本发明涉及一种尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，属于给排水技术领域。
背景技术：
太钢集团代县矿业有限公司目前采用尾矿处理方式为中线式筑坝方式，中线式筑坝法筑坝采用尾矿分级设备为水力旋流器，旋流器分级沉砂用于堆筑坝体，分级溢流排放至库区自然分级形成尾矿库沉积滩面，坝体及尾矿沉积滩构成尾矿堆积坝。为保证堆筑坝体的稳定性，中线式筑坝法要求分级设备--水力旋流器具有较高的沉砂产率，而且对筑坝质量，即筑坝用沉砂料质量要求较高，要求分级沉砂中-200目含量不大于30%，同时，堆积坝外坡要均匀，并达到设计要求坡度。
代县矿业公司原采用中线法筑坝工艺为：在冬春季生产期（10月至次年3月）在坝顶布置水力旋流器，利用分级沉砂从坝顶直接自流向外坡排放堆筑外坡，受冬季寒冷气候条件所限，冬季旋流器沉砂在外坡排放时，坝体排渗性能较差，在坝体外坡表面会产生一薄冰层，导致矿浆水不能及时下渗，因此在外坡中部难以停留，直接排放至外坡下部区域；而非冬季生产期（4月至9月）利用旋流器沉砂在坝顶区域排放加高加宽坝体，坝体排渗性能好，排放的尾矿浆只能停留在外坡上部区域，又无法排放至外坡中下部区域。
采用上述工艺的缺陷在于：1.在坝顶布置旋流器，沉砂排放区位于坝顶，沉砂尾矿浆在外坡坝体表面自流排放，矿浆流向无法人为调节，形成外坡难以达到均匀一致的坡度；2.沉砂排放区设置在坝顶区域，要求旋流器控制分级沉砂排放浓度较高，如排放浓度稍低时，容易造成坝体外坡产生冲沟，对坝体安全性造成不利影响，调整沉砂排放浓度较高又造成旋流器分级沉砂产率有所降低，减小了沉砂产量。3.该工艺沉砂排放形成的坝体外坡中部坡度较陡，难以产生坡度均匀一致的外坡，满足设计要求，对坝体稳定性不利；同时造成外坡中部坡度较陡的区域堆积体所占用的可利用库容不能充分得到利用。
技术实现要素：
本发明提供了一种用于尾矿中线式筑坝法的旋流器分级沉砂尾矿长距离排放工艺，易于进行沉砂矿浆排放操作调节，排放位置调节灵活，解决了中线式筑坝法传统筑坝工艺沉砂排放区固定在坝顶、形成的坝体外坡中部较陡、坡度难以均匀一致、容易造成坝面产生冲沟、对坝体安全造成不利影响的问题；同时适当提高了旋流器分级的沉砂产率，增加了旋流器沉砂产量，使形成坝体外坡中部坡度较陡的区域沉砂堆积体所占用的可利用库容得到充分有效利用，延长了尾矿库使用时间。
本发明根据多年中线法筑坝实际操作经验，经过理论计算、生产试验和实践，对原中线法筑坝旋流器分级沉砂排放工艺进行了优化，提出了一种中线式筑坝法旋流器分级沉砂尾矿长距离高浓度排放工艺，该工艺适用于北方地区的中线法筑坝法旋流器分级沉砂外坡筑坝。
本发明通过对中线法筑坝沉砂排放工艺的改进优化，实现旋流器分级沉砂排放筑坝工艺由分级沉砂坝顶区域排放筑坝工艺优化为分级沉砂长距离排放至外坡区域的新型筑坝工艺，采用以下技术方案实现：
一种尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，包括以下步骤：
（1）筑坝工艺及沉砂排放区域优化：
为解决以前中线法沉砂筑坝沉砂排放工艺存在的上述问题，需实现在非冬季生产期（4月至9月）筑坝期间，利用部分旋流器分级沉砂排放在坝顶区域，加高加宽堆积坝坝顶面，使坝顶标高达到防汛标准的前提下，将另一部分旋流器分级沉砂排放至外坡中部区域，在坝顶及堆积坝外坡同时排放。
