尾矿库堆存工艺研究与实践

2021-03-25孙靖霄陈铁亮曹婷吕犇李文海

新型工业化 2021年12期

孙靖霄，陈铁亮，曹婷，吕犇，李文海

（中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁沈阳 110000）

0 引言

尾矿库是用以贮存金属、在非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所，是矿山的三大控制性工程之一，它的安全不仅关系到矿山自身的安全，而且还关系到周边及下游居民的生命财产安危。常见的上游式尾矿库类别有湿式尾矿库和干式尾矿库，对应的堆存工艺分别是“湿排”和“干堆”。两种尾矿库从规范要求到设计理念再到生产管理要求均有很大区别。通常情况下，尾矿库均采用单一的堆存工艺，两种堆存工艺在同一个尾矿库转换应用实践很少。本文分析了两种堆存工艺，并就两种堆存工艺在窑沟尾矿库的变更实践进行了研究论证。

1 常见尾矿库堆存工艺分析

1.1 常见堆存工艺

湿式尾矿库是采用水力输送排放的尾矿库，堆存工艺通常采用水力冲填法使尾矿入库，矿浆浓度一般为15%～25%，子坝则采用水力充填沉积或旋流器分级粗砂进行堆筑[1]。湿式尾矿库中的上游式尾矿堆存法具有筑坝工艺简单、管理方便、运行费用较低等突出优点。我国绝大部分尾矿库采用湿式堆存。

干式尾矿库采用机械排放尾矿且非洪水运行条件下库内不存水的尾矿库。尾矿干堆指采用大型脱水设备，将选矿排出的尾矿浆送到尾矿脱水车间，经脱水设备充分过滤（或挤压）成尾渣虑饼，浓度超过80%，经过皮带运输机输送至尾矿堆场里分层堆放的尾矿堆放方式[2]。干式堆存具有提升尾矿库安全系数、库容利用率高、服务年限延长、提升回水利用率、节约药剂消耗等特点。干式堆存由20世纪80年代兴起，于20世纪90年代引进到中国，目前应用范围较小。

1.2 工艺对比

干堆和湿排工艺的优缺点对比如表1所示[3]：

表1 尾矿库干堆、湿排工艺优缺点对比表

1.3 工艺适用范围

从工艺对比上可以看出，尽管干堆工艺优点看似较多，但是干堆方法不适合于所有的矿山，选用它是考虑库区工程水文地质条件、贵金属回收、较高的环保要求、地形限制无法建设传统尾矿库等因素。

在我国2014年统计的11666座尾矿库中，有423座是“干堆”库，从矿石类型看，干堆尾矿库在国内主要用于中小型金矿、中型有色金属矿以及大型铁矿和铝冶炼厂；从处理量来看，国内采用干堆的矿山尾矿量在100～2000t/d。

根据矿山特点、地理地形、气候、环保标准和经济性等因素考虑选用尾矿堆存方法，尾矿设施投资和运营的经济性是尾矿贮存技术是否适用的关键[4]。

我们追踪曾设计的干堆尾矿库运行情况，发现对于某些地区大多数尾矿库，由于矿石品位较低，铁矿排尾量均较大，采用干堆技术是不合适的，尾矿进行脱水干堆运行成本高，企业负担大，尾矿库或者变更放矿方式或者停用，而对于一些尾矿量小、产值高的企业干堆尾矿库运行良好，详情如表2所示。

表2 干堆工艺运营对比表

2 尾矿库堆存工艺实践

2.1 尾矿库堆存工艺沿革

窑沟尾矿库因下游周边环境和库区实际地形条件的限制（如图1所示），最初采用“干堆”工艺堆存。自运行以后，窑沟尾矿库几次变更脱水工艺，仍然难以控制尾矿含水量，导致干堆尾矿无法及时晾晒、碾压堆存造成尾矿库滩面杂乱无序，从而造成坝体尾砂密实度降低，不利于尾矿库的长期安全稳定。后来窑沟尾矿库变更堆存工艺由“干堆”转为“湿排”方式运行至闭库。

图1 尾矿库现状卫星图

2.2 尾矿库设计概况

窑沟尾矿库设计最终堆积标高为610m，总坝高149m，总库容为506.5万m3，尾矿库等别为三等。

（1）原设计-干堆工艺。初期坝采用透水堆石坝型，坝顶标高490.0m，最大坝高29m，顶宽4m，外坡平均边坡1:2，内坡坡比1:1.75。尾矿坝设计最终堆积标高为610.0m，堆积坝高120m，外边坡的平均坡比为1:3。排洪系统采用排水斜槽—消力池形式。排水斜槽断面尺寸均为0.7m（宽）×1.0m（高），在排水斜槽下游出口处修建一座消力池。在外坡面每隔10m设置横向坝面排水明沟，用竖向排水明沟连接。设置人工位移观测设施。

