尾矿库加高扩容新技术

尾矿库加高扩容新技术第七章尾矿库加高扩容新技术——中线法筑坝工艺第一节中线式筑坝加高扩容工艺的背景技术1.上游式筑坝法广为应用的原因我国的矿山企业多数建于建国后六、七十年代。由于当时的历史背景，使矿山建设的设计思想和设施装备大都承袭前苏联二战后经济恢复和建设中所形成的技术经验。体现在尾矿库的建设方面，几乎绝大多数黑色和有色的矿山尾矿库都采用了上游式筑坝技术。这种方法的生产工艺简单、操作容易、且管理方便，但不足之处是占地面积大，而库容量相对较小，因为这种方法所筑成的坝体浸润线较高，坝体稳定性差，特别在地震地区不宜筑高坝。上游式筑坝在我国得以长期沿袭使用的另一个重要原因是，在计划经济体制下，土地并没有被视为资源，企业经政府批准后可以无偿占有使用，新建尾矿库所需的巨额资金也由国家划拨，因此作为生产单位无需为此而犯难发愁，设计单位也基本囿于在传统的老套路中改进和积累，而缺乏创造和更新。2.上游式筑坝的坝体结构分析（1）上游式筑坝坝体的沉积规律。上游式筑坝是朝初期坝上游方向，向库内均匀放矿冲填尾矿加高坝的筑坝工艺（如图7-1）。基于这种筑坝方式，形成了尾矿堆积坝体特有的沉积规律。沿坝体纵向轴线方向不同剖面上尾矿沉积粒度分布规律不同，宏观上，从排矿口至上游水域间的尾矿沉积滩面上的尾矿大致分为尾中砂、尾细砂、尾粉砂和尾矿泥层。由上层到下层，层与层间呈渐变过渡，显示出尾矿粒度粗细交替的变化特征。图7-1 上游式筑坝工艺在尾矿沉积过程中，沿水流方向还形成倾向水域的许多微细层理。同时，由于非均衡性放矿的影响，以及矿浆浓度变化，矿浆量变化而增加了尾矿沉积规律的复杂性。在不同的矿浆流动时，距放矿口远近不同，沉积的速度，沉积的粒度各有差异。致使呈现出大层中夹有一些粒度等级不同的簿夹层及互层，其中的夹层、互层厚度小者仅有1~2mm，厚者达几十厘米，甚至1m以上。在尾矿砂层中的尾矿土夹层，往往是局部隔水层，又由于上部滞水的影响，则多呈软塑状态，因此，多为尾矿砂层中的透镜体软夹层。（2）尾矿坝体的渗透性质。由于尾矿堆积坝体沉积结构复杂，粒度变化和密实度都对渗透性有较大的影响，而广泛分布的尾矿泥簿层影响特别显著。概括起来有三方面：①水平方向向上游渗透性的不均匀性。由尾矿堆积过程由近及远颗粒由粗变细，依次沉降在滩面上，因此，形成沿浸润线始端至终端尾矿渗透性由小变大的趋势。②垂直方向渗透性的不均匀性。宏观上尾矿堆积体由上至下，颗粒由粗变细，密实度增加形成上部渗透性优于下部渗透性，与均质坝比较，它可使浸润线抬高，为坝体渗流破坏创造了条件。③渗透性的各向异性变化。宏观上看，尾矿堆积体的粒度、沉积层次变化是十分复杂的，粗细层间相间交替出现，矿泥层呈千层饼广泛分布，使得其渗透性呈各向异性。尤其是矿泥层的存在，大大改变了尾矿堆积体的渗透规律。从渗透系数数值上看，矿泥层的存在，对水平渗透系数影响不大，但对垂直渗透系数的影响相当显著。（3）尾矿泥层对渗透性的影响。由于矿泥层的存在，使得垂直方向渗流受阻，从而堆积体内浸润线抬高易沿矿泥层面在渗流出口处发生流土或管涌，从而危及坝体稳定。矿泥层作为隔水层，使得表层浸润线附近地下水活动加强，而深层活动减弱，并出现了非饱和状态砂层，增加了渗流复杂性。