第二届矿浆管道输送和尾矿干堆论文集年8月包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破俞洪南（佩思项目经理）
1项目基本情况包钢白云西矿开发长距离高扬程供水、铁精矿管道输送和尾矿膏体堆放项目是包钢白云西矿开发的一个重要部分，项目总投资近20亿元。年包钢从整体考虑，委托PSI进行长距离高扬程输水工程和精矿管道输送、尾矿膏体堆放设计，实现了包钢在白云就地选矿、铁精矿长距离管道输送到包钢、尾矿就地膏体堆放的规划，在矿山开发领域是一项技术进步。项目总体已经获得自治区科技进步一等奖。到年项目已经安全运行了四年多，为包钢创造了巨大的经济和社会效益。项目总体已经获得自治区科技进步一等奖。2项目简介2.1包钢和白云矿区的“一五”发展规划包钢是国家“一五”期间建设的重点钢铁项目，是我国和目前世界最大的稀土工业基地，对我国钢铁特别是稀土产业有着重大和特殊的意义。“一五”期间，包钢的钢铁和稀土工业由原苏联规划设计，由于受当时技术条件的限制和社会发展的状况影响，当时的矿山和钢铁总图运输和尾矿处理规划设计为采用铁路运输白云矿区的矿石到包钢进行选矿作业，由于选矿作业需要抛弃大约三分之二的尾矿，从“一五”设计生产到年，经过50年的生产，在包头市5Km处堆积了1.5亿吨尾矿，形成了一个10Km2尾矿库，影响了包头市的发展。大型矿山的尾矿库对区域环境的影响在世界各地普遍存在。2.2解决包钢的发展和城市发展的环境矛盾需要技术创新开发包钢白云偏远地区的矿业资源，是包钢和国家的战略规划。随着城市的发展，开发矿业需要在环保节能的技术创新上有所创新和突破。包钢在年新一轮的白云西矿的开发中实现了开发资源与环境的和谐发展，实现了环境保护和资源开发的同步进行。1)规划创新解决环保历史问题和未来的发展：在白云西矿开发的整体规划上不再设计矿石从白云铁路运输到包钢选矿，造成尾矿继续堆积在包头，而是从包头长距离管道输水到白云地区就地选矿，富含稀土的尾矿堆放在白云地区，铁精矿采用管道输送到包钢，Km双向管道输送，实现了管道化、现代化，来回万吨水和精矿的运输物流密闭管道中，实现了环保节能。这是项目规划上实现的技术和思维创新。对开发偏远地区矿业资源有着普遍的推广价值。2)一级泵站输水Km，实现了长距离高扬程输水技术创新和突破：规划在白云地区选矿，但白云地区缺水，原有多级泵站接力输水技术投资大、能耗高，包钢创新采用高扬程长距离（Km）输水技术，从包钢一级泵站输送黄河水到白云选矿，实现了白云水自天上来的百年梦想。高扬程长距离输水技术是在国内的第一次成功实践和应用，在技术上突破了原有设计和实践经验，实现了重大突破。对偏远地区的输水具有广泛的推广意义。3)白云西矿尾矿采用膏体就地堆放，是我国尾矿堆放技术的首创技术创新：尾矿在白云就地堆放方案，突破了国内尾矿堆放采用常规尾矿库的设计理念，创新采用了尾矿膏体堆放新技术，尾矿在库内在无蓄水状态下固化堆积，解决了尾矿库的安全隐患、扬尘和对地下水的污染问题。尾矿膏体堆放技术对国内矿山一万多个尾矿库的堆放安全具有普遍的借鉴意义和应用价值。4)选矿后铁精矿从白云到包钢Km也采用长距离管道输送，不再利用铁路和公路运输，实现了环保和节能。对白云到包头地区的生态环境保护起到了积极的作用。包钢白云西矿开发项目，按照上述的技术创新原则，经过包钢和设计单位的共同努力，项目在年全部建成。到年，经过4年多的整体运行检验，解决了重大的技术难题，实现了当时设计的技术和经济指标。总体项目实现经济指标。3主要的技术创新和科学发现