为此，筑坝期间，将原筑坝使用的部分3台1组水力旋流器分解为单台旋流器均匀间距布置安装在坝顶，在单台旋流器下方外坡面安装200～300米长的φ150mm聚乙烯塑料管道，将单台旋流器沉砂嘴接入管道，旋流器分级沉砂通过管道长距离排放至外坡中部坡度较陡处。
（2）实现沉砂排放点实时调整：
为实现堆积坝外坡坡面均匀上升，外坡坡度均匀一致，筑坝过程中根据沉砂实际排放情况，对单台旋流器在坝顶位置和排放管道长度实时进行调整，实现沉砂排放点在外坡面横、纵向位置的实时灵活调整。
（3）排放管道优化选择：
为了在筑坝过程中便于在堆积坝外坡面上移动调整，选择轻质聚乙烯塑料管道作为长距离尾矿排放管道；根据排放尾矿沉砂浓度范围、单台旋流器沉砂排放量、管道敷设坡度（即外坡坡度）、敷设长度范围，计算确定尾矿沉砂在敷设于外坡面的管道内流动排放不产生淤积时的最小流速，从而确定排放管道合理管径。计算方法如下：
根据管道敷设坡度（即现坝体外坡面坡度）结合单台旋流器沉砂排放浓度、排放流量，计算管道内矿浆临界流速及临界水深，从而确定排放管道的断面尺寸（管径）：
i=kvl2/(c2r)
i—自流管敷设坡度；k—系数，为1.05；vl—矿浆临界流速；c—谢才系数；r—水力半径
qk=0.2βa［1 3.43*(cdhl0.75）0.25］
qk—矿浆流量；β—比重修正系数，β=(γg-1)/1.7,γg—尾矿比重；a—过流断面面积；cd—重量浓度的100倍；hl—临界流速时水深。
为最大化避免尾矿排放至管道出口因具有一定流速而导致的管道出口处可能产生的冲沟，在每个管道出口处又增设一个分矿箱，接出两根分矿管，减小每根排放管道的管径，降低尾矿排放流速。
（4）沉砂长距离高浓度排放工艺参数试验优化：
水力旋流器分级沉砂的质量浓度为65-70%，为解决高浓度沉砂在外坡长距离排放浓度较高时容易造成管道内淤堵，而浓度较低时又容易造成对坝面冲刷、拉沟的问题，同时又满足适当提高旋流器分级沉砂产率的要求，在实施过程中对排放操作工况的工艺参数，主要是水力旋流器给矿压力及旋流器分级沉砂浓度进行了优化，经过计算及反复生产试验、对旋流器给矿压力、旋流器沉砂浓度及沉砂流态的实时观测，对排放操作工况工艺参数的匹配调整，进行了排放操作工况工艺参数的优化，确定了适宜沉砂在堆积坝外坡长距离高浓度排放的工艺参数。
（5）工艺固化纳入日常操作标准
通过长距离高浓度排放工艺参数试验优化，总结出沉砂长距离排放的工艺及具体运行操作技术参数，并纳入日常操作标准，据此修订岗位作业指导书，满足旋流器长距离高浓度排放要求。
本发明的创新性：1.旋流器分级沉砂尾矿通过管道长距离排放，实现了根据实际排放情况、对沉砂外坡排放位置的灵活、实时调整，便于堆积坝外坡均匀上升，形成均匀一致的坡度；2、旋流器分级沉砂排放区由坝顶区域优化为在坝顶区域及外坡区域同时排放，可有效地减缓堆积坝外坡中部坡度，改善堆积坝筑坝质量，提高尾矿坝本质安全度；3、旋流器分级沉砂排放至外坡中部区域，并通过长距离排放浓度的适当降低调整，提高了旋流器分级沉砂产率，增加了堆积坝外坡沉砂量，并使外坡中部坡度较陡区域沉砂堆积体可利用库容得到充分利用，有效地延长了尾矿库使用时间。
本发明工艺构思新颖，适用于北方高寒地区尾矿中线法筑坝生产中使用，带来的有益效果如下：
（1）本发明新工艺通过对传统沉砂排放工艺排放区域的优化，解决了北方地区采用中线法筑高坝旋流器分级沉砂在坝顶自流排放，形成堆积坝体外坡中部沉砂量不足，坡面坡度较陡的技术难题，有效地减缓堆积坝外坡中部坡度，改善堆积坝筑坝质量，提高了尾矿坝本质安全度；