矿泥层存在易出现渗流破坏，如坝坡浸润线出逸，透镜体表层易发生流土破坏。由于矿泥层的存在，改变了堆积体的渗透性能，且由于其无规律分布，使得无论水平向还是垂直向渗透分析更为困难。综上，由于上游式筑坝，矿浆在尾矿滩面自然沉积，构成坝体内多层次矿泥夹层存在，而形成坝体的水平渗透系数大于垂直渗透系数，导致浸润线抬高。为此，在上游式筑坝坝体构成中必须在各层面，纵横向设置排渗设施，生产后的尾矿坝要补充的排渗工程设施更为复杂，这已成为上游式筑坝工程不可缺少的重要组成部分。同时，由于上游式筑坝采用坝上分散放矿，人工筑子坝，池填法筑子坝，推土机筑子坝等都对尾矿堆积坝体构造和渗流稳定产生不利的影响（如图7-2、图7-3）。图7-2池填法堆坝示意图1-尾矿子堤；2-溢流井、管；3-冲填堆积层V-冲积层（由粗到细）；IV-冲积层（细粒溢流）；VI-矿泥层图7-3推土机筑坝示意图1-尾矿子坝；2-理论计算浸润线；3-渗流；4-推土机铲土坑充填原矿浆尾矿；5-尾矿澄清水在此基础上尾矿库尾矿堆积高度越高，坝体向库区上游推进的越远，粗粒级的坝壳距离细粒级软弱矿泥层越近，尤其是库区的沟底纵向坡度大时，距细粒及矿泥区更近，若用以高堆、多装，其稳定性必然成为问题。特别是采用上游式筑高坝，甚至用上游式筑坝加高扩容更需要研究了。3.中线式筑坝加高扩容工艺的产生改革开放后，企业进入市场经济，大部分矿山企业都日益面临一个难题，即尾矿库已使用到中后期，有的甚至迫在眉睫。建新库，土地资源已今非昔比，大面积征地几乎不可能，而且基建投资款额巨大。那么只剩一条路，即对老库进行加高扩容改造。如前所述，由于现有尾矿库都采用上游式筑坝，所筑的坝体内含有多层次矿泥夹层，坝体浸润线高，结构强度低，如果继续用上游式加高扩容，不能筑高坝，因此扩容有限，并有坝体不稳定的隐患。以通钢板石沟铁矿为例。该矿于1969年10月建成投产。尾矿库设计最终标高600m，总库容1870万m3。现已堆筑到597m，使用期限仅剩2~3年。为此，该矿曾于1996年委托某设计院做了建新尾矿库的初步设计，新库需占地1725亩，征地费估算1亿元。基建投资约4353万元。此 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使企业望洋兴叹。2000年，该矿又委托设计院做了老库上游法加高扩容方案设计。设计结果，采用上游式加高扩容，可增加有效库容178万m3，该库服务年限可达11年，基建改造投资919万元。实际上，该方案只是将建新尾矿库工程推迟几年而已，新库从设计到建设周期至少需5~6年，加高工程完成后又要重建新库。因此，上游式加高方案起到的只是缓解作用，无法从根本上解决尾矿的后续贮存问题。再以汉钢杨家坝铁矿为例。该矿于1986年建成投产，尾矿库目前尚可使用2年左右。早在1998年，该矿就委托有关部门作了新建尾矿库的方案设计，需征占农田地615亩，基建投资估算3550万元，最令企业棘手的是需动迁农业人口。因此，建新库方案至今未能付诸实施。从上述的分析和实例中不难看出，尾矿的后续贮存问题，已成为矿山老企业所必须面临解决的一个重要课题。否则将直接影响企业持续发展。中线式筑坝加高扩容工艺，是一种能将现有用上游式筑坝，并且已使用到中后期的尾矿库实现大幅度扩容，并保证坝体安全稳定的新工艺。