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曾憲坤
(中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西南昌 330038)
細(xì)粒尾礦并無嚴(yán)格定義,對(duì)細(xì)粒尾礦庫(kù)的定義來自于生產(chǎn)實(shí)踐。 業(yè)內(nèi)常把顆粒粒徑>0.075 mm 的質(zhì)量占土??傎|(zhì)量的50%以下,排放到尾礦庫(kù)堆積尾礦壩的尾礦為細(xì)粒尾礦[1]。 有研究顯示,尾礦中<0.02 mm 的細(xì)粉粒組、黏土粒組和膠體粒組只能在靜水條件下沉積。這種沉積尾礦密度小、占用庫(kù)容大、固結(jié)慢、強(qiáng)度低,對(duì)于尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行極為不利[2]。 因此,細(xì)黏粒濕排尾礦庫(kù)往往存在更大的安全風(fēng)險(xiǎn)。
尾礦干排是通過一定工藝將尾礦實(shí)現(xiàn)干料和水的最大化分離,干料可運(yùn)輸至尾礦堆場(chǎng)儲(chǔ)存,水則可以回選廠利用[3]。 干排工藝能大幅減少尾礦輸送量,有效提高回水利用率,在同等條件下能有效延長(zhǎng)尾礦庫(kù)的使用年限[4]。 與傳統(tǒng)的尾礦濕排工藝相比,尾礦干堆在安全性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[5]。經(jīng)過多年的探索和發(fā)展,國(guó)內(nèi)礦山尾礦庫(kù)干排工藝得到發(fā)展,并逐漸成熟,可大大降低尾礦庫(kù)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
出于安全、環(huán)保的雙重壓力下,近幾年一些礦山開始著手對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行濕排改干排工藝的改造,但企業(yè)及設(shè)計(jì)人員對(duì)于細(xì)黏粒濕排尾礦庫(kù)能否成功實(shí)現(xiàn)濕排工藝轉(zhuǎn)干排工藝的轉(zhuǎn)換并無十足把握,特別是對(duì)初期如何在濕排的尾礦面上實(shí)現(xiàn)干排機(jī)械作業(yè)、后期的排礦工藝如何實(shí)施、實(shí)施干排后是否影響調(diào)洪等方面存在疑慮。本文擬通過某案例的實(shí)施,對(duì)在細(xì)黏粒濕排尾礦面實(shí)施干排工藝的情況進(jìn)行探討。
某金礦位于貴州省黔西南州,屬于南方多雨地區(qū)。 該礦選礦設(shè)計(jì)能力為年處理礦石量120×104t,浮選尾礦庫(kù)自2007 年建成以來一直采用濕排工藝向庫(kù)內(nèi)排放尾礦,排庫(kù)尾礦的礦漿質(zhì)量濃度為30%~35%。
該庫(kù)采用一次性建壩、分期實(shí)施的方式獲得庫(kù)容貯存尾礦。 前期為了提高尾礦壩上游邊坡的穩(wěn)定性和壩體的防滲性能,在壩體上游面排入尾礦;后期為了提高庫(kù)容利用系數(shù),尾礦也從庫(kù)后及周邊排放,尾礦水在西側(cè)支溝澄清。 由于環(huán)保要求庫(kù)內(nèi)澄清水不得向外排放,因此尾礦庫(kù)投入運(yùn)行以來,庫(kù)內(nèi)水位始終保持較高的狀態(tài),基本難于形成干灘。 截至2015年礦方?jīng)Q定對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行濕排改干排工藝改造時(shí),壩前濕排尾礦深度約84 m。濕改干前現(xiàn)狀照片見圖1。
圖1 浮選尾礦庫(kù)濕排改干排前庫(kù)內(nèi)情況照片
回水區(qū)域位于浮選尾礦庫(kù)西側(cè)支溝,采用浮船回水,庫(kù)內(nèi)西側(cè)支溝設(shè)有1 座排洪豎井,但出于環(huán)保要求,正常情況下不排水。
