張 儀,王洪江,文書(shū)明

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院,云南昆明 650093;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

某銅礦中線法筑壩水力分級(jí)實(shí)驗(yàn)研究

張 儀1,王洪江2,文書(shū)明1

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院,云南昆明 650093;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

在中線法筑壩過(guò)程中,尾礦分級(jí)效率與效果至關(guān)重要。首先通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)尾礦的基本物理性質(zhì)進(jìn)行了研究,通過(guò)FX350和FX250旋流器的對(duì)比實(shí)驗(yàn),分析沉砂產(chǎn)率、濃度和粒度等多個(gè)參數(shù),選用FX350旋流器可滿足生產(chǎn)要求。幾年的生產(chǎn)實(shí)踐表明,采用FX350旋流器可以有效地進(jìn)行尾礦分級(jí)和實(shí)現(xiàn)中線法堆壩,尾礦庫(kù)通過(guò)四年運(yùn)行后壩體外坡無(wú)滲透水,中線法筑壩安全可靠,抗震設(shè)防烈度高。

中線法;旋流器;尾礦筑壩;尾礦性質(zhì)

中線法筑壩就是在初期壩上游方向的壩軸線位置,采用旋流器分級(jí),粗砂堆積尾礦進(jìn)行筑壩,細(xì)粒級(jí)尾礦漿自流入壩內(nèi)沉降。在堆積過(guò)程保持壩頂中線位置始終不變,往垂直方向逐漸升高[1,2]。

某銅礦所處區(qū)域的地震烈度為8度,按照《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(ZBJ I-90)規(guī)定,設(shè)計(jì)地震烈度為8～9度的地區(qū)宜采用中線法筑壩。根據(jù)庫(kù)容要求,該尾礦壩的高度會(huì)超過(guò)100 m,屬于高壩范疇[3]。然而,在我國(guó)真正采用中線式筑壩的尾礦庫(kù)還不多見(jiàn),尤其是筑高壩的更少。目前僅德興銅礦4號(hào)尾礦庫(kù)[4]采用中線式筑壩方法,而該地區(qū)的地震烈度為6度。

中線法筑壩[5]的核心就是全尾礦粒度分級(jí),水力旋流器的使用效果決定著中線法筑壩工藝成功與否。因此,需要對(duì)該銅礦的中線法筑壩工藝進(jìn)行更嚴(yán)格設(shè)計(jì)和研究,以提高中線法筑壩技術(shù)的可靠性與適用性。

1 尾礦物理性質(zhì)

1.1 尾礦顆粒粒級(jí)組成

原則上,排向初期壩下游方向沉積的尾礦粒度-0.074 mm比例應(yīng)小于30%,粒度過(guò)細(xì)時(shí),配入部分砂石料以增強(qiáng)壩體穩(wěn)定性、抗剪切強(qiáng)度和滲透性。

尾礦顆粒組成決定堆壩力學(xué)性質(zhì),粒級(jí)組成見(jiàn)表1。由表1可知,-0.074 mm細(xì)顆粒占65%,該尾礦級(jí)配良好,如果選用適宜的水力旋流器,從粒徑上來(lái)說(shuō),適用于中線法堆壩。

表1 全尾礦顆粒組成試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

1.2 尾礦物理性質(zhì)測(cè)試

尾礦進(jìn)行了單位體積重量、密度、含水率、塑限、液限、滲透性、壓縮性和剪切強(qiáng)度等指標(biāo)測(cè)定,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知,尾礦顆粒的密度相對(duì)較大,含水率較低,處于液限和塑限之間,尾砂漿基本喪失流動(dòng)能力,這樣一來(lái)中線法筑壩的壩體穩(wěn)定性會(huì)大大加強(qiáng)。

尾砂飽和度為68.90%,處于欠飽和狀態(tài),尾礦孔隙率較小;塑性指數(shù)為液限減去塑限,其值為9.70,表明尾砂中的粘粒含量較多,有必要用旋流器進(jìn)行分流。