第二节中线式筑坝扩容工艺原理1.工作方法中线式筑坝加高扩容工艺，是在上游式筑坝的子坝上部，选择固定的坝轴线，进行垂直升高尾矿分级筑坝。利用水力旋流器进行尾矿分级，将所得的沉砂与溢流向坝外和坝内分别堆筑，以此构成粗细两种尾矿堆积成的棱体的组合坝型（见图7-4）。图7-4 中线法筑坝典型断面2.坝体结构这种组合坝型结构合理，各自承担的作用分明，并且充分发挥了沉砂和溢流尾矿各自的材料的力学性质。分级的溢流尾矿排放到坝轴线的上游沉积。分级的沉砂尾矿堆积在坝轴线的下游。这样分别堆放，沉砂尾矿自然就成为溢流沉积体的支承体。分级后的沉砂尾矿中不含尾矿泥和尾粘土类土，所以沉砂尾矿堆积体内无尾矿泥质土夹层。由于分级后的沉砂尾矿粒径粗，透水性强，因此具有坝体浸润线低和力学强度高等特点，从而提高了尾矿坝的稳定性，适于堆筑尾矿高坝。尤其处于地震区的尾矿高坝。3.扩容原理在采用上游式筑坝工艺，并且已使用到中后期老尾矿库上，改用中线式筑坝之所以能实现大幅度扩容，其原理就在于它充分利用了上游式筑坝所没被利用的堆筑空间和有利地形条件。例如，以一库区其沟底纵坡为10%，尾矿堆高25m，进行对比（见图7-5）。在相同终期标高条件下，中线式筑坝可增加库容量1960m2，尾矿沉砂产率56.8%，而上游式筑坝库容量仅1000m2，相比增加库容1.96倍。另外，中线式筑坝充分发挥了尾矿分级后的尾矿粒度变化而带来的尾矿物理力学性能，所构成尾矿组合坝体的合理性和稳定性加强，因此可以堆筑高坝，而坝越高所形成的库内空间自然就越大。图7-5 中线式与上游式筑坝库容对比中线式筑坝是以筑坝中线固定，垂直筑坝升高，随着筑坝坝体升高而库区的尾矿澄清水域面积也随之增大，蓄水量增多、水质变好，不仅增大了库区汛期调洪库容，也更增大了尾矿坝体的安全稳定性。第三节中线式筑坝加高扩容工艺主要工程内容1.固定坝轴线的确定初始的中线式筑坝是以初期坝作为坝轴线，而中线式筑坝加高扩容工艺是在上游式筑坝的坝体上重新确定坝轴线，以此为中线垂直向上筑坝，将水力旋流器分级所得的沉砂尾矿和溢流尾矿分别向坝外和坝内堆存。固定坝轴线确定的原则应是根据尾矿的粒度组成情况以及确定的分离粒度使坝内和坝外尾矿堆存量平衡而定。2.分离粒度筑坝生产所采用的粒度界限值，是决定筑坝生产的重要参数，一般应根据勘察部门或矿方提供的实际分析资料和筑坝所需的沉砂量来确定。通常是考察d>0.074mm和d>0.05mm。3.水力旋流器的选择水力旋流器根据需要可以选用国产和国外引进两种。当要求沉砂率低于25%时，可选用国产旋流器，其特点是较之国外引进造价较低。当要求沉砂率高于25%~30%，甚至更高时，则应选用国外旋流器，其沉砂率高，且耐用。选用国外旋流器时，供货方根据我方提供的资料数据进行模拟试验分析，反馈回来较为详尽的分析资料和选择建议，从而可保证选型的正确性。根据尾矿浆量、浓度和尾矿粒径等参数计算选择旋流器的规格和台数。水力旋流器成组安装在钢制台车上，台车沿轨道在尾矿滩面上移动筑坝。台车上除旋流器外尚有矿浆分配头和闸阀等。4.坝上管道和稳压装置水力旋流器分级移动筑坝，要求矿浆管道可接、可拆并移动给矿。为了移动管道时减轻劳动强度，并提高筑坝速度，应将原有钢管道逐步更换为高密度聚乙稀管道。