CN114186307A - 高浓度排矿尾矿库上游法筑坝施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了高浓度排矿尾矿库上游法筑坝施工方法，总结归纳了高浓缩尾矿分级筑坝现场施工流程中的13个计算参数，并提供了基于砂量平衡的原理的关于关键参数建设工期T、底流沉砂率γ_u和原矿分配率η的理论计算公式。同时在这一基础之上，提出基于分离粒度的水力旋流器选型和数量计算方法。最后，阐述选厂生产规模与筑坝施工效率之间的分配过程，提供了系统化的旋流分级工艺参数计算方法。在筑坝施工现场布设旋流分级筑坝系统为确定配浆槽的体积、输送管路的大小和长短以及机电设备的选型提供理论指导。本发明为高浓缩尾矿分级筑坝施工提供了系统的理论指导和计算方法，改善了目前高浓缩尾矿筑坝过程中分级筑坝系统理论设计方法匮乏的现状。

Description

高浓度排矿尾矿库上游法筑坝施工方法

技术领域

本发明涉及高浓度排矿尾矿库上游法筑坝施工方法可在国内矿山企业尾矿库分级上游法筑坝和沿海围垦工程领域广泛应用。

背景技术

在我国，大多数有色金属矿山的尾矿库都是采用上游法筑坝的。在采用上游法筑坝的尾矿库中，若入库尾平均粒径d_p≤0.03mm，-0.019mm颗粒含量大于50％、+0.074mm颗粒含量小于10％且+0.037mm颗粒含量不小于30％，该类型尾矿归属于细粒尾矿，不适宜于直接筑坝，但可以通过水力旋流器分级，分级后产生的高浓缩沉砂用于筑坝，国内工程界称这种筑坝施工方法为尾矿分级上游法。水力旋流器的工作原理分为离心沉降和分级分离两个阶段：矿浆在给料泵作用力下高速进入旋流器内，其中料浆中粒径大的颗粒会向器壁运动，持续向筒体周边聚集，通过旋流器底部的沉砂嘴排出去；粒径较小的颗粒和大部分液体所受的离心力和重力都小，会停留在筒体纵轴中心线并增大汇集，随着持续给料，这部分流体向上运动，最终通过溢流管流出。

随着选矿工艺技术和设备的发展革新，选矿厂产生的尾矿不仅颗粒越来越细，而且尾矿量不断增多，对尾矿库的库存和稳定性提出了严苛的要求。上游法尾矿坝浸润线较高，易发生溃坝事故，因此，如何有效地改善上游法堆坝方式提高尾矿库库存和安全稳定性一直备受世人关注。高浓缩尾矿堆坝不仅可以降低尾矿坝的溃坝风险，而且可以提高水资源的循环效率，减少水源浪费，保护环境。现阶段高浓缩尾矿堆放已成为一种安全环保的新技术被广泛使用。

然而，关于尾矿库分级筑坝工艺和参数的计算方法，目前仍然缺少具有普遍适用性且体系完善的理论研究成果。高浓缩尾矿筑坝过程中分级筑坝系统理论设计方法匮乏，实际生产中没有进行系统的参量统计。在分级筑坝过程中缺乏对关键参数的把握，没有可供参考的理论方法和计算公式，施工工艺和生产质量有待提高；关于水力旋流器选型和数量确定过程也需要相关的理论指导，因此，具有一定生产经验的学者和工程师提出相关理论指导方法是有益处的，同时也亟需系统理论计算方法来阐述选厂生产规模与筑坝施工效率之间的分配过程，为系统化的旋流分级工艺参数计算提供理论指导方法。