分別用直接固結(jié)快剪(固結(jié)不排水)和三軸剪切進(jìn)行抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),其中固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定的法向壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400kPa,剪切速率設(shè)定為0.8 mm/min;三軸實(shí)驗(yàn)也為固結(jié)不排水,采用應(yīng)變式三軸剪切儀,圍壓分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa,剪切速率為0.276 mm/min,采用軸向應(yīng)變15%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。尾礦在剪切過(guò)程中顆粒逐漸被壓碎,細(xì)顆粒增多,隨著壓力的增加,剪切使尾礦的結(jié)構(gòu)變得更加緊密,因而抗剪強(qiáng)度提高,硬化特性逐漸呈現(xiàn)出來(lái),使細(xì)尾礦表現(xiàn)為剪縮性。

表2 全尾礦物理性質(zhì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

采用低壓固結(jié)儀進(jìn)行尾礦的壓縮性實(shí)驗(yàn),施加的最大豎向壓力≥800 kPa,選取第一二級(jí)壓力下的壓縮系數(shù)和壓縮模量作為代表值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該尾礦具有中等壓縮性,可壓縮性較大。

2 新型水力旋流器主要技術(shù)參數(shù)

新型旋流器依靠調(diào)控進(jìn)料顆?？臻g預(yù)排列和調(diào)整分級(jí)空間大小兩項(xiàng)新技術(shù),使顆粒在進(jìn)料腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從外到內(nèi)、由粗至細(xì)的排列,增大了粗、細(xì)顆粒分別進(jìn)入底流和溢流的幾率,有效提高了分級(jí)效率,并在分級(jí)區(qū)內(nèi)減小了紊流程度,降低了能量消耗[6]。

2.1 進(jìn)料體結(jié)構(gòu)

為了提高旋流器的分級(jí)性能,人們把研究重點(diǎn)集中在進(jìn)料口形式和柱錐結(jié)構(gòu)形式兩方面。先后推出了切線形、漸開(kāi)線形、弧線型、螺旋線形、同心圓形以及多管對(duì)稱(chēng)等進(jìn)料形式。所有這些設(shè)計(jì),其進(jìn)料顆粒在進(jìn)料管斷面上基本上屬于均勻分布,沒(méi)有考慮將物料顆粒在進(jìn)料管中進(jìn)行預(yù)分級(jí),即沒(méi)有調(diào)控進(jìn)料顆粒空間預(yù)排列。

如果顆粒在進(jìn)入旋流器本體之前,能夠依靠預(yù)沉降作用被甩到靠近旋流器本體外壁一側(cè),則顆粒進(jìn)入旋流器后的分離效率將會(huì)得到提高。根據(jù)以上理論重新設(shè)計(jì)了旋流器的進(jìn)料體結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了進(jìn)料顆粒預(yù)先排列的效果。顆粒在新型進(jìn)料體結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面上的排列效果,如圖1所示。

圖1 新型進(jìn)料體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面上的顆粒排列效果

2.2 柱段結(jié)構(gòu)

旋流器的柱段是一個(gè)有益于固相顆粒分離的有效分級(jí)空間,分級(jí)空間的大小對(duì)于分級(jí)效果和分級(jí)能耗影響很大。通過(guò)研究分級(jí)空間大小與切向速度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)柱段高度較小時(shí),在溢流管外圍的環(huán)形空間,切向速度沿徑向的變化不大;在錐體部分,在溢流管外置的豎直斷面上,切向速度明顯增大;而當(dāng)柱段高度逐漸增加后,斷面上的切向速度逐漸變?nèi)酢?/p>

以上研究表明,增大分級(jí)空間可延長(zhǎng)流體在分級(jí)機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間,提高分級(jí)效率和減小分級(jí)粒度,但同時(shí)也增加了能量消耗。因此,通過(guò)分級(jí)效率和能量消耗之間的關(guān)系,找到了一個(gè)適合分級(jí)的最佳柱段高度[7]。

