柴森茂

(太鋼集團(tuán)嵐縣礦業(yè)有限公司，山西 呂梁 033504)

0 引言

太鋼袁家村鐵礦位于山西省呂梁境內(nèi)，設(shè)計(jì)服務(wù)年限39年，設(shè)計(jì)年處理原礦2 200 萬(wàn)t，年排放尾礦1 460 萬(wàn)t。選礦廠磨礦粒度微細(xì)，綜合尾礦粒度-0.075 mm約占91.3%，不能用于筑壩，因此尾礦庫(kù)采用露天采場(chǎng)剝離的廢石筑壩，設(shè)計(jì)采用廢石一次性筑壩、分期實(shí)施的方案。在生產(chǎn)規(guī)模大(尾礦處理量972 萬(wàn)m3/a)、尾礦庫(kù)容大(全壽命庫(kù)容5.89 億m3)、壩高高(筑壩高度最終250 m)以及濕陷性黃土地基條件下微細(xì)粒尾礦如何實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保堆存，國(guó)內(nèi)外沒有成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。袁家村鐵礦尾礦采用濕式排放工藝，尾礦庫(kù)投產(chǎn)至今通過(guò)不斷在尾礦排放方面的摸索改良，探索出微細(xì)粒尾礦廢石筑壩尾礦庫(kù)尾礦排放關(guān)鍵技術(shù)。目前，庫(kù)內(nèi)干灘狀況不斷優(yōu)化，尾礦庫(kù)各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)展良好，為微細(xì)粒尾礦堆存提供了關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

1 袁家村鐵礦尾礦庫(kù)介紹

太鋼袁家村鐵礦白化宇尾礦庫(kù)位于山西省嵐縣袁家村鐵礦采場(chǎng)西北側(cè)的近周營(yíng)、白化宇村，距嵐縣縣城約20 km，距太原市約115 km。尾礦庫(kù)庫(kù)址選擇在距選礦廠約4 km的白化宇村。尾礦庫(kù)匯水面積10.4 km2，平均坡度7%，溝長(zhǎng)約4.4 km。場(chǎng)地三面環(huán)山，山前堆積的黃土被溝谷切割，形成近似黃土梁地貌形態(tài)。地面最大高差超過(guò)300 m。壩址區(qū)跨越數(shù)座山丘、數(shù)條溝谷。尾礦庫(kù)總庫(kù)容約5.89 億m3、服務(wù)年限48.5年。尾礦庫(kù)采用露天采場(chǎng)剝離的廢石筑壩，筑壩方式為下游式筑壩方式，設(shè)計(jì)采用廢石一次性筑壩、分期實(shí)施的方案。 廢石筑壩最終堆積標(biāo)高+1 800.0 m，設(shè)計(jì)最終壩高250 m。

2 尾礦排放工藝設(shè)計(jì)

與常規(guī)尾礦濕式處理相比，尾礦干堆技術(shù)在尾礦入庫(kù)前將尾礦中的大部分水回收循環(huán)利用，同時(shí)減少尾砂入庫(kù)后水分向自然環(huán)境中的流失，保護(hù)自然水體。在國(guó)家節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的號(hào)召下，尾礦干堆技術(shù)將成為未來(lái)尾礦處理的主流。比較適合尾礦膏體干堆的條件有：1)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件干燥，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量的地方；2)通過(guò)試驗(yàn)證明能夠產(chǎn)生膏體的自動(dòng)濃縮設(shè)備并且在不使用太多的絮凝劑時(shí)能夠制成膏體；3)相對(duì)平坦的足夠大的處理膏體尾礦的場(chǎng)地及合適的輸送距離及高度。這種尾礦的處理方式提高了尾礦輸送的能力、提高尾礦的回水率，減少了尾礦入庫(kù)水量的流失、尾礦庫(kù)容利用系數(shù)高，占地面積少，大幅度縮短了尾礦固結(jié)的時(shí)間?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，通過(guò)比對(duì)使用兩種不同尾礦處理方式條件下在尾礦庫(kù)庫(kù)容、環(huán)保及后期運(yùn)行等方面的不同得出結(jié)論，見表1。

表1 常規(guī)濕式處理與濃縮尾礦干堆對(duì)比表

濃縮尾礦與常規(guī)尾礦在堆存處理上沒有突出的優(yōu)點(diǎn)，常規(guī)尾礦采用壩前多管分散放礦，在壩前形成尾礦的沉積灘體。而濃縮后的尾礦放礦方式的最大特點(diǎn)是在庫(kù)內(nèi)設(shè)多個(gè)點(diǎn)由上游向壩體方向放礦，在壩前形成集水區(qū)。這種放礦方式的優(yōu)點(diǎn)是庫(kù)容的利用系數(shù)高，但也存在一些缺點(diǎn)。例如：1)上游放礦需將管道鋪設(shè)在庫(kù)內(nèi)，需增加放礦管道及道路；2)濃縮的尾礦由上游向壩前沉積，在山坡面上形成若干個(gè)大的灘面，尾礦庫(kù)的防塵較難處理；3)尾礦由上游排放，集水區(qū)在壩前，這樣很可能使得尾礦庫(kù)的調(diào)洪庫(kù)容減小，降低了尾礦庫(kù)調(diào)蓄洪水的能力。

