袁家村鐵礦微細粒尾礦堆存關鍵技術及生產(chǎn)實踐

柴森茂

(太鋼集團嵐縣礦業(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)，設計服務年限39年，設計年處理原礦2 200 萬t，年排放尾礦1 460 萬t。選礦廠磨礦粒度微細，綜合尾礦粒度-0.075 mm約占91.3%，不能用于筑壩，因此尾礦庫采用露天采場剝離的廢石筑壩，設計采用廢石一次性筑壩、分期實施的方案。在生產(chǎn)規(guī)模大(尾礦處理量972 萬m3/a)、尾礦庫容大(全壽命庫容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粒尾礦如何實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保堆存，國內(nèi)外沒有成熟的技術和經(jīng)驗可供借鑒。袁家村鐵礦尾礦采用濕式排放工藝，尾礦庫投產(chǎn)至今通過不斷在尾礦排放方面的摸索改良，探索出微細粒尾礦廢石筑壩尾礦庫尾礦排放關鍵技術。目前，庫內(nèi)干灘狀況不斷優(yōu)化，尾礦庫各項指標發(fā)展良好，為微細粒尾礦堆存提供了關鍵技術，經(jīng)濟和社會效益顯著。

1 袁家村鐵礦尾礦庫介紹

太鋼袁家村鐵礦白化宇尾礦庫位于山西省嵐縣袁家村鐵礦采場西北側的近周營、白化宇村，距嵐縣縣城約20 km，距太原市約115 km。尾礦庫庫址選擇在距選礦廠約4 km的白化宇村。尾礦庫匯水面積10.4 km2，平均坡度7%，溝長約4.4 km。場地三面環(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300 m。壩址區(qū)跨越數(shù)座山丘、數(shù)條溝谷。尾礦庫總庫容約5.89 億m3、服務年限48.5年。尾礦庫采用露天采場剝離的廢石筑壩，筑壩方式為下游式筑壩方式，設計采用廢石一次性筑壩、分期實施的方案。 廢石筑壩最終堆積標高+1 800.0 m，設計最終壩高250 m。

2 尾礦排放工藝設計

與常規(guī)尾礦濕式處理相比，尾礦干堆技術在尾礦入庫前將尾礦中的大部分水回收循環(huán)利用，同時減少尾砂入庫后水分向自然環(huán)境中的流失，保護自然水體。在國家節(jié)能減排、保護環(huán)境的號召下，尾礦干堆技術將成為未來尾礦處理的主流。比較適合尾礦膏體干堆的條件有：1)當?shù)氐臍夂驐l件干燥，蒸發(fā)量遠遠大于降水量的地方；2)通過試驗證明能夠產(chǎn)生膏體的自動濃縮設備并且在不使用太多的絮凝劑時能夠制成膏體；3)相對平坦的足夠大的處理膏體尾礦的場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，減少了尾礦入庫水量的流失、尾礦庫容利用系數(shù)高，占地面積少，大幅度縮短了尾礦固結的時間?；谝陨蟽?yōu)點，通過比對使用兩種不同尾礦處理方式條件下在尾礦庫庫容、環(huán)保及后期運行等方面的不同得出結論，見表1。

表1 常規(guī)濕式處理與濃縮尾礦干堆對比表

濃縮尾礦與常規(guī)尾礦在堆存處理上沒有突出的優(yōu)點，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是在庫內(nèi)設多個點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)點是庫容的利用系數(shù)高，但也存在一些缺點。例如：1)上游放礦需將管道鋪設在庫內(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大的灘面，尾礦庫的防塵較難處理；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的調(diào)洪庫容減小，降低了尾礦庫調(diào)蓄洪水的能力。

同時，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方面存在很多問題，還需要面臨著高昂的尾礦脫水費用及膏體尾礦輸送等一系列難題。

因此，尾礦庫設計采用廢石筑壩的方案，尾礦壩與廢石場相結合，采用壩前多管分散放礦，為增加尾礦庫的庫容利用系數(shù)，可在尾礦庫使用后期將尾礦放礦管伸向庫內(nèi)，在庫內(nèi)充填。