（2）本发明新工艺通过对沉砂排放管道出口及排放点的优化，实现了根据实际尾矿排放情况，对外坡排放位置的灵活、实时调整，筑坝生产操作、调整便捷，便于堆积坝外坡面均匀上升，形成均匀一致的坡度，同时有效地避免了坡面产生冲沟，堆积坝外观质量、本质安全度都得到明显提升。
（3）通过该项新工艺放矿管道优化确定、排放工艺参数的试验优化，确保了长距离高浓度排放的成功实施，提高了旋流器分级沉砂产率，增加了堆积坝外坡沉砂量，同时减缓了尾矿沉积滩面上升速度，并使外坡中部坡度较陡区域沉砂堆积体可利用库容得到充分利用，有效地延长了尾矿库使用时间。
（4）本发明在北方地区实施尾矿中线法筑坝工艺的矿山有较大推广价值。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
一种尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，包括以下步骤：
1、工艺方案确定：
中线法筑坝工艺特点重要的一点在于要确保尾矿沉积滩面、坝顶和外坡随着尾矿的排放同步上升，而且要必须满足库区防汛标准要求。而为了满足库区防汛标准，要求沉积滩顶与库水面高差大于3.5米，提高库区防汛能力就要求增大库区沉积滩面坡度，这样就造成坝顶与坝外坡上、下部上升速度与滩面上升速度同步，而外坡中部上升速度滞后，造成了该区域坡度较陡，有效库容未得到充分利用。
中线法筑坝材料要求旋流器筑坝沉砂中-200目粒径含量不大于25%，在满足该筑坝材料质量要求和防汛要求的前提下，只有充分利用外坡中部区域有效库容，同时适当减缓沉积滩面上升速度，才能有效延长尾矿库使用时间。而充分利用外坡中部区域有效库容，需研究实现旋流器沉砂排放至外坡较陡区域的措施，探索减缓沉积滩面上升速度的途径，提高旋流器沉砂产率及上坝量。
针对代县矿业公司第一尾矿库实施中线法筑坝以来旋流器分级沉砂排放工艺此前一直存在的问题，研究通过对筑坝工艺进行优化改进，解决堆筑坝体外坡中部坡度较陡及外坡沉砂堆筑量不足的问题。因尾矿库地处高寒山区，冬春季生产期（10月至次年3月）水力旋流器分级沉砂向外坡排放堆筑外坡时，受冬季寒冷气候条件所限，在坝体外坡表面会产生一薄冰层，坝体表面排渗性能差，导致矿浆水不能及时下渗，无法在外坡上中部停留，无法调节排放矿浆流向、位置，同时面临冬季排放管道极易被冻堵的难以解决的问题。
因此公司经过认真研究，初步确定于非冬季生产期（4月至9月）筑坝期间，实施将旋流器分级沉砂通过管道将高浓度尾砂长距离排放至外坡的新的筑坝工艺方案。
、筑坝生产方式、具体工艺布置方案确定：
在4月份堆筑防汛坝体以前，根据当年汛期防汛标准，确定筑坝需堆筑坝顶标高，结合使用旋流器实际可达到的沉砂产量，计算满足汛期防汛要求在原坝体基础上加高加宽坝体所需的沉砂筑坝量，再依此计算在满足堆筑防汛坝体沉砂量要求的前提下，多余的可以向外坡区域排放的沉砂量，根据该沉砂量计算确定利用布置在坝顶的3趟放矿管道中的外部一趟管道上实施长距离沉砂高浓度排放至外坡的筑坝工艺。
（1）排放距离、范围确定：
为了便于生产调节，增大排放面积，增加排放点，将原筑坝使用的3台1组水力旋流器分解为单台旋流器，在外部一趟放矿管道上接入单台旋流器进行分级；根据坝体外坡现状外坡坡度较陡区域所处位置，确定前期坝外坡面排放距离为200～300米，根据坝顶一趟排矿管道总排放量，结合单台旋流器最大处理量计算确定管道接入单台旋流器台数为4台，按60米间距均匀布置安装在坝顶，在单台旋流器下方外坡面安装200～300米长的塑料管道，旋流器沉砂通过管道长距离排放至外坡中部坡度较陡处进行筑坝。
