CN113874531B - 尾矿沉积 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理来自矿石的粉碎和加工的残渣的方法。该方法包括将加工残渣分级为透水砂部分和尾砂部分，将尾砂部分和砂部分沉积以形成由至少一个隔离墙(14)容纳的多层结构，砂部分形成通过尾矿部分(10)的连续通道(12)，从而允许尾矿和砂中的水通过重力经过砂通道流到排水点(16)，并从排水点回收水(18)。

Description

尾矿沉积
技术领域
本发明涉及一种从开采的尾矿中回收水并形成稳定地貌的方法。
背景技术
在硬岩采矿作业中消耗的大量水，例如用于回收碱金属或贵金属的水，都包含在非常微小的浮选或浸出尾矿中。需要精细研磨以释放矿石中的有价值成分，以达到令人满意的回收率。产生的尾矿被增稠以部分回收水，并且由于增稠的浆料仍处于液化状态，因此被水力沉积在称为尾矿储存设施(TSF)的专门建造的大坝中。
尾矿颗粒的直径通常小于150微米，并且由于它们的低渗透性，不容易排出或过滤以去除夹带的水。
即使在实施尾矿过滤的情况下，过滤产品的堆放和储存也可能存在问题，因为过滤后的尾矿难以处理且缺乏结构完整性。过滤和机械堆放都是高成本操作，并且仍然会产生在许多地貌中仍然难以储存的残留物。
因此，硬岩采矿业(例如铜或金或铂族金属(PGM)或其他碱金属)的两个长期目标是首先回收尾矿中消耗的水，其次是寻找一种低成本的方法将尾矿以干和稳定的形式堆放。
农业、建筑和土地稳定行业长期以来一直使用芯吸(wicking)的概念来脱水低导水率的土壤。
通过在排水不良的土壤中插入一层连续的较高导水率材料来创建芯式排水管(垂直和横向)，以允许水从低导水率土壤区域转移到更多孔的排水管，从那里它可以流到可以排放的地方。大多数芯式排水管使用包裹在中心多孔芯周围的透水土工织物，以使水从饱和土壤中选择性地流入多孔芯。
砂也被用作芯吸材料(通常称为法国排水管)，因为它具有很高的导水率(比排水不良的土壤高约2个数量级)。砂通道实现了从低电导率土壤(例如粘土)稳定地排放到砂井(sand drain)中，从那里它可以流到脱水点。不饱和砂的芯吸作用看起来将水从周围的饱和土壤中“抽出”。
对于矿山尾矿的脱水，可以应用类似的芯吸原理。
然而，矿山尾矿的尺寸分布使得它们的导水率较低(通常为10^-4至10^-6厘米/秒)，因此，当以任何大体积存在时，“永久”保持在饱和度以上；如果施加外部压力，可能出现尾矿液化的含水量。
沉降尾矿的最终含水量通常约为每吨尾矿0.5-0.55m3水。
事实上，在许多行政辖区，官方坚持在尾矿储存设施(TSF)的底部和侧面安装不透水衬层，以防止水从TSF持续泄漏到周围环境中。
由于所涉及的体积，用于容纳采矿残渣的TSF的隔离墙的偶尔故障可能是灾难性的。此类故障已造成生命损失和大规模环境破坏。
利用使用土工织物材料的垂直芯排水管对尾矿进行脱水的概念已成功试验用于加固历史尾矿，以便重新安置部分干燥的材料(Proceedings Tailings and Mine Waste2015Vancouver,BC，2015年10月26日至28日)。然而，在大型尾矿储存设施中以1-3米的间距安装非常大量的垂直芯排水管的成本令人望而却步。每个传统土工织物芯排水管的材料成本很高，每个排水管的放置成本也是如此。
与尾矿储存中的芯排水概念最接近的商业应用是一层砂或工程排水通道，它们通常放置在TSF底部的衬层上，以使水能够横向转移到脱水泵位置。然而，在更长的时间段上，TSF从大坝底部砂子中的有效脱水率是有限的。由于上覆尾矿的许多米的导水率低，并且空气无法进入置换尾矿中包含的水，因此只有与这些排水通道相邻的几米脱水。
因此，芯吸并未在整个采矿业中取得进展，即使在那些可回收的水具有重要价值的TSF位置也是如此。
正如Bentley等人(US3767050A)所请求保护的，提供高渗透层以帮助位于上方的较薄的低渗透尾矿层脱水的类似概念是带式过滤。通过将尾矿放置在下面的砂层上，可以加速低渗透尾矿浆的过滤。
在另一个类似的概念中，Ren等人(US 9188389 B2)通过重力将连续平行的多层细油砂尾矿分布在另一种渗透率较高的基础材料(例如从油砂精炼过程中获得的砂)的层上，以增加细尾矿的结构完整性。。
为了保持这些平行的多层的尾矿和砂(它们通过重力在一个扩展区域上水力沉积并流动)，在沉积之前对相应的浆料进行化学处理。这种化学处理与砂和尾矿部分的搁浅角度相匹配，以保持结构的两个部分的均匀深度，并使该角度与计划沉积的地貌坡度相匹配。该搁浅角通常大于1％，上限和下限受到通过相应浆料的化学改性可实现的调整的限制。层状结构中可达到的层厚度通常小于1m，并受到在添加下一层之前达到所需剪切强度所需的阈值脱水时间的限制。在此阈值脱水时间内，较高渗透性的层部分排水，提供可用于使覆盖的低渗透性层部分脱水的不饱和底部，从而提高复合结构的剪切强度。
此外，正在开发粗选矿技术以剔除粗粒度的脉石。这些粗选矿技术包括粗颗粒浮选(CPF)和非常粗的CPF残渣浸出等技术，以将矿石的有价值成分以更粗的研磨尺寸回收成更浓缩的形式。
这种来自CPF或砂堆浸出(SHL)的残余砂具有与常规尾矿相似的金属含量，因此被指定用于永久丢弃而不是更细的粉碎。这种在不牺牲回收率的情况下生产粗渣的能力为从所得砂渣中部分回收水开辟了选择。例如，使用CPF增加研磨粒度会产生单独的脉石流，它可以作为高渗透性、自由排水的砂渣沉积。
CPF砂渣可以单独堆放并排干以脱水至90％左右的固体(WO2017/195008)，或者与一定比例的常规尾矿混合以将尽可能多的尾矿混入砂中，同时仍保持堆积稳定性(WO2018/234880)。
由于CPF回收仍然依赖于有价值矿物的部分暴露和研磨过程中脉石的释放，因此只有在矿石被磨碎成小于中等砂的尺寸(通常约为3-500微米)时，才会发生所需矿物的充分暴露。当尺寸分布的上限是在CPF中可以实现高回收率的这个尺寸时，大约50％-70％的研磨矿石已经被研磨到与常规尾矿一致的尺寸。因此，即使利用在WO2018/234880中要求的CPF砂和尾矿的混合，也必须牺牲回收率以实现自由排水混合，或者只能通过混合实现尾矿的部分处置。因此，尾矿的储存问题仍然存在。