同時(shí)，要完成尾礦的干堆處理，不僅在尾礦的排放管線的布置和移動(dòng)方面存在很多問(wèn)題，還需要面臨著高昂的尾礦脫水費(fèi)用及膏體尾礦輸送等一系列難題。

因此，尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)采用廢石筑壩的方案，尾礦壩與廢石場(chǎng)相結(jié)合，采用壩前多管分散放礦，為增加尾礦庫(kù)的庫(kù)容利用系數(shù)，可在尾礦庫(kù)使用后期將尾礦放礦管伸向庫(kù)內(nèi)，在庫(kù)內(nèi)充填。

3 生產(chǎn)實(shí)踐及技術(shù)創(chuàng)新

3.1 人造黃土干灘的應(yīng)用

袁家村鐵礦試車期間，尾礦輸送濃度僅10%左右，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)輸送濃度60%，入庫(kù)水量遠(yuǎn)大于尾砂量，尾砂沉積難以形成干灘，庫(kù)內(nèi)水直接與廢石壩壩體接觸，并通過(guò)壩體廢石間隙在下游坡腳處局部形成滲漏。這樣對(duì)尾礦壩壩體存在潛在的危害有：壩體內(nèi)部水位線上升，影響初期壩的穩(wěn)定性；在高水力梯度作用下，有管涌和流土危害；堆石散體介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)對(duì)濕化較為敏感，散體會(huì)發(fā)生崩解和顆粒破碎，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變堆石體本體的物理力學(xué)性質(zhì)；尾礦庫(kù)安全管理關(guān)鍵指標(biāo)，特別是干灘長(zhǎng)度、安全超高等得不到保障，不符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)程的要求。

為解決以上問(wèn)題，采用了在尾礦庫(kù)內(nèi)堆筑黃土干灘方案，見圖1。

人造干灘長(zhǎng)度為同高程初期壩長(zhǎng)度，方向與初期壩平行，用的廢石取自采場(chǎng)，黃土取自尾礦庫(kù)；生產(chǎn)過(guò)程中，分為1 610 m、1 622 m、1 628 m、1 632 m、1 640 m五個(gè)堆筑標(biāo)高。隨著選礦系統(tǒng)穩(wěn)定，尾礦輸送濃度的提升，尾礦庫(kù)人造干灘前已形成穩(wěn)定尾砂干灘，至三期壩后不再堆筑人造干灘。人造黃土干灘是尾礦庫(kù)內(nèi)為形成穩(wěn)定干灘前有效過(guò)渡工程，有效提升了尾礦壩滲透穩(wěn)定性。

圖1 初期壩人造黃土干灘示意圖

3.2 廢石筑壩條件下尾礦放礦管道布設(shè)

根據(jù)國(guó)內(nèi)細(xì)粒級(jí)尾礦筑壩試驗(yàn)和細(xì)粒級(jí)的尾礦筑壩工程實(shí)踐，要求用于筑壩的尾礦粒級(jí)特征具有如下特征：1)平均粒徑 dp<0.030 mm；2)-0.019 mm 含量>50%；3)+0.074 mm 含量<10%；4)用于筑壩的粒徑+37 μm含量≤30%。袁家村鐵礦可筑壩尾礦粒度極少，磨礦粒度-0.074 mm 占92.75%，見表2。

表 2 袁家村尾礦泥顆粒分析試驗(yàn)

因此，利用采礦剝離的廢石分期填筑尾礦庫(kù)壩體，在廢石筑壩條件下直接將尾礦放礦主管道布設(shè)在廢石壩頂，放礦支管設(shè)置在壩內(nèi)坡。

在保證各期壩面設(shè)計(jì)標(biāo)高條件下，提升壩東高度，沿著壩面自東向西保持0.5%的坡降，保證放礦管道內(nèi)尾礦正常流動(dòng)，防止礦漿淤積。為避免放礦支管在壩內(nèi)坡放礦沖刷壩內(nèi)坡腳，設(shè)計(jì)專門的放礦管道支架：支架設(shè)置在壩內(nèi)坡，垂直距離距灘頂3 m，支架末端保持水平伸入庫(kù)內(nèi)1 m，通過(guò)鋼絲繩、鋼釬固定在尾礦壩內(nèi)坡黃土保護(hù)層上，將放礦支管布設(shè)在支架上，放礦時(shí)礦漿噴射入庫(kù)內(nèi)，避免了礦漿沖刷壩內(nèi)坡。通過(guò)穩(wěn)定的放礦生產(chǎn)，尾礦壩前沿壩已形成長(zhǎng)度超過(guò)450 m、安全超高5 m以上的尾礦干灘，見圖2。

