汪 斌 汪良峰 朱君星

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山243000)

我國金屬礦山在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的尾礦，絕大多數(shù)以尾礦庫形式堆存，一旦發(fā)生尾礦庫潰壩，不僅給人民生命財產(chǎn)造成重大損失，而且給周邊環(huán)境安全構成嚴重的威脅，帶來一系列的經(jīng)濟、安全、生態(tài)和環(huán)境問題［1］。如何解決尾礦庫帶來的一系列問題，引起了國內(nèi)外專家學者及企業(yè)的高度重視，近年來國內(nèi)外逐漸興起一種新的尾礦處理技術——尾礦干式堆存技術。20 世紀70 年代，加拿大Kidd Creek礦山建成世界上第一座尾礦干堆場［2］，目前國外尾礦干堆工藝的礦山很多，比如坦桑尼亞的Bulyan hulu 礦山、俄羅斯的Kubaka 礦山、加拿大的Ekati Diamond 和印度的Hindustan 公司［3］。智利的La Coipa礦山的干堆場是世界上最大的尾礦干堆場之一［4］。還有如Kwinana 冶煉廠、VAW Stade 冶煉廠等多家鋁廠也采用干堆工藝［5］。

尾礦濃縮脫水技術是尾礦干堆的關鍵工藝，目前國內(nèi)尾礦脫水分為壓濾脫水(壓濾機或過濾機)和濃密脫水(濃密機)或者這二者的結合，在此基礎上添加的其他工藝如旋流器分級、振動篩篩分等主要起到分級或加強脫水作用。壓濾脫水形成濾餅，脫水效果好，在黃金礦山尾礦處理中得到廣泛應用，比如山東歸來莊金礦［6-7］、遼寧排山樓金礦［8］、浙江遂昌金礦［9］，但在冶金和有色金屬礦山尾礦脫水中則應用較少，這主要是由于壓濾機的能耗和處理成本較高。濃密脫水后尾礦形成膏體后進行干堆，這種膏體干堆主要應用在干旱地區(qū)［10］。

目前國內(nèi)成熟的干堆技術主要在干旱少雨的北方地區(qū)，而在南方多雨地區(qū)的尾礦干堆工藝仍需進一步研究探討。本研究依托武鋼金山店鐵礦尾礦處理工程，開展尾礦固化干堆工藝與應用研究。

1 武鋼金山店鐵礦尾礦處置現(xiàn)狀及濃縮方案

1.1 尾礦處置現(xiàn)狀

武鋼金山店鐵礦以張福山礦體為主要開發(fā)礦區(qū)，是武鋼三大井下鐵礦山之一。金山店鐵礦尾礦處理采用傳統(tǒng)的尾礦入庫堆存，尾礦庫原設計最終堆積標高為75 m，相應總庫容為2 150 萬m3，有效庫容為1 560萬m3，目前剩余庫容約110 萬m3，尾礦庫服務期限只有1 a 左右。因此，武鋼金山店鐵礦尾礦的安全處置問題迫在眉睫，關系到金山店鐵礦能否正常生產(chǎn)。由于建設新尾礦庫征地多，工期長，難以滿足國家綠色礦山建設和環(huán)保要求，因此必須采取新思路、新技術來解決這一迫在眉睫的工程難題。金山店鐵礦可利用的處置場所有7 hm2的廢棄場地和余華寺塌陷坑，先在廢棄場實現(xiàn)尾礦的干堆處置，待地表堆完后將干尾礦排入塌陷坑，是目前解決上述工程難題的有效途徑。

1.2 尾礦基本性質(zhì)

對金山店全尾砂礦樣進行物理性質(zhì)檢測，測定結果表明:尾礦的密度為2.855 g/cm3，pH 值為7.6，進一步通過粒度分析得到該尾礦粒度組成如表1 所列。

表1 金山店尾礦粒度篩分結果Table 1 Particle size screening of Jinshandian tailings

1.3 濃縮方案

尾礦濃縮脫水是尾礦地表堆存的重要環(huán)節(jié)，有代表性的尾礦濃縮方式有2 種:一種是用壓濾機脫水濃縮，另一種是高效濃密機或深錐濃密機濃縮。結合金山店鐵礦的實際情況，考慮經(jīng)濟效益、生產(chǎn)安全、成本控制等因素，最終確定采用深錐濃密方案。濃縮試驗表明尾礦濃縮后底流濃度可以達到65%以上。從金山店選廠尾礦性質(zhì)、實驗室試驗結果及設備可靠性多方面因素考慮分析，采用2 臺20 m 深錐濃密機作為尾礦濃縮設備。