尾矿分级上游法筑坝的实施成效与分级后产生的沉砂质量和数量有直接关联。沉砂颗粒平均粒径愈粗质量愈优，尾矿堆积坝的成型质量与稳定性也愈佳，但沉砂率将会大幅降低，导致有效筑坝量的减少；沉砂率越高、数量越多，工程建设的土方量需求也更加容易得到满足，但沉砂颗粒平均粒径将会减小，于尾矿坝的整体稳定不利。工程实践经验表明，沉砂的质量与数量主要影响因素有入库尾矿性质、水力旋流器规格以及旋流分级的工艺流程、参数等。如何根据入库尾矿性质，选择适宜的水力旋流器和旋流分级工艺流程和参数，从而产生数量与质量均能满足筑坝施工需求的沉砂，是尾矿分级上游法的核心问题。

上游式尾矿筑坝法

在初期坝上游方向堆积尾矿的筑坝方式，其特点是堆积坝坝顶轴线逐级向初期坝上游方向推移。

原矿分配率η

在选矿厂生产尾矿中，分出比例为η的一部分作为参与分级原尾矿，剩余未参与分级原尾矿直接排放至尾矿库。

底流沉砂率γ_u

水力旋流器工作中在单位时间内，得到的底流干方量与原矿的比值。

分离粒度d₅₀

水力旋流器分离粒度常用d₅₀表示，其实际意义是旋流器分级过程中某个粒度的颗粒进人底流和溢流的概率相等，则该颗粒的粒度即为d₅₀。

发明内容

鉴于目前关于尾矿库分级筑坝工艺和参数的计算方法缺乏，缺少具有普遍适用性且体系完善的理论研究成果的现状，本发明提出了高浓度排矿尾矿库上游法筑坝施工方法，本发明包括以下内容：

如图1所示为高浓缩尾矿分级筑坝现场施工流程图，尾矿分级筑坝的施工主要是旋流分级筑坝系统运行以及现场筑坝施工两部分。旋流分级筑坝系统运行的流程是：旋流分级筑坝系统加工→矿浆管路与输水管路接入→旋流分级筑坝系统现场调试→旋流分级筑坝系统正常运转→原矿旋流分级→溢流尾矿和底流尾矿→溢流尾矿排入尾矿库同时底流尾矿进入围埝池；现场筑坝施工的流程是：现场测量与施工放样→铺设土工格栅加固滩面→人工构筑围埝→围埝池内排放底流沉砂→达到设计高程→完成筑坝长度→结束施工。其中旋流分级筑坝系统运行与现场筑坝施工是同时进行的，旋流分级筑坝系统产生的底流尾矿是现场筑坝施工的原材料，进入围埝池内的底流沉砂经处理后用于充填筑坝。现场筑坝施工不断加高加长坝体用于拦挡选厂排放的尾矿以及旋流分级筑坝系统产生的溢流尾矿。因此，旋流分级筑坝系统运行以及现场筑坝施工是动态平衡的关系。

这种动态平衡的关系可以用砂量平衡来控制，因此本发明通过统计高浓缩尾矿分级筑坝现场施工流程中的13个计算参数，并提供了基于砂量平衡的原理的关键参数建设工期T、底流沉砂率γ_u和原矿分配率η的理论计算公式。

同时，通过关键参数建设工期T、底流沉砂率γ_u和原矿分配率η的理论计算公式可以确定工程中一些施工工艺流程的相关参数。在这一基础之上，提出基于分离粒度的水力旋流器选型和数量确定方法。

1.归纳总结分级工艺的13个计算相关参数

通过对分级筑坝计算相关的参量进行归纳分类，总结出了包含尾矿坝总工程方量V_dam、坝体高度H、尾矿库待筑坝区域控制面积A、库容利用系数

选厂尾矿产量M、尾矿真比重G_s、尾矿坝沉砂干密度ρ_d、滩面尾矿天然密度ρ_b、原矿中-200目颗粒含量P、沉砂中-200目颗粒含量P_u、分离粒度d₅₀、入料浓度C_i以及冲填矿浆浓度C_f等在内的共计13项计算参数，如表1所示。