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破采用Km长距离输水管道，在白云就地选矿，尾矿就地浓缩膏体堆放，铁精矿Km管道输送到包钢。实现了包钢开发白云西矿的规划技术创新和突破，实现了包钢发展的环保、节能，保护了包头市的生态和环境，实现了工业发展与生态保护的和谐发展。主要的技术创新和科学发现：1)项目整体规划实现了环保和节能技术的创新：长距离高扬程一级管道输水技术、就地选矿后尾矿膏体堆放、铁精矿长距离管道输送到包钢技术的综合技术创新有机结合是包钢开发白云西矿的显著技术特色和技术突破。2)采用高扬程、大口径、长距离管道输送在高寒地区输水是完全成功的。一级泵站泵站采用离心泵输水经过科学的水力计算和设计，解决了水击、启动、停车等多项技术问题。在长距离管道输水领域是属于开创性的。为我国西部缺水地区的输水工程是一个技术的开创和示范项目。3)尾矿库在高寒地区采用膏体堆放，在国内是第一次。设计尾矿处理量万吨/年。尾矿浓缩和排放经过白云地区极端寒冷的考验（35度），在国内是唯一的。尾矿库设计在偏远地区，解决了尾矿库对城市的安全威胁。尾矿膏体堆放，对尾矿库的安全设计是一项重大突破，从设计上解决了尾矿库垮坝的技术风险，对尾矿库的安全设计具有重大的意义，属于国内首创。尾矿库膏体堆放，经过了3年春夏秋冬的考验，解决了常规尾矿库大风扬尘的难题。对尾矿库内稀土资源的保护和周边环境具有重大意义。4项目详细内容4.1立项背景包头钢铁（集团）有限责任公司是在“一五”期间建设的个重点项目之一，拥有包钢股份和包钢稀土两上市公司，是我国重要的钢铁工业基地和最大的稀土工业基地，是内蒙古最大的工业企业。截止到年末，总资产达亿元。通过近年来结构调整，钢铁产业已经具备年产万吨的铁、钢的生产能力。项目批复情况年6月，国家发展和改革委员会批复了包钢结构调整总体发展规划（发改工业〔〕号文），其中铁前系统主要建设内容包括白云西矿年产原矿万吨、铁精矿万吨。考虑到进一步保护白云铁矿主东矿稀土等资源，白云西矿铁矿资源储量巨大、低氟低稀土等矿石特征，包钢建议扩大白云西矿采矿和选矿规模。内蒙古自治区发展和改革委员会上报国家发展和改革委员会《关于包钢（集团）公司白云鄂博铁矿西矿万吨采矿工程项目核准的请示》。8年4月底，国家发展和改革委员会在京召开包钢白云西矿调整采矿选矿规模专家论证会。8年11月，国家发展和改革委员会核准了包钢白云西矿万吨采矿和选矿工程项目（发改产业〔8〕号）。年4月25日，内蒙古自治区发展和改革委对包钢白云西矿供水和铁精矿浆管道项目进行了备案（内发改工字〔〕号），同意包钢建设白云西矿供水及铁精矿浆管道工程，矿浆管道起点为白云西矿，终点为包钢综合料场，供水管道起点为包钢厂区，终点为白云西矿，两条管道同沟铺设，管道总长约公里，年输水量0万吨，年输送铁精矿（干矿）万吨。5项目整体规划实现了环保和节能技术的创新5.1规划创新解决环保历史问题和未来的发展在开发包钢白云西矿铁矿资源，如果按照传统方式，即白云西矿采矿——通过包白铁路运输矿石——包钢厂区选矿，那么，首先就要进行包钢现有尾矿库改造或在选矿厂周边寻找合适的地点新建尾矿库，来堆存白云西矿选矿的尾矿。由于目前包钢现有尾矿库其库容和存水量较大，继续采用传统的尾矿排放和堆存方式，大量的尾矿和水进入现有尾矿库，将会增加现有尾矿库的安全隐患，造成更多的地下水和周边生态环境污染；另外，经选矿后，现有尾矿库堆存的资源品位富集，较原矿中所含的稀土和铌等资源品位高，是国家重要的二次资源，由于西矿矿石中稀土和铌资源品位低，从保护资源的角度考虑，不宜将西矿选矿后的尾矿排入现有尾矿库，应另择址新建尾矿库；这样包钢现有尾矿库的环境问题将持续恶化，不能有效解决。采用管道输水方案，尾矿膏体堆放在远离包头Km的白云，解决了包钢现有尾矿库的环境问题。同时，实施管道输送铁精矿，减少包白铁路运输压力，降低生产运输成本，提高经济效益，保护有限的水