（2）排放管道优化选择：
代县矿业公司尾矿库坝体外坡面长（达到800余米），旋流器沉砂浓度达到65-70%，实施长距离高浓度排放面临主要问题是：长距离排放浓度较高、流速较低时容易造成管道淤堵，而浓度较低时又容易造成对坝面冲刷、拉沟。
为了在筑坝过程中便于在堆积坝外坡面上移动调整，选择轻质聚乙烯塑料管道作为长距离尾矿排放管道；根据排放尾矿沉砂浓度范围、单台旋流器沉砂排放量、管道敷设坡度（即外坡坡度）、敷设长度范围，计算确定尾矿沉砂在敷设于外坡面的管道内流动排放不产生淤积时的最小流速，从而确定排放管道合理管径。确定采用φ150mm聚乙烯塑料管作为排放管道。
通过上述工艺方案的计算、研究确定等基础性工作，于4月开始筑坝前，确定了长距离高浓度排放沉砂排放工艺的具体实施方案计划，于2020年4月开始在筑坝生产中实施。
、尾矿长距离高浓度排放工艺实施过程工艺试验优化：
（1）工艺参数试验优化：
实施过程中，出现了高浓度沉砂在外坡长距离排放浓度较高时容易造成管道内淤堵，而浓度较低时又容易造成对坝面冲刷、拉沟的问题，为解决该项问题，同时又满足适当提高旋流器分级沉砂产率的要求，在实施过程中边生产边进行试验，对排放操作工况的工艺参数，主要是水力旋流器给矿压力及旋流器分级沉砂浓度进行调整试验，经过计算及反复生产试验、对旋流器给矿压力、旋流器沉砂浓度及沉砂流态的实时观测，以及对排放操作工况工艺参数的匹配调整，进行了排放操作工况工艺参数的优化，确定了适宜沉砂在堆积坝外坡长距离高浓度排放的工艺参数：旋流器给矿压力在0.1-0.12mpa，旋流器沉砂长距离排放浓度在65-67%之间。
（2）排放管道出口及排放点优化：
实施过程中，旋流器分级沉砂浓度为65～70%，因长距离管道高浓度排放为避免管道内淤积，需要管道内矿浆具有一定流速，同时排放浓度在范围内不宜过高，因此不可避免地在排放管出口处对坝面产生一定的冲刷，有时坝体会产生一定的冲沟。为最大化避免冲沟的产生，在每个管道出口处又增设一个分矿箱，接出两根φ108mm分矿管，减小每根排放管道的管径，降低尾矿排放流速，有效地避免了冲沟的发生。
为实现堆积坝外坡坡面均匀上升，外坡坡度均匀一致，实施过程中根据沉砂在外坡实际排放情况，对位于坝顶的单台旋流器位置和排放管道长度随时进行了调整，实现沉砂排放点在外坡面横、纵向位置的实时灵活调整。
通过以上实施过程中工艺优化，确保了新的长距离高浓度排放工艺的成功实施，使新工艺实现预期产生的功能，达到预期效果。
工艺实施总结、固化纳入日常操作标准
通过长距离高浓度排放工艺的实施、工艺参数试验优化，总结出长距离沉砂高浓度排放的工艺及具体运行操作技术参数，并纳入日常操作标准，并以此修订岗位作业指导书，满足旋流器长距离高浓度排放要求。
在前期实施该项新型筑坝工艺，并纳入日常操作标准的基础上，经过计算，在满足当年防汛标准的前提下，于4～9月筑坝期间全面实施了长距离高浓度沉砂排放工艺，实施后取得了预期效果。
1.一种尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，其特征在于包括以下步骤：
（1）筑坝工艺及沉砂排放区域优化：
在非冬季生产期筑坝期间，利用部分旋流器分级沉砂排放在坝顶区域，加高加宽堆积坝坝顶面，使坝顶标高达到防汛标准的前提下，将另一部分旋流器分级沉砂排放至外坡中部区域，在坝顶及堆积坝外坡同时排放；