发明内容
本发明涉及一种处置矿石粉碎和加工残渣的方法，包括以下步骤：
将加工残渣分为透水砂部分和尾矿部分；
沉积尾矿部分和砂部分以形成由至少一个隔离墙容纳的多层结构，其中砂部分形成通过尾矿部分的连续通道，以允许尾矿和砂中包含的水通过重力流过砂通道并到达排水点；和
从排水点回收水。
隔离墙是人造或天然屏障，由可渗透或不可渗透的材料构成，其容纳沉积的尾矿层，以便随后放置砂通道和使尾矿层脱水。
一旦沉积，砂通道就会被一层水力沉积的尾矿覆盖。
砂部分通常包含p80大于150微米、优选大于300微米、甚至更优选大于400微米、最大3000微米的砂颗粒，并且是自由排水的。
自由排水是指砂将单独在重力的影响下排放到不饱和状态，并优选具有液压堆叠到任何高度的能力，并通过重力排出水以形成不饱和砂，所述不饱和砂通常含有少于15wt％的水。
尾矿部分通常包含p80小于200微米、通常小于150微米的颗粒，并且具有30wt％至70wt％(0.55–0.90m3水/m3尾矿浆)的典型水含量，具体取决于上游尾矿处理系统。
在沉积之前，尾矿部分可以用化学添加剂(如絮凝剂)进行处理，以形成更具渗透性的尾矿层，或改变自然搁浅角度。
优选地，至少50％的砂渣处于0.1至1mm的粒度范围内，优选地超过70％，并且甚至更优选地超过90％。
优选地，砂渣包含小于25％的低于0.75mm的材料，优选小于15％，甚至更优选小于10％。
最终的尾矿和/或砂可以在沉积之前部分脱水。
在本发明的方法中，尾矿层水力沉积，并在砂通道中进行脱水，直到尾矿层达到适合在尾矿层表面放置一个或多个砂通道的结构完整性，然后下一层尾矿水力地放置在砂通道上，该过程继续以构建多层结构。
砂通道可以水力地或机械地作为排出的固体放置。
砂通道可放置作为先前尾矿层的底部，使机械设备能够完成整个尾矿表面的砂放置。
在放置下一个砂通道之前，可以通过经由先前的砂通道的排水或通过机械挤压机对先前的尾矿层进行部分脱水
砂通道可以从位于水下尾矿储存设施顶部的浮船放置。
在一个实施方式中，结构的水回收端处的隔离墙是可渗透的，并且水通过墙从排水点排出。
在本发明的另一个实施方式中，结构的水回收端处的隔离墙是不透水的，并且通过从中心排水点泵送将水从围堵结构中去除。
优选地，在结构的沉积端处或通过与空气连接的任何其他手段为砂通道提供空气进入点。
通常，砂通道如此放置，使得从尾矿中的任何点到最近的砂通道的最大距离小于10米，优选小于3米，甚至更优选小于2米。
砂通道可以垂直和横向连接，以在尾矿内形成可渗透通道的3维矩阵。
砂通道的深度可以在0.05到2m之间，优选地在0.2到1m之间，甚至更优选地在0.3到0.7m之间。
在施工中，连续的砂通道沉积在尾矿层的顶部。
通常，尾矿部分水力沉积，以提供约0.5％至2％、通常为0.5％至1％、优选为约0.5％的搁浅角，以为水随后通过砂通道到排水点的重力流提供足够的坡度。
在本发明的一个实施方式中，砂部分和尾矿部分依次分层沉积，形成1-10m厚的尾矿层和平均0.05-2m厚的砂通道。
在本发明的另一个实施方式中，砂部分以间隔开的离散行沉积，尾矿部分按层顺序沉积，以形成1至10m厚的尾矿层和0.05至2m、通常0.05～1m厚的砂通道，间隔2～10m，一般为2～5m。
在本发明的另一个实施方式中，沉积砂，或放置土工织物芯吸排水管或等效物，例如在上下砂通道之间的尾矿层中形成垂直芯吸排水管。例如，这可以在施工期间通过覆盖一些或全部砂通道来实现，这样它们就可以形成通过尾矿的连续的垂直砂柱。也可以通过引入基于土工织物的芯吸排水管来互连砂通道而实现。
在本发明的另一个实施方式中，砂用于建造内部和外部沙堤。可以将堤细分以形成单独的隔离围场，然后通过尾矿水力沉积到适当高度来填充每个围场，让水排入下面的砂通道并通过可渗透的沙堤排出到集水点。然后重复铺设砂通道和抬堤的整个过程，最终形成具有所需高度和形状的砂与尾矿结构。
优选地，在该过程中，在任何时候，只有顶部3个尾矿层，优选顶部两个尾矿层，甚至更优选顶部一个尾矿层用水饱和，即其中至少一部分存在于固体颗粒之间的孔隙空间还没有被空气置换的尾矿，因此它们在施加应力时仍会液化。饱和土壤是一种孔隙空间充满水的土壤。
砂通道可以插入现有的开采尾矿储存设施中，以促进隔离墙附近尾矿的固结
砂优选通过单独的粗选矿工艺产生，尾矿通过矿石的常规浮选产生。
粗选矿工艺可以是粗颗粒浮选、筛选、重力分离、静电分离和磁力分离，通常是粗颗粒浮选。
或者，砂由砂堆浸出产生，尾矿由常规搅拌浸出产生。
本发明还包括一种矿山尾矿脱水场所，包括：
至少一个隔离墙；
包含在隔离墙中的多层结构，所述多层结构包括尾矿部分和砂部分，其中砂部分形成通过尾矿部分的连续通道，以允许尾矿和砂中包含的水在重力作用下流过砂通道；和
排水点。
砂部分通常包含p80大于150微米、优选大于300微米、甚至更优选大于400微米、最多3000微米的砂颗粒，并且是自由排水的。
自由排水是指砂单独在重力的影响下排放到不饱和状态，并优选具有液压堆叠到任何高度的能力，并通过重力排出水以形成不饱和砂，所述不饱和砂通常含有少于15wt％的水。
尾矿部分通常包含p80小于200微米、通常小于150微米的颗粒，并且具有30wt％至70wt％(0.55–0.90m3水/m3尾矿浆)的典型水含量，这取决于上游尾矿处理系统。
优选地，至少50％的砂渣处于0.1至1mm的粒度范围内，优选地超过70％，甚至更优选地超过90％。
优选地，砂渣包含小于25％的低于0.75mm的材料，优选小于15％，甚至更优选小于10％。
在一个实施方式中，结构的水回收端处的隔离墙是可渗透的，并且水通过墙从排水点排出。
在本发明的另一个实施方式中，结构的水回收端处的隔离墙是不透水的，并且通过从中心排水点泵送将水从围堵结构中去除。
优选地，在结构的沉积端处或通过与空气连接的任何其他手段为砂通道提供空气进入点。