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破资源和矿区、铁路沿线、城市等生态环境。采用管道将白云矿区生产的铁精矿输送到包钢厂区，铁精矿综合运输成本为30元/吨，比目前的铁路运输原矿折合铁精矿成本52.65元/吨低22.65元/吨，经济效益明显。由于包白铁路运输能力已达到满负荷状态，采用管道输送铁精矿，可以减轻包白铁路的运输压力，腾出运力，为今后开发和利用中蒙边界及蒙古国矿产资源，发展内蒙古中西部经济创造条件。规划技术创新，一个创新的规范方案解决了前50年的环境问题和后50年的发展难题。6实现了高扬程长距离一级泵站输水6.1长距离、高扬程、一级泵站输水管道项目的核心技术和创新点包钢集团白云西矿供水管道是国内第一条超高压、大口径、长距离输水管线。这条管线在包头起点的单级泵站通过3台高压离心水泵，将水抬升至m扬程，翻越大青山，将水送至白云西矿，全长Km，管道外径mm，设计输送能力达到了m3/h。m高扬程和高压力的输水管道工程在国内没有先例。包钢输水管道工程的核心技术在于长距离管道的水力瞬变分析和研究，技术创新点在于高扬程和高压力。6.2水力瞬态分析模型水力瞬态分析是对管道在非稳态运行时产生的瞬态压力进行分析。当稳态运行条件发生变化时，管道中的水由于自身的惯性和压缩性，其局部压力将产生剧烈变化，并以声速进行传播。稳态运行条件发生变化包括但不限于：管道启动和停车，阀门关闭，泵故障及流量变化。瞬态分析研究的目的是为了验证管道和中间站的压力限制要求。管道瞬态压力分析同时必须为管道过压保护策略提供依据。具体内容为：确定在管道正常和紧急运行时的最大瞬态压力。优化管道正常和紧急运行情形的操作顺序，把管道瞬态压力减至最小。明确管道过压保护要求。验算根据稳态设计选择的管子壁厚。检查各种非正常运行工况，如电力故障和意外运行事件。为非正常运行期间的管道提供保护措施。基本方法瞬态分析的基本方法是利用计算机通过迭代计算对管道运行状态进行模拟，其中采用了PSI的水力瞬态模型。该模型是一个动态的可视模拟模型，它允许用户对管道系统和阀门进行模拟并确定管道中产生的瞬态压力。这种计算模型利用了Wylie和Streeter的特征线法，并已经通过从几条长距离商业运营管道采集到的现场数据得到验证。基本原理1)压力波速度水力瞬态冲击压力在管道中以声速进行传播，它比管道中的水流速快得多。以下计算方法可用于供水管道：/1(/)(/)lllpKaKEDe其中l和lK为水的密度和体积膨胀系数，D、e和pE分别为设计规格钢管的外径、平均壁厚和杨氏弹性模量。带入相关数值计算得出水击压力波平均速度为.9m/sa。2)模型方程PSI水力瞬态分析模型是一种一维非定常模型，其基本方程为：连续性方程：20HaVtgx动量方程：
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破02VHfVVtxD其中，Hj"ddV为管内水流的线速度，D为管内径，fjDarcy-Weisbach摩擦系数。3)特征线法上述方程可通过V.L.Streeter所提出的特征线法进行求解。该方法的利用特征线模型，将偏微分方程组转化为沿特征线的常微分方程，再通过有限体积法对微分方程进行离散，将其转换为代数方程，从而迭代求解。瞬态压力分析1)稳定运行状态图1为由下至上分别为供水管道所在位置的海拔曲线、管道稳定运行状态下的水力梯度线（HydraulicGradeLine,HGL）以及管道系统的所能承受的最大允许瞬态压力水头（MaximumAllowedOperatingPressure-head,MAOP）。