某尾矿库细粒尾矿堆存试验研究

徐嘉辰 曾霄祥

【摘 要】 本文通过溜槽试验、室内土工试验及现场工业试验对细粒尾矿堆存规律进行研究，提出了通过用旋流器稀释放矿+人工干滩的细粒尾矿堆存的技术方案。试验研究结果表明：旋流器底流稀释后尾矿筑人工干滩方案实际沉积效果较好，人工干滩形成较快;旋流器底流稀释后可大大提高沉积滩渗透性，有利于沉积滩面的快速排水固结;现场工业试验表明按现有给矿特性及旋流器运行参数，能够达到溜槽试验标准，实施过程中可通过优化人工干滩区域排水和增设排渗设施能够满足尾砂筑坝要求。

【关键词】 细粒尾矿;溜槽试验;现场工业试验;室内土工试验

【中图分类号】 TD926 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）02-0025-03

为了解细粒尾矿对尾矿冲积滩坡度的影响及细粒尾矿筑坝物理力学指标的变化规律，验证细粒尾矿堆存的可行性，本文采用现场调查、现场试验、室内试验等方法对细粒尾矿力学性质、渗透特性等进行分析研究，确定了旋流器稀释放矿+人工干滩的细粒尾矿堆存方案。

1项目概况

该项目尾矿库属于山谷型尾矿库，库区北、东、西三面环山，尾矿坝位于库区南侧。初期坝为碾压透水堆石坝，初期坝内坡面铺设加筋土工布反滤层;尾矿库采用排水井-排水管的排洪系统，同时在坝内设置水平排渗盲沟进行排渗，根据规范，属四等库。

根据资料，入库尾矿+200目仅占16.84%，属于典型的细粒级尾矿。本项目试验内容主要为现场高浓度尾矿筑坝流槽试验研究，尾矿料土工试验研究，通过试验数据了解高浓度细粒级尾矿对尾矿冲积滩坡度的影响，并得出高浓度细粒级尾矿筑坝物理力学指标的变化，为下一阶段研究提供基础数据支撑。

2溜槽试验

2.1试验方案

根据现场条件，在尾矿库坝前西侧布置溜槽，共设置平行两个槽（1#溜槽，2#溜槽），溜槽长度40m，其中1#溜槽采用尾矿浆分级后的底流稀释放矿、2#溜槽采用尾矿浆分级后的底流直接放矿。溜槽槽底以现状沉积滩面为底（模拟现状滩面坡度与渗透条件），槽壁采用土装砂袋堆筑外包土工膜（根据实际放矿条件下尾矿侧向排水条件较差特性进行模拟）。溜槽槽尾敞开并90度转折，以摸清水利阻挡对放矿沉积的影响。

堆积坝顶溜槽前设置两台某型号旋流器对拟定尾矿浆进行分级，旋流器底流出口直通溜槽槽首内，其中1#溜槽增设排水管进行底流稀释，旋流器顶端溢流采用放矿管延伸排放至尾矿库库内。具体布置图如图1所示。

2.2试验结果

现场放矿结果表明，旋流器底流尾矿浆稀释后的流动性较好，能较好地自溜槽顶端流动至溜槽底端，流动过程分级沉积效果较为明显。

未经稀释旋流器底流尾矿浆因浓度较高造成流动性差，流动状态类似隆起淤积，流动过程未见分级效果，沉积一段时间后滩面坡度接近于0°。

现场放矿结果表明，旋流器底流尾矿浆稀释后在溜槽起点至30m处的沉淀分级效果较好，形成坡度及排水渗透效果较为理想;30m至出口段含泥量激增，坡度接近于0°，渗透性极差。

未经稀释的旋流器底流尾矿浆因浓度较高无水力分级效果，滩面为挤压前行状态，形成坡度接近于1°，且渗透性极差。

试验结果表明，旋流器的分级效果和产率是影响项目安全性和经济性的关键，需要尽快由厂家取样试验并进行旋流器参数调整。

3渗透及力学试验

根据尾矿库相关规范要求及结合尾矿库自身情况，开展尾矿物理性质试验（含水率、密度、比重、塑液限及颗粒分析）和尾矿力学性质试验（压缩、渗透、固结快剪及三轴固结快剪）。

3.1渗透试验

渗透试验结果如表1所示：

由上表可知：

在不考虑取样误差影响下，1#溜槽滩面渗透系数比现状滩面渗透系数要大得多。

上述渗透试验表明，旋流器底流稀释后可大大提高沉积滩渗透性，有利于沉积滩面的快速排水固结。

3.2压缩试验

试验采用快速固结法进行测定压缩系数和压缩模量，根据本次压缩试验结果分别绘制两种滩面下尾矿压缩模量、压缩系数与滩前距离关系曲线如图2所示。

由图2可知，现状滩面下压缩系数较大、压缩模量小，且随滩前距离变化不规律（变化幅度大）;1#溜槽滩面压缩模量大、压缩系数减小，且随滩前距离变化规律性强（变化幅度小）。

3.3固结快剪试验

依据规范规定结合入库尾矿特性，后期坝体稳定性计算采用总应力法所需的强度指标，选用固结快剪（CQ）试验方法测尾矿试样的强度指标Ccq和φcq。为后续坝体稳定性计算分析提供数据。试验主要采用仪器有SKDJ型直剪仪、位移计、BT224S型千分之一的电子天平及环刀。

