尾礦管道輸送擴(kuò)能研究及應(yīng)用*

趙昌洪，孫本卓，王 靜，鄧小卿

（1.云錫大屯錫礦，云南 個(gè)舊 661018；2.昆明佩思礦業(yè)工程設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650034）

礦漿管道運(yùn)輸具有運(yùn)量大、占地少、費(fèi)用低、安全可靠、連續(xù)性強(qiáng)、耗能少、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。但是礦漿管道建成后，管道輸送規(guī)模被固定。某尾礦管道于2012年開始建設(shè)，至大他沖尾礦庫的尾礦管道于2014年投入運(yùn)行，至花墳尾礦庫的尾礦管道于2018年投入運(yùn)行，管道設(shè)計(jì)尾礦輸送量5 600 t/d。

由于產(chǎn)能調(diào)整及尾礦排放工藝需要，至花墳尾礦庫的尾礦輸送量需提高至10 000 t/d（較原設(shè)計(jì)增加78%），目前管道系統(tǒng)不能滿足10 000 t/d的尾礦輸送能力，需要基于目前輸送系統(tǒng)設(shè)備、管道、儀表的能力水平進(jìn)行擴(kuò)能改造。

1 現(xiàn)有尾礦輸送系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)有輸送系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表1 現(xiàn)有輸送系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Main design parameters for the existing transportation system

1.2 現(xiàn)有尾礦輸送泵站系統(tǒng)

一臺(tái)Φ45 m直徑的高效濃縮機(jī)，一座底流泵站，底流泵站內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)離心式喂料泵，正常情況下一用一備。

濃度為7%～15%的尾礦礦漿在φ45 m直徑濃縮機(jī)內(nèi)濃縮，底流濃縮達(dá)到45%～55%后，通過離心式渣漿泵（主泵喂料泵）對礦漿增壓后泵送至主泵內(nèi)。

一次濃縮至花墳尾礦庫距離約10.4 km，一次濃縮機(jī)主泵站標(biāo)高為1 322 m，花墳尾礦庫二次深錐濃縮機(jī)地坪標(biāo)高為1 480 m，深錐濃縮機(jī)高約30 m，合計(jì)主泵站與深錐機(jī)尾礦入口高程差為188 m。通過水力計(jì)算，主泵的出口壓力應(yīng)達(dá)到5.6 MPa（合礦漿揚(yáng)程340 m），基于尾礦輸送管道壓力較高且輸送流量不大，選擇容積式隔膜泵作為尾礦輸送主泵[1]。

φ45m直徑的高效濃縮機(jī)溢流水自流入濃縮機(jī)溢流回水池內(nèi)，通過大流量的水平中開式離心水泵，泵送到選廠高位水池內(nèi)，回水泵房內(nèi)四臺(tái)水平中開式離心泵水泵。正常情況下三臺(tái)工作，一臺(tái)備用。當(dāng)尾礦產(chǎn)量有波動(dòng)變大時(shí)，可以通過運(yùn)行第四臺(tái)泵，進(jìn)行流量峰值的調(diào)整，當(dāng)尾礦產(chǎn)量低時(shí)，可以通過只運(yùn)行一臺(tái)，或者兩臺(tái)泵來滿足產(chǎn)量的變化。

2020年為提高主泵的備用率，采購并安裝一臺(tái)與現(xiàn)有主泵參數(shù)一致的主線隔膜泵。目前，3臺(tái)主線隔膜泵，正常情況下1臺(tái)運(yùn)行，2臺(tái)備用。

現(xiàn)有尾礦輸送系統(tǒng)工藝流程見圖1[2]，主要工藝設(shè)備參數(shù)見表2。

圖1 現(xiàn)有尾礦輸送工藝流程框圖Fig.1 Flow block diagram of the existing tailings transportation process

表2 主要設(shè)備參數(shù)表Tab.2 Parameters of main equipment

1.3 現(xiàn)有尾礦輸送管道系統(tǒng)

基于尾礦礦漿管道設(shè)計(jì)要求，選擇合理的管道尺寸及材質(zhì)，在保證管道內(nèi)礦漿的運(yùn)行速度大于礦漿的臨界流速前提下，盡可能降低管道的流速，降低主泵的運(yùn)行壓力，提高管道的運(yùn)行壽命。

表3 花墳尾礦越野管道參數(shù)匯總Tab.3 Parameters summarization of cross country pipeline of Huafen tailings