该稳定状态也作为瞬态分析计算的初始状态。图1管道系统稳态运行的压力水头线2)瞬态分析下表列出了管道系统中可能出现的导致管道压力瞬变的运行情形。表1瞬态分析的运行情形运行情形操作顺序管道正常停车顺序停止所有泵和关闭主管道阀门。在泵站和终端产生瞬变压力。泵站电力故障所有泵非顺序停止。在泵站和终端产生瞬变压力终端阀门意外关闭破裂片打开，终端产生瞬变压力。3)管道正常停车系统停车的正常停车将按照如下步骤进行操作：第0秒，所有泵正常运行，泵站开始停车（下坡式停止，20秒）；第秒，终端阀门开始关闭（关闭时间为30秒）；第1秒，管道系统压力变化趋于稳定。图2管道正常停车瞬变分析结果图2显示了依据以上停车顺序在不发生破裂片破裂的条件下，在32,m/hQ时的正常停车模拟结果。蓝线（图例：当前HGL）代表泵站停车20分钟后最终稳定的HGL。HGL上方的线为停车过程中的最大HGL。图3正常停车泵站和终端的压力变换曲线
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破图4正常停车泵站的压力实测曲线[2]图3为瞬变分析得出的正常停车泵站和终端的压力变换曲线，图4为正常停车泵站的压力实测曲线[2]。由两者对比可以看出，瞬变分析的结果和实测结果在变换范围和趋势上基本一致。4)泵站电力故障泵站配备了3台并联运行的离心式泵和1台备用泵。泵站发生电力故障后20秒内泵停止，由于每台泵的下游都与一个止回阀相连，其可以在停电后很短的时间内关闭以防止倒流。图5显示了发生电力故障（从第60秒开始）后的瞬变分析结果（图中HGL参考的泵站标高为0）。可见，由于止回阀的及时关闭，避免了倒流的产生，使得发生电力故障后的瞬变压力低于正常运行压力。这意味着电力故障没有产生任何高压冲击。图5泵站发生电力故障时泵出口压头随时间的变换曲线5)阀门意外关闭当出现终端阀门意外关闭的情况时，终端的压力将迅速上升，将超过终端破裂片的破裂压力，导致破裂片破裂，导致终端泄压。图6终端阀门意外关闭后破裂片破裂瞬间的瞬态分析结果图7破裂片破裂后第25秒的瞬态分析结果图8破裂片破裂后第15分钟的瞬态分析结果根据上面的瞬态分析结果，在整个工况中没有出现加速流，并且最大HGL远远低于瞬变允许的限制范围。如图8所示，通过对阀门意外关闭事件（最坏的情形）进行瞬态分析，可以得出结论：从静态模型得出的管道壁厚足矣应对不利工况下的压力瞬变。结论水力瞬态分析模型以严格是数学方程作为基础，利用现代计算机强大的计算能力将数学模型和实际工程问题紧密结合，为工程设计提供了理论依据和数据基础，在白云西矿供水管道的设计中起到了至关重要的作用。7尾矿处理系统的技术创新7.1传统尾矿库的内在风险
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破传统尾矿排放和堆存采用尾矿库的形式，尾矿以低浓度排放到尾矿库堆存。尾矿排放时的重量浓度一般在20%到40%，尾矿浆体内大部分是水。尾矿库首先修筑初期坝，然后在初期坝的基础上用尾矿砂加高，形成一座以尾矿砂为主要坝体材料的尾矿坝，坝内蓄积尾矿水和降水并作为矿山调水蓄水池。传统尾矿库有两个显著的特点：一是尾矿砂筑坝；二是尾矿库内长期蓄水。传统尾矿库的这两个特点，决定了它的两个天生的弊病：一是安全性差，尾矿库溃坝风险高；二是环保性差，尾矿库渗漏污染严重。在我国目前的尾矿堆放方法均采用这种形式，目前有数千座传统尾矿库，尾矿库溃坝事故时有发生，给人民生命和财产安全及环境保护带来严重威胁。改革尾矿堆放方式，寻找一种新型的安全、环保的尾矿堆放方式，已成为中国矿山可持续发展道路上必须解决的问题。