付冲沟尾矿库细粒尾砂堆存研究

姚嗣伟 乐志强 张年龙 肖松丽 程从文

（安徽马钢罗河矿业有限责任公司）

尾矿是放错地方、未加以合理利用的特殊资源，尾矿综合利用是资源可持续利用的重要组成［1］，提取粗粒尾砂做建材是实现尾矿综合利用的有效途径之一［2］，但剩余的细粒尾砂筑坝将对尾矿库的安全运行造成影响。细粒尾砂筑坝的安全性是影响粗粒尾砂提取项目是否实施的主要因素。

为验证粗尾砂提取后细粒尾砂堆存对尾矿库稳定性的影响，在尾矿库现场取尾砂后采用旋流器分级的方式，分别按提粗比例15%、20%、25%、30%进行旋流器分级获取试验所用的细粒尾砂。通过现场溜槽试验及室内试验［3-5］，研究全尾矿在提取不同比例粗尾矿后在沉积滩面的分布规律及物理力学特性。

1 现场溜槽试验

利用付冲沟尾矿库坝前现有放矿条件，计划对选矿厂输送至尾矿库的尾矿浆进行现场旋流器分级，所获取的细颗粒溢流用于库内溜槽放矿试验，粗颗粒底流外排至尾矿库库内。

根据尾矿库现场条件以及试验目的，在尾矿库混凝土副坝前布置溜槽，溜槽前设置1台FX350-GTP 分级旋流器对入库全尾进行分级，旋流器溢流出口采用放矿管直通溜槽槽首内，旋流器粗颗粒底流排放至尾矿库库内，待沉积稳定后取样试验。

坝前共设置2 个平行溜槽（1#和2#），溜槽长度为50 m，高度为1.0 m，宽度为1.5 m。其中1#溜槽排放提取粗颗粒比例为16.25%（工况1）和26.39%（工况3）的细颗粒尾矿；2#溜槽排放提取粗颗粒比例为21.33%（工况2）和29.34%（工况4）的细颗粒尾矿。槽底以现状沉积滩面为底（模拟现状滩面坡度与渗透条件），槽壁由开挖尾砂堆筑而成。

1.1 放矿流动性研究

现场放矿结果表明，提取粗尾砂后，旋流器溢流端尾矿浆浓度较全尾矿排放浓度降低，流动性较好，能自溜槽顶端顺利流动至溜槽底端，流动过程分级沉积效果较为明显（表1）。

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1.2 沉积滩状态研究

现场放矿结果表明，旋流器溢流各浓度尾矿浆在溜槽起点至10 m 处的沉淀分级效果较差；10～50 m处沉淀分级效果较好，主要为尾中砂、尾粉砂层沉积，渗透性较好；50 m 以外沉积滩面细粒尾矿占比增加，坡度变缓，渗透性降低。满足最小安全超高0.7 m的设计要求，调洪段坡度大于设计调洪段沉积滩坡度0.5%，满足尾矿库设计及规范要求（见表2所示）。

从溜槽试验结果来看，试验中尾矿浆浓度较低时，流速较快，分级效果较好；黏性尾矿不易沉积，沉积滩面尾砂渗透性较好；滩面0～50 m 范围内均未见明显夹泥现象，切面扰动后即刻出现砂体失粘脱落现象。工业化运行情况下，关键点是要避免尾矿浆水流受阻导致黏性尾矿过快沉积，影响沉积滩面坡度形成。

综合分析来看，提取粗颗粒尾矿后，入库尾矿粒径变细，溜槽沉积滩面坡度较现状滩面不同程度变缓，坝前50 m 以外沉积滩面尾矿粒径明显变细，含黏性尾矿比重增加，透水性分布整体上不利于后期堆子坝的坝体安全。

2 室内试验

根据尾矿库相关规范要求并结合付冲沟尾矿库自身情况，开展室内土工试验。包括尾矿物理性质试验（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不排水剪切试验），依据试验结果计算分析拟定方案下细粒尾矿堆存的坝体稳定性，进一步验证付冲沟尾矿库细粒尾矿堆存的安全可行性。

2.1 尾矿物理性质试验

通过含水率试验、湿密度试验、密度试验（见表3）和颗粒分析试验（见表4）等土常规试验获取尾矿试样的含水率、密度、及液、塑限等物理参数。

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由尾矿物理性质试验数据可知：

（1）不同提取粗颗粒运行工况下，+0.075 mm 颗粒占比在沉积滩面上0～50 m 范围内呈逐渐减少趋势，符合尾矿沉积规律特性；由于溢流端口水压较大，前期粗颗粒不能正常沉淀，0～20 m 沉积滩面+0.075 m 颗粒含量较混乱，无明显规律；20～50 m 区域水流已趋于稳定，+0.075 mm 占比逐渐减少的规律性较明显；工况3、4 低浓度放矿下+0.075 mm 颗粒占比逐渐减小的规律性更明显。

（2）随着提取粗颗粒比例增加，在滩面相同距离处+0.075 mm 颗粒含量逐渐降低。沉积滩面50 m 处，工况1 尾矿样+0.075 mm 含量为75.10%，工况4 尾矿样+0.075 mm 含量为51.90%。由此可见，提取粗颗粒后排放浓度降低对尾矿颗粒分选有利，促使更多粗颗粒尾矿在坝前沉积，有利于坝前0～50 m 处沉积滩坡度的形成。

