攀鋼中溝灣尾礦庫中線法筑壩工藝試驗研究①

周科平， 楊于渲， 李杰林， 曾志飛， 毛德華， 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 410012）

尾礦庫設施是絕大多數金屬非金屬礦山項目建設的重要組成部分［1］。 尾礦筑壩工藝按堆積方式可分為上游法、中線法、下游法、高濃度堆積法和水庫式堆積法。 其中，中線法筑壩工藝是在初期壩壩體中軸線處選用水力旋流器分級尾砂，利用分級沉砂形成堆積壩加高壩體的一種筑壩工藝，它具有增加庫區尾礦堆存量、浸潤線低、壩坡抗剪強度高、穩定性系數大等諸多優點［2］。 隨著國家越來越重視尾礦庫安全建設和運行，今后將會有越來越多的尾礦庫采用中線法筑壩工藝進行修筑，因此，開展尾礦庫中線法筑壩工藝研究對于完善和優化中線法筑壩技術具有重要意義。

國內已有相關學者開展了尾礦庫中線法筑壩的相關研究［2-5］。 受場地、施工條件、試驗經費等因素的制約，以往多采用室內試驗或工程類比法來確定設計參數，開展工業試驗較少，獲得的工藝設計參數往往與工程實際相差較大，嚴重影響了筑壩作業。 本文結合攀鋼集團中溝灣新建尾礦庫設計參數，通過開展中線法尾礦筑壩工業試驗，確定了中線法筑壩工藝和參數，并對壩體浸潤線進行了實測與驗證，為中溝灣尾礦庫應用中線法筑壩工藝可行性提供依據。

1 現場筑壩試驗

1.1 工程設計概況

中溝灣尾礦庫設計庫址位于四川省攀枝花市鹽邊縣金河鄉［6］，尾礦庫設計初期壩最大壩高75 m，壩頂標高1 250 m，壩頂寬10 m，壩頂軸線長230 m；上游坡比1 ∶2.5，下游坡比1 ∶3；攔砂壩采用濾水碾壓堆石壩，壩頂寬5 m，上下游坡比1 ∶2，壩頂標高1 155 m，最大壩高35 m，壩體上游壩坡設反濾層；初期壩與下游攔砂壩之間鋪設排滲墊層，墊層由合理級配的卵礫石或碎石組成，厚2.0 m；堆積壩分4 層堆積，堆積高度分別為25 m、50 m、75 m、118 m，最終堆積標高1 368 m，筑壩高度118 m，總壩高193 m，總庫容9 805 萬立方米。

1.2 試驗設計

試驗區域選擇在攀鋼集團有限公司馬家田尾礦庫干灘上，以中溝灣尾礦庫設計資料為依據，開展現場筑壩工業試驗。 根據相似理論［7-8］，確定現場工業試驗的相似參數比為1 ∶25，試驗所用尾砂為礦山選礦廠排放至馬家田尾礦庫的尾礦砂。

筑壩試驗模型建設主要包括初期壩、攔砂壩、排滲墊層、尾砂圍堰、旋流器及給礦管道。 為了確保溢流排放過程中水分不會滲流至底部的尾砂堆中，從而模擬出真實的尾礦庫水位條件，在尾砂圍堰內坡、尾砂圍堰與初期壩之間的區域做防滲工程，底層為400 g 濾水土工布，上面敷設一層HDPE 防滲膜。 同時，為模擬實際情況，在攔砂壩上游邊坡、排滲墊層區域以及初期壩鋪設一層400 g 濾水土工布。 現場筑壩試驗模型如圖1 所示。

圖1 現場筑壩試驗場地模型

1.3 旋流器工況參數確定

適宜的旋流器工況參數對中線法筑壩至關重要，中線法筑壩技術要求旋流器的分級沉砂粒徑＋0.074 mm粒級含量大于75%且-0.02 mm 粒級含量小于10%，沉砂產率應達到40%以上。 旋流器操作參數主要包括入料濃度、入料壓力，旋流器結構參數主要包括沉沙嘴、溢流管尺寸、錐角等［9］，旋流器參數決定旋流分級效果，現場工業試驗采用的是2×CZ400 高效旋流器組。