尾礦管道（0～4.53） km，管道連接法蘭壓力等級(jí)為 ANSI Class 600#，尾礦管道 （4.53～10.2）km，管道連接法蘭壓力等級(jí)為ANSI Class 300#，尾礦管道（10.2～10.429） km，管道連接法蘭壓力等級(jí)為ANSI Class 150#。

1.4 現(xiàn)有尾礦輸送管道水力模型

根據(jù)PSEI多條長距離漿體管道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使用PSEI礦漿水力模型[3]（WASP）進(jìn)行鐵精礦管道水力計(jì)算，水力模型建立時(shí)增加6%流量安全余量，管道長度安全余量取5%。

水力模型建立時(shí)，內(nèi)襯橡膠鋼管的管道內(nèi)粗糙度取0.05 mm，水力模型建立時(shí)，水力坡度線與管道線路縱剖面間距余量最小50 m；管道最大承壓線和最大水力坡度線間距余量為50 m；水力坡度線與管道線路縱剖面間距余量為50 m；管道最大承壓線與靜水壓力線間距余量為125 m。

圖2為尾礦輸送穩(wěn)態(tài)水力坡度圖顯示了水力模型計(jì)算結(jié)果，表明了泵站位置、越野管道線路縱剖面線、管道允許的最大運(yùn)行壓力線、管道停車后的靜水壓力線及按設(shè)計(jì)量及設(shè)計(jì)濃度輸送礦漿時(shí)管道水力坡度線。

圖2 5 600 t/d尾礦輸送穩(wěn)態(tài)水力坡度圖Fig.2 Steady-state hydraulic slope plot of 5600 t/d tailings transportation

無論任何情況下，管道沿線上任何一點(diǎn)的靜壓力或運(yùn)行壓力必須低于此點(diǎn)的管道最大允許壓力[4]。

2 尾礦輸送擴(kuò)能工藝方案研究

由于尾礦輸送量增加后，管道運(yùn)行壓力及流量均增加，在優(yōu)先保證擴(kuò)能后管道運(yùn)行壓力應(yīng)低于越野管道設(shè)計(jì)壓力，一般礦漿管道輸送擴(kuò)能研究方向如下：

1）提高輸送濃度降低輸送流量；

2）改造主線隔膜泵增加輸送壓力，增加主線隔膜泵數(shù)量增加輸送流量[5]；

3）在線路合理位置增加加壓泵站，降低主泵輸送壓力；

4）新建尾礦管道降低主泵輸送壓力。

2.1 提高輸送濃度研究

基于多年Φ45 m直徑的高效濃縮機(jī)運(yùn)行情況，并與濃縮機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行技術(shù)確認(rèn)，φ45 m高效濃縮機(jī)完全能滿足10 000 t/d的尾礦處理量，同時(shí)，在保證溢流水濁度≤200 mg/L情況下，濃縮機(jī)底流濃度能達(dá)到55%以上，但由于尾礦處理量增加后，現(xiàn)有絮凝劑添加系統(tǒng)需要進(jìn)行擴(kuò)能改造。

采用Mettler RM180粘度計(jì)對尾礦礦漿進(jìn)行粘度測試[6]，圖3為通過試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理后的礦漿濃度與粘度關(guān)系圖，由圖所知，尾礦礦漿濃度提高至55%后，雖然礦漿粘度有所提高，但提高較少，對整體輸送影響不大，同時(shí)參考其他類似尾礦輸送項(xiàng)目運(yùn)行情況，可以采用55%以上的輸送濃度。所以，初步將擴(kuò)能后尾礦輸送濃度確定為55%。

圖3 大屯尾礦礦漿重量濃度與相對粘度關(guān)系圖Fig.3 Relation diagram of weight concentration and relative viscosity of Datun tailings'ore pulp

2.2 改造并增加主線隔膜泵研究

由于尾礦輸送量增加至10 000 t/d后，當(dāng)輸送濃度達(dá)到55%，輸送流量為475 m3/h，現(xiàn)有φ273 mm襯膠管道內(nèi)流速會(huì)達(dá)到2.79 m/s。圖4為尾礦擴(kuò)能到10 000 t/d時(shí)，直接輸送穩(wěn)態(tài)水力模型截圖，此時(shí)主泵壓力會(huì)達(dá)到7.5 MPa，越野主管道在4.5 km～5.5 km的運(yùn)行壓力會(huì)超過主管道的承壓能力。