（2）整改设计-湿排工艺。尾矿库总坝高、总库容及尾矿库等别不变，提高尾矿库管理等别，即洪水设防和边坡稳定最小安全系数采用二等库标准。

变更尾矿堆存工艺由干堆转为湿排。对最后两级子坝进行削坡处理后，调整堆积坝平均边坡坡比为1:3。后期坝的堆筑采用上游湿排法，每级子坝高度2.5m，子坝外坡比为1:2，内坡比为1:1.5，每个子坝预留2.5m宽平台。外坡平均边坡坡比为1:3。在现状坝体和拟堆坝体增设排渗设施，包括坝体水平排渗体及辐射井。增设在线位移和浸润线监测和人工浸润线监测设施，如图2所示。

图2 窑沟尾矿库设计平面布置图

2.3 干堆转湿排可行性论证

（1）增补必要试验研究。针对窑沟尾矿库周边环境和湿排尾矿库的规范要求，整改设计时由相关单位编制了尾矿堆积坝岩土工程勘察报告、坝体三维渗流安全分析报告和坝体地震动力稳定分析报告。上述三个报告的内容和有关结论，充分论证了窑沟尾矿库干堆转湿排的可行性，同时提出了一些重要的注意事项和可以采取的有效措施，为设计单位提供了有力的技术支持，使设计单位可以抓住主要矛盾各个击破，为尾矿库的安全运行提供了技术保障。

（2）采取可靠安全措施。设计采取了以下可靠安全措施：提高洪水设防标准、提高坝体稳定分析设防标准、强化排渗设施、设置可靠监测设施。

3 干堆转湿排工艺研究

3.1 堆存工艺变更设计难点

由于窑沟尾矿库最初设计采用干堆工艺，设计堆积坝外坡坡比为1:3，陡于常规湿排工艺堆积坝外坡坡比1:4；未设置坝体排渗设施；缺少浸润线监测设施；部分标高调洪库容有限。上述问题对于采用干堆工艺来说可以满足尾矿库安全运行的要求，但变更为湿排工艺后就存在诸多问题需要解决。

窑沟尾矿库干堆转湿排设计难点有以下几个方面：

（1）完善各项安全设施。堆存工艺由“干堆”转为“湿排”是尾矿库设计的难点，由于干堆库和湿排库有很多不同规定，导致在设计过程中要进行充分的论证并补充完善各项安全设施。

（2）浸润线埋深控制。堆存工艺变更后由于库区内的地形条件不宜变更为湿排尾矿库常采用的边坡坡比1:4，只能继续按照平均坡比1:3继续堆筑。较陡的平均坡比在进行坝体稳定性分析时，控制浸润线埋深较深，正常运行控制浸润线埋深为14m，浸润线的控制也成为尾矿库干堆转湿排设计的难点。

（3）汛期调洪措施。堆存工艺变更后经过调洪演算发现，因实际地形条件常规湿排工艺无法形成足够的调洪库容，导致尾矿库安全超高满足规范要求，但洪水工况时剩余干滩长度无法达到提高管理等别为二等库以后最小干滩长度100m的要求，因此需要采用特殊的汛期运行控制管理方式满足汛期调洪要求。

3.2 浸润线的有效控制

（1）控制浸润线的确定。尾矿库的渗流稳定是尾矿库安全的重要组成部分，而尾矿库运行过程中与渗流稳定密切相关的就是坝体浸润线的埋深，通过同一监测剖面各监测点读取的浸润线埋深数据，可以绘制出该剖面的浸润线图，作为坝体稳定分析的重要参数，可以结合坝体的概化分层较准确地计算出坝体的抗滑稳定系数，进而判断坝体的稳定性是否满足要求。

一般情况下，设计需要拟合出在满足规范规定的坝坡抗滑稳定的最小安全系数的临界值对应的临界浸润线作为尾矿库实际运行中的控制浸润线，同时尾矿堆积坝下游坡浸润线的最小埋深还要满足《尾矿设施设计规范》（GB50863－2013）中的要求，（如表3所示）和满足《构筑物抗震设计规范》（GB50191－2012）中的要求：一级、二级、三级尾矿坝下游坡浸润线的最小埋深不宜小于6m，四级、五级尾矿坝不宜小于4m的设计条件。