将3台1组水力旋流器分解为单台旋流器均匀间距布置安装在坝顶，在单台旋流器下方外坡面安装200～300米长的φ150mm聚乙烯塑料管道，将单台旋流器沉砂嘴接入管道，旋流器分级沉砂通过管道长距离排放至外坡中部坡度较陡处；
（2）实现沉砂排放点实时调整：
对单台旋流器在坝顶位置和排放管道长度实时进行调整，实现沉砂排放点在外坡面横、纵向位置的实时灵活调整；
（3）排放管道的选择：
选择轻质聚乙烯塑料管道作为长距离尾矿排放管道；
根据排放尾矿沉砂浓度范围、单台旋流器沉砂排放量、管道敷设坡度、敷设长度范围，计算确定尾矿沉砂在敷设于外坡面的管道内流动排放不产生淤积时的最小流速，从而确定排放管道合理管径；
在每个管道出口处增设一个分矿箱，接出两根分矿管，减小每根排放管道的管径，降低尾矿排放流速；
（4）沉砂长距离高浓度排放工艺参数试验优化：
水力旋流器分级沉砂的质量浓度为65-70%，经过计算及反复生产试验、对旋流器给矿压力、旋流器沉砂浓度及沉砂流态的实时观测，对排放操作工况工艺参数的匹配调整，进行了排放操作工况工艺参数的优化；
（5）工艺固化纳入日常操作标准
通过长距离高浓度排放工艺参数试验优化，总结出沉砂长距离排放的工艺及具体运行操作技术参数，并纳入日常操作标准，据此修订岗位作业指导书，满足旋流器长距离高浓度排放要求。
2.根据权利要求1所述的尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，其特征在于：
尾矿库沉积滩顶与库水面高差大于3.5米。
3.根据权利要求1所述的尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，其特征在于：中线法筑坝材料要求旋流器筑坝沉砂中-200目粒径含量不大于25%。
4.根据权利要求1所述的尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，其特征在于：排放距离、范围的选择：增大排放面积，增加排放点，管道接入单台旋流器台数为4台，按60米间距均匀布置安装在坝顶，在单台旋流器下方外坡面安装200～300米长的塑料管道，旋流器沉砂通过管道长距离排放至外坡中部坡度较陡处进行筑坝。
5.根据权利要求1所述的尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，其特征在于：排放管道的选择：选择轻质聚乙烯塑料管道作为长距离尾矿排放管道，管径为φ150mm；在每个管道出口处又增设一个分矿箱，接出两根φ108mm分矿管。
6.根据权利要求1所述的尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，其特征在于：所述排放管道的选择：计算方法如下：
根据管道敷设坡度，即现坝体外坡面坡度，结合单台旋流器沉砂排放浓度、排放流量计算管道内矿浆临界流速及临界水深，从而确定排放管道的管径：
i=kvl2/(c2r)
i—自流管敷设坡度；k—系数，为1.05；vl—矿浆临界流速；c—谢才系数；r—水力半径
qk=0.2βa［1 3.43*(cdhl0.75）0.25］
qk—矿浆流量；β—比重修正系数，β=(γg-1)/1.7,γg—尾矿比重；a—过流断面面积；cd—重量浓度的100倍；hl—临界流速时水深。
7.根据权利要求1所述的尾矿中线法筑坝长距离高浓度尾矿排放工艺，其特征在于：设置适宜于沉砂在堆积坝外坡长距离高浓度排放的工艺条件：旋流器给矿压力在0.1-0.12mpa，排放沉砂的质量浓度在65-67%之间。
技术总结