圖4 現(xiàn)有管道輸送10 000 t/d尾礦穩(wěn)態(tài)水力坡度圖Fig.4 Steady-state hydraulic slope plot of 10 000 t/d tailings transported by the existing pipeline

為了保證此方案后期運(yùn)行安全，需要對（4.5～6.5）km管道進(jìn)行更換，提高管道承壓能力。輸送泵站主泵輸送壓力（5.6 MPa） 也不能滿足擴(kuò)能要求，需要改造或者更換，主泵出口閥門、管道及儀表也需要進(jìn)行改造更換，總體投資較大，且此方案需要長時(shí)間的尾礦管道停產(chǎn)，對選廠生產(chǎn)影響很大，不推薦采用此擴(kuò)能方案。

2.3 新增加壓泵站方案研究

由于尾礦輸送量增加后，管道運(yùn)行壓力及流量均增加，基于優(yōu)先保證擴(kuò)能后管道運(yùn)行壓力應(yīng)低于越野管道設(shè)計(jì)壓力，并盡可能地利用現(xiàn)有尾礦輸送系統(tǒng)設(shè)施，為了將目前大屯尾礦泵站壓力降低，通過現(xiàn)場勘察結(jié)合水力模型分析，提出在越野管道約8 km處（海拔標(biāo)高約1 400 m） 新建一座加壓泵站，尾礦通過兩級(jí)泵站增壓后輸送至花墳尾礦庫二次濃縮。圖5為新建加壓泵站方案穩(wěn)態(tài)水力坡度圖，通過水力模型計(jì)算正常大屯尾礦輸送泵站壓力約5.1 MPa，加壓泵站出口壓力約2.72 MPa。

圖5 10 000 t/d尾礦輸送加壓泵站方案穩(wěn)態(tài)水力坡度圖Fig.5 Steady-state hydraulic slope plot of booster pump station for 10 000 t/d tailings transportation

大屯尾礦輸送泵站主泵壓力及流量均滿足輸送要求，尾礦管道擴(kuò)能后，正常2臺(tái)主泵運(yùn)行1臺(tái)備用，僅需對現(xiàn)有濃縮機(jī)底流泵、隔膜泵進(jìn)出管道進(jìn)行改造。

加壓泵站內(nèi)設(shè)置有2組串聯(lián)離心渣漿泵（一組運(yùn)行，一組備用），每組串聯(lián)泵由3臺(tái)離心渣漿泵串聯(lián)。尾礦礦漿經(jīng)過加壓泵站加壓后輸送至花墳尾礦庫內(nèi)的深錐濃縮機(jī)內(nèi)。

在新增加壓泵站及尾礦新建主泵未竣工前，現(xiàn)有系統(tǒng)還能一直保持5 600 t/d的輸送能力輸送，本方案對現(xiàn)有生產(chǎn)的影響非常少。

2.4 新建管道方案研究

10 000 t/d的尾礦輸送量較原管道設(shè)計(jì)尾礦輸送量5 600 t/d增加較多，為了降低管道運(yùn)行成本及運(yùn)行壓力，設(shè)計(jì)新建一條φ323.8 mm的內(nèi)襯橡膠鋼管。新建管道輸送10 000 t/d的尾礦，設(shè)計(jì)輸送濃度范圍50%～55%，設(shè)計(jì)輸送濃度點(diǎn)為53%，圖6為新建管道方案穩(wěn)態(tài)水力坡度圖，通過水力模型計(jì)算正常主泵出口運(yùn)行壓力為4.9 MPa，運(yùn)行流量503 m3/h?，F(xiàn)有φ273.1 mm的內(nèi)襯橡膠鋼管作為尾礦輸送系統(tǒng)的備用管道。

圖6 10 000 t/d尾礦輸送新建管道方案穩(wěn)態(tài)水力坡度圖Fig.6 Steady-state hydraulic slope plot of new pipeline for 10 000 t/d tailings transportation

大屯尾礦輸送泵站主泵壓力及流量均滿足輸送要求，尾礦管道擴(kuò)能后，正常2臺(tái)主泵運(yùn)行1臺(tái)備用，僅需要對現(xiàn)有濃縮機(jī)底流泵、隔膜泵進(jìn)出管道進(jìn)行改造。

尾礦漿在主泵站內(nèi)加壓后，通過新建的一條 φ323.8 mm，壁厚 8 mm，內(nèi)襯橡膠 8 mm，長度約10.5 km的越野管道輸花墳尾礦庫內(nèi)的深錐濃縮機(jī)內(nèi)。