表1 分级筑坝工艺参数计算相关参数

2.关键参数建设工期T、底流沉砂率γ_u和原矿分配率η的理论计算公式

随着尾矿坝的不断加高，入库尾矿也在不断积累，尾矿库滩面将会持续上升，尾矿坝加高的速度要始终略高于尾矿库滩面的上升速度；此外，沉砂的产量还需要满足筑坝工程量的需求，该过程被称为砂量平衡计算。基于砂量平衡计算，使用归纳总结的分级工艺的13个计算相关参数提出了关键参数建设工期T、底流沉砂率γ_u和原矿分配率η的理论计算公式：

式中：T为建设工期，d；γ_u为底流沉沙率，％；η为原矿分配率，％；M为选厂尾矿产量，t/d；V_dam为尾矿坝总工程方量，万m³；H为坝体高度，m；A为尾矿库待筑坝区域控制面积，万m²；

为库容利用系数；ρ_d为尾矿坝沉砂干密度，kg/m³。

同时沉砂产率γ_u的大小，将直接影响沉砂的质量，即-200目颗粒含量。一般控制溢流尾矿-200目颗粒为95％，根据质量守恒原理推导，可以得到底流沉砂产率γ_u的计算公式：

式中：P为原尾矿中-200目颗粒含量，％；P_u为沉砂中-200目颗粒含量，％，根据沉砂质量要求直接给定，一般为30％～50％。计算出产率γ_u后，再将其回代入公式(2)即可得到原矿分配率η。

3.关于水力旋流器的选型和数量的确定方法

本发明以分离粒度d₅₀作为旋流器直径D计算的依据，计算公式如公式(4)所示；再根据不同品牌和型号的旋流器，选择与计算直径D、初定的沉砂口直径d_u相近的水力旋流器，进而确定实际的旋流器参数：入料口当量直径d_f和溢流口直径d_ov，在此基础上，确定计算水力旋流器的数量N，计算公式如公式(5)所示：

式中：d₅₀为分离粒度，μm，高浓缩尾矿建议取35～45μm左右；D为水力旋流器的计算直径，cm；d_u为沉砂口直径，cm；p为入料口压强，kPa，对于35～45μm左右的分离粒度一般取120～160kPa；G_s为尾矿真比重；d_ov为溢流管直径，cm；C_i为入料浓度，％，为减少原矿稀释水量同时获得较好分级效果，建议取值范围为35～45％。

由公式(4)得出旋流器计算直径D，再根据不同品牌和型号的旋流器，选择与计算直径D、初定的沉砂口直径d_u相近的水力旋流器，进而确定实际的旋流器参数：入料口当量直径d_f和溢流口直径d_ov，在此基础上，确定计算水力旋流器的数量N：

式中：N为水力旋流器的数量，台；g＝9.81m/s²为重力加速度；K₀为系数，取值方法可参考《选矿工程师手册第1册上选矿通论》；d_f为入料口当量直径，cm，当入料口为宽×高＝b×l的方形时，换算式：

如图2所示，为高浓缩尾矿分级筑坝现场施工平面示意图，旋流分级筑坝系统需要与现场筑坝施工同时布设。施工现场有主坝坝段、全尾管带围埝、旋流机组、配浆槽、泵、管路和机电等设施等设备。

如图3所示，为高浓缩尾矿分级筑坝工艺流程图，在选矿厂生产尾矿中，分出比例为η的一部分作为参与分级原尾矿，剩余未参与分级原尾矿直接排放至尾矿库；参与分级原尾矿在原矿稀释槽中补水稀释后，由入料泵输送给水力旋流器机组；经水力旋流器分级后，溢流尾矿直接排放至尾矿库，底流尾矿在底流稀释槽中补水稀释后，通过冲填泵输送至施工区域用以筑坝。原尾矿在原矿稀释槽中经补水稀释后，采用渣浆泵输送给水力旋流器机组，旋流分级后产生的底流尾矿在底流稀释槽中补水稀释后由冲填泵管道输送至筑坝区域。

