李杰林，毛德華，周科平，曾志飛，楊于渲，徐寒冰

（1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；2.長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙 410083）

尾礦庫筑壩方法主要有上游法、下游法和中線法3種［1-3］。中線法筑壩是利用水力旋流器對尾礦進行分級，將所得沉砂與溢流尾砂分別堆筑，沉砂用于尾礦庫壩體堆筑，溢流則進入尾礦庫沉降堆存，以固定的壩軸線垂直升高壩體的筑壩工藝，該工藝所筑組合壩結構合理、各自承擔的作用分明，充分發(fā)揮了沉砂和溢流尾礦各自材料的力學性能［4-8］。我國目前已有江西德興銅礦4＃尾礦庫、太鋼峨口鐵礦尾礦庫、云南普朗銅礦玉朗佩尾礦庫、大紅山龍都尾礦庫等采用中線法筑壩并運行良好。

中線法尾礦筑壩需新增水力旋流器分級工藝，因不同礦山的尾礦給礦壓力、尾砂粒度、給礦濃度等存在一定差異，旋流器工況參數的設計和確定十分重要，而旋流器底流稀釋濃度就是其中的重要參數之一。底流稀釋濃度過高，會造成分級沉砂在堆積壩上流速較慢，運移距離較短，無法達到堆積壩體外坡比要求，還極易造成底流輸送管道的堵塞，影響筑壩作業(yè)正常進行；底流稀釋濃度過低，則底流流速較快，容易在堆積壩外坡面上沖出溝壑，影響堆積壩坡面平整度，對壩體穩(wěn)定性也會造成影響，而且用水量增加，筑壩成本增高。為了確定中線法尾礦筑壩中旋流器底流稀釋濃度，在攀鋼集團馬家田尾礦庫中開展了現場放礦試驗，從旋流器底流沉砂在堆積外坡上的流動性、粒徑分布特性以及堆積壩坡面平整度3個方面分析研究，確定出中線法尾礦分級筑壩堆積外坡比為1∶3.1時旋流器底流適宜的稀釋濃度，并開展溢流尾砂和底流沉砂物理性質測試試驗，對旋流器分級效果進行評價。

1 旋流器參數確定

旋流器參數直接影響尾砂分級效果，適宜的工況參數對分級后的尾砂快速固結和規(guī)律流動至關重要。旋流器操作參數主要包括給礦濃度和給礦壓力；旋流器結構參數主要包括溢流管直徑、沉砂嘴直徑、錐角等。旋流器分級效果可以通過溢流和沉砂中+0.074 mm粒級含量和沉砂產率進行表征［9］。沉砂中+0.074 mm粒級含量越高且溢流中+0.074 mm粒級含量越低，說明分級效果越好，采用分級的沉砂筑壩的壩體穩(wěn)定性也越好，細顆粒含量過高則會影響壩體穩(wěn)定性［10］。試驗中采用長沙礦冶研究院有限責任公司研制的2-CZ350-45旋流器組，在固定沉砂嘴錐角45°、溢流管直徑100 mm條件下，分別進行旋流器沉砂嘴直徑調試試驗和旋流器壓力調試試驗，試驗結果見表1和表2。

表2 旋流器給礦壓力調試試驗結果（沉砂嘴直徑60 mm）

由表1結果可知：

1）沉砂+0.074 mm粒級含量大于75%、-0.02 mm粒級含量小于10%，能夠滿足中線法筑壩的要求［11］。

2）隨著沉砂嘴直徑增大，沉砂產率逐漸提高，而對應沉砂中+0.074 mm粒級含量以及+0.02 mm粒級含量逐漸降低。

3）沉砂嘴直徑60 mm時，沉砂+0.074 mm粒級含量高且溢流中+0.074 mm粒級含量低，同時沉砂產率大于60%，說明旋流器分級效果較好，故選擇沉砂嘴直徑60 mm。

由表2結果可知：

1）3種給礦壓力條件下都滿足中線法筑壩工藝對沉砂+0.074 mm粒級含量大于75%、-0.02 mm粒級含量小于10%的要求。

2）當給礦壓力從0.10 MPa增加到0.15 MPa時，沉砂濃度和沉砂產率明顯提高；當給礦壓力從0.15 MPa增加到0.20 MPa時，沉砂濃度繼續(xù)提高，但沉砂產率變化不明顯?？紤]到給礦壓力越大，旋流器磨損越大，且能耗也越高，因此確定適宜給礦壓力為0.15 MPa。