传统尾矿处理使用尾矿库来堆放尾矿。尾矿库筑坝方法包括上游法、中线法和下游贴坡加高法（下游法），在传统的尾矿堆放方法中，上游法尾矿筑坝属于最不安全的尾矿库筑坝方法，但是由于上游法筑坝较其它筑坝方法投资费用低，所以我国的矿山普遍使用上游法用尾砂筑坝。上游法尾矿筑坝，要求尾矿库运行过程中，必须严格按照尾矿库安全运行规程进行坝体加高，确保有效的尾矿库排洪及坝体排渗。但是尽管各级政府和矿山企业对尾矿库的安全越来越重视，并对尾矿库的安全进行了大量投入，我国基本上每年都会出现尾矿事故，有的事故曾造成了极大的人生和财产损失。究其原因，就是传统上游法尾矿库存在内在的安全风险，该安全风险对尾矿库的运行提出很高的要求，对尾矿库管理的忽视或尾矿库管理人员技术水平达不到一定要求，均会触发尾矿库安全事故。7.2膏体干堆的发展及特点为了解决尾矿库的安全性和环境污染问题，尾矿干堆已经成为一种新型的尾矿处理方法。干堆消除了库内大量的蓄水，消除了安全和渗漏的隐患。目前我们国家采用的干堆均为压（过）滤干堆，但是由于压滤干堆的运营成本非常高，所以仅能在小型尾矿处理项目或特殊情况（如赤泥堆放）中采用。为了消除传统尾矿库内在的安全隐患，国际上几个较大的矿业公司进行了长期的探索和技术改造，逐步形成了尾矿膏体干堆技术并且在世界各地进行了应用。膏体干堆的工程投资和运营成本与传统尾矿堆放工艺相当，甚至更低，但安全和环保方面得到显著的提高。世界上第一座膏体尾矿干堆放场于上世纪70年代在加拿大建成，并且在运行过程中进行了各种探索和改造，积累了大量的经验。到90年代，该项技术已经趋于成熟，开始在世界其它地区推广。目前该技术已经应用到北美、南美、澳大利亚、非洲和欧洲地区，尤其在加拿大、澳大利亚和南美，新建尾矿堆场基本上放弃了传统尾矿库，改为尾矿干堆。由于严格的环保和安全标准，在发达国家，传统尾矿库（尤其是上游法尾矿库）已经很难得到政府主管部门的批准。在尾矿产量巨大的传统矿业地区，如年产尾矿数十亿吨尾矿的加拿大油沙产区，政府已经制定了法规，要求所有的新尾矿堆存设计采用类似干堆的方法，所有的正在使用的上游法尾矿库限期改造。尾矿膏体干堆方法，使用膏体浓缩机将尾矿浓缩至低屈服应力膏体状态，使用泵和管道输送，尾矿堆场靠尾矿本身的流动形成。膏体尾矿在排放后也不会发生分级，基本上没有渗滤水，而且由于达到了膏体状态，尾矿具有较大的屈服应力，一般情况下需要使用正排量泵进行输送。膏体尾矿干堆有以下特点：尾矿固含量高，尾矿固体重量浓度65%到75%左右，远远大于传统尾矿库30%左右的尾矿排放浓度；尾矿排放后不会分级。传统尾矿低浓度排放时，尾矿在排放到尾矿库后，会发生粗细分级，粗颗粒沉淀在靠近排放口处形成沉积干滩，细颗粒流向库内。但是膏体尾矿干堆尾矿排放后不发生粗细分级，即尾矿在堆场内应该均匀分布；尾矿堆场内不蓄水，堆场内尾矿水蒸发干燥，除了雨季，库区内基本不积水。所有的尾矿渗滤水和场内降雨均引出场外蓄积，取消了传统尾矿库上的“悬湖”，安全性得到提高，尾矿水对地下水的污染得到控制；已堆放的尾矿通过固结和天然干燥，形成一个固态的稳定的尾矿堆，尾矿堆本身具有相当的强度，安全性很高，而且即使堆场失事后也不会形成泥石流；尾矿具有较高的屈服应力，尾矿的堆放坡度比较大，因而与高浓度尾矿堆场相比，可以更有效地提高尾矿堆场的容量。