3 項(xiàng)目建設(shè)分析研究

本尾礦管道輸送擴(kuò)能工程，屬于擴(kuò)建項(xiàng)目，在方案分析研究過程中還需要進(jìn)行建設(shè)難度、建設(shè)時(shí)間、建設(shè)投資、對現(xiàn)有生產(chǎn)影響對比分析[7]。

從表4分析數(shù)據(jù)可知，加壓泵站方案較新建管道方案，建設(shè)難度低、建設(shè)時(shí)間短、建設(shè)投資相對較低、對現(xiàn)有生產(chǎn)影響相對較小，加壓泵站方案更有利于工程實(shí)施。

表4 尾礦擴(kuò)能輸送方案建設(shè)分析Tab.4 Construction analysis on capacity expansion transportation scheme of tailings

4 建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)研究

越野管道輸送工程，常常涉及征地、外部協(xié)調(diào)、建設(shè)過程中的環(huán)境保護(hù)等，為了項(xiàng)目后期建設(shè)順利實(shí)施，還需要在方案分析時(shí)，進(jìn)行各方案的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)分析[8]。

4.1 建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

1）技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。因管道輸送技術(shù)不先進(jìn)、技術(shù)采用不合理引起的工程問題造成的損失；

2）工程風(fēng)險(xiǎn)。因工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和工程設(shè)計(jì)本身發(fā)生重大變化，導(dǎo)致工程量增加、投資增加、工期延長所造成的損失；

3）資金風(fēng)險(xiǎn)。因資金來源中斷或供應(yīng)不足，導(dǎo)致融資成本提高，給建設(shè)和運(yùn)營造成的損失；

4）外部協(xié)作風(fēng)險(xiǎn)。投資項(xiàng)目所需要的供水排水、供電供氣、通訊、交通等主要外部協(xié)作配套條件發(fā)生重大變化，給建設(shè)和運(yùn)營帶來困難；

5）環(huán)境與社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。存在于征地補(bǔ)償環(huán)節(jié)和實(shí)施過程中對周邊居民造成的負(fù)面影響，影響項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4.2 建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

基于上節(jié)識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)因素，對各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)程度估計(jì)，其中風(fēng)險(xiǎn)程度分為高、較高、中、較低、低五個(gè)層次。并對新建加壓泵站方案及新建管道方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評定。

從表5的風(fēng)險(xiǎn)評估數(shù)據(jù)看出，加壓泵站方案各風(fēng)險(xiǎn)因素中無中風(fēng)險(xiǎn)及以上因素，總體風(fēng)險(xiǎn)可控，有利于項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施。

表5 加壓泵站方案風(fēng)險(xiǎn)水平評估表Tab.5 Risk level assessment of booster pump station scheme

從表6的風(fēng)險(xiǎn)評估數(shù)據(jù)看出，新建管道方案各風(fēng)險(xiǎn)因素中社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)及項(xiàng)目用地為較高風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)、工程量及工程管理為中風(fēng)險(xiǎn)，可能因這些風(fēng)險(xiǎn)影響項(xiàng)目建設(shè)，特別是項(xiàng)目建設(shè)投資及進(jìn)度。

表6 新建管道方案風(fēng)險(xiǎn)水平評估表Tab.6 Risk level assessment of new installed pipeline scheme

5 結(jié)語

1）礦漿管道擴(kuò)能首先應(yīng)考慮提高輸送濃度，在不超過設(shè)計(jì)輸送壓力的前提下增加輸送量。提高輸送濃度需要對礦漿特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)得出礦漿粘度數(shù)據(jù)判斷提高輸送濃度是否可行；

2）礦漿管道擴(kuò)能改造方案研究應(yīng)基于現(xiàn)有輸送系統(tǒng)配置，并結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)運(yùn)行情況研究方案，提出的可行性的改造方案應(yīng)盡可能降低方案建設(shè)對現(xiàn)有生產(chǎn)的影響；

3）完成可行的工藝方案后，需要對各方案的建設(shè)難度、建設(shè)時(shí)間、建設(shè)投資、對現(xiàn)有生產(chǎn)影響進(jìn)行綜合分析比較；

4）礦漿管道輸送屬于線性工程，一般工程戰(zhàn)線長，自然環(huán)境與社會(huì)環(huán)境復(fù)雜，在建設(shè)方案研究時(shí)一定要進(jìn)行建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)研究；

5） 針對大屯尾礦10 000 t/d管道輸送系統(tǒng)擴(kuò)能，新建加壓泵站方案更適合。