尾礦井下充填后, 溢流尾礦進(jìn)入尾礦庫(kù),-400目(38 μm)顆粒超過99%,尾礦平均粒徑dp<0.006 mm,屬黏性尾礦中的“尾黏土”。可以看出,排入浮選尾礦庫(kù)內(nèi)的尾礦顆粒極細(xì),庫(kù)面尾礦固結(jié)情況差,在高水位的浸泡下處于“懸浮”狀態(tài)。
根據(jù)對(duì)庫(kù)內(nèi)沉積灘原樣尾礦以及經(jīng)小型壓濾機(jī)處理后獲得的濾餅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可知:1)浮選尾礦庫(kù)內(nèi)沉積灘原樣含水率為52.7%,濕密度為1.73 t/m3,飽和密度為1.74 t/m3,干密度為1.13 t/m3。 2)尾礦濾餅進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)后,濾餅含水率為41.5%,最優(yōu)含水率wop=27.9%,最大干密度ρdmax=1.45 g/cm3,最大壓實(shí)度R為0.83,干密度ρd=1.21 g/cm3,快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=9.26 kPa,φ=26.56°。 3)通過試驗(yàn)得到壓實(shí)度為0.95、0.92、0.90 3 種情況下的濾餅含水率,以及相應(yīng)物理力學(xué)指標(biāo),如表1 所示。4)經(jīng)過濾餅液塑限試驗(yàn) 得 到,10 mm 液 限 為47.2%,17 mm 液 限 為57.1%;塑限26.6%。
表1 不同壓實(shí)度下濾餅含水率及物理力學(xué)指標(biāo)
1)符合國(guó)家相關(guān)政策。根據(jù)《尾礦庫(kù)安全監(jiān)督管理規(guī)定》(安監(jiān)總局第38 號(hào)令)第8 條:鼓勵(lì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位應(yīng)用尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)、尾礦充填、干式排尾、尾礦綜合利用等先進(jìn)適用技術(shù)。 該礦炭浸尾礦庫(kù)于2009 年已成功實(shí)施了尾礦干排技術(shù),浮選尾礦也于2013 年建成了分級(jí)井下充填系統(tǒng),對(duì)分級(jí)后的細(xì)粒尾礦實(shí)施壓濾后干排,均屬于國(guó)家鼓勵(lì)的“先進(jìn)適用技術(shù)”。
2)提高尾礦庫(kù)的安全性。 相對(duì)傳統(tǒng)的濕排尾礦而言,尾礦壓濾后通過濾餅的方式排入尾礦庫(kù),物理力學(xué)指標(biāo)大大改善,干排區(qū)固結(jié)效果相對(duì)較好,降低了尾礦壩潰壩等安全風(fēng)險(xiǎn)。
3)提高庫(kù)容利用率。 濕排尾礦由于需要通過庫(kù)周邊放礦,尾礦在庫(kù)內(nèi)是自然沉積的過程,受放礦點(diǎn)和支溝距離長(zhǎng)等多方面因素的影響, 庫(kù)容利用率不高于90%,而干排則可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域排放尾礦,提高庫(kù)容利用率。
4)降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。尾礦經(jīng)壓濾后,壓濾水返回選廠重復(fù)使用,濾餅中含水率僅40%左右,平時(shí)庫(kù)區(qū)幾乎無水,處于干庫(kù)狀態(tài);濾餅在庫(kù)內(nèi)分層碾壓,庫(kù)內(nèi)降雨時(shí),雨水往西側(cè)支溝匯集,遠(yuǎn)離壩體,延長(zhǎng)了滲徑,可大大降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。