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破7.3膏体尾矿干堆和常规尾矿库的比较安全比较传统尾矿库由于堆放场内长期蓄水，尾矿砂处于饱和状态，尾矿坝一旦失事，尾矿水和被扰动（液化）的尾矿会成为近似于液态的浆体，以泥石流的形式向下游流动，流动能量大、距离长，造成巨大的环境污染，如果下游有居民或厂矿设施，会造成财产的损失，甚至人员伤亡。同时，由于尾矿堆放场内长期蓄水，尾矿砂处于饱和状态，在地震时，尾矿容易发生液化，增加溃坝的可能性。膏体尾矿堆放场内平时无大量蓄水，尾矿砂基本上处于不饱和状态，尾矿坝一旦失事，尾矿砂液化的可能性很小，尾矿也会向下游坍塌，但不会无限制的向下游流动，因而不会造成巨大的环境污染，也不会对下游居民或厂矿设施造成重大财产的损失或人员伤亡。同时，矿堆放场内平时无蓄水，尾矿砂处于不饱和状态，显著降低了尾矿液化的可能性。尾矿液化的可能性极小。环保比较传统的尾矿堆放场由于堆放场内长期蓄水，尾矿砂基本处于饱和状态，尾矿水或尾矿砂内的孔隙水会向地下渗透，长期的渗透会对地下水和土壤造成污染，如果尾矿水具有毒性、腐蚀性或酸性，会对地下水造成严重污染。浓缩尾矿堆放场内平时不会蓄积大量尾矿水，在干燥多日晒的地区，尾矿在排放和流动过程中会部分脱水，因而沉积后的尾矿会处于不饱和状态，尾矿内的孔隙水不会渗入地下，或者即使渗入地下，其入渗速度和入渗量也会非常小，因此对地下水的污染会显著降低甚至消除。经济比较浓缩尾矿堆存处理在全世界已有10多年的历史，初期的发展受技术的限制，没有大范围的推广与应用。近年来，随着浓缩技术和高浓度输送技术的进步和全球对水资源的节约意识的提供，特别是对尾矿堆放场的安全的关切，节能、环保的浓缩尾矿堆放技术被大量应用。下表是浓缩尾矿与常规尾矿处理的经济比较：内容常规尾矿库膏体尾矿干堆浓缩设备常规浓缩机：投资较小。浓度一般在30%左右。高效或深锥浓缩机：投资大，浓度可以达到65%到75%。管道输送系统需要设计从尾矿堆放场到选厂的回水管道输送系统。浓缩后尾矿体积量减少，管径小。尾矿浓缩后回水直接返回到选矿厂。尾矿坝回水量少，正常运行时基本不回水，雨季需要暂时回水或排水。系统能耗低浓度下，尾矿体积量较大，回水量大，能耗较高。浓缩后，尾矿体积量减少，回水量小，相对能耗低尾矿堆放场筑坝费用投资较高浓度尾矿高，且尾矿堆存容量小。筑坝费用低，尾矿堆存容量大。节水大面积蓄水，尾矿水蒸发量大。堆场内不蓄水，系统回水率高。7.4白云西矿尾矿试验试验室流变试验尾矿的排放浓度是膏体堆放的一个关键点，排放浓度是由浓缩机的选型和能力及尾矿堆放的要求而确定的，为此必须进行了一系列的试验，尤其是流变试验。流变试验结果如下：10/VrB公式中：B’=2.9Vrsat：固体颗粒与水的体积浓度之比η：宾汉塑性粘度，cpμ：同温度下水的粘度，cp粘度和屈服应力结果如下：
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破03004008009000%10%20%30%40%50%60%70%80%屈服应力(y),dyn/cm固体重量浓度(Cw)根据试验结果，选择最终排入库内的尾矿固体重量浓度为73%，对应的粘度为80cP、屈服应力dyn/cm2。在这个粘度和屈服应力下，尾矿形成“低屈服应力膏体”，尾矿排放后不会发生颗粒离析，大部分尾矿水将存在于尾矿浆内，不再析出成为自由尾矿水。根据目前的经验公式，可以计算出尾矿排放后，可形成2%到3%的坡度。现场半工业性试验由于在国内还没有任何项目的尾矿能够采用浓缩机达到这么高的浓度，进行了现场半工业性浓缩试验。试验的目的有三个，一是为了检验本项目尾矿的沉降特点，二是验证设备的能力并进行设备选型，三是对浓缩成膏体状的尾矿的堆放性质进行验证。试验由设计单位和浓缩机制造单位共同完成。1)试验设备试验设备为直径为1米、高10米的半工业性浓缩试验机，此试验设备配备了一个喂料槽和两个絮凝剂槽。每个槽都是可搅拌的。