細粒尾礦快速筑壩新技術及工程應用*

周漢民，崔 旋,2，張 宇，韓亞兵

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160； 2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

0 引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的，以儲存金屬非金屬礦山經(jīng)礦石選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國90%的礦山尾礦庫采用上游式堆壩方法筑壩[3]。傳統(tǒng)上游法筑壩工藝指在初期壩上游方向沖、堆積尾礦的筑壩方式，即尾礦經(jīng)過重力分選、自然沉積作用形成堆積壩的沉積灘，在灘面上采用沖積法、池填法、渠槽法、旋流分級筑壩法等工藝堆筑子壩[4-5]，該過程入庫尾礦沉積固結后形成具有一定承載力的壩基，是成功實現(xiàn)后期子壩堆筑的關鍵[6-7]。

隨著我國礦山資源開采利用持續(xù)高速發(fā)展，以及選礦工藝水平和回收率的不斷提高，尾礦入庫量逐年增多，尾礦粒徑越來越細。細粒徑尾礦進入尾礦庫后透水性差、固結時間長、力學強度低、超孔隙水壓力難以消散[8-9]，導致尾礦沉積灘呈現(xiàn)承載力低、排水能力差的軟弱特性，難以直接作為壩基堆筑后期子壩，嚴重制約企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)[10-12]。因此，開發(fā)安全快速的細粒尾礦軟弱灘面筑壩技術，一直是國內(nèi)外礦業(yè)界追求的目標。

1 細粒尾礦快速筑壩新技術

細粒尾礦快速筑壩新技術是指采用尾礦模袋法堆壩強基+渣土寬頂子壩增穩(wěn)+壩基協(xié)同排滲的工藝流程，以提高細粒尾礦軟弱壩基上子壩穩(wěn)定性的1種新型上游法筑壩技術及工藝。模袋聯(lián)合渣土寬頂子壩如圖1所示。

圖1 模袋聯(lián)合渣土寬頂子壩Fig.1 Geofabriform combined muck wide-crest dam

尾礦模袋法堆壩指通過向土工編織模袋內(nèi)充灌尾砂并經(jīng)壓力排水形成固結充灌體，利用充灌體連續(xù)交錯堆筑而形成模袋子壩的尾礦庫堆積壩填筑方法[3,13-15]，模袋法堆壩施工示意如圖2所示。土工模袋一方面通過排水保砂、層間加筋等作用將散體尾砂材料約束成型堆筑子壩；另一方面將通過擠淤置換、應力擴散等作用提升下臥沉積灘的壩基承載力；此外，模袋壩體抗?jié)B透破壞能力強，可實現(xiàn)抵御壩前未固結尾礦的作用。

圖2 模袋法堆壩施工示意Fig.2 Schematic diagram of dam construction with geofabriform method

渣土寬頂子壩施工示意如圖3所示。采用渣土寬頂子壩一方面可達到增加有效干灘長度及安全超高的目的，另一方面起到抵御壩前深厚未固結尾礦、保證單級子壩穩(wěn)定性的作用。

圖3 渣土寬頂子壩施工示意Fig.3 Schematic diagram of muck wide-crest dam construction

為加速壩前濕軟沉積灘固結排水、提高子壩壩基承載力，需輔以布置于模袋壩前和渣土壩基的真空席墊排滲、豎向排滲及水平排滲組合措施，最終實現(xiàn)細粒尾礦軟弱灘面快速筑壩的目的。

2 工程應用

2.1 工程概況

國內(nèi)某尾礦庫設計服務能力較大，尾礦堆壩高度175 m，最大上升速度達30 m/a。入庫尾礦濃度55%～60%。全尾礦中-74 μm的粒徑含量約為80%，-20 μm的粒徑含量約為50%，-5 μm的粒徑含量為20%。尾砂液限含水率為25.2%，塑限含水率為17.9%。