通常，砂通道如此放置，使得从尾矿中的任何点到最近的砂通道的最大距离小于10米，优选小于3米，甚至更优选小于2米。
砂通道可以垂直和横向连接，以在尾矿内形成可渗透通道的3维矩阵。
砂通道的深度可以在0.05到2m之间，优选地在0.2到1m之间，甚至更优选地在0.3到0.7m之间。
在施工中，连续的砂通道沉积在尾矿层的顶部。
通常，尾矿部分水力沉积，以提供约0.5％至2％、通常为0.5％至1％、优选为约0.5％的搁浅角，以为随后通过砂通道至排水点的水重力流提供足够的坡度。
在本发明的一个实施方式中，砂部分和尾矿部分依次分层沉积，形成1-10m厚的尾矿层和平均0.05-2m厚的砂通道。
在本发明的另一个实施方式中，砂部分以间隔开的离散行沉积，尾矿部分按层顺序沉积，以形成1至10m厚的尾矿层和0.05至2m、通常为0.05～1m厚的砂通道，间隔2～10m，一般为2～5m。
在本发明的另一个实施方式中，沉积砂，或放置土工织物芯吸排水管或等效物，例如在上下砂通道之间的尾矿层中形成垂直芯吸排水管。
在本发明的另一个实施方式中，砂用于建造内部和外部沙堤。可以将堤细分以形成单独的隔离围场，然后通过尾矿水力沉积到合适的高度来填充每个围场，让水排入下面的砂通道并通过可渗透的沙堤排出到集水点。然后重复铺设砂通道和抬堤的整个过程，最终形成具有所需高度和形状的砂与尾矿结构。
砂通道可以插入现有的矿山尾矿储存设施中，以促进隔离墙附近尾矿的固结
砂优选通过单独的粗选矿工艺产生，尾矿通过矿石的常规浮选产生。
粗选矿工艺可以是粗颗粒浮选、筛选、重力分离、静电分离和磁力分离，通常是粗颗粒浮选。
或者，砂由砂堆浸出产生，尾矿由常规搅拌浸出产生。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的多层结构示意图。
图2A和2B是根据本发明第二实施方式的多层结构的示意图。
图3A和3B是根据本发明第三实施方式的多层结构的示意图。
图4A和4B是根据本发明第四实施方式的围场多层结构的示意图；和
图5是示出智利铜尾矿变水头和固结仪实验室测试结果的图表，示出渗透率/空隙比关系，与预测从固结尾矿中释放的水有关。
具体实施方式
本发明在新型尾矿储存结构中利用选矿过程中产生的残渣的砂部分来回收大部分所含的水，并增强复合结构的岩土稳定性，同时使得尾矿的低成本水力放置的当前实践得以继续。
通过将粗细残渣沉积在一个结构中(该结构包含贯穿尾矿层的可渗透砂的连续通道)，尾矿中包含的大部分水可以以与传统重力过滤类似的方式排入砂中。沉积砂通道，使水能够通过重力迁移到排水点
放置可渗透砂的连续通道，使得水从尾矿的任何部分到最近的砂通道的平均路径长度有利于水以可接受的速率从尾矿转移到砂通道，然后从那里排出。从尾矿中的任何一点到最近的砂通道的距离小于10m，通常小于5米，并且能够在数周和数月的时间段上有效地对尾矿进行脱水。尾矿到脱水砂通道的距离越短，脱水越快。
本发明利用已磨碎的矿石回收其中包含的有价值矿物，将残渣分离成砂和尾矿部分。不需要额外的材料，因为残渣结构所需的材料可以作为选矿的一部分产生。当然，可以使用额外的可渗透材料(例如废石)或衬里材料(例如粘土或土工织物)来补充隔离墙或砂通道。
水沿着这些砂排水通道通过迁移从结构中回收，从而或者通过可渗透的堤墙排出，或者通过从中央排水点泵送而移除。在水质符合相关排放标准的情况下，收集水用于回收和再利用，或受控排放回环境。
对于渗透性低的尾矿，可在尾矿沉积之前添加化学絮凝剂，以提高其后续的水力传导率，从而提高其脱水率。
在尾矿排放的初始阶段，到砂通道的排放速率较快，然后随着周围尾矿中的水逐渐被空气置换，排放速率在数月甚至数年的时间里更加缓慢。
最初的快速脱水使每个尾矿层能够达到适合在尾矿层表面放置砂通道的结构完整性。然后下一层尾矿可以液压地放置在砂通道上方，该过程继续构建多层结构。结构的最终排水使强度可与不饱和土壤相媲美。
通过适当的筑堤来包含上部尾矿沉积层，残渣沉积结构可以适应自然地貌，从而在选择残渣处置位置时具有更大的灵活性。
如上所述，通过使用粗选矿技术，可以在从矿石中生成砂的同时保持有价值元素的高回收率。这些粗选矿技术的实施例是粗颗粒浮选(CPF)或砂堆浸出(SHL)。这些技术提供了合适尺寸和数量的足够的砂。
例如，当CPF应用于铜、铂族金属、金或铁矿石的选矿时，取决于特定矿石在粉碎过程中的释放特性，它会以原始矿石的20-50％之间的比例(砂/(砂+尾矿)的比例产生砂渣。来自粗选矿的砂渣通常在100-600微米的尺寸范围内，并且可能会降低水力传导率的细粉已通过CPF过程中发生的流化从砂中去除。因此，CPF残渣砂是一种可渗透且可自由排水的残渣。
20-50％的渗透性CPF砂提供了足够的材料，使水能够转移到集水点，并产生可能需要的这种堤。
从粗选矿产生并放置在通道中的砂大小合适，可用作尾矿脱水的芯吸材料。
·砂具有高水力传导率，并且很容易被空气渗透以取代间隙水。它可以长距离输送水，即使头部适中。
·砂足够小，可以通过水力沉积，但又足够迅速地沉降，从而被放在目标通道位置，或简单地散布以在尾矿表面形成连续但不一定均匀的层。
·砂的表观密度与尾矿相似，因此在沉积和排放过程中砂和尾矿层之间的混合是有限的(例如，在饱和点测量的铜矿石的砂或尾矿的表观密度通常为2.1至2.5吨/立方米)
·砂和尾矿的相对尺寸意味着细尾矿不容易占据砂的空隙，因此在沉积和后续排水过程中两种材料的混合受到限制。
·砂和尾矿之间的界面形成一个有效的“过滤器”区。该过滤器允许水选择性地从尾矿排放到砂中，就像它会通过机械过滤装置(例如US3767050A)上的砂层一样。
虽然砂优选通过单独的粗选矿工艺产生，但也可以对现有选矿或浸出工艺的研磨进行粗化，然后将必要的砂部分与加工残渣的剩余部分分离，以形成砂和尾矿部分。
砂通道的铺设允许持续的空气进入，促进来自储存的尾矿的水重力流动到可管理数量的方便定位的内部收集和脱水点，或通过渗透性堤到达外部收集点。结构中沉没的尾矿层的持续排水由覆盖的尾矿和砂层的压力辅助。
