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。

此方案使企业望洋兴叹。

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。