（3）工况4 提取粗颗粒比例为29.34%，在放矿浓度为25.55%的低浓度放矿条件下，沉积滩面0～50 m范围内+0.075 mm 颗粒占比降低，沉积滩面坡度低于现状滩面坡度。沉积滩面50 m 以外细粒尾矿占比明显增加，渗透性降低，不利于尾矿库运行至后期的坝体安全稳定性。

2.2 尾矿力学性质试验

2.2.1 渗透试验

在不考虑取样误差影响下，随着提粗比例的增加，在相同滩前距离下的提粗比例越高，试样的渗透系数越低；在同一工况下，沉积滩面距放矿点距离越远，试样的渗透系数逐渐减小。

提取粗粒尾砂后排放浓度降低有着良好的水力分级效果，导致工况1～4 沉积滩面0～50 m 范围内尾矿样的渗透系数稍大。但工况3、4 放矿条件下沉积滩面50 m 距离以后黏粒尾矿颗粒明显增多，不利于后期堆积坝体的脱水固结（见表5）。试验数据表明，细颗粒尾矿增多降低了沉积滩渗透性，不利于沉积滩面的快速排水固结。

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2.2.2 固结快剪试验

在现状滩面和溜槽滩面下，在滩前不同距离处分别取尾矿样进行固结快剪试验，其试验结果显示：①在不考虑取样误差影响下，随着提粗比例的增加，在相同滩前距离下的尾矿试样黏聚力增大、内摩擦角减小。总体上，滩面尾矿物理力学指标变化情况与尾矿颗粒中黏粒含量变化正相关。②在同一工况下，沉积滩面距放矿点距离越远，黏聚力整体呈上升趋势，内摩擦角整体呈下降趋势。③工况4与现状沉积滩面0～50 m 范围内尾矿颗粒分布相近的情况下，尾矿样均为尾粉砂，黏聚力及内摩擦角指标也相近（见表6）。

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3 固结分析

3.1 固结分析的目的及模型选取

尾砂的固结分析是为了从固结的角度考察细粒尾砂堆存的强度性能，由于孔隙水压力不承受剪应力，根据有效应力原理，分析孔隙水压力的消散规律就能反应其强度性能。由于尾矿坝不承受来自于外界的荷载，所以只需要考虑自重应力下的固结。为了分析排渗设施对尾矿堆积坝体固结的影响，本研究基于三维比奥固结理论，利用ADINA 非线性分析软件建立尾砂固结沉降的有限元模型。

3.2 ADINA固结模型的建立

ADINA 是基于比奥（Biot）固结方程分析，本次研究选择ADINA 模块中的static 分析类型来完成。分析模型选取长、宽、厚3个方向的尺寸均为150 m的土体，土体由分为3 层厚度均为50 m 的尾砂层，尾矿层的相关力学参数为溜槽试验数据折减所得，详细数据见表7。分析细粒尾砂层的固结时，将最上层作为细粒尾砂层，细粒尾砂的渗透系数比普通尾砂低两个数量级。横向排渗设施采用间距为50 m 的块石盲沟，X 向和Y 向的盲沟均布置在细粒尾砂层的底部位置，在需要布置竖向排渗的方案中，采用竖向砂井作为竖向排渗设施，从细粒尾砂顶部一直通到水平盲沟位置并与其相联，这样更有利于将渗水导出尾砂土体之外。

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建好几何模型后，施加重力荷载和约束条件。地面和3 个侧面施加位移约束，另外1 个侧面和顶面施加孔隙水压力约束（表示自由排水）。最后进行网格划分，得到的模型如图1所示。

3.3 计算结果及分析

本文固结分析中假设固结时间为半年（180 d），在经历相同的固结时间之后，比较最上层分别为砂粒尾砂层和细粒尾砂层的固结情况下尾砂层的超静水压力来分析细粒尾砂的固结规律。以下为2 种情况下的超静水压力分布云图，单位为kPa。

图2～图5 两组云图中，前者是不含细粒尾矿层的土块，经过180 d 的脱水固结之后，土块中的孔隙压力已经非常小，最大值仅为4.511×10-14kPa；而当上面一层为细粒尾矿层时，则土块中的孔隙水压力要大得多，最大值达到512.7 kPa，二者相比，孔隙水压力大小相差16 个数量级。由此可知细粒尾矿比粗颗粒尾矿脱水固结的速度慢得多。所以，低浓度放矿带来的大量尾矿水不利于细粒尾矿层的脱水固结。

4 结 语

（1）提取粗颗粒后入库尾矿粒径变细，沉积滩面坡度不同程度变缓，含黏性尾矿增加，透水性变差。

（2）提取粗粒尾砂后排放浓度降低，低浓度排尾有利于尾矿浆顺利流向库内并增加细颗粒尾矿挟带距离，在不同提粗比例下，滩前0～50 m 区域尾矿沉积层渗透性、物理力学强度指标较现状沉积滩面有所改善，提取粗颗粒尾矿后，沉积滩面50 m 以外细颗粒尾矿明显增多，尾矿层脱水固结难度大，不利于尾矿库运行至后期的坝体安全稳定性。

（3）通过综合比较各试验工况结果，提取粗颗粒尾矿导致入库尾矿颗粒变细，滩面沉积尾矿渗透性能降低，尾矿库运行后期坝体浸润线控制难度加大，总体上不利于尾矿库的安全运行。从尾矿库后期安全运行考虑，不建议提取粗颗粒后将细粒尾矿排入尾矿库堆存。