在矿山寿命结束时，可以密封空气入口，以避免任何长期的酸生成。
需要注意的是，在Ren等人要求保护的方法中，对用于促进水回收的空气进入或排放口，或用于从结构内的水下层持续置换水的其他机制，没有做出任何规定。由于上覆尾矿的低渗透性，一旦高渗透层被覆盖，继续从高渗透层置换进一步的水将受到限制。因此，虽然Ren的化学处理和平行分层复合设计将增加油砂尾矿结构的屈服应力以满足加拿大指令74，但仍远达不到其他技术(如尾矿的过滤和干堆积)可以实现的矿山尾矿水回收率。此外，在概念上与Ren的工艺大致相似的工艺无法应用于传统的硬岩开采，因为作为研磨和加工路线的一部分，不会产生具有合适的渗透性的砂。如果研磨足够粗以产生足够的砂，则有价值矿物的常规回收将受到限制。
本发明的方法可以将尾矿中的水损失从目前大约0.5-0.55立方米/吨尾矿的水平降低到通常大约0.1至0.15立方米/吨残渣。由于尾矿中的水损失占硬岩采矿作业消耗的总水量的大部分，因此这种从尾矿中回收水的能力代表了矿山整体用水量的巨变。
堆垛的设计和制备方法
本发明由多个步骤组成，这些步骤构成了从尾矿中回收水和创造稳定地貌的方法：
·从正在加工的矿石中生成分离的适当大小的砂渣和尾矿部分，
·分别沉积砂渣和尾矿部分，以在整个尾矿体积内形成连续的砂通道，
·构造砂通道，让水通过重力流到排水点，
·从这些排水点回收水，以实现尾矿的持续排放，
·逐步建设砂通道/尾矿结构，并利用上覆砂和尾矿的重量加速储存尾矿的下层的脱水。
虽然不限于特定情况，但提供了各种示例来说明该结构的一些可能设计以及可以构建该结构的各种方法。
容纳整个结构的隔离墙/堤可以采用多种形式。
在一个实施方式中，本发明可用于例如过去用于尾矿储存的封闭的坝状结构内。这种替代可以实现高水回收率。在任何时候，总尾矿中只有不多的一部分会液化，从而降低了坝墙进水的可能性，消除了发生灾难性墙体故障的可能性。本实施方式提高了上游坝墙施工的安全性。在最终关闭矿山时，封闭坝内的尾矿将被脱水，储存设施将与稳定的护坡后面的不饱和土壤相媲美。
在另一个实施方式中，多余的砂可用于建造内部和外部沙堤。可以将堤细分以形成单独的隔离围场，然后通过尾矿水力沉积到适当的高度来填充围场，让水排入下面的砂通道并通过可渗透的沙堤排出到排水点。然后重复铺设砂通道和抬堤的整个过程，最终形成具有所需高度和形状的砂与尾矿地貌。
围场方法可以塑造残渣储存堤，以适应要修复的区域和地貌。例如，稳定的地貌可以重新植被以恢复土地的采空区，或用于其他对当地社区有用或美观的应用。在两个实施方式中，水从水力沉积期间的地表径流和从砂通道的排放点收集。然后可以将水泵送到合适的储水设施，以供再利用或处置。
在施工中，连续的砂通道沉积在尾矿层的顶部。尾矿的天然搁浅坡度，例如0.5％，为随后通过砂通道的水重力流提供了足够的坡度。沉积砂通道的上表面不需要与下表面平行，这是在沉积尾矿的搁浅角处形成的连续的砂通道也可以采用各种形式。
在一个实施例中，砂可以沉积在相隔几米并覆盖大约20％的尾矿区域的离散沙排中，或者在另一个实施方式中，砂被沉积使得通道连接，因此形成一个跨越尾矿表面的完整但不一定均匀的砂层。
任一实施方式的关键设计元素是砂通道的连续性，以实现通过砂通道至排水点的畅通无阻的排放。
在结构中，砂通道和尾矿层的深度也可能发生变化。
特定矿山的优选设计将取决于砂和细尾矿的水力传导率以及要填充的地貌。
每个通道中的砂深度通常大于0.05m，最好大于0.5m，以确保通过砂到排水点的足够的排放速率，并避免砂通道“淤塞”。该砂通道深度在粗选矿产生的砂量的约束下可以很容易地达到，并且没有对通道内砂深度的上限进行限制。
每个尾矿层的深度将取决于尾矿的水力传导率以及添加下一个尾矿层之前可用的时间。固结率是水力传导率的函数，并且在大多数实施方式中，这定义了在添加下一组砂通道之前用于尾矿排放的最小可接受时间。这反过来设定了结构的最大上升速率，该结构可以在不需要完全设计的围堵坝墙的情况下运行。
由于上覆尾矿的压力，水会流向位于尾矿上方或下方或侧面的砂通道。
对于来自铜资源的典型尾矿，从尾矿中的任何点到最近的砂通道的最小距离通常在1-4米之间。然而，对于需要快速脱水的细尾矿，可以减少尾矿层的深度。相反，对于更容易脱水的尾矿，尾矿层的最佳深度可以增加到10m或甚至更多。
通常，结构如此设计，使得在大部分脱水期间，水去除率将受到尾矿层内迁移的限制，而不是通过砂道转移到集水点。
为确保砂道的连续性，一种可能的替代方案是将这些砂通道沉积在多层夹层设计中，并由砂墙容纳，如图1示意性所示。图1中所示的多层夹层结构包括沉积在层10中的尾矿，其中砂沉积在沉积在中间的砂通道12中，由多孔砂或岩壁14容纳。水16沿着砂通道12排出，穿过多孔砂或岩壁14并被收集在集水区18中。结构底部的尾矿层10A中的尾矿完全固结，而顶部尾矿层10B中的尾矿饱和。
在第二种替代方案中，可以通过TSF的中间创建一系列离散的横向砂通道。这在图2中示意性地示出。参考图2A，尾矿层10沉积在多孔砂通道12的顶部，在砂通道12处具有空气入口22。参考图2B，砂沉积在间隔几米的离散砂排中，从而在尾矿层10中形成离散的通道12。再次参考图2A，水20从尾矿层10流入砂通道12，然后通过重力流G从沉积端D到多层结构的水回收端W。
第三种替代设计包括额外使用垂直芯式排水管，以在三个维度上互连砂通道或层，以促进更快速的水通过砂的传输，如图3所示。参考图3A，尾矿层10被沉积在多孔砂通道12的顶部，在砂通道12处具有空气入口22。参考图3B，砂沉积在间隔几米的离散砂排中，从而在尾矿层10中形成离散通道12，其具有垂直芯式排水管24。再次参考图3A，水20从尾矿层10流入砂通道12和垂直排水管24，并通过重力从沉积端D流到水回收端W。排放泵26位于水回收端D以排出多层结构中的水28。这种3D结构特别适用于非常大的尾矿沉积区域，或砂通道很薄的地方，以及横向水流通过砂通道到达集水点所需的时间可能过长的情况。垂直排水管24有利于向下通过堆并穿过多个砂通道12排放到堆底部的砂层，然后可以对其进行脱水28。