尾礦濃縮系統(tǒng)由選廠隔膜泵房、尾礦管線、制備站和深錐濃密機組成。隔膜泵房位于金山店選廠尾礦車間標高42.6 m，20 m 深錐濃密機位于制備站，進料口標高156.6 m，尾礦輸送管線2 000 m。經(jīng)計算，采用現(xiàn)有1 臺300 m3/h 隔膜泵和2 臺120 m3/h隔膜泵同時工作即可滿足尾礦輸送的要求，全年作業(yè)時間7 920 h，平均輸送尾礦量166.67 t/h 左右，輸送管材采用D325 mm ×16 mm 陶瓷復合管。尾礦回水管道采用1 條D325 mm ×8 mm 無縫鋼管，回水管線明設與尾礦輸送管線平行，全長1 200 m。

金山店鐵礦所處南方多雨地區(qū)，僅用濃縮膏體堆壩難以確保尾礦庫的安全，而進行壓濾成本高、生產(chǎn)能力難以提升，需要采取其他措施，本研究擬對濃縮尾礦采取固化措施來解決這一技術問題。

2 尾礦高效固化技術研究

2.1 固化試驗方案

金山店鐵礦尾礦干堆除露天堆存外，還需要考慮在塌陷區(qū)和采空區(qū)堆存。向塌陷區(qū)、采空區(qū)堆存尾礦時，因為塌陷區(qū)底部可能存在與地下采空區(qū)巷道相連的溶洞、裂隙，為避免尾礦漿液沿裂隙、孔洞流入地下巷道，危及地下采礦作業(yè)人員生命，必須確保固化后的尾砂不具有流動性、有一定的抗壓強度。所以試驗的要求為:①摻入固化劑的尾砂漿液，在短時間內(nèi)達到初凝;②3 d 的抗壓強度達到0.05 MPa 以上。

固化試驗以室內(nèi)試驗為主，部分試驗的制樣和養(yǎng)護放在現(xiàn)場。固化試驗采用濃度62%的尾礦，試驗針對特定的S、Y、G、L、H 和Z 等6 種固化劑實施，在滿足試驗要求的前提下，選擇綜合成本最低的固化劑和生產(chǎn)配比。

固化試驗具體實施步驟如下:①首先實施初選試驗，采用濃度為62%的尾砂漿液分別與6 種不同固化劑進行試驗，測其前期流動性及不同養(yǎng)護天數(shù)下的抗壓強度，依據(jù)試驗要求并考慮成本，擇優(yōu)選出2 種固化劑;②開展現(xiàn)場驗證試驗，對初選出的2 種固化劑進行現(xiàn)場試驗，選取指標較優(yōu)的1 種固化劑進行下一步試驗;③進行性能檢測試驗，對選出擬用于生產(chǎn)的固化劑從多方面進行檢驗，除抗壓、抗剪強度指標外，還包括對泌水性、耐水性、體積收縮性以及和易性等指標進行檢測，室內(nèi)性能檢測所用試樣如圖1 所示。

圖1 固化試驗室內(nèi)試樣Fig.1 Test sample in solidifying laboratory

2.2 固化試驗結果分析

通過初篩試驗，并綜合考慮成本，選出H 和Z 型固化劑，2 種固化劑灰砂比為1∶ 40 和1∶ 30 時滿足試驗要求。進一步開展現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場試驗中Z 固化劑固化性能較差，不能滿足試驗要求，而H 固化劑當灰砂比為1∶ 30 時滿足試驗要求。性能檢驗試驗采用H 固化劑，灰砂比采用1∶ 30 和1∶ 24，試驗內(nèi)容包括泌水性試驗、體積收縮性試驗、耐水性試驗、塌落度試驗和直剪試驗。以下對試驗結果進行分析。

(1)泌水性。摻入H 固化劑的尾砂固化體泌水試驗表明:在前5 h 泌水速度較快，之后速度減慢，在10 h 后泌水量趨于穩(wěn)定?；疑氨?∶ 30 時，總泌水量約為尾砂固化體體積的12%;灰砂比1∶ 24 時，總泌水量約為尾砂固化體體積的10%?？梢?，在相同濃度的尾礦下，固化劑摻量增加，泌水性降低，泌水量減少，因為大部分的自由水參與固化劑與尾礦的水化反應。試驗結果如圖2 所示。

圖2 固化尾礦泌水性Fig.2 Bleeding performance of the solidified tailings

(2)固化尾礦體積收縮性。體積收縮試驗表明:灰砂比1∶ 30 和1∶ 24 時，在養(yǎng)護4 d 后垂直方向沉降已經(jīng)停止，最大沉降量分別為4.7 mm 和3.7 mm。體積收縮在養(yǎng)護5 d 后趨于穩(wěn)定，體積分別收縮了18%和12.3%。可見，在相同尾砂濃度下，體積收縮性與固化劑摻量成反比，與泌水性強弱成正比。試驗結果如圖3、圖4 所示。