總尾礦通過現場放礦管進入旋流器組，總尾礦經旋流器分級后，旋流器沉砂用于壩體堆筑，旋流器溢流排入圍堰。 根據尾礦排放條件，共進行了4 組不同工況條件下的旋流器分級試驗，結果見表1。

表1 旋流器分級試驗結果

由表1 可知，給礦壓力一定時，旋流器沉砂嘴直徑越小，沉砂濃度越高，沉砂產率則隨之降低；給礦壓力越小，沉砂濃度越低，沉砂產率則隨之增加。 給礦壓力0.1 MPa 條件下，選用沉砂嘴Φ55 mm 旋流器分級沉砂濃度較高，為75.56%；給礦壓力0.15 MPa 條件下，沉砂嘴直徑Φ65 mm 旋流器分級沉砂產率較高，為63.16%。各種旋流器參數下，尾砂粒徑＋0.074 mm 粒級含量始終維持在75%以上，尾砂細顆粒即粒徑-0.02 mm 粒級含量基本維持在5%左右，即在給礦壓力0.1 MPa 與0.15 MPa 條件下，3 種沉砂嘴直徑進行現場旋流器分級的沉砂粒度均能滿足中線筑壩法要求。

根據選廠總給礦管壓力條件，最終選擇旋流器給料壓力0.15 MPa、沉砂嘴直徑60 mm 條件下進行筑壩工業試驗。

1.4 中線法筑壩工藝流程

試驗堆積壩分為4 層堆積，每層高度分別為1 m、1 m、1 m、1.72 m，堆積壩最終高度4.72 m，外坡比為1 ∶3.1，每層堆積壩堆積完成后需靜置3 d 使得尾砂自然固結。 現場中線法筑壩試驗方案設計與試驗過程如圖2 所示。 具體試驗步驟如下：①在實施放礦筑壩前，進行設備調試與壓力測試，并將旋流器抬升、安裝在合適位置。 采用一端進占法筑壩，旋流器放置在初期壩的一端，旋流器底流槽連接給礦管道、底流輸送管道、給水管等。 ②對分級尾砂底流加水稀釋至60%左右，然后通過自流輸送至試驗區，通過自流沉積形成外坡，構筑堆積壩，溢流則向尾砂圍堰內排放。 通過在壩上連接管道，延長輸礦距離，實現均勻放料筑壩，堆積壩的最終堆積坡比為1 ∶3.1。 ③當每層堆積壩的高度達到試驗設計的高度后，尾砂堆積壩自然固結3 d。④第2～4 層筑壩重復②、③步驟。

圖2 中線法筑壩試驗設計方案與過程

2 壩體取樣與水位監測結果分析

2.1 壩體尾砂物理力學參數

在堆積壩壩體區域內取固結尾砂原狀樣，開展物理力學參數測試，以獲取尾砂的堆積干密度、抗剪指標等參數。 取樣時，嚴格按照相關試驗技術要求和標準進行，取樣點共計8 個，橫向和縱向相互間隔8 m，取樣深度為50 cm。 取樣截面與取樣點如圖3 所示。

圖3 堆積壩壩體取樣點位置及編號

壩體尾砂物理力學參數試驗結果如圖4 所示。 根據現場實際，以旋流器擺放在堆積壩的一側為起始點，橫坐標按取樣點距離放礦口由近及遠依次排列。 從試驗結果可看出：①分級尾砂黏聚力變化范圍為7.8 ～24 kPa，內摩擦角變化范圍為21.2°～27.0°，含水率變化范圍為6%～15%，濕密度變化范圍為1.80～2.05 g／cm3，干密度變化范圍為1.40～1.60 g／cm3。 ②隨著與旋流器排礦口距離越來越遠，分級尾砂含水率、黏聚力與內摩擦角逐漸升高，但當黏聚力與內摩擦角增加到一定值時，會隨距離增加而降低，而濕密度與干密度則變化不明顯。