本次旋流器調試試驗給礦濃度為選礦廠最終尾礦濃度，波動范圍較小，故不進行給礦濃度的調整。

對給礦壓力0.15 MPa、沉砂嘴直徑60 mm參數下獲得的旋流器分級溢流尾砂進行物理指標測定，測定結果見表3。

表3 溢流尾砂物理性質測試結果

由表3可知，設定的旋流器工作參數下溢流尾砂的密度相對較大，飽和度大于80%，處于飽和狀態(tài)；孔隙比0.92，壓縮模量9.1 MPa，表明溢流尾砂可壓縮性大；塑性指數9，表明尾砂中的細粒含量較多；液性指數0.56，處于可塑狀態(tài)。溢流尾砂物理性質測試結果表明該旋流器工況參數下分級效果較好。

綜合分析，旋流器適宜的工作參數為：給礦濃度約37%、給礦壓力0.15 MPa、沉砂嘴直徑60 mm、錐角45°、溢流管直徑100 mm。

2 旋流器分級底流放礦試驗

2.1 堆積壩構建

試驗在攀枝花馬家田尾礦庫干灘上進行，用尾砂堆積出一個斜坡長8 m、寬3 m、坡比1∶3.1的尾砂堆積壩體，尾砂壩體逐層壓實。使用坡度儀對壩體進行坡度測量，保證試驗坡比為1∶3.1，試驗場地構建如圖1所示。

圖1 試驗場地情況

2.2 放礦試驗流程

采用確定的旋流器工作參數進行放礦試驗，觀察沉砂在堆積壩上的流動特性和坡面平整度，試驗流程如下：

1）將選礦廠通過管道輸送的全尾砂接入到2-CZ350-45旋流器組中，全尾砂經過旋流器分級后，沉砂由旋流器沉砂嘴匯集到沉砂槽中再通過底流管進行放礦，分級溢流則通過溢流管直接排放至試驗區(qū)外的尾礦庫中。

2）為了保證放礦均勻，避免沉砂直接沖刷坡面，保護坡面的平整度，在底流管放礦口處放置一塊木板，沉砂排放至木板上，然后再沿坡面向下流動。

3）通過向沉砂槽加水稀釋的方式將底流濃度調節(jié)到設定值，并用濃度壺多次測量底流管出口濃度，確保底流濃度穩(wěn)定在設定值后進行放礦。

4）穩(wěn)定放礦10 min后，停止放礦，等待尾砂自然沉降30 min后進行取樣。

5）重復以上步驟，進行不同底流稀釋濃度的放礦試驗。

2.3 流動性及坡面平整度分析

底流濃度的大小直接影響尾砂在堆積坡面上的流動性和堆積特性，共進行了底流稀釋濃度64%、70%和78%條件下的放礦試驗。

放礦試驗現場情況表明：

1）堆積坡度1∶3.1時，3種不同底流稀釋濃度的尾砂均能實現自流并沉積。

2）底流稀釋濃度64%時，底流流動速度快，在放礦口處沖刷出較深的溝壑。沿堆積壩向下，溝壑深度逐漸減小，底流受溝壑約束而向堆積壩周圍擴散范圍小，尾砂主要是順溝壑流動，運移距離較遠。

3）底流稀釋濃度70%時，底流流動速度適中，雖在放礦口沖刷出溝壑，但沿堆積壩向下，溝壑較小，且堆積壩下部溝壑會逐漸被尾砂填平，這種填平趨勢會逐漸朝放礦口方向延伸。

4）底流稀釋濃度78%時，底流流動速度慢，尾砂運移距離近，在放礦口處尾砂堆積速度快，且沿堆積壩向下出現明顯的“層疊狀”沉積特點，尾砂流動擴散區(qū)域較小。

放礦試驗過程中觀察各底流濃度下尾砂在堆積坡面上的流動性以及坡面的平整度，旋流器底流稀釋濃度64%時，由于含水量較高，尾砂流速較快，運移過程中沉積速度較慢，堆積壩沖出較大溝壑，對坡面平整度影響較大；底流稀釋濃度78%時，尾砂流速較慢，運移過程中沉積速度較快，“層疊狀”沉積特點比較明顯，此時排砂口區(qū)域堆積上升速度較快，尾砂運移距離較短，會造成放礦時遠離排砂口區(qū)域（靠近堆積壩腳區(qū)域）無尾砂堆積；底流稀釋濃度70%時，尾砂流速較適中，運移過程中沉積速度適中，尾砂運移距離較長，雖堆積過程中在坡面上會沖出溝壑，但深度較淺，且會被底流逐漸填平，因此，旋流器底流稀釋濃度70%為宜。