絮凝剂槽和反应槽分成两个室，一个室用作絮凝剂的制备，另一个室作为储备，当往主室中添加絮凝剂时使用储备室。这种布置可保证半工业性试验设备运行的连续性而不会因为制备絮凝剂而中断运行。由于试验设备位于选厂尾矿流槽旁边，喂料泵的入口置于流槽中，直接向浓缩机给料，所以本研究没有使用喂料槽。现场安装完毕的试验设备见下图。2)试验结果对半工业性试验数据的评估表明，根据运行条件和尾矿粒度分布，包钢西矿尾矿可以浓缩产生浓度为71%到74%的底流。实际产生的底流取决于浓缩机的类型和操作条件。本次半工业性试验同时提供了需要产生此底流的操作条件。这些条件总结如下：在本次半工业试验中不需要延长固体在浓缩机中的滞留时间来产生尾矿膏体。矿浆床层水平应高于3米。膏体浓缩的经验表明对于此种材料增加床层高度有利于提高底流浓度。为了处理可能产生的高屈服应力膏体需要重型驱动器。膏体在浓缩机中的循环可以提供剪切过的膏体以利于底流的移动。0502503003.01.02.03.04.05.06.07.08.09...0浓缩尾矿剖面形状（mm）溜槽长度（m）0.5h1h2h2.5h3h3.5h4h4.5h5h5.5h21.13h.1h
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破7.5白云西矿尾矿堆场设计概要设计方案简介白云西矿尾矿堆场的设计采用了膏体尾矿地表堆放的方案。下页的插图为该尾矿堆场的平面布置图。该尾矿堆场的设计，放弃了传统的尾矿库形式，采用了全新的设计理念。该方案的设计思想有两条：一是安全；二是环保。基于这两个设计思想，针对当地自然气候条件、工程地质条件、水文地质条件、及地形条件，该堆放场的采用如下设计方案：高浓度膏体排放：尾矿排放前，浓缩至73%的重量浓度，比传统的尾矿排放浓度提高了二到三倍，尾矿排放后，在当地的干燥气候条件下，很快干燥固结，形成一个稳定的尾矿堆。废石拦挡堤：采用采场废石在四周修筑尾矿拦挡堤，堤体稳定性好，再加上堆场内不蓄水，没有溃坝风险，彻底消除了传统尾矿库内在的安全隐患。场外洪水分流：堆场位于一个天然的浅沟内，该沟平时干涸无水，仅在暴雨期间有洪水泄流。在堆场底部设置了一条排洪管道，将上游的洪水直接排向堆场的下游，堆场外的洪水不进入堆场，尾矿堆场不会对场外地表水造成污染，作到清污分离。污水收集：在堆场下游修建一个小型集水池，堆场内被尾矿污染了的地表水和少量的尾矿渗滤水，通过设置在南侧拦挡堤上的排水设施，排放到集水池内，通过回水泵输送回选厂再利用，作到了污水零排放。尾矿堆场平面布置图7.6白云西矿尾矿堆场的特点白云西矿尾矿堆场的设计，从根本上消除了传统尾矿库的两个内在的风险，达到了安全和环保的目的，详细介绍如下：安全性白云西矿尾矿堆场的安全性由以下两个因素得到保证：1)场内不蓄水尾矿排放前，浓缩至73%的重量浓度，比传统的尾矿排放浓度提高了二到三倍。尾矿排放时呈膏体状态，没有自由水，排放后没有或仅有非常少量的尾矿渗滤水，所以尾矿堆场中基本上没有尾矿水存在。再加上必要的堆场内排水设施，保证了堆场内部在运营期间不会积水，彻底消除了传统尾矿库内在的安全风险。2)尾矿本身固结稳定性好该设计充分利用了白云地区的气候特点，即内陆干旱型气候，降雨量小，年最大降雨量.7mm，年最小降雨量.4mm，而蒸发量大，超过0mm/年。尾矿排放后，以一定的坡度向下游流动，在流动过程中干缩和固结，形成不饱和的稳定的尾矿堆。本堆场设计了多个排放点，在一个时间内，只开放一到两个排放点，各个排放点轮流排矿，使得排放