如图2和图3所示，在筑坝施工现场布设旋流分级筑坝系统需要确定配浆槽的体积、输送管路的大小和长短以及机电设备的选型。因此，本发明阐述选厂生产规模与筑坝施工效率之间的分配过程，并推导出了系统化的旋流分级工艺参数计算方法。

(1)在选矿厂生产尾矿中，分出比例为η的一部分作为参与分级原尾矿，剩余未参与分级原尾矿直接排放至尾矿库：此流程中分级原尾矿流量Q_p，m³/h与未参与分级原尾矿流量Q_e，m³/h的计算公式如下：

式中：Q_p为分级原尾矿流量，m³/h；Q_e为未参与分级原尾矿流量，m³/h；η为原矿分配率，％；M为选厂尾矿产量，t/d；G_s为尾矿真比重；C为原矿浓度，％。

(2)参与分级原尾矿在原矿稀释槽中补水稀释后，由入料泵输送给水力旋流器机组：此流程中入料尾矿流量Q_i，m³/h与原矿补水流量W_p，m³/h的计算公式如下：

W_p＝Q_i-Q_p (9)

式中：Q_i为入料尾矿流量，m³/h；Q_p为分级原尾矿流量，m³/h；M为选厂尾矿产量，t/d；η为原矿分配率，％；C_i为入料尾矿浓度，％；G_s为尾矿真比重；W_p为原矿补水流量，m³/h。

(3)经水力旋流器分级后，溢流尾矿直接排放至尾矿库，底流尾矿流入底流稀释槽：此流程中底流尾矿浓度C_u，％；底流尾矿流量Q_u，m³/h；溢流尾矿浓度C_o，％；溢流尾矿流量Q_o，m³/h的计算公式如下：

式中：Q_u为底流尾矿流量，m³/h；Q_o为溢流尾矿流量，m³/h；C_u为底流尾矿浓度，％；C_o为溢流尾矿浓度，％；C_i为入料浓度，％；K₁、K₂为系数，根据公式(11)(13)求得；M为选厂尾矿产量，t/d；η为原矿分配率，％；γ_u为底流沉沙率，％；G_s为尾矿真比重；S为分股比，

d_ov为溢流口直径，cm；d_u为沉砂口直径，cm。

(4)底流尾矿在底流稀释槽中补水稀释后，通过冲填泵输送至施工区域用以筑坝：此流程中尾矿库沉砂浓度C_dam，％；冲填尾矿流量Q_f，m³/h；底流尾矿补水量W_u，m³/h；筑坝施工效率E_dam，m³/h的计算公式如下：

W_u＝Q_f-Q_u (18)

式中：C_dam为尾矿库沉砂浓度，％；Q_f为冲填尾矿流量，m³/h；W_u为底流尾矿补水量，m³/h；E_dam为筑坝施工效率，m³/h；G_s为尾矿真比重；ρ_d为尾矿坝沉砂干密度，kg/m³；ρ_w为水的密度，kg/m³；Q_u为底流尾矿流量，m³/h；M为选厂尾矿产量，t/d；η为原矿分配率，％；γ_u为底流沉沙率，％；C_f为冲填矿浆浓度，％。

通过公式(6)～(19)便可以计算高浓缩尾矿分级筑坝工艺流程中各个相关参数值，阐述选厂生产规模与筑坝施工效率之间的分配过程，最后为筑坝施工现场布设旋流分级筑坝系统需要确定配浆槽的体积、输送管路的大小和长短以及机电设备的选型提供理论设计指导。