5)延長(zhǎng)服務(wù)年限。實(shí)施尾礦分級(jí)充填后,溢流尾礦進(jìn)入尾礦庫(kù),-400 目的顆粒占99%以上,靠自然很難沉積,尾礦堆積干容重相比之前排入的尾礦將大大降低,而實(shí)施干排后,尾礦堆積干容重可以提高10%左右,可延長(zhǎng)服務(wù)年限。
1)采用順排法分單元、分塊作業(yè)。按制定的運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行作業(yè),避免無序作業(yè),從而降低作業(yè)成本。根據(jù)每天的入庫(kù)浮選尾礦濾餅量,嚴(yán)格在計(jì)劃的作業(yè)區(qū)進(jìn)行,盡量控制作業(yè)區(qū)范圍。 另外,有序地分塊作業(yè)還有利于浮選尾礦濾餅中水分的散發(fā)。 2)提高壓實(shí)度、 增強(qiáng)干排體的穩(wěn)定性。 確定合理的單元高度,以便濾餅中的水分能及時(shí)散發(fā)出來;同時(shí),也確保壓實(shí)機(jī)械操作的可行性, 在提高堆體密實(shí)度的同時(shí)保證其穩(wěn)定性。3)操作簡(jiǎn)單,運(yùn)行方便。 庫(kù)內(nèi)干排工藝以滿足運(yùn)行安全為主,盡可能利用膠帶運(yùn)輸,減少移動(dòng)膠帶的次數(shù)。
本次浮選尾礦濕排轉(zhuǎn)濾餅干堆擬采取膠帶運(yùn)輸作業(yè),結(jié)合膠帶運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),按照盡可能少移動(dòng)皮帶機(jī)的原則,充分利用浮選尾礦濾餅的特性,以壓濾車間為中心, 逐步向遠(yuǎn)處推進(jìn)的方式排放浮選尾礦濾餅,推進(jìn)過程中以0.25%~5%的坡度坡向庫(kù)內(nèi),形成排水坡度。該項(xiàng)目濕排改干排后終期平面、剖面示意圖見圖2。
圖2 浮選尾礦庫(kù)濕排轉(zhuǎn)濾餅干堆終期平面、剖面示意
來自壓濾車間的浮選濾餅,通過壓濾車間的主膠帶和庫(kù)區(qū)內(nèi)分布的支膠帶,進(jìn)入指定作業(yè)單元卸料,然后由濕地型履帶式機(jī)械攤鋪、堆放、晾曬2~3 d后,再由濕地型推土機(jī)進(jìn)行來回碾壓。
1)干排工藝平面布置。 以壓濾車間卸料點(diǎn)為中心,依次形成若干個(gè)干排作業(yè)單元向庫(kù)內(nèi)幅射,根據(jù)每天入庫(kù)的濾餅量以及作業(yè)面水分散發(fā),輪流作業(yè)。
2)作業(yè)面積。 干排作業(yè)單元是整個(gè)干排庫(kù)區(qū)的基本結(jié)構(gòu)單元,為便于濾餅水分散發(fā),需采取輪換作業(yè)的方式。結(jié)合浮選尾礦庫(kù)地形,目前已形成的尾礦面積超過28×104m2,作業(yè)面相對(duì)比較寬,因此設(shè)計(jì)的工作面寬度定為30~50 m,長(zhǎng)度為30~50 m,面積按1 500~2 500 m2左右控制, 每天堆填的厚度約1.0~1.5 m。 每天可堆填尾礦量約1 500~2 500 m3,基本上與每天濾餅產(chǎn)量相適應(yīng), 壓濾車間壓濾尾礦量增大時(shí),可適當(dāng)增大單元作業(yè)面積。
3)作業(yè)方式。 由于來自壓濾車間運(yùn)來的濾餅顆粒較細(xì),平均含水量為達(dá)40%以上,直接上攤平機(jī)械可能存在一定的困難。因此,在指定的幾個(gè)作業(yè)單元進(jìn)行卸料并攤平后, 需堆放2~3 d 后再用碾壓機(jī)械碾壓,并隨時(shí)注意天氣變化,以盡可能地讓尾礦堆體水分散發(fā)。 后進(jìn)場(chǎng)的濾餅在已進(jìn)場(chǎng)堆放并壓實(shí)的堆體表面卸料,步驟同前。按照如此作業(yè)方式由壓濾車間附近向浮選尾礦壩、 庫(kù)后支溝推進(jìn), 為了作業(yè)需要,推進(jìn)過程中,各單元間高差不宜大于1.5 m。
