楊 超 郭利杰 李文臣

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628）

采用傳統(tǒng)的低濃度尾礦排放工藝，存在管道輸送量大、能耗高及尾礦庫回水困難、安全性差等問題［1-2］。全尾砂膏體料漿管道排放技術(shù)是近些年發(fā)展起來的尾礦排放新技術(shù)，具有占地面積小、節(jié)約投資及運(yùn)行費(fèi)用、輸送能耗低、水循環(huán)利用效率高及安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)［3-4］，因此，在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展。

本項目以某銅礦大流量全尾膏體料漿管道輸送為研究背景，針對礦山日生產(chǎn)尾礦量為58 000 t（干量）特點(diǎn)，通過開展尾礦基礎(chǔ)參數(shù)測試、全尾砂膏體料漿高效濃縮試驗及料漿流變試驗，確定了最佳輸送濃度為60%～65%；在此基礎(chǔ)上選取適宜的數(shù)學(xué)計算模型，分別計算管道輸送臨界流速，確定了工作流速，并分別計算其阻力損失；最終綜合分析確定了最佳的管道輸送方案及工藝參數(shù)。

1 尾砂物化特性

1.1 尾砂化學(xué)成分

某銅礦尾礦化學(xué)成分測試結(jié)果見表1。

表1測試結(jié)果表明：SiO2及CaO為此銅尾礦中主要成份，兩者占比達(dá)到62.59%；S含量為4.84%，含量不高；其余占比較高的金屬元素氧化物為TFe、Al2O3、MgO，其總含量占比為17.25%?？傮w來看，此尾礦符合一般固體廢棄物排放標(biāo)準(zhǔn)，可按照一般固體廢棄物進(jìn)行處置。

1.2 尾礦物理參數(shù)

物理參數(shù)按照《GB/T 50123—1999土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測定，如表2所示。

1.3 粒徑組成

對+75 μm粒徑采用水析法測定，對-75 μm粒徑采用激光粒度法進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

2 全尾砂膏體料漿高效濃縮試驗

2.1 最佳絮凝濃縮進(jìn)料濃度

目前金屬礦為了獲得較高的選礦回收率，一般選礦磨礦細(xì)度較細(xì)，得到的尾礦粒度非常細(xì)，且顆粒形態(tài)復(fù)雜［5］。根據(jù)尾礦粒級測試結(jié)果，試驗用尾礦屬于細(xì)粒級尾礦。因此，為了保障尾礦能夠得到高效濃縮，需將尾礦料漿進(jìn)料稀釋到合適的濃度，此時絮凝劑才能發(fā)揮最佳效果［6］，從而加速尾礦顆粒沉降，獲得較好的絮凝濃縮參數(shù)。

試驗采用愛森公司的6013S絮凝劑，按照尾礦干料的8 g/t添加；進(jìn)料濃度分別為10%、12%、14%、16%、18%、20%。試驗結(jié)果如表4所示。

試驗結(jié)果表明：進(jìn)料濃度在10%至18%之間時，絮凝濃縮處理能力隨著濃度的增加而增加，說明濃縮效率在不斷增加，當(dāng)進(jìn)料濃度大于18%時，處理能力開始下降，根據(jù)試驗結(jié)果，并考慮一定的生產(chǎn)波動性，推薦尾礦絮凝濃縮最佳進(jìn)料質(zhì)量濃度為14%～16%。

2.2 最佳絮凝劑添加量

尾礦料漿最佳進(jìn)料濃度及絮凝劑添加量是影響絮凝濃縮效果最重要的2個因素［7］。最佳絮凝劑添加量試驗進(jìn)料濃度為14%，采用愛森公司的6013S絮凝劑，絮凝劑添加量按照尾礦干料的8 g/t、10 g/t、12 g/t、15 g/t添加。試驗結(jié)果如表5所示。

試驗結(jié)果表明：隨著絮凝劑添加量的增加，絮凝濃縮處理量增加，當(dāng)絮凝劑用量為8 g/t時，就可得到較為理想的沉降速度及處理量。同時考慮實(shí)際生產(chǎn)中，由于物料波動等因素，推薦最佳的絮凝劑添加量為8～12 g/t。

