某礦山尾礦漿體輸送經(jīng)濟(jì)濃度分析

陳琴瑞， 朱學(xué)勝(.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 00038；.中鐵建銅冠投資有限公司， 安徽 銅陵 44000)

1 前言

選礦廠排出的尾礦需輸送至尾礦庫(kù)進(jìn)行堆存，尾礦輸送系統(tǒng)是保證礦山正常生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

隨著礦山規(guī)模往中、大型發(fā)展，采用傳統(tǒng)的低濃度輸送方式，耗能大，回水率低，不符合節(jié)能、節(jié)水的要求，還會(huì)污染環(huán)境，占用大量的土地資源。尾礦輸送的主要發(fā)展趨勢(shì)是采用高濃度進(jìn)行輸送，以減少基建投資，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高回水率。

確定尾礦輸送濃度是漿體管道輸送的核心，直接關(guān)系到尾礦輸送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、建設(shè)投資及運(yùn)營(yíng)成本。

2 工程概況及尾礦輸送工藝參數(shù)

2.1 工程概況

某礦山位于南美洲厄瓜多爾，建設(shè)規(guī)模2 000萬t/a，服務(wù)年限約30年；項(xiàng)目所在地濕潤(rùn)多雨，水資源豐富，氣溫全年基本穩(wěn)定，平均溫度為24℃；尾礦庫(kù)采用廢石尾礦聯(lián)合堆存技術(shù)，尾礦壩采用礦山廢石下游式分期填筑，最大壩高260m，總庫(kù)容約為43 470×104m3，總筑壩工程量約為20 740×104m3。

2.2 尾礦輸送工藝參數(shù)

該項(xiàng)目尾礦輸送工藝參數(shù)為：

①尾礦量：78 400t/d；

②尾礦密度：2.63t/m3；

③選礦廠排出的尾礦濃度：28%；

④尾礦粒度：-0.074mm占75%；

⑤輸送高差：210m；

⑥輸送距離：6 500m。

3 尾礦漿體輸送經(jīng)濟(jì)濃度分析

尾礦漿體輸送經(jīng)濟(jì)濃度的確定從尾礦堆存工藝、漿體流變特性、漿體輸送特性及裝機(jī)功率4個(gè)方面分別進(jìn)行論述、計(jì)算和分析。

3.1 尾礦堆存工藝

目前，尾礦堆存工藝主要有低濃度堆存、高濃度堆存、膏體堆存以及干式堆存等[1]。

低濃度堆存：濃度一般小于30%，選礦廠排出的尾礦不經(jīng)過濃縮，直接輸送至尾礦庫(kù)進(jìn)行堆存。低濃度堆存的基建投資較低，是最為廣泛應(yīng)用的堆存工藝，但后期運(yùn)營(yíng)成本高，一般適用于小型選礦廠。

高濃度堆存：濃度一般小于60%，選礦廠排出的尾礦經(jīng)過高效濃密機(jī)或高密度濃密機(jī)進(jìn)行濃縮。此種堆存方式基建投資較大，但后期運(yùn)營(yíng)成本較低，適用于大、中型選礦廠，不需尾礦筑壩的尾礦庫(kù)。

膏體堆存：濃度一般大于60%，達(dá)到膏體狀態(tài)，選礦廠排出的尾礦經(jīng)過深錐濃密機(jī)進(jìn)行濃縮。此種堆存方式基建投資較大，后期運(yùn)行成本較高，適用于干旱缺水地區(qū)、不需尾礦筑壩的尾礦庫(kù)。

干式堆存：含水率一般小于20%，需要將濃縮后的尾礦再進(jìn)行壓濾，通過汽車或皮帶進(jìn)行輸送。此種堆存方式基建投資大，運(yùn)營(yíng)成本高，適用于小、中型選礦廠，干旱缺水地區(qū)。

該項(xiàng)目所在地降雨頻繁、水資源豐富，設(shè)計(jì)的尾礦庫(kù)采用礦山廢石下游式分期填筑，不需尾礦筑壩，原則上可采用任何濃度進(jìn)行堆存。從降低尾礦輸送系統(tǒng)基建投資及運(yùn)營(yíng)成本考慮，設(shè)計(jì)采用高濃度進(jìn)行輸送。

3.2 漿體流變特性

在水中加入尾礦顆粒增加了尾礦漿體的黏度，大多數(shù)情況下，會(huì)使尾礦漿體流型發(fā)生變化，從牛頓體轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD體。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著尾礦漿體濃度的提高，多數(shù)表現(xiàn)出賓漢塑性體特性[2-3]，其數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：τ——切應(yīng)力，Pa;

τB——屈服應(yīng)力，Pa；

η——?jiǎng)偠认禂?shù)，Pa·s。

漿體的流變特性(τB、η)是影響漿體管道輸送阻力的重要因素。而流變參數(shù)與漿體濃度密切相關(guān)，一般隨著濃度提高呈指數(shù)規(guī)律增加。