圖4 堆積壩壩體取樣物理力學試驗結果

上述結果與現場試驗尾砂排放位置和方式有關?？傮w上隨排礦距離由近及遠，分級尾砂力學強度指標逐漸增大后再逐漸減小，尾砂含水率逐漸升高。 在排礦過程中，由于現場排礦壓力較大，尾砂初始速度較大，較粗顆粒自壩體坡面向下流動，經一定運移距離后逐漸沉積，多數在壩體中軸線中部偏下游區域匯集，該區域分級尾砂力學強度指標相對較高，含水率相對較低；細顆粒運移距離長，容易在試驗區域運距最遠處沉積匯集，該區域分級尾砂力學強度指標均相對較低，含水率相對較高；同時，在排礦口附近區域形成消力坑，坑部區域由機械搬運填筑而成，無水壓力滲透固結壓密作用，導致該區域分級尾砂力學強度指標均較低，含水率也較低。

2.2 水位監測

為了掌握尾礦壩中浸潤線分布情況，在整個試驗期間，利用浸潤線在線監測系統和平尺水位計2 種方式進行了尾礦壩浸潤線測試［10］。

浸潤線在線監測的5 個測點位于中心剖面，測壓管位置如圖5 所示。

圖5 浸潤線監測管路布置位置示意圖

水位監測采用在線監測同時人工輔助測量方式進行，結果如圖6 所示。 由于初期壩、攔砂壩均為透水堆石壩，堆積壩下方設有排滲墊層，排滲效果好。 根據粒徑分析結果，底流粗砂平均粒徑0.014 mm，滲透系數4.31 × 10-4cm／s，尾砂滲透性強，因此壩體總體排滲性能好。 在堆積壩區域（3、4、5 號測點），在每層尾砂固結期間，各測點水位隨著時間推移迅速下降，而在筑壩過程中水位波動幅度變化較大，最高水位為1.0 m。 在溢流區域（1、2 號測點），由于底部鋪設防滲膜，垂直滲透性接近于0，溢流區域水分子只能通過初期壩向下游滲透，筑壩過程中，溢流持續排放入庫，導致溢流庫內水位上升較快，待筑壩作業停止后，溢流庫內水位又會因滲流而緩慢下降，下降速率為0.005 m／h。

圖6 工業試驗壩體水位示意圖

根據水位測試結果，堆積壩的最高水位出現在第2 層筑壩時，高度為1.0 m，根據相似比1 ∶25，此時堆積壩高度為50 m，進而計算出試驗壩體的浸潤線埋深最小值為25 m。 由《尾礦設施設計規范》可知，當堆積壩高度50 m 時，浸潤線的最小埋深為3.3 m（見表2）。證實中溝灣新建尾礦庫采用中線法尾礦筑壩時，尾礦壩內的浸潤線埋深滿足設計規范要求［11］。

表2 尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深

3 結 論

1） 通過開展旋流器分級試驗，選擇沉砂嘴直徑60 mm 的旋流器進行筑壩作業，沉砂粒徑＋0.074 mm粒級含量始終維持在75%以上，尾砂細顆粒即-0.02 mm粒級含量基本維持在5%左右，沉砂產率62%左右，滿足中溝灣尾礦庫設計工藝要求。

2） 對試驗筑壩尾砂開展取樣及物理力學試驗，結果表明，壩體中軸線中下部附近區域分級尾砂力學強度指標相對較高；分級尾砂隨排礦距離由近及遠，力學強度指標逐漸增大到一定程度后再逐漸減??；而排礦距離越遠，分級尾砂含水率越高。

3） 采用在線浸潤線觀測系統與人工監測相結合的方式，進行浸潤線測量，測得堆積壩壩體最高水位為1.0 m ，計算浸潤線埋深最小值為25 m，實測值遠大于設計規范要求最小值。

4） 中線法現場筑壩試驗中，旋流器分級筑壩的堆積壩壩體粗砂含量高，滲透性能較好，固結強度高，壩體內浸潤線較低，有利于提高壩體整體穩定性。 通過工業試驗，驗證了中溝灣尾礦庫中線法筑壩工藝和參數可行。