对于任何可能的几何设计，与任何可想到的机械过滤过程相比，尾矿脱水进入砂通道的有效过滤面积都大。
在另一组实施方式中，砂通道在尾矿层上的沉积可以通过替代手段来实现。
砂通道可以水力放置，载水将砂沉积在那里，然后自由排放到最低点进行回收。底层尾矿的低水力传导率最小化了水力放置对部分脱水的底层结构的总尾矿含水量的任何影响。
在一个大型TSF上的关键点处逐步放置套管或液压抛沙器，允许在砂的自然搁浅角处对底层尾矿层进行液压覆盖。当沙滩具有所需深度时，沉积套管或液压抛沙器会被移动，以创建砂通道互连网络的下一部分。最近铺设的砂通道为移动套管或液压抛沙器所需的设备提供了必要的地面稳定性。正在进行的尾矿沉积可以在TSF的其他区域继续，这样尾矿最终会挨着砂通道沉积在其上方。
这种液压抛砂器是可商购的。可以将粒度为p80 350微米且含水量为约40％固体的砂抛到约50m的距离以沉积砂通道。
或者，可以机械地进行砂沉积，例如通过卡车和推土机，或通过机械抛砂机。
砂通道一旦形成，就会被一层尾矿覆盖，所述尾矿以水力方式沉积，以在尾矿沉积的早期阶段最大限度地减少砂通道的扰动。
对于任何沉积方法，安全进入最近层尾矿的表面有利于促进砂通道的沉积。
为实现这一目标，整个尾矿区可划分为多个围场，以便尾矿沉积可在第一个围场中发生，而第二个围场正在排干地表水，为机械撒砂做准备。这种排水可以通过Amphirol等设备加速(参考文献7、8)。第三个围场是进行砂沉积的地方。图4中示意性地示出了一个示例。参考图4A，在该实施方式中存在三个围场P1、P2和P3。在P1处，砂被沉积，堤被抬高。在P2处，水正在排出并准备好稳定的尾矿表面，并且在P3处，沉积尾矿10。参考图4B，该结构包括尾矿层10、具有空气入口22的多孔砂通道12和从通道12的排出的水20。再次参考图4A，地表水30在P1处回收，地表水和通道水32在P2处被回收，通道水34在P1处回收。一旦每个围场完成其沉积或排水循环，就可以按顺序循环活动。
还有另一种放置替代方式，其通常用于水下尾矿处置表面被“淹没”的情况。两栖车辆沉积砂，砂通过上覆水落到尾矿表面，形成砂通道。一旦形成到收集点的连续砂通道，砂可以用另一层尾矿覆盖。一旦铺设，尾矿在大坝表面形成隔水密封，淹没的砂通道可以与其下方和上方的尾矿层一起脱水。虽然不能实现完全脱水，但这种替代方法增加了底层水下尾矿的密度。
在所有实施方式中，在尾矿和砂的堆叠层内，来自尾矿的间隙水在尾矿和砂床的界面处被有效过滤，澄清水以供再利用或处置。
还存在这样的实施方式，其中该结构用于实现稳定形式的水回收的主要目标之外的目标。现代传感技术可以融入设施；例如通过无人机的光纤和遥感技术，实时监测设施的水分含量；对岩土工程完整性提供一定程度的信心。
这种改进的控制意味着尾矿沉积区也可以通过调整集水点的水回收率而设计为蓄水缓冲区。
在这种类型的第二个实施方式中，本发明可用于回填已开采的区域，或者为了美学或实际应用而将形成特定景观的区域。示例可能是与自然地貌的融合，或农业用地的形成，或供当地社区使用的休闲区的创建。
本发明还可用于补充现有的TSF实践，或稳定历史TSF。历史TSF中的关键区域位于坝墙附近和坝墙内，其中不饱和尾矿区会导致坝墙故障，然后这将释放大量包含的尾矿。
粗选矿产生的多余砂可以通过历史TSF有选择地放置在脱水通道中，例如通过钻孔和用可渗透的砂回填所述孔。通过对这些通道进行脱水，可以减少靠近墙的尾矿的含水量。
如果在历史TSF中需要更广泛的脱水和压实，可以远离坝墙在第三维中复制芯吸排水管的砂幕。
对于可操作的TSF，本发明中描述的砂通道可以简单地铺设在位于墙附近的脱水通道中。通过靠近坝墙的砂芯吸通道的“二维幕”，水将从任何非饱和区流到集水点，在那里它可以从TSF中除去。因此，本发明可以为了尾矿坝安全对最敏感的区域进行脱水，使上游大坝施工方法的安全利用成为可能。
如上所述，优选的粗选矿工艺是粗颗粒浮选(CPF)。
在粗颗粒浮选工艺的情况下：
矿石在粉碎装置中被粉碎；
粉碎后的矿石在分级装置中分级，得到适合进一步粉碎的级分、适合粗浮选的级分、适合精浮选的级分。
将适合粗浮选的级分进行粗浮选，得到中间精矿和粗砂渣；
粗砂渣作为砂部分使用，以形成通过尾矿部分的连续通道；
将中间精矿研磨至适合精浮选的尺寸；
然后将适合精浮选的级分和研磨的中间组分进行精浮选，以获得以上述方式增稠和沉积的细尾矿。
通过这种粗选矿工艺，可以保持矿石有价值成分的高回收率，并产生合适数量和大小的砂渣。
本发明的优点
本发明的优点可以与过滤和干堆积相比较，或者与尾矿处理的常规TSF方法相比较。
在温暖和非常干燥的气候中，通过水力地放置来自高密度浓缩机或浆体浓缩机的薄层(通常小于30厘米)的非分离尾矿，然后允许它们在添加下一尾矿薄层之前，通过蒸发过程干燥数周时间。使用这种技术不能回收水，并且结构的高度是有限的。使用本发明的方法，尾矿的多层结构可以高几十米，高度超过50m或100m。
另一种干式堆放方法是将尾矿过滤至可接受的含水量(通常约为15wt％)，然后将固体机械输送到处置区，并堆放部分脱水的尾矿。这种技术回收了大部分水，但需要大量资金，如果蒸发率不足，过滤后的尾矿仍然容易“挤出”。这种过滤尾矿需要大面积的平坦土地或位于大坝结构内以容纳过滤尾矿。
相对于两种干式堆叠的任一种，本发明提供多种益处。这些益处包括尾矿的低成本水力放置；大部分水的回收；增加的堆叠上升率；以及建造更高的残渣结构所需的岩土稳定性，以及对操作和气候变化不太敏感的方法。
相对于传统的TSF，本发明还提供了多种好处。
主要好处是减少了总耗水量。尾矿中含有的间隙水是任何矿山水损失的主要形式。取决于蒸发损失，使用本发明的尾矿中的水消耗将至少减半，并且更有可能减少到常规TSF水损失的20％左右。特别是在缺水地区，这提供了设计和运营具有低得多的每单位金属产量耗水量的矿山的潜力。
第二个主要好处是在沉积过程中的任何时间都存在的不饱和尾矿的高度，消除了墙失效和所含重量的尾矿灾难性液化的可能性。这种产生不饱和尾矿的能力减少了最终会因放置残渣而受到干扰的土地面积，并且对于某些矿山，允许将尾矿存储放在更靠近处理设施的位置。它还允许更安全地应用上游围堤。
