尾矿库挖潜改造设计探讨

2018-01-27郑伟，于菲

中国矿山工程 2018年1期

郑伟，于菲

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.金堆城钼业股份有限公司，陕西华县 714100)

1 前言

随着土地资源的日益紧缺以及环境问题的日益突出，尾矿库已成为制约矿山可持续发展的主要因素之一。不管采用何种尾矿堆存方式(湿堆、干堆、高堆)都需要占用大量土地资源，都会对周围环境造成潜在的影响。目前的主要矛盾有两个，一是矿山的大规模、高效化生产与客观条件限制造成大量尾矿集中处理困难的矛盾，二是矿山资源量的不断开发与土地资源供应不足的矛盾。究其原因主要是随着社会经济的发展，土地资源日趋紧张。尾矿库的设计不单是技术难度的问题，而且还涉及到区域经济、环境影响、水土保持、工程地质、社区关系、安全风险、人文因素等一系列问题。

新建尾矿库仍是解决矿山尾矿堆存问题的有效手段，但是新建尾矿库还涉及到征地、移民等一系列问题，合适的库址也越来越难找，需要的时间也很长。特别是一些矿山在扩大产能或者升级改造的过程中，老尾矿库的服务年限大为缩短，新建尾矿库的难度又很大，矛盾十分突出，因此，对现有尾矿库进行挖潜改造是十分必要并且是行之有效的措施。

2 理论基础

尾矿库挖潜改造的最终目的是延长尾矿库的服务年限。在尾矿规模一定的情况下，尾矿库的服务年限与尾矿库总库容有关。总库容即设计最终堆积坝顶标高平面以下、库底面以上所围成的空间的容积(不含非尾矿构筑的坝体体积)，是影响尾矿库服务年限的主要因素，但由于地形特点、放矿方式、调洪要求等因素的限制，尾矿库的总库容无法百分之百利用，为此便提出了有效库容的概念。

通常尾矿库的总库容可分为调蓄库容及有效库容。调蓄库容又可分为空余库容(最高洪水位以上的库容)、调洪库容(最高洪水位以下、正常蓄水位以上的库容)、蓄水库容(正常蓄水位以下的库容)，是维持尾矿坝正常运行的功能性库容。而有效库容则是指沉积滩面以下、库底以上用于贮存尾矿(含悬浮状尾矿浆体)的空间容积。因此，从概念上分析，有效库容是影响尾矿库服务年限的核心。

通常为方便设计，总库容与有效库容可以通过库容利用系数相互转化，即有效库容的大小等于总库容与库容利用系数的乘积。尾矿库挖潜改造的核心是增加尾矿库的有效库容，最终目的是延长尾矿库的服务年限。

3 主要技术手段

尾矿库挖潜改造设计是在保证尾矿库安全稳定的前提下，根据现状条件(地形、库型、排放方式、堆存方式等)采取一系列工程技术手段增加现有尾矿库的有效库容。从概念上判断，增加有效库容可以从增加总库容和提高库容利用系数两个方面实现，主要的技术手段有加高尾矿坝坝高、库尾放矿、水下放矿、坝面碾压密实、改变堆存方式等。

加高现状尾矿坝是实现总库容增加的最直接、最有效的手段，但是增加坝高受客观条件的限制比较大，比如地形限制，库区周围山体标高是否足够，库区长度是否可以满足加高后干滩长度及调洪的要求，尾矿坝坝体的稳定性是否受到影响等；库尾放矿、水下放矿等则是提高库容利用系数的主要手段，其主要受地形因素以及经济因素的限制，比如需要增加输送设备、管道等的投资，增加运行成本等。但随着征地移民成本的日益增加，库尾放矿也越来越被生产单位所接受；坝面碾压、改变堆存方式等方法主要是提高尾矿堆积坝的干容重，比如将湿式堆存改为干式堆存等，受到的限制因素也很多，扩容的效果有限。

4 应用实例

以国内某大型钼矿山的尾矿库为例，通过该尾矿库延长服务年限工程的有效实施阐述挖潜改造工程的设计内容、流程、计算方法及特点。

4.1 尾矿库现状

国内某钼矿山大型尾矿库原设计标高为1 300m，总坝高164.5m，总库容16 930万m3，服务年限为32年。尾矿库汇水面积10.2km2，库长约7.25km。该尾矿库初期坝为透水堆石坝，坝高41m，坝顶长115m，顶宽4.0m，上游坡比为1∶1.7，下游坡比为1∶2。尾矿堆积坝采用上游式筑坝工艺，分子坝堆筑，子坝高度3.0～4.5m，子坝顶宽3.5m，外坡比为1∶1.5，堆积坝整体外坡比为1∶5。

