结沉降量与沉降时间，揭示乌山尾矿库分级尾矿最优分层厚度与筑坝布置，明确分级尾矿坝体相关力学参数，最终形成模袋体包裹分级沉砂的乌山膏体尾矿分级分层筑坝技术。

（2）基于以上研究成果，建立不同分级比例影响下的尾矿库内地质概化分区模型，基于该模型，研究不同工况组合、不同堆坝高度情况下的坝体稳定性，分析筑坝过程中的水砂平衡关系及相关经济指标，优化筑坝工艺参数及运行管理，最终形成乌山膏体尾矿分级筑坝技术。

（3）经过本次工业试验，取得旋流器分级筑坝分级工艺参数，明确分级尾矿坝体相关力学参数，最终形成模袋体包裹分级沉砂的乌山膏体尾矿分级分层筑坝技术。当用于规模化工业筑坝时，较以往的废石筑坝技术、模袋筑坝技术将会大大降低筑坝成本。

（4）采用模袋+废石筑坝技术所需费用为5761.1万元；采用旋流器分级筑坝技术所需费用为2865.69万元。所以节约成本约=5761.1-2865.69=2904.41万元。