3 生產(chǎn)實踐及技術創(chuàng)新

3.1 人造黃土干灘的應用

袁家村鐵礦試車期間，尾礦輸送濃度僅10%左右，遠未達到設計輸送濃度60%，入庫水量遠大于尾砂量，尾砂沉積難以形成干灘，庫內(nèi)水直接與廢石壩壩體接觸，并通過壩體廢石間隙在下游坡腳處局部形成滲漏。這樣對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)物理力學參數(shù)對濕化較為敏感，散體會發(fā)生崩解和顆粒破碎，導致結構發(fā)生變化，從而改變堆石體本體的物理力學性質(zhì)；尾礦庫安全管理關鍵指標，特別是干灘長度、安全超高等得不到保障，不符合設計及相關規(guī)程的要求。

為解決以上問題，采用了在尾礦庫內(nèi)堆筑黃土干灘方案，見圖1。

人造干灘長度為同高程初期壩長度，方向與初期壩平行，用的廢石取自采場，黃土取自尾礦庫；生產(chǎn)過程中，分為1 610 m、1 622 m、1 628 m、1 632 m、1 640 m五個堆筑標高。隨著選礦系統(tǒng)穩(wěn)定，尾礦輸送濃度的提升，尾礦庫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內(nèi)為形成穩(wěn)定干灘前有效過渡工程，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

根據(jù)國內(nèi)細粒級尾礦筑壩試驗和細粒級的尾礦筑壩工程實踐，要求用于筑壩的尾礦粒級特征具有如下特征：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

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

在保證各期壩面設計標高條件下，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，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，設計專門的放礦管道支架：支架設置在壩內(nèi)坡，垂直距離距灘頂3 m，支架末端保持水平伸入庫內(nèi)1 m，通過鋼絲繩、鋼釬固定在尾礦壩內(nèi)坡黃土保護層上，將放礦支管布設在支架上，放礦時礦漿噴射入庫內(nèi)，避免了礦漿沖刷壩內(nèi)坡。通過穩(wěn)定的放礦生產(chǎn)，尾礦壩前沿壩已形成長度超過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

尾礦礦漿通過選礦廠隔膜泵、尾礦輸送管道到達尾礦壩前，為消除礦漿過高勢能，設置緩沖箱、逐級跌落管道系統(tǒng)。為消除尾砂沖擊力，保護跌落管，設計在跌落管底部放置了緩沖墊片，每組管道底部放置了4個橡膠墊片，厚度約30 cm，12組共計48個。在實際生產(chǎn)過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，第二層放置18個，由于鋼球重量較大不會隨礦漿帶走，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，放礦管道維護難度大。在二期壩(1 650 m)進行每隔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)上面直接進行每隔24 m安裝一根分散放礦支管設計，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、維護成本上均有較大降低，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

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，放礦時開啟單組相應數(shù)量的放礦支管，該放礦方式存在支管間距近，存在嚴重的匯流現(xiàn)象，由于單根管流量較大，灘面上礦漿流速大，尾砂沉積時間短，導致干灘上升速率慢，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，耗費人力、物力，對生產(chǎn)組織不利。單組放礦時由于每組只有11根放礦支管，存在單個放礦閥門長時間開啟的現(xiàn)象，導致該組管道內(nèi)的三通磨損嚴重，常出現(xiàn)三通漏礦現(xiàn)象，對放礦管控難度較大。

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。通過放礦方式的改善，尾礦庫內(nèi)干灘坡度由之前的0.5%提升至0.7%，干灘長度穩(wěn)定在350 m以上。

四期壩后持續(xù)對放礦方式進行優(yōu)化，在多組聯(lián)合放礦基礎上實施對放礦支管的進一步分散，放礦時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)坡前有充足時間沉積，使得庫內(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，尾礦庫灘面坡度已提升至了1.12%，安全超高達到5.5 m以上，調(diào)洪庫容顯著提升，尾礦庫安全儲備明顯提升，具體參數(shù)見表3。

表3 2016～2020年尾礦庫干灘變化

4 結語

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