表3 尾矿堆积坝下游坡浸润线的最小埋深（m）

对于某些地区的选铁尾矿，由于尾矿中粗粒径的比重占比较大，导致尾矿的渗透性能比较好，一般临界浸润线值小于上述两个规范中规定的浸润线最小埋深，故一般按照上述两规范的埋深相对大值作为控制浸润线埋深值。窑沟尾矿库由于堆积坝外边坡较陡，坝体稳定分析时，需要很深的浸润线埋深才能保证坝坡抗滑稳定的最小安全系数满足规范要求，这和常见的直接按照规范选取控制浸润线埋深有很大的区别，而且正常运行时浸润线控制埋深达到14m。整改设计后，由于尾矿自己的特性，结合可靠的排渗设施以及实时的在线监测设施等综合手段，干堆转湿排后，该尾矿库的实测浸润线埋深始终可以满足设计要求，这对于尾矿库的坝体稳定起到了至关重要的作用。

（2）安全可靠的排渗设施。有效渗流控制是保证尾矿坝安全的关键，浸润线（面）埋深是判断渗流安全状况的最直接依据。对于高坝尾矿库增加排渗设施可以更好地降低浸润线保证坝体安全，尤其是在坝体1/3高度到2/3高度之间的导渗设施对降低尾矿坝浸润线起着关键作用[5]。由于窑沟尾矿库最初采用干堆方式堆存，设计中并未设置排渗设施。干堆转湿排后，必须采取必要的排渗设施来降低坝体内的浸润线埋深，保证尾矿库的安全运行。

由于尾矿的渗透固结特性比较复杂，单一的排渗类型往往难以满足安全稳定要求，需要联合采用不同的排渗措施[6]。窑沟尾矿库排渗设施在设计时分了三个部分考虑：已有坝体通过设置辐射井降低现状坝体浸润线；拟堆坝体通过设置水平排渗体来控制坝体的浸润线埋深；另外还根据三维渗流报告结论要求密切关注浸润线埋深。全方位的排渗设施的设计和管理措施，对该尾矿库在正常运行时浸润线埋深的控制起到了至关重要的作用，从转湿排以后的运行情况来看，所有采取的排渗设施都是有效的。

（3）安全可靠的观测设施。由于窑沟尾矿库最初采用干堆方式堆存，设计中并未设置浸润线观测设施。干堆转湿排后，必须采取必要的监测设施来密切监测尾矿库的运行控制参数，保证尾矿库的安全运行。

窑沟尾矿库设置了较为完善的尾矿库安全监测设施，采用在线监测和人工观测相结合的监测设施，其中人工水位观测孔实际数量达到34个，远超出该尾矿库正常设置个数，但因为该尾矿库的浸润线埋深控制至关重要，如何能全面监测坝体的重要区域，也只能出此对策，根据实际运行结果来看，浸润线监测设施的布置是必要的监测手段。

3.3 转湿排后的汛期调洪措施

一般正常湿排尾矿库都是利用尾矿自然形成的冲击坡度和干滩长度来进行调洪演算，不会在汛前采取其他的措施。但是，窑沟尾矿库受实际地形条件所限，干堆设计时需要在滩面保证足够干滩长度后预留集水坑以形成有效的调洪库容协助调洪，到达一定标高以后只需要控制滩面坡度即可。转湿排后通过调洪演算发现，尾矿库安全超高满足规范要求，但洪水工况时剩余干滩长度无法达到提高管理等别为二等库以后最小干滩长度100m的要求，因此设计采用了修建宽顶子坝的方式满足汛期调洪要求。在汛期前对干滩前110m的坡度进行调整，采用宽顶子坝筑坝工艺，且持续保证宽顶子坝顶坡不小于2%，宽顶子坝顶标高与正常水位高差不小于2m。汛期前应及时修建拦挡坝，每次尾矿充填至拦挡坝顶标高，应及时修建下一期拦挡坝，直到汛期结束。汛期过后，不再持续修建宽顶子坝。下一年度汛期前应及时修建完成拦挡坝，形成宽顶子坝，以满足该年度汛期调洪要求。

经过实际运行，宽顶子坝辅助调洪的可行性得到了充分的论证，对于库型条件不好、库长较短导致的调洪库容不足或者入库洪峰流量、洪水总量较大的尾矿库，宽顶子坝是有效的辅助调洪措施。只要在汛期严格按照设计要求控制好防洪高度和宽顶子坝的长度，就能够保证尾矿库安全度汛。