随着矿山规模的不断扩大，尾矿堆存压力不断加大，尾矿库的服务年限大为缩短。现有尾矿库剩余库容只能满足扩产后2年的服务年限，而新建尾矿库由于征地及移民的影响进展缓慢，新老尾矿库时间上无法顺利衔接，矿山随时面临停产。

4.2 技术手段

该尾矿库延长服务年限主要通过加高尾矿坝和库尾放矿两个技术手段实现。加高尾矿坝是在充分论证的前提下，在保证坝体稳定的基础上，按照现有筑坝工艺，依照地形条件继续堆筑子坝，堆积坝最终坝顶标高由原设计的1 300m增加至1 330m，同时在东梁垭口处修建副坝，保证尾矿库整体平衡。库尾放矿则是提高库容利用系数的一种方法，即在不影响调洪库容与空余库容以及尾矿库回水的前提下，在尾矿库库尾进行充填放矿，鉴于目前库尾放矿还处在探索阶段，将库尾放矿的重点放在水下放矿。通过水下充填尾矿，减缓坝体上升速度以及减小库内存水量，对于坝体稳定也十分有利。

通过尾矿坝加高可以增加尾矿库的总库容，通过实施库尾放矿可以提高尾矿库的库容利用系数，二者相结合则增加了尾矿库的有效库容，达到延长尾矿库服务年限的目的。

需要说明的是主坝加高及库尾放矿都存在着较大的风险，因此前期的基础工作必须扎实可靠，为挖潜改造设计提供坚实的基础。前期的主要工作包括对现状尾矿坝坝体进行工程地质勘察及工程测绘，明确现状坝体分层情况以及尾矿的物理力学性质，明确干滩坡度及尾矿沉积状况、水下泥滩坡度、水下地形等，对现状坝体的稳定性(渗流稳定性、抗滑稳定性)进行复核，并在此基础上，需要对加高后的尾矿坝坝体稳定性进行预测，核实加高后现有尾矿构筑物运行的安全性、尾矿库的防洪能力以及回水的可靠性，明确尾矿坝加高以及库尾放矿是否可行。总之，加高设计必须有可靠的实测数据以及科学严谨的理论支持。

4.2.1 主坝加高设计

目前主坝采用上游式筑坝工艺，采用推土机、装载机装运沉积滩的尾矿堆筑子坝，运行多年来较为平稳。尾矿粒度>-0.074mm占60%左右，比较适合用上游式筑坝工艺。加高30m后，尾矿坝主坝总坝高为194.5m，现有初期坝坝高为40.5m，初期坝坝高与总坝高比值为0.208，满足《尾矿库安全技术规程》规定的“上游式尾矿堆积坝的初期透水堆石坝坝高与总坝高之比值不宜小于0.125”的要求。

尾矿坝主坝加高仍然采用上游式筑坝工艺，低浓度排放，并辅助以相应的排渗设施，保证坝体稳定。加高范围从1 300m至1 330m，共加高30m，分10级子坝加高，尾矿坝最终设堆积标高为1 330m，总坝高194.5m。每级子坝高度3m，外坡1∶1.5，最终堆积坝总外坡坡比控制在1∶5。经计算，按照最不利工况考虑，全部尾矿都进入尾矿库堆存，尾矿坝上升速度为3m/a。

主坝坝体排渗系统采用辐射井及水平排渗管排渗。在现有15口辐射井的基础上，增加8口辐射井，最终形成23口辐射井共同工作的工况。主坝坝面排水系统包括子坝坝脚纵、横向排水沟以及坝肩排水沟。坝脚纵向排水沟沿各子坝坝轴线通长布置，矩形断面，素混凝土衬砌，从每道子坝纵向中点处开始坡向坝肩两侧，坡度0.5%。两侧坝肩排水沟采用梯形断面，坝肩排水沟沿地形铺设，铺设坡度不得小于1%，不足地段适当挖深。在1 300m东、西两侧平台处以及现有1 290m坝轴线裁弯取直形成的平台补充横向排水沟，与坝脚纵向排水沟垂直布置，间距20m，规格同纵向排水沟，最终形成平面排水网，保证坝体的稳定运行。

主坝监测系统包括人工监测系统(位移与变形观测、浸润线观测)及在线监测系统(位移、浸润线实时监测、干滩监测、库水位监测、降雨量监测等)。

4.2.2 副坝加高设计

副坝加高的思路是利用现有条件尽可能少地扰动现有山体，在保证东梁山体自身稳定的前提下进行加高设计。为将副坝对东梁山体的影响降到最低，副坝设计采取的主要技术手段为调整坝轴线方向，上游式筑坝工艺加高，基础灌浆处理3个部分，这3种技术手段都是保证东梁山体稳定的有效措施。