該尾礦庫具有放礦濃度高、服務能力大、壩體上升速度快等特點，工勘結果顯示庫內(nèi)灘面軟弱且厚大，0～25 m范圍內(nèi)灘面含水率高達40%，傳統(tǒng)方法難以滿足企業(yè)正常生產(chǎn)需求。鑒于此，采用細粒尾礦快速筑壩技術進行工程應用，應用成果對細粒尾礦處置具有較好的指導意義。

2.2 筑壩方案設計

為實現(xiàn)軟弱灘面上快速安全堆筑子壩的目的，尾礦庫采用“模袋法+寬頂子壩”型式進行后期壩堆筑，單級模袋壩高5 m，共10級,子壩外坡比1∶2.0，頂寬55 m，底寬80 m。寬頂子壩堆筑(模袋子壩及渣土子壩)設計如圖4所示，子壩排滲系統(tǒng)設計如圖5所示。

圖4 第1～10級子壩剖面示意(子壩壩體部分)Fig.4 Schematic diagram for section of first level to tenth level sub-dams (dam body part of sub-dam)

圖5 壩體排滲設施剖面示意Fig.5 Schematic diagram for section of seepage drainage facility of dam body

1)模袋+渣土寬頂子壩工程

①模袋壩：壩頂寬6.0 m，單級高5 m，內(nèi)外坡比1∶2.0，兩側(cè)預留1.4 m高模袋沉降反壓平臺，底寬42 m。施工前在模袋子壩基礎下方拋砂1.0～1.5 m厚，拋填距離60～70 m。

②渣土壩：渣土壩頂寬49 m，外坡比1∶2.0，第1級渣土子壩預留13.5 m平臺，第2級至第五級預留10 m平臺，第6～10級預留15 m平臺。

2)排滲工程

后期壩排滲系統(tǒng)主要設置布置于模袋壩前和渣土壩基的真空席墊排滲、豎向排滲及水平排滲3種排滲措施。

每級子壩沿平行壩軸線方向一般布設2幅席墊，一幅位于渣土子壩壩底，另一幅位于模袋子壩庫內(nèi)側(cè)墊層上，每幅席墊寬度2 m；豎向排滲管每2～4級布置1排；水平排滲管措施每3級敷設1次。

2.3 工程應用效果

1)工程勘察

本文提出的細粒尾礦快速筑壩新技術在該尾礦庫進行2 a工程應用，已安全堆筑10級子壩，總堆筑高度達50 m。庫內(nèi)尾砂勘壩體剖面分區(qū)示意如圖6所示。

圖6 勘壩體剖面分區(qū)示意Fig.6 Schematic diagram for section partition of prospecting dam body

各地層分區(qū)編號見表1。由圖6可知，堆積壩內(nèi)軟弱夾層呈現(xiàn)“似剪刀口”狀分布，子壩下臥尾砂在自重及排水作用下逐漸固結。

表1 庫內(nèi)尾砂工勘地層分布Table 1 Distribution of geological prospecting strata for tailings in pond

2)尾礦庫堆積壩穩(wěn)定性分析

本文利用GEO-STUDIO的SLOPE軟件對尾礦庫進行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定計算采用基于極限平衡原理的簡化畢肖普法。

采用細粒尾礦快速筑壩新技術對尾礦庫進行50 m高子壩堆筑后，其穩(wěn)定性分析結果見表2。最危險滑弧如圖7 所示。由圖7可知，壩體在正常運行及地震工況下，安全系數(shù)均大于規(guī)范值建議，滿足規(guī)范要求。

表2 穩(wěn)定計算結果Table 2 Calculation results of stability

圖7 地震工況下最危險滑弧Fig.7 Most dangerous slip arc under earthquake conditions

3 結論

1)模袋壩作為上覆荷載作用于飽和尾砂灘面，會加速尾砂固體顆粒沉積，支撐上部模袋子壩成功堆筑。渣土壩提升子壩穩(wěn)定性，抵御深厚未固結尾礦荷載。

2)細粒尾礦快速筑壩技術施工工藝連續(xù)緊湊，可實施性強。

3)該技術在某細粒尾礦庫進行工程應用，實現(xiàn)年最大筑壩高度30 m，穩(wěn)定性分析結果表明當堆積壩高度達50 m時，壩坡整體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。