水力旋流器工作时需要保持恒定的给矿压力，以保证分级产品质量稳定。对于筑坝轴线较长，坝段分散的情况，应考虑设置稳压设施。5.排渗工程为了保证加高扩容工程的安全稳定，降低浸润线，根据科研部门提供的渗流和稳定分析报告需设置必要的排渗工程。排渗设施的设计和施工都要确保严格、安全、可靠。沉砂尾矿堆置在坝轴线以外的原有尾矿堆积坝外坡上。由于原有尾矿堆积体与分级后沉砂体的物理力学性质不同，尤其沉砂尾矿的浓度在65%~75%，沉砂体内含有一定水量，因此，必须设有较强的排渗和导疏设施，以有效的降低尾矿沉砂体的浸润线，保持尾矿坝体的安全稳定。原上游式筑坝外坡铺有粘土层并形成树木植被等，亦须做相应处理，确保安全无虑。6.沉砂堆石档坝沉砂堆石档坝是在沉砂尾矿堆积体坡脚处设置的堆石坝，用以保护尾矿沉砂体坡脚的稳定，也是沉砂尾矿堆积体的排渗滤水体。沉砂堆石档坝是用块石堆筑，相应的排渗导疏设施都要考虑。7.副坝对山谷型尾矿库，不论是老库采用中线式筑坝加高扩容或是新库即采用中线式筑坝工艺方案，对地形条件的要求，一是山体要有足够的高度；二是周边“围墙”相对较完整。如存在豁口，当筑副坝。豁口处地形条件许可也可用此工艺堆筑副坝，既节省投资又安全可靠，同时还能大量消耗尾砂，更有利扩容。8.排洪系统加高扩容的尾矿库，其原排洪系统未考虑加高后的荷重。加高后其强度能否满足要求应进行严格的验算，不能原封照用。9.水位观测系统为及时准确检测尾矿坝体内的浸润线的位置和变化情况，判断其渗流稳定性，需要安装水位观测系统。将其传感器的信号电缆汇集到观测室内。10.坝体沉降和移位观测系统由于原初期坝前没有设置沉砂堆石档坝空间而采取加高原初期坝扩容时，为检测初期堆石坝的稳定性，需检测其水平位移和垂直沉降，应设置水平位移和垂直沉降观测系统。11.环保抑尘设施采用中线式筑坝工艺后，外坡坝面处于动态状态，在生产过程中不能进行用土压坝和种植植被，因而增加了裸砂扬尘面积。可以采取以下防尘措施：（1）溢流砂浆采用多管均匀放矿，尽量加大干滩面的湿润面积；（2）非汛期提高库内尾矿澄清水的静水位，减少尾矿干滩面扬尘面积；（3）采用喷灌设备洒水装置，润湿裸砂面积，水源可取自库内澄清水。实践 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，上述措施较为有效。12.需要进行的勘察和试验研究工作为使中线式筑坝工艺加高扩容改造建立在科学可靠基础上，必须对原库进行必要的工程地质和水文地质勘察，弄清原库的地质和水文情况。为研究加高扩容后坝体的稳定情况，需委托水工研究部门进行渗流和稳定性分析的试验研究工作，为设计提供研究报告并对安全稳定情况进行评估。13.加固技术中线式筑坝工艺不仅可用于新库设计和老库加高扩容，还可以对病库加固处理。如用于溶洞堵塞、坝体渗漏、付坝护坡、细粒尾矿堆筑等。（1）中线法筑坝在副坝加高、加固工程中应用。一般的副坝位置在澄清水压内，有时副坝或坝基发生渗漏水或部分坝体发生变形等病害，处于危险境地。此时可以采用中线式筑坝加固把临近副坝的澄清水推到较远地方。这样的工程措施是有效的。（2）落水洞（溶岩或称卡斯特溶洞）漏水处理。落水洞发生后大量尾矿流失，此时可采取中线式筑坝隔离，抛石作骨架，用分级沉砂覆盖。