附图说明

图1为高浓缩尾矿分级筑坝现场施工流程图；

图2为高浓缩尾矿分级筑坝现场施工平面示意图。

图3为高浓缩尾矿分级筑坝工艺流程图；

具体实施方式

步骤一、收集尾矿库分级筑坝相关计算参数并计算关键参数

(1)根据尾矿库的设计方案，获得工程方量V_dam、坝体高度H、尾矿库待筑坝区域控制面积A、库容利用系数

等参数的设计值。

(2)现场调研获得选厂尾矿产量M的值。

(3)通过室内试验测试可以获得尾矿真比重G_s和尾矿坝沉砂干密度ρ_d的值。

(4)现场取样测试获得滩面尾矿天然密度ρ_b和原矿中-200目颗粒含量P的值、原尾矿浓度C和冲填矿浆浓度C_f。

(5)根据工程经验对沉砂中-200目颗粒含量P_u、分离粒度d₅₀、入料浓度C_i以及冲填矿浆浓度C_f等参数取值，取值范围如表1所示。

(6)利用公式

获得底流沉砂率γ_u的计算值。

(7)根据求得的γ_u的值，利用公式

计算出原矿分配率η的计算值。

(8)利用公式

计算出建设工期T的计算值。

步骤二、确定水力旋流器的选型和数量

(1)假定水力旋流器选型的参数：假定分离粒度d₅₀值，取值范围为35～45μm。根据经验，假设沉砂口直径d_u、入料口压强p以及溢流口直径d_ov的参数值。

(2)求得水力旋流器计算直径D：利用公式

求得所选型号的水力旋流器计算直径D，其中参数分离粒度d₅₀、沉砂口直径d_u、入料口压强p以及溢流口直径d_ov为假设值，参数尾矿真比重G_s、入料浓度C_i为步骤一中所得。

(3)确定水力旋流器选型：选择与计算直径D、初定的沉砂口直径d_u相近的水力旋流器，进而确定实际的旋流器参数：入料口当量直径d_f(当入料口为宽×高＝b×l的方形时，

)，和溢流口直径d_ov。

(4)确定计算水力旋流器的数量N：

公式中系数K₀可参考《选矿工程师手册第1册上选矿通论》选取。参数原矿分配率η、选厂尾矿产量M、尾矿真比重G_s、入料尾矿浓度C_i为步骤一中所得，入料口当量直径d_f和溢流口直径d_ov步骤二(3)中所得。

步骤三、计算旋流分级工艺流程与参数

如图3所示，高浓缩尾矿分级筑坝工艺基本流程的参数计算过程如下：

(1)在选矿厂生产尾矿中，分出比例为η的一部分作为参与分级原尾矿，剩余未参与分级原尾矿直接排放至尾矿库：此流程需计算工艺参数分级原尾矿流量Q_p，与未参与分级原尾矿流量Q_e。其中Q_p按照公式

计算，Q_e按照公式

计算。式中参数选矿厂尾矿产量M，原矿分配率η，原尾矿浓度C，尾矿真比重G_s为步骤一所求得；

(2)参与分级原尾矿在原矿稀释槽中补水稀释后，由入料泵输送给水力旋流器机组：此流程需计算工艺参数为入料尾矿流量Q_i与原矿补水流量W_p。Q_i按照公式

计算，W_p按照公式W_p＝Q_i-Q_p计算。式中参数选矿厂尾矿产量M，原矿分配率η，入料尾矿浓度C_i，尾矿真比重G_s为步骤一所求得；

(3)经水力旋流器分级后，溢流尾矿直接排放至尾矿库，底流尾矿流入底流稀释槽：此流程需计算工艺参数底流尾矿浓度C_u，底流尾矿流量Q_u，溢流尾矿浓度C_o，溢流尾矿流量Q_o，C_u按照公式

计算，Q_u按照公式

计算，C_o按照公式

计算，Q_o按照公式

计算。式中参数选矿厂尾矿产量M，原矿分配率η，底流沉沙率γ_u，尾矿真比重G_s为步骤一求得，K₁、K₂为系数，根据经验公式求得。

(4)底流尾矿在底流稀释槽中补水稀释后，通过冲填泵输送至施工区域用以筑坝：此流程需计算工艺参数尾矿库沉砂浓度C_dam，冲填尾矿流量Q_f，底流尾矿补水量W_u，筑坝施工效率E_dam。C_dam按照公式

