周科平， 楊于渲， 李杰林， 曾志飛， 毛德華， 徐寒冰

（1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083； 2.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

尾礦庫設(shè)施是絕大多數(shù)金屬非金屬礦山項目建設(shè)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(qū)尾礦堆存量、浸潤線低、壩坡抗剪強度高、穩(wěn)定性系數(shù)大等諸多優(yōu)點［2］。 隨著國家越來越重視尾礦庫安全建設(shè)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(yōu)化中線法筑壩技術(shù)具有重要意義。

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

1 現(xiàn)場筑壩試驗

1.1 工程設(shè)計概況

中溝灣尾礦庫設(shè)計庫址位于四川省攀枝花市鹽邊縣金河鄉(xiāng)［6］，尾礦庫設(shè)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(shè)反濾層；初期壩與下游攔砂壩之間鋪設(shè)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(shè)計

試驗區(qū)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(shè)計資料為依據(jù)，開展現(xiàn)場筑壩工業(yè)試驗。 根據(jù)相似理論［7-8］，確定現(xiàn)場工業(yè)試驗的相似參數(shù)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?zāi)Ｐ徒ㄔO(shè)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(nèi)坡、尾砂圍堰與初期壩之間的區(qū)域做防滲工程，底層為400 g 濾水土工布，上面敷設(shè)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(qū)域以及初期壩鋪設(shè)一層400 g 濾水土工布。 現(xiàn)場筑壩試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。

圖1 現(xiàn)場筑壩試驗場地模型

1.3 旋流器工況參數(shù)確定

適宜的旋流器工況參數(shù)對中線法筑壩至關(guān)重要，中線法筑壩技術(shù)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(chǎn)率應(yīng)達到40%以上。 旋流器操作參數(shù)主要包括入料濃度、入料壓力，旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括沉沙嘴、溢流管尺寸、錐角等［9］，旋流器參數(shù)決定旋流分級效果，現(xiàn)場工業(yè)試驗采用的是2×CZ400 高效旋流器組。

總尾礦通過現(xiàn)場放礦管進入旋流器組，總尾礦經(jīng)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(jù)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(jié)果見表1。

表1 旋流器分級試驗結(jié)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(chǎn)率則隨之降低；給礦壓力越小，沉砂濃度越低，沉砂產(chǎn)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(chǎn)率較高，為63.16%。各種旋流器參數(shù)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(xiàn)場旋流器分級的沉砂粒度均能滿足中線筑壩法要求。

根據(jù)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(yè)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(jié)。 現(xiàn)場中線法筑壩試驗方案設(shè)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(shè)備調(diào)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(qū)，通過自流沉積形成外坡，構(gòu)筑堆積壩，溢流則向尾砂圍堰內(nèi)排放。 通過在壩上連接管道，延長輸?shù)V距離，實現(xiàn)均勻放料筑壩，堆積壩的最終堆積坡比為1 ∶3.1。 ③當(dāng)每層堆積壩的高度達到試驗設(shè)計的高度后，尾砂堆積壩自然固結(jié)3 d。④第2～4 層筑壩重復(fù)②、③步驟。

圖2 中線法筑壩試驗設(shè)計方案與過程

2 壩體取樣與水位監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 壩體尾砂物理力學(xué)參數(shù)

在堆積壩壩體區(qū)域內(nèi)取固結(jié)尾砂原狀樣，開展物理力學(xué)參數(shù)測試，以獲取尾砂的堆積干密度、抗剪指標等參數(shù)。 取樣時，嚴格按照相關(guān)試驗技術(shù)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(xué)參數(shù)試驗結(jié)果如圖4 所示。 根據(jù)現(xiàn)場實際，以旋流器擺放在堆積壩的一側(cè)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(jié)果可看出：①分級尾砂黏聚力變化范圍為7.8 ～24 kPa，內(nèi)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(nèi)摩擦角逐漸升高，但當(dāng)黏聚力與內(nèi)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(xué)試驗結(jié)果

上述結(jié)果與現(xiàn)場試驗尾砂排放位置和方式有關(guān)?？傮w上隨排礦距離由近及遠，分級尾砂力學(xué)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(xiàn)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(jīng)一定運移距離后逐漸沉積，多數(shù)在壩體中軸線中部偏下游區(qū)域匯集，該區(qū)域分級尾砂力學(xué)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(qū)域運距最遠處沉積匯集，該區(qū)域分級尾砂力學(xué)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(qū)域形成消力坑，坑部區(qū)域由機械搬運填筑而成，無水壓力滲透固結(jié)壓密作用，導(dǎo)致該區(qū)域分級尾砂力學(xué)強度指標均較低，含水率也較低。

2.2 水位監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測管路布置位置示意圖

水位監(jiān)測采用在線監(jiān)測同時人工輔助測量方式進行，結(jié)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(shè)有排滲墊層，排滲效果好。 根據(jù)粒徑分析結(jié)果，底流粗砂平均粒徑0.014 mm，滲透系數(shù)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(qū)域（3、4、5 號測點），在每層尾砂固結(jié)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(qū)域（1、2 號測點），由于底部鋪設(shè)防滲膜，垂直滲透性接近于0，溢流區(qū)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(xù)排放入庫，導(dǎo)致溢流庫內(nèi)水位上升較快，待筑壩作業(yè)停止后，溢流庫內(nèi)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(yè)試驗壩體水位示意圖

根據(jù)水位測試結(jié)果，堆積壩的最高水位出現(xiàn)在第2 層筑壩時，高度為1.0 m，根據(jù)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(shè)施設(shè)計規(guī)范》可知，當(dāng)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(nèi)的浸潤線埋深滿足設(shè)計規(guī)范要求［11］。

表2 尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深

3 結(jié) 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(yè)，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(chǎn)率62%左右，滿足中溝灣尾礦庫設(shè)計工藝要求。

2） 對試驗筑壩尾砂開展取樣及物理力學(xué)試驗，結(jié)果表明，壩體中軸線中下部附近區(qū)域分級尾砂力學(xué)強度指標相對較高；分級尾砂隨排礦距離由近及遠，力學(xué)強度指標逐漸增大到一定程度后再逐漸減小；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(tǒng)與人工監(jiān)測相結(jié)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(shè)計規(guī)范要求最小值。

4） 中線法現(xiàn)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(jié)強度高，壩體內(nèi)浸潤線較低，有利于提高壩體整體穩(wěn)定性。 通過工業(yè)試驗，驗證了中溝灣尾礦庫中線法筑壩工藝和參數(shù)可行。