2.3 錐體角度

對(duì)于旋流器錐體角度的設(shè)計(jì),大量的工業(yè)化應(yīng)用數(shù)據(jù)表明,適合一段閉路磨礦分級(jí)旋流器的最佳錐角一般是20°,對(duì)于細(xì)粒級(jí)分級(jí)的旋流器的錐體角度一般都采用10°或者多角度的組合錐,而用于高嶺土等超細(xì)粒級(jí)分級(jí)的旋流器錐體角度會(huì)更小。

3 尾礦分級(jí)試驗(yàn)

取代表性尾礦進(jìn)行分級(jí)濃縮,提高+0.074 mm粗顆粒尾礦在沉砂中的回收率,減少或不用外來(lái)物料堆壩。

3.1 試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)室選用旋流器型號(hào)為FX350、FX250,通過(guò)變換進(jìn)料濃度等參數(shù)調(diào)整分級(jí)指標(biāo),以滿足試驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示。

圖2 旋流器實(shí)驗(yàn)流程圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

通過(guò)調(diào)整入料壓力、沉砂口徑等參數(shù)達(dá)到最佳技術(shù)指標(biāo)要求,在最佳操作及結(jié)構(gòu)參數(shù)下改變進(jìn)料濃度,得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同旋流器試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表%

由表3可知:(1)FX250旋流器雖然沉砂產(chǎn)率較高,但沉砂中-0.074 mm含量均大于35%,不符合筑壩標(biāo)準(zhǔn);(2)FX350旋流器沉砂中-0.074 mm含量可控制在30%以下,其分級(jí)效率可到達(dá)70%左右;(3)選用FX350旋流器時(shí),當(dāng)進(jìn)料濃度為30%左右時(shí),分級(jí)效率較高,隨著濃度的增大,沉砂產(chǎn)率及分級(jí)效率逐步降低。

因此,選用FX350旋流器。當(dāng)進(jìn)料濃度為30%時(shí),沉砂中-0.074 mm含量30%以下、分級(jí)質(zhì)效率在70%以上,此時(shí)的沉砂產(chǎn)率在45%左右,完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的筑壩要求。

3.3 全尾分級(jí)物料平衡關(guān)系

現(xiàn)場(chǎng)尾礦干礦量按4 500 t/d(187.5 t/h),礦漿濃度按30%計(jì),物料平衡如表4所示。

表4 旋流器分級(jí)物料平衡表

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算,擬選用6～8臺(tái)FX350旋流器,并聯(lián)使用。旋流器的進(jìn)料體積流量507 m3/h。旋流器的給料壓力在0.08～0.15 MPa之間,選用旋流器的單臺(tái)處理量70～100 m3/h。

4 中線法筑壩現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4.1 堆壩設(shè)計(jì)要求

堆壩設(shè)計(jì)要求為:坡比1∶3;壩頂寬20 m;分級(jí)尾砂粒度+0.074 mm粒度含量≥70%,壩高≤60 m時(shí),干灘長(zhǎng)度≥70 m,壩高＞60 m時(shí),干灘長(zhǎng)度≥100 m,壩體總高150 m(起始海拔2 430 m,終止海拔2 580 m),庫(kù)容810萬(wàn)m3,服務(wù)年限15 a。

4.2 目前運(yùn)行情況

目前運(yùn)行情況如下:

1.坡比:1∶3.06,已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.壩寬:南端壩寬20 m,中端壩寬20 m,北端壩寬20 m,完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.分級(jí)尾砂粒:尾礦壩取綜合樣分析,共取三組樣品,粒度分析結(jié)果如表5所示。