2.3 底流濃度

底流濃度是考察尾礦料漿濃縮效果的一項重要指標(biāo)［8］，按照進(jìn)料濃度為14%、16%，絮凝劑添加量為8 g/t、10 g/t、12 g/t、14 g/t進(jìn)行試驗，共計試驗8組，測試底流濃度結(jié)果如表6所示。

試驗結(jié)果表明：在進(jìn)料濃度一致的條件下，隨著絮凝劑添加量的增加，底流濃度逐漸降低；同時絮凝劑添加量在8 g/t至12 g/t的條件下，底流濃度均在60%以上，最高達(dá)到65%。

3 全尾砂膏體料漿流動性及流變參數(shù)測試

3.1 流動性測試

采用擴(kuò)散度法進(jìn)行料漿流動性能測試，通過測定料漿擴(kuò)散直徑表征料漿流動性能［9］。本次試驗設(shè)計尾礦料漿濃度分別為60%、62%、64%、66%、68%、70%，共計6組。圖1為不同濃度料漿流動狀態(tài)，試驗結(jié)果如表7所示。

試驗結(jié)果表明：隨著濃度的增加料漿擴(kuò)散直徑逐漸變小，說明全尾砂膏體料漿的流動性能變差，采用管道輸送時管道摩阻損失將增大。同時結(jié)合濃縮試驗結(jié)果，推薦礦山充填料漿輸送濃度為60%～65%。

3.2 流變參數(shù)測試

膏體及似膏體狀態(tài)的全尾砂漿體屬于Bingham流體，即當(dāng)剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時，漿體才能發(fā)生流動，具有塑性液體性質(zhì)［10］，其表達(dá)式為

式中，τ0為屈服應(yīng)力，Pa；η為塑性黏度系數(shù)，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。

試驗采用RST-SST型軟固體流變儀進(jìn)行不同濃度全尾砂漿體流變參數(shù)測定。設(shè)計測試濃度為60%、62%、64%、66%、68%、70%。圖2及圖3為60%和62%濃度的料漿流變曲線。

對測試的料漿流變曲線進(jìn)行擬合，計算流變參數(shù)τ0及η，結(jié)果見表8。

漿體管道輸送阻力是管道設(shè)計中最重要的一個參數(shù)，流變參數(shù)τ0及η是影響管道輸送阻力的主要因素［11］。試驗結(jié)果表明：全尾砂膏體料漿濃度從60%增加至70%，τ0及η均大幅增加，其中τ0增加約4倍，η增加約2倍。根據(jù)流動性測試及流變參數(shù)測試結(jié)果，推薦全尾砂膏體料漿輸送濃度為60%～65%。

4 全尾砂膏體料漿管道輸送參數(shù)計算與分析

4.1 尾礦管道輸送臨界流速計算分析

4.1.1 臨界流速數(shù)學(xué)模型

漿體管道輸送的另一個主要參數(shù)為管道的工作流速，它決定管道輸送量及管徑。而工作流速在漿體管道中由于固體顆粒存在，主要由臨界流速決定，即工作流速必須大于臨界流速。

本次試驗所用60%～65%的尾礦料漿為復(fù)合流態(tài)，管道輸送臨界流速采用劉德忠公式與瓦斯普公式進(jìn)行計算，兩者對比后取大值作為臨界流速。劉德忠公式見式（2），瓦斯普公式見式（3）。

式中，VC為臨界流速，m/s；CV為尾礦漿體體積濃度，%；ρk為尾礦漿體密度，kg/m3；ρ1為尾礦漿體細(xì)顆粒似均質(zhì)部分密度，kg/m3；ω為尾礦顆粒在似均質(zhì)部分加權(quán)平均沉速，m/s，按表9計算；ωs為尾礦在水中加權(quán)平均沉速，m/s，按表9計算；g為重力加速度，m/s2；D為管道內(nèi)徑，m；ρg為尾礦密度，kg/m3；d85為物料尺寸，表示比該尺寸小的物料占總質(zhì)量的85%，m。