第三个好处是永久稳定的矿山尾矿设施。本发明的水分含量和排水特性允许进入和重新绿化结构的表面。尾矿将充分排水，与矿区周围的其他非饱和土壤表现相似。通过粗选况，砂渣中的硫化物含量会降低。在矿山寿命结束时，可以通过密封尾矿中的砂通道的空气入口来消除来自尾矿的酸性矿山排水的任何进一步可能性。
第四个好处是有机会回填采空区。对于露天开采，这将能够在历史上或最近开采的区域中进行连续的开采和放置砂通道和尾矿层的过程。对于深露天采矿，存在将到单独储存的砂和尾矿回收和替换在矿山寿命结束时进入废弃矿坑的可能性。
第五个好处是能够水力沉积尾矿，也许砂和尾矿，无需事先过滤和输送，并且仍然实现“干水高效”的尾矿存储。通过本发明实现的水力沉积的资本和操作成本明显低于使用输送机或卡车的过滤和堆叠。
第六个好处是提供有价值的地貌，同时以安全和环保的方式处理采矿残渣。这可能采取重新创建原始植物群、农业或休闲用地，或者只是更美观的地貌的形式。
第七个好处是可以灵活地将尾矿储存在靠近加工厂的土地上，而不是在传统的尾矿储存设施中寻找合适的谷地来处置尾矿。在这样做时，无需必须设计成永久阻止可液化浆料的高成本尾矿隔离墙。
第八个好处是利用部分砂通道储存水以备后用，从而缓冲季节性气候变化或取水的其它变化。
实验
进行了实验以使用粗颗粒浮选和浮选的组合来回收这些价值，因此从从智利铜矿石和南非PGM矿石的粗颗粒浮选产生砂渣部分，从浮选产生尾矿部分。
对于这两种矿石，粗颗粒浮选试验是在研磨粒度下进行的，在这种粒度下，整体金属回收率与通过细磨和常规浮选实现的回收率相当。
25％的PGM矿石在砂部分中回收，35％的铜以砂的形式回收。
如下表所示的两个部分的尺寸分布说明了在粗颗粒浮选期间发生的从砂组分中有效去除细料，从而导致两种砂的高渗透性。
两个部分的大小的相关性符合“Terzaghi过滤准则”，即作为离散区域共存，而砂的渗透性不会因尾矿中过多细料的渗透而受到抑制。
Cu矿石尺寸(微米) PGM矿石尺寸(微米)
砂p80 600 280
砂p10 150 120
尾矿p80 200 100
尾矿p10 3 3
Cu矿石渗透性(m/s) PGM矿石渗透性(m/s)
尾矿 4.4*10^-7 7.2*10^-8
进行了固结仪、排水沉降、固结和变水头测试，以表征两种矿石的砂和尾矿成分。铜尾的空隙率对这些测试中获得的渗透性的影响如图5所示。
对这两个系统的测试结果进行建模，以计算可以放置的尾矿层的最大厚度，同时保持结构的水力干式堆积的可接受的固结时间。该模型显示，对于3m厚的铜尾矿层和10m厚的PGM尾矿层，应在3个月内发生90％的固结。持续脱水将使砂和尾矿去饱和，将结构转化为岩土稳定的土壤。
还进行了更大规模的三维初步测试，以验证实验室建模。
来自PGM尾矿的三层0.35m厚的尾矿和2层0.2m砂被放置在一个1m2方形有机玻璃罐中，并允许从位于每个砂层每个边缘的4个排水点脱水。测量固结速率、孔隙压力、含水量和排放速率，以在稍大的尺度上确认建模。
更大规模的测试证明了在沉积过程中将尾矿保持在离散区域中的能力。
该测试还证明了相邻尾矿脱水进入砂层，并迁移到排水点，以实现与上述模型一致的固结速率。
从沙层回收的水没有淤泥。
参考文献
1.Proceedings Tailings and Mine Waste 2015Vancouver,BC,10月26-28,2015；
2.WO2018/234880；
3.WO2017/195008；
4.US3767050A；
5.ICOLD(International Committee of Large Dams)121(2001),Tailings DamsRisk of Dangerous Occurrences(Section 2,page 17-“The filter under-drainagesystem is a critical facility that has often been overlooked in the past,resulting in dangerously high phreatic surfaces within the body of thetailings dam.As is well known,the outer slopes of a tailings dam are verysensitive to the level of the phreatic surface.Capillary rise above themeasured position of the phreatic surface can make the tailings in this zoneto be close to full saturation.This condition can produce unexpectedly largerises of the phreatic surface from remarkably small amounts of rainfall.”)；
6.US 9188389 B2。
上面引用的参考文献的内容通过引用并入本文。

Claims (72)

1.一种来自矿石粉碎和加工的残渣的处理和来自加工的水的回收的方法，包括以下步骤：
将加工残渣分为透水砂部分和尾矿部分；
沉积尾矿部分和砂部分以形成由至少一个隔离墙容纳的多层结构，其中砂部分形成通过尾矿部分至排水点的连续砂通道，其特征在于，为所述砂通道提供空气进入点，
以允许尾矿和砂中包含的水在重力作用下经过砂通道流到排水点；和