表5 分級(jí)尾砂粒度分析結(jié)果

從粒度分析結(jié)果看,1號(hào)樣+0.074 mm粒級(jí)達(dá)到70.67%,2號(hào)樣+0.074 mm粒級(jí)達(dá)到71.17%,3號(hào)樣+0.074 mm粒級(jí)達(dá)到72.38%;雖然選礦對(duì)磨礦細(xì)度要求提高,選廠提高了磨礦細(xì)度,通過(guò)補(bǔ)加外來(lái)砂石料和攪拌浸出粗粒料,粒度基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.壩長(zhǎng):壩長(zhǎng)229 m。

5.干灘:干灘長(zhǎng)120 m。

6.堆壩材料:由于該礦尾礦細(xì)度較細(xì),分級(jí)尾砂(沉砂)量小且粒度細(xì),不能完全滿足堆壩要求,補(bǔ)充攪拌浸出尾礦,補(bǔ)充砂石物料,要求筑壩用砂石最大塊度≤30 cm。

7.堆壩量:一二選廠每年產(chǎn)生尾礦量120萬(wàn)t,每年需要40萬(wàn)m3庫(kù)容,現(xiàn)在壩高海拔2 533.58 m,累計(jì)堆壩168萬(wàn)m3;2010年外來(lái)砂石料3.6萬(wàn)m3, 2011年1～9月,使用新型旋流器后外來(lái)砂石料減少至2萬(wàn)m3,全年預(yù)計(jì)2.7萬(wàn)m3。

8.浸潤(rùn)線:浸潤(rùn)線作為尾礦壩安全運(yùn)行的重要參數(shù),要進(jìn)行定期觀測(cè)記錄,并根據(jù)壩高繪制浸潤(rùn)線走勢(shì)圖;該礦尾礦壩設(shè)置有浸潤(rùn)線觀測(cè)設(shè)施,要求尾礦車(chē)間認(rèn)真做好觀測(cè)設(shè)施的延續(xù)與維護(hù)工作并做好日常觀測(cè)記錄。目前壩體無(wú)滲水,浸潤(rùn)線觀測(cè)孔無(wú)水,壩體安全可靠。

旋流器放礦示意圖如圖3所示。

5 結(jié) 論

某銅礦尾礦庫(kù)采用中線法堆壩,服務(wù)年限由上游法的3 a增加至中線法的15 a;現(xiàn)在已經(jīng)服務(wù)4 a,堆積尾礦168萬(wàn)m3,安全可靠,壩外無(wú)滲透水。

采用FX350旋流器可以有效地進(jìn)行尾礦分級(jí)和實(shí)現(xiàn)中線法堆壩;根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果,采用中線法堆壩,可以在保證尾礦壩安全的基礎(chǔ)上,降低堆壩成本,增加庫(kù)容,更有利于生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理。

圖3 水力旋流器放礦示意圖

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Abstract:The classific efficiency and effect of tailings are very important in the midcourt line method damming.The basic physical propertiesof the tailing were studed,contrast test of FX350 and FX250 hydrocyclone was proceeded,and yield ratio,concentration,partical size of were analysed.The production practice showed that the FX350 hydrocyclone device can effectively classify this tailings,the midcourt line method damming can be realized.The tailings pond has been in motion for 4 years.There is no seepage water on outside slope of the dam.The midcourt line method damming is safe and reliable,and seismic fortification intensity is high.

Key words:midcourt line method;hydrocyclone;tailings damming;tailings property

A Study of Hydraulic Classification Experimental with Centerline Method Damming in a Copper Mine

ZHANG Yi1,WANG Hong-jiang2,WEN Shu-ming1
(1.Faculty of L and Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology, Kunming650093,China;2.Civil and Envrionmental Engineering Institute,University of Science and Technology Bejing,Bejing100083,China)

TD926.4+1

A

1003-5540(2012)02-0005-04

2012-02-26

張儀(1965-),男,博士生,高級(jí)工程師,主要從事銅礦物加工和鎳濕法冶金研究工作。