2.4 沉積規(guī)律分析

待尾砂自然沉降30 min后取樣，取樣點設置以放礦口為1＃取樣點，共計6個取樣點，依次編號，設置取樣深度為5 cm，取樣位置及取樣點設置如圖1所示。

取樣后采用篩析法［12］對尾砂粒徑進行分析，得到不同底流稀釋濃度下沉砂顆粒的粒徑篩分結果，如圖2所示。

由圖2可知：

圖2 不同取樣點尾砂顆粒級配曲線

1）在坡比為1∶3.1的堆積坡面上放礦時，3種不同稀釋濃度6個取樣點的尾砂粒度-0.02 mm粒級含量都小于10%、+0.074 mm粒級含量大于75%，因此3種水力旋流器底流稀釋濃度都符合設計規(guī)范對中線法筑壩沉砂粒度組成+0.074 mm粒級含量不低于75%、-0.02 mm粒級含量不大于10%的要求。

2）底流稀釋濃度64%時，尾砂粒徑分布較為接近，是因為含水量多、流速較快、在坡面上沖出溝壑，底流沉積較為均勻，無明顯沉積分布特性。

3）底流稀釋濃度70%時，尾砂粒徑分布區(qū)別明顯，由1＃取樣點到6＃取樣點，整體上呈現出距離底流放礦口越遠尾礦細顆粒含量越多、距離底流放礦管越近尾礦粗顆粒含量越多的沉積分布特性。

4）底流稀釋濃度78%時，尾砂粒徑分布整體上呈現距離放礦口越遠尾砂細顆粒含量越多、距離底流放礦口越近尾砂粗顆粒含量越多的分布特性，但由于底流含水量少，流速較慢，底流沉積較為均勻，各取樣點粒徑差別較小。

綜合分析可知，底流稀釋濃度70%時，底流尾砂顆粒沉積較好，有利于中線法筑壩堆積壩體的形成。

3 堆積沉砂物理性質測試

按選定的旋流器工作參數，并將底流稀釋濃度設置為70%進行放礦，獲得了分級尾砂堆積壩，待自然沉積后，測試堆積壩沉砂的物理力學參數，結果見表4。

由表4可知，旋流器分級堆積沉砂飽和度為34%，含水率為8%，一般來說，尾砂含水量越少，其強度就越高［13］；孔隙比為0.99，壓縮模量為15.2 MPa，表明堆積沉砂的顆粒較粗，密實度較好，可壓縮性小，強度較高；垂直和水平滲透系數為1.33×10-3cm／s，為中等透水土層，遭遇洪水時能更好地排水，確保壩體安全穩(wěn)定運行。

表4 堆積壩沉砂物理力學參數測試結果

對堆積沉砂進行固結不排水三軸剪切試驗，控制圍壓分別為200 kPa、400 kPa、600 kPa和800 kPa，固結不排水試驗的主應力差與軸向應變關系曲線和堆積沉砂Mohr-Coulomb強度包絡線分別見圖3和圖4。

圖3 不同圍壓下堆積沉砂主應力差與軸向應變關系曲線

圖4 堆積沉砂Mohr-Coulomb強度包絡線

由圖3可以看出，軸向應變小于5%時，在開始階段曲線呈近似線性，主應力差隨軸向應變增長較快，但隨著軸向應變不斷增大，主應力差不斷增高達到峰值，這是剪切過程中尾砂顆粒重新組合排列的表現。主應力差達到峰值后整體呈現出隨著應變增加主應力差變化不大的特點，說明尾砂顆粒的抗剪強度是有限的。

通過圖4可以求出堆積沉砂的內聚力、內摩擦角、有效內聚力和有效內摩擦角。沉砂c＇＜ccu、φ＇＞φcu，有效內聚力為28.89 kPa，有效內摩擦角達到了38.25°，其內聚力較小，而內摩擦角相對較大，說明沉砂中粗顆粒含量較多，堆積壩體力學性能好。

對比表2和表3可知，旋流器分級的溢流尾砂和堆積沉砂的物理性質差別明顯。堆積沉砂的密度、孔隙比、壓縮模量大于溢流尾砂，含水率和飽和度小于溢流尾砂，表明旋流器分級效果較好，底流沉砂堆積壩體力學強度高、滲透性能好。

4 結 論

1）當旋流器操作參數設置為給礦濃度大約37%、給礦壓力0.15 MPa，旋流器結構參數設置為溢流管直徑100 mm、沉砂嘴直徑60 mm、錐角45°時，旋流器分級效果較好，分級的沉砂粒度能滿足中線法筑壩粒度要求并且沉砂產率較高。

2）綜合考慮沉砂在堆積外坡上的流動性、粒徑分布特性以及堆積壩坡面平整度，最終確定中線法尾砂分級筑壩堆積外坡比為1∶3.1時適宜的底流稀釋濃度為70%。

3）堆積沉砂物理性質測試結果表明，底流稀釋濃度70%時沉砂的沉積效果好、固結強度高、滲透能力強。