（3）尾矿坝坡不稳定可用分级沉砂加固，压坡压重。（4）堆石坝反滤层破坏，发生渗漏水可用分级沉砂补修处理。采用中线式筑坝和旋流器分级沉砂堵漏，平衡稳定处理中是很有效的办法。第四节中线式筑坝加高扩容工艺的实施及效果在上游法筑坝的基础上，改用中线式筑坝加高扩容工艺，从而使临近末期老尾矿库实现大幅度扩容，在我国尾矿库筑坝史上是项首创。这个过程经过了十余年的探索和实践，并取得了成功的经验。现就几个具有典型特点的尾矿库扩容工程作一介绍。太钢峨口铁矿是我国较大型的矿山企业，年处理原矿量480万吨。其尾矿库的建设深受当地地形条件的制约，即所有的山体都十分陡峭，所形成山谷即俗称的“撅尾巴沟”，沟面狭窄且上升空间小，所以该矿每隔10年左右就要考虑新建一个尾矿库。1992年，面临筹建第三尾矿库的峨口铁矿，决定在第一尾矿库作中线式筑坝加高扩容实验研究。峨口的中线式筑坝加高扩容，是在原上游式筑坝达到坝高157.5m的坝体上继续加高使用，其最终设计坝高为270m，当属亚洲第一高坝，而库区又处于7度地震区，其难度很大。为获得高坝的安全稳定以及扩容工艺的切实可行，进行了一系列的试验研究工作。其中最主要的起决定作用的两项：一是动、静力分析。试验结果表明，中线式筑坝加高至200m及270m静力是稳定的，动力稳定虽不满足安全需求，但只要采取降低坝体浸润线措施，就能满足设计安全稳定需求；二是尾矿分级粒度试验。尾矿中是否含有足够量沉砂，及是否能够将它们分离出来，是中线式筑坝成败的关键。根据尾矿粒度分析，证明适于筑坝粒度的尾矿量是足够的，可以满足堆筑尾矿高坝的需要。通过对水力旋流器的反复选型和试验、改进，也找到了合适的设备。峨口铁矿在经过了一系列艰苦细致工作后，敢为天下先，开辟了在7度地震区，上游法筑坝达到157.5m的坝体上改用中线式筑坝的先河，从而实现了老尾矿库的大幅扩容，解决了长期以来困扰企业的技术难题。老尾矿库加高后可多贮存尾矿量7340万m3，延长服务年限39年。加高和建新库相比，可节约基建投资1.95亿元，节省年经营费301.55万元。少占农田590亩，免动迁40余户，避免毁林3~4万株。加高改造所需费用仅为新建库的13.3%，且生产管理集中，环境影响小，不再增加工农关系间的新问题（见图7-6）。图7-6 峨口尾矿库中线式筑坝扩容断面1-隔坝；2-初期坝；3-上游式筑坝堆积体；4-沉砂尾矿；5-溢流尾矿通钢板石沟铁矿在面临老尾矿库只能使用2~3年，尾矿后续贮存问题将直接影响矿山持续生产的困境下，了解到中线式筑坝扩容的技术信息后，经过充分论证，对老库进行中线式筑坝扩容的技术改造。板石沟铁矿尾矿库相对其它尾矿库来说，其主要特点是坝轴线较长，主坝及3个副坝总长度达2000米，对这样的尾矿库实施中线式筑坝，其生产作业难度相对较大。通过充分借鉴峨口铁矿的经验，以及生产试验，进一步总结和完善了中线式筑坝生产工艺。改造后的尾矿库可新增库容量1458万m3，可延长服务年限29年，并有继续加高扩容的可能。占地仅152亩，基建投资1000万元。从而解决了矿山今后生产的尾矿后续贮存问题，且坝体更加安全可靠。唐钢石人沟铁矿采用中线式筑坝工艺所解决的问题也很具有借鉴作用。该矿尾矿库于1975年投入使用，设计最终尾矿堆积标高210m，有效库容2300万m3。