圖2 尾礦排放

3.3 放礦管道優(yōu)化

尾礦礦漿通過(guò)選礦廠隔膜泵、尾礦輸送管道到達(dá)尾礦壩前，為消除礦漿過(guò)高勢(shì)能，設(shè)置緩沖箱、逐級(jí)跌落管道系統(tǒng)。為消除尾砂沖擊力，保護(hù)跌落管，設(shè)計(jì)在跌落管底部放置了緩沖墊片，每組管道底部放置了4個(gè)橡膠墊片，厚度約30 cm，12組共計(jì)48個(gè)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中該橡膠墊片雖能起到一定的緩沖作用，但重量較輕，易被礦漿浮起，堵塞放礦主管道，出現(xiàn)跌落管頂部溢礦，影響正常生產(chǎn)。隨之將管內(nèi)橡膠墊片全部取出，用鋼球代替，在跌落管底部第一層放置了直徑約10 cm的鋼球19個(gè)，第二層放置18個(gè)，由于鋼球重量較大不會(huì)隨礦漿帶走，所以既能防止尾砂沖刷管道又能避免管道堵塞。

尾礦初期壩(1 630 m)在放礦主管道上每隔12 m安裝一根分散放礦支管，放礦管道維護(hù)難度大。在二期壩(1 650 m)進(jìn)行每隔24 m安裝一根分散放礦支管研究，發(fā)現(xiàn)干灘形成正常，于是在三期壩(1 670 m)上面直接進(jìn)行每隔24 m安裝一根分散放礦支管設(shè)計(jì)，使得三期壩放礦支管數(shù)量由原先的113根減少至63根，有效減少支管數(shù)量，從管道備件數(shù)量、安裝、維護(hù)成本上均有較大降低，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 放礦方式優(yōu)化

尾礦初期壩、二期壩尾礦排放方式采用分組分散放礦，放礦時(shí)開啟單組相應(yīng)數(shù)量的放礦支管，該放礦方式存在支管間距近，存在嚴(yán)重的匯流現(xiàn)象，由于單根管流量較大，灘面上礦漿流速大，尾砂沉積時(shí)間短，導(dǎo)致干灘上升速率慢，每月上漲速率保持在0.5 m，且灘面上常出現(xiàn)深度1 m以上的沖刷溝，對(duì)起灘效果不利，干灘坡度維持在0.5%左右；單組放礦不均勻，需經(jīng)常調(diào)整放礦支管位置，耗費(fèi)人力、物力，對(duì)生產(chǎn)組織不利。單組放礦時(shí)由于每組只有11根放礦支管，存在單個(gè)放礦閥門長(zhǎng)時(shí)間開啟的現(xiàn)象，導(dǎo)致該組管道內(nèi)的三通磨損嚴(yán)重，常出現(xiàn)三通漏礦現(xiàn)象，對(duì)放礦管控難度較大。

三期壩后改善放礦方式，由單組放礦改成多組聯(lián)合放礦，在開啟的放礦支管數(shù)量不變的條件下大幅度提高了放礦支管間距，使得礦漿沖擊面積提高，礦漿流速變緩，為尾礦沉積提供優(yōu)良條件，起灘效果明顯提高。通過(guò)放礦方式的改善，尾礦庫(kù)內(nèi)干灘坡度由之前的0.5%提升至0.7%，干灘長(zhǎng)度穩(wěn)定在350 m以上。

四期壩后持續(xù)對(duì)放礦方式進(jìn)行優(yōu)化，在多組聯(lián)合放礦基礎(chǔ)上實(shí)施對(duì)放礦支管的進(jìn)一步分散，放礦時(shí)單管流量降低至原先的三分之一，有效減緩了礦漿在灘面上的流速，在壩內(nèi)坡前有充足時(shí)間沉積，使得庫(kù)內(nèi)干灘上漲速率穩(wěn)定在每月0.41 m的情況下，灘面更加平整、起灘更加均勻，截止2020年上半年，尾礦庫(kù)灘面坡度已提升至了1.12%，安全超高達(dá)到5.5 m以上，調(diào)洪庫(kù)容顯著提升，尾礦庫(kù)安全儲(chǔ)備明顯提升，具體參數(shù)見表3。

表3 2016～2020年尾礦庫(kù)干灘變化

4 結(jié)語(yǔ)

袁家村鐵礦尾礦庫(kù)開發(fā)的尾礦排放關(guān)鍵技術(shù)，解決了生產(chǎn)規(guī)模大、磨礦粒度細(xì)及廢石筑壩條件下，微細(xì)粒尾礦高效、安全、經(jīng)濟(jì)堆存的技術(shù)難題，為類似尾礦庫(kù)的建設(shè)、發(fā)展提供了可參考借鑒的模式，社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益顯著。