圖3 固化尾礦垂直沉降量Fig.3 Vertical settlement of solidified tailings

圖4 固化尾礦體積收縮率Fig.4 Volume shrinkage of solidifying tailings

(3)固化尾礦強度。從抗剪強度試驗可以看出，養(yǎng)護3 d和7 d后，灰砂比1 ∶ 24 時的尾砂固化體黏聚力值要大于灰砂比1∶ 30 時的指標;在相同摻量下，慢剪得出的黏聚力指標要高于固化快剪的指標。養(yǎng)護7 d 的黏聚力要大于3 d 的黏聚力。養(yǎng)護28 d后自然狀態(tài)下的抗剪強度指標較7 d 的相應指標有一定增長，但不是很大。這說明固化尾砂在7 d 左右時間已建立一定的強度，后期強度增長較慢。當固化尾砂養(yǎng)護28 d 后在水中浸沒1 d，抗剪強度指標衰減很小。具體結果如圖5 ～圖11 所示。

圖5 灰砂比1∶ 24 固化尾礦3 d 抗剪強度Fig.5 Shear strength of three-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 24

(4)耐水性。摻入H 固化劑的尾砂固化試塊，在冷水中浸泡24 h 后，表面完好，無裂紋，如圖12 所示。測其抗壓強度值，可知灰砂比分別為1∶ 30 和1∶ 24時的強度分別衰減了13%和16.5%。由于養(yǎng)護時間較短，固化試塊的強度沒有建立完全，且在冷水中浸泡24 h，對試塊前期形成的強度影響較大。灰砂比越大，需要反應的時間越長，因此，前期在水中浸泡對于灰砂比1∶ 24 的試塊比對灰砂比1∶ 30 的試塊抗壓強度影響更大。在實際工程中，應該盡量保證尾砂固化體在前期處于自然養(yǎng)護，以便固化體能夠建立足夠的抗壓強度。

圖6 灰砂比1∶ 30 固化尾礦3 d 抗剪強度Fig.6 Shear strength of three-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 30

圖7 灰砂比1∶ 24 固化尾礦7 d 抗剪強度Fig.7 Shear strength of seven-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 24

圖8 灰砂比1∶ 30 固化尾礦7 d 抗剪強度Fig.8 Shear strength of seven-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 30

圖9 灰砂比1∶ 24 固化尾礦28 d 抗剪強度Fig.9 Shear strength of twenty eight-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 24

圖10 灰砂比1∶ 24 固化尾礦28 d 抗剪強度(泡水24 h)Fig.10 Shear strength of twenty eight-day-cured solidified tailings with a gray and sand ratio of 1∶ 24(soaked in water for 24 hours)

圖11 不同養(yǎng)護天數(shù)固化尾礦抗壓強度變化Fig.11 Variation of Shear strength of solidified tailings cured for different duration

圖12 浸泡24 h 后表面完好，無裂紋Fig.12 Intact and crack-free surface after soaked for 24 hours

(5)塌落度試驗。另外還做了塌落度試驗，3 h塌落度26.3 ～28.4 cm，可以實現(xiàn)自流輸送，在壩頂放礦時，尾礦漿也能夠較好自流。

2.3 固化試驗效果評價

經(jīng)過上述試驗步驟確定固化劑后，通過多種試驗驗證固化效果。從泌水性試驗分析，泌水量約為10%，且到短時間內(nèi)(試驗中為20 h)基本停止，這樣能確保尾礦的流動性，對輸送是有利的;體積收縮也在短時間內(nèi)穩(wěn)定，不致影響堆壩后的穩(wěn)定性;從抗剪強度分析，參考《GB50863—2013 尾礦設施設計規(guī)范》附表C 進行比較，固化后的尾礦黏聚力得到很大的提升，以灰砂比1∶ 24 固化尾礦7 d 抗剪快剪指標為例，與尾粉土相比，內(nèi)摩擦角相差無幾，而黏聚力則達到3 倍以上，固結效果相當顯著，與尾中砂相比，雖然內(nèi)摩擦角為后者的86%，但黏聚力達到后者的400%，綜合來看，強度也顯著提高;另外抗壓強度滿足試驗要求，而且隨著時間穩(wěn)步增長，28 d 抗壓強度達到0.2 MPa 以上;短時間耐水性較優(yōu)，長期耐水性還需要實踐進一步檢驗;塌落度試驗表明固化尾礦流動性較好，滿足輸送要求。綜上所述，金山店鐵尾礦固化試驗數(shù)據(jù)充足，試驗效果理想，生產(chǎn)中灰砂比可以在1∶ 30 和1∶ 24 之間選取。