从排水点回收水。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，一旦沉积，砂通道就被一层水力沉积的尾矿覆盖。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述砂部分包括p80大于150微米的砂颗粒。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述砂部分包括p80大于300微米的砂颗粒。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述砂部分包括p80大于400微米的砂颗粒。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述砂部分是自由排水的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中水在重力作用下从所述砂部分排出，以形成不饱和砂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述不饱和砂含有小于15wt％的水。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述尾矿部分包括p80小于200微米的颗粒。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述尾矿部分包括p80小于150微米的颗粒。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述尾矿部分具有在30wt%和70wt%之间的水含量。
12.根据权利要求1所述的方法，其中在沉积之前用化学添加剂处理所述尾矿部分，以产生更具渗透性的尾矿层，或改变自然搁浅角。
13.根据权利要求1所述的方法，其中至少50％的砂渣处于0.1至1mm的粒度范围内。
14.根据权利要求13所述的方法，其中至少70％的砂渣处于0.1至1mm的粒度范围内。
15.根据权利要求14所述的方法，其中至少90％的砂渣处于0.1至1mm的粒度范围内。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述砂部分包含少于25%的小于0.75mm的材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述砂部分包含少于15％的小于0.75mm的材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述砂部分包含少于10％的小于0.75mm的材料。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述砂通道如此放置，使得从尾矿中的任何点到最近的砂通道的最大距离小于10米。
20.根据权利要求1所述的方法，其中位于所述结构的水回收端处的隔离墙是透水的，并且水通过所述墙从排水点排出。
21.根据权利要求1所述的方法，其中在所述结构的水回收端处的隔离墙是不透水的，并且通过从中心排水点泵送以将水从所述结构中去除。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述砂通道如此放置，使得从尾矿中的任何点到最近的砂通道的最大距离小于3米。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述砂通道如此放置，使得从尾矿中的任何点到最近的砂通道的最大距离小于2米。
24.根据权利要求1所述的方法，其中砂通道垂直和横向连接，以在尾矿内形成可渗透通道的3维矩阵。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所述尾矿部分被水力沉积，以提供0.5％至2％的搁浅角。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述尾矿部分被水力沉积，以提供0.5％至1％的搁浅角。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述尾矿部分被水力沉积，以提供0.5％的搁浅角。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述砂部分和尾矿部分依次分层沉积，以形成1至10m厚的尾矿层和平均0.05至2m厚的砂通道。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述砂通道的厚度在0.05至2m之间。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述砂通道的厚度在0.2至1m之间。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述砂通道的厚度在0.3至0.7m之间。
32.根据权利要求1所述的方法，其中将所述砂部分沉积成间隔开的离散排，并且将尾矿部分依次分层沉积，以形成1至10m厚的尾矿层和0.05至2m厚且间隔2至10m的砂通道。
33.根据权利要求32所述的方法，其中将所述砂部分沉积成间隔开的离散排，并且将尾矿部分依次分层沉积，以形成1至10m厚的尾矿层和0.05至1m厚且间隔2至5m的砂通道。
34.根据权利要求1所述的方法，其中沉积砂，以在上砂通道和下砂通道之间的尾矿层中形成垂直芯吸排水管。
35.根据权利要求1所述的方法，其中使用砂来建造内部和外部沙堤，并且将所述堤细分以形成单独的隔离围场，然后通过尾矿的水力沉积将每个围场填充到适当的高度，允许水排入下面的砂通道，并通过可渗透的沙堤排出到集水点。
36.根据权利要求35所述的方法，其中在层沉积期间的任何时间，只有顶部的3个尾矿层被水饱和。
37.根据权利要求36所述的方法，其中在层沉积期间的任何时间，只有顶部的两个尾矿层被水饱和。
38.根据权利要求37所述的方法，其中在层沉积期间的任何时间，只有顶部的一个尾矿层被水饱和。
39.根据权利要求1所述的方法，其中所述砂通过粗选矿工艺产生，并且所述尾矿通过矿石的常规浮选产生。
40.根据权利要求39所述的方法，其中粗选矿工艺是粗颗粒浮选、筛选、重力分离、静电分离和磁力分离。