目前，尾矿堆积标高达187.5m，尚存有效库容729万m3。该尾矿库是由南北两个山沟组成，两沟中间有一山梁相隔，库区横向较宽阔，纵深较短。库区汇水面积2.45km2，原设计南北两沟共用一套设置在北沟的排水系统，尾矿库生产初期南沟水从山鼻梁前绕过，自然排泄到北沟，生产后期在山梁上开排水明渠，排泄南沟水。目前，尾矿库使用已进入中后期，随着尾矿筑坝逐年升高推进，尾矿堆积坝体不断向库区深入，使得山鼻梁和堆积坝间的过流距离日渐缩短，按目前排放量，再有3~5年，尾矿滩面就会把南此两沟隔断，南沟集水将成为死水区无法排泄，因此，解决该问题，已成为保证尾矿库继续使用的当务之急。如实施原设计，在南北两沟之间山梁上开凿一条长200m、深10~30m、土石方达2万m3的排水明渠，不仅工程施工难度大，投资也相应较大，更重要的是开明渠必须占用土地，且开挖明渠的山坡上均为密集的果树。在地少人多的河北省，征地难度可谓更大。由上游法筑坝改为中线式筑坝方法后，上述问题迎刃而解。中线法筑坝是采用固定轴线筑坝方法，尾矿堆积坝不再向库内推进，可永久保持南沟水排泄所需的过流宽度，这样就不需要在山梁上开凿明渠，同时又可保证实现原设计库容。该尾矿库实施中线式筑坝改造过程中所遇到的一个难题是，按常规的中线式筑坝，需在初期坝前有一段空间，修筑滤水堆石坝，但该尾矿库初期坝前即是村庄，无空间可用。经过现场踏勘，设计决定，充分利用原上游式筑坝时堆积坝坡度较缓的特点，在原初期坝上建滤水堆石坝，从而既起到沉砂补坡作用，又实现了零征地。该工程由于充分利用了尾矿库的原有设施及各种条件，因此改造投资仅需200多万元。达到了经济效益和社会效益双赢。目前福建省潘洛铁矿正新建一座尾矿库，该库址地形条件十分不利，沟窄、坡陡、进深短，上游式筑坝工艺对此山形无能为力，采用中线筑坝工艺，经计算，其有效库容可达77.28万m3，基本上能满足该矿服务年限的需要（如图7-7）。该尾矿库是我国自行设计第一例初始采用中线式筑坝工艺的尾矿库。它的成功将为我国在困难地形条件下建设尾矿库走出一条新路。图7-7 尾矿库中线式与上游式筑坝库容对比1-溢流尾矿；2-沉砂尾矿；3-上游式筑坝堆积坝体；4-初期坝；5-沉砂堆石档坝；6-西露天采空区（五）结语当今，随着国土资源的日益紧缺，保护生态环境已成为世界主题的形势下，妥善解决尾矿接续贮存已越来越成为矿山企业无法回避的严重课题。对中线式筑坝扩容技术，很多业内人士认为，在有条件的矿山推广实施该项目，其意义不仅体现在企业的经济效益方面，更主要的是节省国家土地资源，保护生态，有利环境，其社会效益更为显著。中线式筑坝扩容技术在今后的尾矿库生产和建设中将占有极为重要地位。上述几个尾矿库采用中线式筑坝工艺加高扩容的效果见表6-1。尾矿库采用中线式筑坝工艺加高扩容的效果实例表6-1尾矿库名称原库容(万m3)加高扩容后新增有效库容(万m3)延长服务年限（年）投资(万元)单位库容投资(元/m3)太钢峨口铁矿牛圈沟尾矿库加高扩容2468734039约90001.22通钢板石沟铁矿吊水湖尾矿库加高扩容1870145829约10850.75唐钢石人沟铁矿西大峪尾矿库工艺改造2300改变筑坝工艺实现设计库容约200汉钢杨家坝铁矿米箭沟尾矿库加高扩容543769189861.30