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破后的尾矿有足够的时间干燥固结。下图为西矿尾矿堆场运营过程中尾矿堆放的的情形。干燥固结后的尾矿，其性质类似于堆土场，具有足够的稳定性，基本上没有溃坝的风险。由于其没有流动性，即使发性拦挡堤的垮塌，也不会对下游造成类似传统尾矿库那样的灾难性后果。另外，由于尾矿砂呈不饱和状态，大大降低了地震液化的可能性。
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破环保性白云西矿尾矿堆场的对地下水和地表水的保护由以下三个措施得到保证：1)场内不蓄水如前所述，在正常运营期间，尾矿堆场中基本上没有尾矿水蓄积，这样就消除了尾矿水下渗进入地下水的可能性，消除了传统尾矿库内在的对地下水和土壤的污染。2)污水不外排尾矿堆场内的渗滤尾矿水和受到尾矿污染的降雨，全部收集到下游的集水池中，然后通过回水泵送回选厂再利用。集水池设防渗设施，保证了污水不会渗漏。3)场外洪水分流堆场上游的地表水通过排洪管道，绕过堆场直接流入堆场下游，不进入堆场，所以不会被污染。7.7白云西矿尾矿堆场与传统尾矿库的比较汇总白云西矿尾矿堆场采用膏体尾矿地表堆放的方案，这个方案的两个特点是较大的安息角和极少量的渗滤水。这两个特点使得膏体尾矿地表堆放与传统尾矿库相比具有很大的优越性，如下表所示。传统尾矿库膏体干堆尾矿堆场库容由于尾矿库设计必需考虑到尾矿库的蓄水和调洪，库容小。尾矿堆场内不蓄水，尾矿堆放高度可超出尾矿坝的高度，有效地提高了库容，尤其是对大型尾矿库，库容增加显著。节水尾矿库内长期大面积蓄水，由于项目所在地蒸发量大大高于降雨量，大量尾矿水被蒸发。库内无尾矿水蓄积，蒸发的水为尾矿内不可回收的孔隙水，所以基本没有蒸发损失。节能尾矿排放浓度低，矿浆输送量大，而且尾矿库内回水量大。尾矿排放浓度高，矿浆输送量小，从尾矿库回水量很小。传统尾矿库膏体干堆尾矿堆场环保由于尾矿库内长期蓄水，尾矿砂基本处于饱和状态，尾矿水或尾矿砂内的孔隙水会向地下渗透，长期的渗透会对地下水和土壤造成污染，如果尾矿水具有毒性、腐蚀性或酸性，会对地下水造成严重污染。尾矿库内平时不会蓄积尾矿水，在干燥多日晒地区，尾矿在排放和流动过程中会部分脱水，因而沉积后的尾矿会处于不饱和状态，尾矿内的孔隙水不会渗入地下，或者即使渗入地下，其入渗速度和入渗量也会非常小，因此对地下水的污染会显著降低甚至消除。安全由于尾矿库内长期蓄水，尾矿砂处于饱和状态，尾矿坝一旦失事，尾矿水和被扰动（液化）的尾矿会成为近似于液态的浆体，以泥石流的形式向下游流动，流动能量大、距离长，造成巨大的环境污染，如果下游有居民或厂矿设施，会造成财产的损失，甚至人员伤亡。尾矿库内平时无蓄水，尾矿砂处于不饱和状态，尾矿坝一旦失事，尾矿砂液化的可能性很小，尾矿也会向下游坍塌，但不会无限制的向下游流动，因而不会造成巨大的环境污染，也不会对下游居民或厂矿设施造成重大财产的损失或人员伤亡。抗震由于尾矿库内长期蓄水，尾矿砂处于饱和状态，在地震时，尾矿容易发生液化，增加溃坝的可能性。尾矿库内平时无蓄水，尾矿砂处于不饱和状态，显著降低了尾矿液化的可能性。尾矿液化的可能性极小。
包钢白云西矿开发综合环保节能技术的创新和突破传统尾矿库膏体干堆尾矿堆场闭库闭库时，必须首先排除尾矿库内的尾矿水，由于尾矿长期处于尾矿水的浸泡的状态，尾矿不能有效固结，尾矿水排除后，必须等尾矿固结后才能进行闭坑复垦。尾矿固结时间根据尾矿的性质和当地气候有所不同，一般需要两三年以上。在这期间必须对尾矿库进行日常维护及防尘尾矿库内平时基本没有尾矿水析出，库内绝大部分区域内没有尾矿水蓄积。同时浓缩的尾矿在排放和流动的过程中经过了蒸发和脱水，因而进行了一定的固结。根据尾矿的堆放顺序，可以对已经达到堆放标高的尾矿进行覆盖和复垦。尾矿堆放结束后，通常在一年内就可进行闭库和复垦。