副坝坝轴线调整主要是为了减少副坝个数，减轻副坝施工及运行对于东梁山体的影响。最终当尾矿堆积标高达到1 330m时，整个尾矿主、副坝坝顶连为一体，不但减小了工程量，而且副坝坝轴线呈凹形，对于副坝坝体自身稳定也有利。此外，副坝坝轴线旋转对于保证排洪澄清距离也有好处。

东梁山体的基础灌浆包括固结灌浆以及帷幕灌浆，固结灌浆的作用是加固山体，为修建副坝提供坚实的基础；帷幕灌浆的主要作用有两个，一是减轻尾矿坝对下游的渗漏污染，二是延长渗径，降低东梁山体内部的浸润线，也是减轻副坝修建后由于浸润线上升对于东梁现状山体的影响。

副坝加高考虑到尽量维持东梁山体现状，不采用硬性筑坝的方式直接在东梁山体顶部加载，而是采用上游式筑坝工艺加高坝体，利用子坝不断向库内延伸。固结灌浆后应马上在垭口公路处进行分散放矿，放矿从现有垭口路面开始，至平均高程1 286m时结束。尾矿堆坝从1 285m起，分15级子坝堆筑，子坝顶宽3m，高3m，平台宽度5.5m，子坝外坡为1∶1.5，堆积坝总外坡控制在1∶4。

副坝坝面排水系统包括坝脚纵向排水沟、坝肩排水沟以及平台集水井。副坝子坝坝脚纵向排水沟及坝肩排水沟规格同主坝，在副坝1 285m平台处设置辐射井，兼顾坝基排渗以及收集部分坝面汇水的功能。集水井内设置水泵电力提升，将渗水扬送至库内。副坝监测系统与主坝一致。

4.2.3 库尾放矿

为确保尾矿库安全，库尾放矿的重点放在水下放矿，根据现有泵站设备能力以及实际地形情况，设计将库尾放矿充填区域布置在尾矿库的中后部，包括支沟充填区、管线延伸放矿区以及浮船延伸放矿区。由于泵站内渣浆泵扬程有限，设计库尾放矿主要从库区西侧开始，逐渐向库区北侧及东侧延伸，延伸区域管线布置尽量平顺，减少局部阻力损失，增加库尾可利用放矿库容。放矿顺序为首先支沟放矿，然后利用管线向库区北侧、东侧水域延伸放矿。支沟充填区域布置在库区西侧，主要充填库区西北侧的几个大型支沟，形成一定区域的干滩。管线延伸区域主要布置在库区北侧，在支沟充填区形成一定区域的干滩后，管线沿干滩向库区北侧延伸继续充填水下区域。为防止库尾放矿形成的滩面过长过高，利用浮船将管线延伸至库区东侧水域进行水下放矿。

4.3 实施效果

尾矿库有效库容的增加通过加高尾矿坝和库尾放矿两个技术手段实现。通过加高尾矿坝可以增加尾矿库的总库容，通过实施库尾放矿可以提高尾矿库的库容利用系数，这两部分新增库容计算方法及计算结果如下。

(1)增加的总有效库容分为两部分，第一是通过加高尾矿坝增加的有效库容，第二是通过库尾放矿增加的有效库容。

(2)通过加高尾矿坝增加的有效库容计算方法：第一步，根据库容曲线求出相应坝高时的总库容；第二步，通过实测资料反推现状尾矿库库容利用系数；第三步，总库容乘以库容利用系数求得相对应坝顶标高的有效库容。

本案例从库容曲线上看，原尾矿库为1.693亿m3，加高30m后，总库容为2.5亿m3，新增总库容为8 070万m3，现状尾矿库库容利用系数为0.76，加高尾矿坝新增有效库容6 133.2万m3。

(3)库尾放矿工程增加的有效库容计算较为复杂：第四步，根据实测沉积滩坡度求出加高后坝高所对应的调洪库容以及空余库容，用总库容扣除调洪库容、空余库容以及有效库容就可以得出相应坝高时的水下总库容；第五步，水下总库容扣除回水库容、死库容、库尾难以实施水下充填的库容以及保证排洪、回水所必要的澄清距离后可以得出水下可以利用的库容。经计算，实施库尾放矿工程增加的有效库容为2 250万m3。

(4)加高坝体及库尾放矿两项措施实施后新增总有效库容为8 383.2万m3，延长服务年限工程实施后总库容为2.5亿m3，尾矿库有效库容为2.125亿m3，实施库尾放矿后尾矿库库容利用系数可提高到0.85。

(5)工程项目总投资为20 073.5万元，直接工程费为13 659.09万元，服务年限内共处置尾矿量12 602.04万t，仅考虑直接工程费的建设成本为1.08元/t，考虑征地等费用的建设成本为1.6元/t。