41.根据权利要求40所述的方法，其中粗选矿工艺是粗颗粒浮选。
42.根据权利要求1所述的方法，其中所述砂由砂堆浸出产生，而尾矿由常规搅拌浸出产生。
43.一种矿山尾矿脱水场所，用于处理来自矿石粉碎和加工的残渣并从来自矿石粉碎和加工的残渣中回收水，包括：
容纳在隔离墙中的多层结构，所述多层结构包括尾矿部分和砂部分，其中砂部分形成通过尾矿部分至排水点的连续砂通道，其中：
在所述砂通道处提供空气进入点，
以允许尾矿和砂中包含的水在重力作用下经过砂通道流到所述排水点，从其中回收水。
44.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂部分包括p80大于150微米的砂颗粒。
45.根据权利要求44所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂部分包括p80大于300微米的砂颗粒。
46.根据权利要求45所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂部分包括p80大于400微米的砂颗粒。
47.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂部分是自由排水的。
48.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述尾矿部分包括p80小于200微米的颗粒。
49.根据权利要求48所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述尾矿部分包括p80小于150微米的颗粒。
50.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中至少50％的砂渣处于0.1至1mm的粒度范围内。
51.根据权利要求50所述的矿山尾矿脱水场所，其中至少70％的砂渣处于0.1至1mm的粒度范围内。
52.根据权利要求51所述的矿山尾矿脱水场所，其中至少90％的砂渣处于0.1至1mm的粒度范围内。
53.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂渣包含少于25%的小于0.75mm的材料。
54.根据权利要求53所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂渣包含少于15%的小于0.75mm的材料。
55.根据权利要求54所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂渣包含少于10%的小于0.75mm的材料。
56.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中尾矿中任一点到最近的砂通道的最大距离小于10米。
57.根据权利要求56所述的矿山尾矿脱水场所，其中尾矿中任一点到最近的砂通道的最大距离小于3米。
58.根据权利要求57所述的矿山尾矿脱水场所，其中尾矿中任一点到最近的砂通道的最大距离小于2米。
59.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中砂通道垂直和横向连接，以在尾矿内形成可渗透通道的3维矩阵。
60.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述尾矿部分具有0.5％至2％的搁浅角。
61.根据权利要求60所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述尾矿部分具有0.5％至1％的搁浅角。
62.根据权利要求61所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述尾矿部分具有0.5％的搁浅角。
63.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂通道的厚度为0.2和1m。
64.根据权利要求63所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂通道的厚度在0.3至0.7m之间。
65.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂部分沉积成间隔开的离散排，并且将尾矿部分依次分层沉积，以形成1至10m厚的尾矿层和0.05至2m厚且间隔2至10m的砂通道。
66.根据权利要求65所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂部分沉积成间隔开的离散排，并且将尾矿部分依次分层沉积，以形成1至10m厚的尾矿层和0.05至1m厚且间隔2至5m的砂通道。
67.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中沉积砂以在上砂通道和下砂通道之间的尾矿层中形成垂直芯吸排水管。
68.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述结构包括内部和外部沙堤，并且所述堤被细分以形成单独的隔离围场。
69.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂通过粗选矿工艺产生，并且所述尾矿通过矿石的常规浮选产生。
70.根据权利要求69所述的矿山尾矿脱水场所，其中粗选矿工艺是粗颗粒浮选、筛选、重力分离、静电分离和磁力分离。
71.根据权利要求70所述的矿山尾矿脱水场所，其中粗选矿工艺是粗颗粒浮选。
72.根据权利要求43所述的矿山尾矿脱水场所，其中所述砂由砂堆浸出产生，并且所述尾矿由常规搅拌浸出产生。
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