计算，Q_f按照公式

计算，W_u按照公式W_u＝Q_f-Q_u计算，E_dam按照公式

计算。式中参数选矿厂尾矿产量M，原矿分配率η，底流沉沙率γ_u，尾矿真比重G_s，冲填矿浆浓度C_f，尾矿坝沉砂干密度ρ_d为步骤一求得，ρ_w为水的密度，kg/m3。

(5)根据步骤三的(1)(2)(3)(5)计算的旋流分级工艺流程的参数选择合适的泵、管路和机电等设施型号与数量。

Claims (6)

1.高浓度排矿尾矿库上游法筑坝施工方法总结归纳了高浓缩尾矿分级筑坝现场施工流程中的13个计算参数，并提供了基于砂量平衡的原理的关于关键参数建设工期T、底流沉砂率γ_u和原矿分配率η的理论计算公式。同时在这一基础之上，提出基于分离粒度的水力旋流器选型和数量计算方法。最后，阐述选厂生产规模与筑坝施工效率之间的分配过程，提供了系统化的旋流分级工艺参数计算方法。

2.根据权利要求1所述的高浓缩尾矿分级筑坝现场施工流程中的13个计算参数包括：尾矿坝总工程方量V_dam、坝体高度H、尾矿库待筑坝区域控制面积A、库容利用系数

选厂尾矿产量M、尾矿真比重G_s、尾矿坝沉砂干密度ρ_d、滩面尾矿天然密度ρ_b、原矿中-200目颗粒含量P、沉砂中-200目颗粒含量P_u、分离粒度d₅₀、入料浓度C_i以及冲填矿浆浓度C_f等。

3.根据权利要求1所述的关于关键参数建设工期T、底流沉砂率γ_u和原矿分配率η的理论计算公式。

4.根据权利要求1所述的基于分离粒度的水力旋流器选型和数量计算方法如下：根据公式

得到计算直径D，然后选择与计算直径D、初定的沉砂口直径d_u相近的水力旋流器，进而确定实际的旋流器参数：入料口当量直径d_f和溢流口直径d_ov，在此基础上，根据公式

确定计算水力旋流器的数量N。

5.根据权利要求1所述的选厂生产规模与筑坝施工效率之间的分配过程，提供了系统化的旋流分级工艺参数计算方法如下：

高浓缩尾矿分级筑坝工艺的基本流程及其计算方法为：在选矿厂生产尾矿中，分出比例为η的一部分作为参与分级原尾矿，剩余未参与分级原尾矿直接排放至尾矿库，其中分级原尾矿流量

未参与分级原尾矿流量

参与分级原尾矿在原矿稀释槽中补水稀释后，由入料泵输送给水力旋流器机组，其中入料尾矿流量

原矿补水流量W_p＝Q_i-Q_p；经水力旋流器分级后，溢流尾矿直接排放至尾矿库，底流尾矿流入底流稀释槽，其中底流尾矿浓度

底流尾矿流量

溢流尾矿浓度

溢流尾矿流量

底流尾矿在底流稀释槽中补水稀释后，通过冲填泵输送至施工区域用以筑坝，其中尾矿库沉砂浓度

冲填尾矿流量

底流尾矿补水量W_u＝Q_f-Q_u，筑坝施工效率

6.高浓度排矿尾矿库上游法筑坝施工方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)步骤一：收集尾矿库分级筑坝相关计算参数并计算关于关键参数建设工期T、底流沉砂率γ_u和原矿分配率η的值。

(2)步骤二：确定水力旋流器的选型和数量。

(3)步骤三：计算高浓缩尾矿分级筑坝工艺基本流程的参数，并确定配浆槽的体积、输送管路的大小和长短以及机电设备的选型。

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