本項(xiàng)目中尾礦漿體的流變參數(shù)見表1，屈服應(yīng)力、剛度系數(shù)隨濃度的變化曲線分別如圖1、圖2所示。

表1 尾礦漿體流變參數(shù)表

圖1 屈服應(yīng)力- 濃度曲線

圖2 剛度系數(shù)- 濃度曲線

從圖1、圖2可以看出，當(dāng)尾礦濃度超過65%后，漿體的流變參數(shù)發(fā)生突變，上升特別快。而漿體輸送的水力坡降與流變參數(shù)密切相關(guān)，因此尾礦輸送濃度不宜超過65%。

3.3 漿體輸送特性

1)塌落度

在尾礦輸送試驗(yàn)中，測(cè)定了尾礦漿體不同濃度的塌落度，具體如圖3所示。

圖3 尾礦漿體塌落度

從圖3可以看出，當(dāng)尾礦濃度在60%左右時(shí)，物料具有非常好的流動(dòng)性，適宜泵送；當(dāng)濃度超過65%時(shí)，物料流動(dòng)性變差；當(dāng)濃度超過70%時(shí)，物料開始出現(xiàn)膏體特性。

2)漿體流態(tài)與水力坡降

在漿體管道輸送中，根據(jù)兩相流理論，按尾礦顆粒的懸浮狀況可劃分為均質(zhì)流、似均質(zhì)流、非均質(zhì)流；按水流的流態(tài)可劃分為層流輸送和紊流輸送。在設(shè)計(jì)中，要充分考慮固體顆粒懸浮及流態(tài)兩個(gè)方面的影響，預(yù)測(cè)不同管徑的漿體輸送參數(shù)。

過渡流速為層流過渡到紊流的流速，一般認(rèn)為與漿體的流變特性相關(guān)，而與管徑基本無關(guān)。對(duì)于賓漢塑性體漿體，過渡流速主要與屈服應(yīng)力τB有關(guān)，根據(jù)瓦斯普分析[4]，過渡流速可按式(2)進(jìn)行計(jì)算

(2)

式中：ρm——漿體密度；

k——系數(shù)，一般取19～22。

如果尾礦顆粒細(xì)，濃度高，黏度高，屈服應(yīng)力大，漿體在輸送過程中根本紊動(dòng)不起來，同時(shí)也不會(huì)發(fā)生沉降分層，則可按層流輸送，即工作流速僅需小于過渡流速即可。如果尾礦顆粒粗，濃度低，黏度小，屈服應(yīng)力小，如按層流輸送就會(huì)發(fā)生沉降分層，進(jìn)而造成堵管，則漿體需按紊流輸送，即工作流速需大于臨界流速。

根據(jù)相關(guān)公式[5]，計(jì)算了尾礦漿體不同輸送濃度的工作流速、臨界流速、過渡流速及水力坡降，分析了漿體輸送流態(tài)，詳見表2。根據(jù)表2繪制水力坡降與濃度的變化關(guān)系，具體如圖4所示。

表2 尾礦漿體不同濃度輸送參數(shù)表

圖4 水力坡降- 濃度曲線

從表2及圖4可以看出：

(1)漿體濃度在60%以下，屈服應(yīng)力小，過渡流速小，為紊流輸送；漿體濃度63%，屈服應(yīng)力大，過渡流速大，為層流輸送。從國(guó)內(nèi)外管道輸送設(shè)計(jì)及運(yùn)行來看，紊流輸送更為可靠，除處于膏體狀態(tài)的漿體外，一般都按紊流進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)水力坡降隨著濃度的提高而增加，尤其是濃度超過60%后，會(huì)發(fā)生突變。

(3)從保證管道輸送安全及降低阻力損失的角度考慮，尾礦輸送濃度不宜超過60%，按紊流輸送設(shè)計(jì)。

3.4 裝機(jī)功率

尾礦輸送系統(tǒng)的裝機(jī)功率反映了尾礦輸送的運(yùn)營(yíng)成本。根據(jù)表2計(jì)算的水力坡降，計(jì)算尾礦漿體不同輸送濃度下所需的裝機(jī)功率，見表3。

從表3可以看出，裝機(jī)功率及管道內(nèi)徑隨著尾礦濃度的提高而降低，從降低尾礦輸送系統(tǒng)基建投資及運(yùn)營(yíng)成本角度考慮，尾礦輸送濃度宜為60%。

表3 尾礦漿體不同輸送濃度裝機(jī)功率計(jì)算表

綜上所述，綜合分析尾礦堆存工藝、漿體流變特性、漿體輸送特性及裝機(jī)功率等，最終確定尾礦輸送經(jīng)濟(jì)濃度為60%。

4 結(jié)論

尾礦輸送濃度是漿體管道輸送的關(guān)鍵參數(shù)，決定著尾礦輸送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、基建投資及運(yùn)營(yíng)成本。確定尾礦輸送濃度不僅需要進(jìn)行相關(guān)輸送試驗(yàn)研究，還需在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上綜合考慮尾礦堆存工藝、漿體特性、尾礦輸送關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)參數(shù)等，合理確定出既滿足工藝要求，又經(jīng)濟(jì)合理的輸送濃度。