3 金山店固化尾礦堆壩工藝研究

3.1 尾礦固化干堆工藝

(1)尾礦固化工藝?，F(xiàn)有直徑70 m 普通濃密機27% ～30%濃度的尾礦由隔膜泵與管道(325 mm×16 mm)輸送至仙人山制備站20 m 深錐濃密機上口;尾礦在濃密機內(nèi)進行絮凝沉降并控制泥床高度來得到65%左右濃度的尾礦，底流尾礦與適量固化劑經(jīng)高濃度攪拌機混合攪拌，然后通過管道(主管219 mm ×10 mm 與PF 鋼絲塑料復合管219 mm ×15 mm)自流至露天干堆場;濃密機溢流自流至水池(用于清洗攪拌機和管道)，其余通過無縫鋼管325 mm×8 mm 返回選廠循環(huán)水系統(tǒng)再利用。

圖13 尾礦固化干堆工藝流程Fig.13 Process chart of dry stacking of the solidified tailings

(2)固化尾礦干堆設計。尾礦堆壩方式類似上游法，堆壩過程進行分區(qū)實施，子壩坡比1∶ 2，總壩坡比小于1∶ 2.5，目前工程已完成一期子壩堆筑。

3.2 尾礦固化制備與輸送

為了節(jié)省設備投資、降低運行費用及操作管理簡便，尾礦干堆采用管道自流輸送。制備站設在余華寺干堆場地附近且具有一定高差的仙人山緩坡地段。制備站平面52.0 m×41.5 m，占地2 158 m2，場地標高+139.0 m;其中攪拌機站12.0 m ×8.5 m，占地102 m2，地面標高+135.0 m(自流管道最高點+135.0 m，最低點+47 m，最大相對高差88 m)。

制備站耗用材料除了鋼結構筒倉外，主要是工藝管道。材料品種主要有普通鋼板(厚12 mm)，不同規(guī)格的無縫鋼管，PF 鋼絲塑料復合管等。其中70 m 普通濃密機底流尾礦泵送耐磨陶瓷管道規(guī)格325 mm×16 mm，管道長度2 km(70 m 普通濃密機泵房至制備站的直線距離1.5 km)，高差118.9 m(+42.8～+158.7 m);回水用無縫鋼管(325 mm ×8 mm)長2 km 制備站自流至選廠)。此外還有各種型號的閥門、單向閥等。

3.3 固化尾礦干堆效果評價

武鋼金山店鐵礦尾礦固化干堆先進行試運行，試運行過程順利，經(jīng)過濃縮脫水后尾砂濃度達到65%以上，尾礦濃縮工藝研究達到了預期目標，生產(chǎn)中灰砂比采用1∶ 27，尾礦堆體穩(wěn)定性較好。

尾礦濃縮固化工藝試運行順利之后投入使用，運行3 個月后礦方委托工勘單位對尾礦堆體進行鉆孔取樣進行物理力學試驗(見表2)，試驗數(shù)據(jù)表明固化后尾砂堆積體強度較高，固化效果理想。

根據(jù)勘察報告的試驗數(shù)據(jù)，采用巖土分析軟件GeoStudio 對現(xiàn)狀尾礦和堆壩20 m 后的壩體進行極限平衡穩(wěn)定性分析，計算結果見表3。從壩體穩(wěn)定性分析結果可知，武鋼金山店鐵礦尾礦固化干堆運行良好，達到了預期的效果。

4 結 論

(1)提出采用深錐濃縮脫水并進行固化的工藝應用于武鋼金山店鐵礦尾礦處置，濃縮后的尾礦濃度能達到65%，添加固化劑后的尾礦3 d 強度達到0.05 MPa 以上。利用現(xiàn)有閑置場地，通過2 臺20 m深錐濃密機濃縮尾礦，添加固結劑混合攪拌，形成有一定強度的膏體，通過自流輸送，排入尾礦堆場，最終實現(xiàn)尾礦干堆排放，且成功安全運行。

(2)金山店鐵礦采用干堆處置尾礦，避免了新建尾礦庫，節(jié)省了大量時間，經(jīng)濟上也更劃算，干堆系統(tǒng)服務完后還可以作為充填系統(tǒng)使用。金山店鐵礦尾礦處置是南方多雨地區(qū)實施尾礦干堆的成功案例，對南方多雨地區(qū)類似工程有重要的參考借鑒意義。

表2 尾礦強度試驗統(tǒng)計表［11］Table 2 Results of strength test of the tailings［11］

表3 干堆場穩(wěn)定性分析結果Table 3 Analysis of dry tailings dam stability

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