4.1.2 臨界流速計算

根據(jù)尾礦密度、尾礦粒徑、管徑及粗糙度等基礎(chǔ)參數(shù)，采用式（2）與式（3）分別計算出不同濃度，不同管徑條件下的臨界流速。結(jié)果表明式（2）計算的臨界流速普遍高于式（3），為了確保輸送可靠性，選擇式（2）計算結(jié)果作為管道輸送臨界流速。

采用劉德忠公式（式（2））計算的臨界流速見表10，計算結(jié)果表明：臨界流速隨管徑的增大而增大，隨濃度增大而減小。根據(jù)計算的臨界流速，可以設(shè)計選擇工作流速，工作流速V=1.1～1.15VC，其中V為管道工作流速，VC為管道臨界流速。

注：η為塑性黏度系數(shù)，Pa s；d為某粒徑區(qū)間內(nèi)加權(quán)平均粒徑，m；ωL為某粒徑區(qū)間內(nèi)尾礦在水中沉速，m/s；ωi為某粒徑區(qū)間尾礦料漿中沉速，m/s。

4.2 尾礦管道輸送摩阻損失計算分析

4.2.1 摩阻損失數(shù)學(xué)模型

本次試驗所用60%～65%的尾礦料漿為復(fù)合流態(tài)，管道復(fù)合流態(tài)摩阻損失按下式計算：

其中，i1用達(dá)西—韋斯巴赫公式計算：

Δi2用瓦斯普—杜蘭德公式計算：

式中，ik為復(fù)合流態(tài)摩阻損失，mH2O/m，1 mH2O=9.8 kPa；i1為似均質(zhì)部分摩阻損失，mH2O/m；Δi2為非均質(zhì)部分摩阻損失，mH2O/m；(C1D)i為尾礦顆粒在載體似均質(zhì)部分沉降阻力系數(shù)；ωi為某粒級尾礦在載體似均質(zhì)部分沉速，m/s，見表9；K為系數(shù)，復(fù)合流態(tài)可根據(jù)似均質(zhì)部分占的比重多少酌量選取，若似均質(zhì)部分占的比重多可取K=150，若非均質(zhì)部分占的比重多可取K=82；λ為達(dá)西摩阻系數(shù)，λ=4f，f為范寧摩阻系數(shù)；s為相對密度，計算公式為：

4.2.2 摩阻損失計算

根據(jù)式（4）～式（8）計算不同濃度、不同流速條件下管道輸送摩阻損失，結(jié)果如表11～表13所示。根據(jù)計算摩阻值繪制的摩阻損失與流速關(guān)系圖，如圖4～圖6所示。

圖4～圖6結(jié)果表明：在濃度一定的條件下，摩阻損失隨著流速增大而增大；在流速一定的條件下隨著輸送濃度的增大而增大。因此，為了保障安全輸送，在保證大于臨界流速條件下，輸送流速不宜過大。推薦輸送流速為1.7～2.2 m/s。

4.3 輸送管徑確定

某銅礦尾礦產(chǎn)量為58 000 t/d，不同濃度、不同管徑對應(yīng)的工作流速見表14。

輸送工作流速一般為臨界流速的1.1倍，對比臨界流速計算表10。輸送濃度為60%～65%時，輸送工作流速為1.85～2.12 m/s，對應(yīng)管徑為650 mm，滿足安全穩(wěn)定輸送條件。

5 結(jié)論

（1）針對某銅礦開展全尾砂膏體料漿高效濃縮試驗，確定了最佳進(jìn)料濃度在14%～16%之間，最佳絮凝劑添加量在8～12 g/t，其最終底流濃度最高達(dá)到65%。

（2）根據(jù)高效濃縮試驗結(jié)果，結(jié)合流動性及流變試驗結(jié)果，綜合分析確定全尾砂膏體料漿最佳輸送濃度為60%～65%。

（3）經(jīng)臨界流速計算、輸送摩阻計算，最終推薦輸送流速在1.7～2.2 m/s之間較為事宜。

（4）輸送濃度為60%～65%時，推薦輸送管徑為650 mm，此時輸送工作流速為1.85～2.12 m/s，滿足安全穩(wěn)定輸送條件。