雖然濕排轉(zhuǎn)干排后,在一定程度上能夠提高浮選尾礦庫(kù)的安全,但尾礦庫(kù)仍是一個(gè)重大的危險(xiǎn)源,因此,浮選尾礦庫(kù)濕排轉(zhuǎn)濾餅干排后,仍需維持原濕排時(shí)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。 可以利用控制濾餅堆體的方式控制調(diào)洪庫(kù)容, 以維持現(xiàn)有的排洪系統(tǒng)不改造的情況下實(shí)現(xiàn)排洪安全。
尾礦庫(kù)濕排改干排后,應(yīng)盡可能減少進(jìn)入尾礦庫(kù)的水量,而減少庫(kù)內(nèi)水量的最佳途徑就是清污分流。 結(jié)合本項(xiàng)目情況,主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:
1)減少入庫(kù)污水量。 浮選尾礦壓濾水屬于環(huán)保部門要求未經(jīng)處理不得外排的“污水”,因此,要求壓濾車間的濾液不進(jìn)入浮選尾礦庫(kù), 按最大2 kt/d 尾礦計(jì),質(zhì)量濃度35%,壓濾完成后濾餅固體的質(zhì)量濃度約70%,則濾液產(chǎn)生量最大約2 kt/d。 目前尾礦庫(kù)污水處理能力2 kt/d,要求濾液泵回選廠利用。
2)減少入庫(kù)清水量。 浮選尾礦庫(kù)終期高程以外匯水面積達(dá)0.7 km2,在終期高程沿等高線位置設(shè)置截洪溝,將截洪溝以外至分水嶺的坡面匯水?dāng)r截,直接排入庫(kù)外。
3)加大庫(kù)內(nèi)水回用量。 目前浮選尾礦庫(kù)正常的回水量為5 000~6 000 m3/d, 高峰時(shí)達(dá)到8 000 m3/d,為確保干排效果, 應(yīng)降低庫(kù)內(nèi)水量情況, 加大回水量,盡可能保持庫(kù)內(nèi)“干燥”狀態(tài)。
項(xiàng)目自2017 年3 月正式實(shí)施干排工藝以來,由于礦方嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的干排工藝進(jìn)行作業(yè), 該項(xiàng)目取得了比較好的效果,具體運(yùn)行照片見圖3。
圖3 尾礦庫(kù)由濕排改干排后運(yùn)行現(xiàn)狀照片
需要注意以下幾點(diǎn)問題:1)濕改干投入運(yùn)行時(shí),由于濕排尾礦面尾砂力學(xué)性質(zhì)較差, 需要積累至少不得小于2 m 的濾餅厚度并形成一定的面積后方可實(shí)現(xiàn)機(jī)械作業(yè)。 2)濾餅排放過程中對(duì)原有的濕排尾礦庫(kù)有很明顯的擠壓作用,因此,排礦工藝以及順序很重要,采用上游法濕排尾礦堆積壩工藝更需謹(jǐn)慎。3)排礦點(diǎn)與庫(kù)內(nèi)排水井需保持足夠的距離,并保持排水井周邊尾礦均勻上升, 避免對(duì)排水井形成不平衡的側(cè)向推力。4)加強(qiáng)庫(kù)內(nèi)的排水非常重要,否則將嚴(yán)重影響干排工藝的實(shí)施。
1)該項(xiàng)目的成功實(shí)施,在已排放了近90 m 高的濕排干難面上成功實(shí)施濾餅干排, 創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)細(xì)黏粒濕排尾礦庫(kù)改干排的記錄,可供其它項(xiàng)目借鑒。
2)對(duì)于濕排改干排的尾礦庫(kù)而言,由于后期濾餅排放過程中對(duì)原已濕排的尾礦會(huì)造成“擠壓”,因此,排礦工藝、厚度、順序以及疏干庫(kù)內(nèi)積水計(jì)劃都是制約干排的重要因素,需引起足夠的重視。
3)在目前安全監(jiān)管,環(huán)保督察的雙重壓力下,對(duì)尾礦庫(kù)實(shí)施干排工藝, 不僅可以提高尾礦庫(kù)的安全度,更是可以降低環(huán)保污染風(fēng)險(xiǎn),經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益顯著。