在现状滩面和1#溜槽滩面下，在滩前不同距离处分别取尾矿样进行固结快剪试验，其试验指标如表2所示。

由表2可知，1#溜槽滩面尾矿试样凝聚力较现状滩面有所减小、内摩擦角有所增大，表明在旋流器底流稀释放矿下，滩面尾矿黏粒含量减少，砂粒含量增加。

3.4三轴固结快剪试验

本次试验在现状滩面下已开展三轴剪切试验，试验主要仪器为TSZ-2型三轴仪。将饱和后的试样先在某一压力作用下排水固结，然后在保持不排水的情况下，快速增大轴向压力，使试样中的剪应力逐渐增大，直至达到极限平衡而剪切，由此求得尾矿试样的抗剪强度指标。本实验不仅能测出尾矿样的总应力抗剪强度，而且可以测出固结稳定后尾矿样的孔隙水压力，还可以计算其有效应力强度指标。试验结果如表3所示。

4现场工业试验

4.1试验设计

在现状尾矿库坝顶上均匀布置12台旋流器，其中6臺为一组，2组交替使用。自选矿厂输送来的尾矿浆在坝顶经给料管输送至旋流器给料口，底流管在坝前加水稀释放矿，溢流管经溢流汇集管汇集后输送至距坝前200m库内排放。

现场工业试验中旋流器运行参数与现场溜槽试验中旋流器运行参数相同，考虑到后期尾砂筑坝安全性，本次试验调整了旋流器安装高度及溢流管布置。

试验完成后在形成的滩面上取样、试验，测得其相关指标特性，就试验结果进行分析计算，判别该放矿工艺的可行性。

4.2试验结果

通过现场工业试验可以得到如下结果：

底流稀释放矿时由于滩面无侧向约束，尾矿浆在滩面上呈现蜿蜒曲折流动，相对静水区存在少量细颗粒沉积现象。

滩前30m总体坡度约2°，30m～50m滩面总体坡度约1°，现场直观感受及检测滩前40m粗颗粒含量高。

根据现场取样可知，滩前30m区域尾砂颗粒较粗，总体未见夹泥层，切面扰动后即刻出现砂体失黏脱落现象;因透水性较强沉积一段时间后该段滩面含水量降低显著、承载力显著提高。滩前30m～50m区域滩面存在少量加细现象，且处于饱和状态，扰动后易出现液化现象。

4.3结果分析

通过对试验结果进行分析，进行如下总结：

在工业试验过程中，经多次现场踏勘分析，旋流器在经数次调试后基本稳定在额定运行工况下，受选矿厂尾矿浆浓度、给矿量大小及压力波动影响，底流浓度总体处于55.0%～70.0%，+200目总体处于50.0%～68.0%。

工业试验旋流器底流浓度及分级效果基本达到溜槽试验数据标准。工业试验过程中由于滩面取样受限，所测数据相对较少。依据现有数据，工业试验滩前50m范围滩面+200目比例均在90%以上，可以达到溜槽试验数据标准，且滩前50m滩面+200目比例高于溜槽试验结果，分析原因为溜槽试验末端排水部分受阻，导致部分细颗粒尾矿提前沉积。

现场工业试验可知，尽管滩前0～50m范围+200目含量较高，但在滩前40m～60m范围沉积滩面几乎处于饱和状态，稍加扰动即可迅速排水，但在自然沉积状态下排水速率慢，影响其强度增长，应在该区域内布设排渗设施，增大其排水能力，尽快完成固结，提高强度。

5结论

本次试验研究得到了以下结论：

现场溜槽试验、渗透及力学、现场工业试验结果表明，按试验方案进行尾矿堆存，滩前50m干滩粗尾矿含量、滩面强度、渗透性较现状滩面均有较大程度提升，有利于尾矿库今后运行的安全。

现场试验表明，经旋流器分级后，底流+200目的尾矿含量为55%～65%。对比底流排放时加水稀释与不加水稀释两种状况表明，加水稀释可使底流具有良好的水力分级效果，能大大提高人工干滩上+200目的颗粒比例，提高干滩渗透性及力学指标。

对比分析现场工业试验和溜槽试验沉积滩面尾矿颗粒分布情况可知，现场工业试验滩前50m区域滩面+200目含量高于溜槽试验结果，可知尾矿水及时有效流向库内可以增加细颗粒尾矿挟带距离。

经过渗透性试验分析可知，采用旋流器稀释放矿后，滩前50m区域尾矿沉积滩渗透性明显得以改善，其渗透系数约为现状滩面下尾矿渗透系数的10～20倍。经渗流分析可知，按拟定方案进行后期尾矿堆存，能够满足尾矿库运行至终期期间的渗流控制要求。

综上所述，试验中旋流器在现场工业生产中运行状况良好，操作简便，降低了尾矿坝施工难度及堆筑成本，有利于企业今后的生产运行。该成果经下一阶段进一步研究后可在该尾矿库细粒尾矿堆存中实施，同时经优化和完善后可在类似细粒尾矿筑坝项目中进行推广和使用，将具有显著的安全、经济社会效益。

【参考文献】

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