尾矿堆积坝排渗技术的研究及应用

2021-10-31赵静

河南科技 2021年15期

赵静

摘要：对于尾矿坝而言，浸润线至关重要。随着尾矿堆积坝的升高，其排渗设施的有效性成为浸润线控制的关键。因此，尾矿库研究人员对尾矿坝排渗方式和浸润线的控制极其重视。基于此，本文主要阐述了尾矿堆积坝排渗技术的研究及其应用，并介绍了几种高效的尾矿堆积坝排渗技术。

关键词：堆积坝;浸润线;排渗技术;尾矿库

中图分类号：TV649 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）15-0114-03

Abstract： For tailings dams， the infiltration line is an extremely critical lifeline. As the tailings accumulation dam rises， the effectiveness of its drainage facilities has become the key to the control of the infiltration line. Therefore， researchers in the tailings pond Attaches great importance to the control of tailings dam drainage methods and infiltration lines. Based on this， this article mainly elaborates the research and application of tailings accumulation dam drainage technology， summarizes and analyzes several high-efficiency tailings accumulation dam drainage technology.

Keywords： accumulation dam;infiltration line;drainage technology;tailings pond

目前，我国共有7 000余座尾矿库，其中25%左右的尾矿库在安全性得不到保障的环境下运行，影响下游设施和居民的安全。随着选厂磨矿工艺的不断提升，尾矿库排出的尾矿越来越细，加之尾矿库大多采用上游筑坝的方法，导致尾矿库易出现浸润线位置较高而超出控制要求的问题，给尾矿库的运行带来了一定的隐患。为保证尾矿库安全运行，可通过增设排渗设施来加速尾矿的排水固结，从而提高坝体的稳定性。众所周知，在尾矿库运行管理过程中，尾矿筑坝工艺非常重要，其排渗设施更是重中之重，因此对尾矿坝排渗技术的研究及应用刻不容缓。笔者通过研究大量工程实例，结合自身工作实践，对目前主要使用的几种堆积坝排渗技术要点及其应用进行了对比分析，希望能给尾矿库设计人员和相关管理人员提供一定的帮助。

1 堆积坝排渗设施类型及其效果分析

根据大量尾礦库工程实例及尾矿库排渗技术研究现状，目前降低尾矿库浸润线的堆积坝排渗技术按其布置形式，主要有水平排渗、竖直排渗及水平+竖直联合排渗3种类型。按照排渗方法，它主要包括排渗管排渗、土工席垫排渗、管井排渗、虹吸排渗、辐射井技术排渗以及竖向+水平联合自流排渗等。

1.1 排渗管排渗

排渗管一般由滤水管和导水管组成。浸润线以下开孔为滤水管，浸润线以上不开孔为导水管。常见的排渗管有水平排渗管、软式透水管和槽孔式弧形排渗管。

水平排渗管一般选用抗压强度大于0.8 MPa、管外径为63～90 mm的聚乙烯（Polyethylene，PE）管或聚氯乙烯（Polyvinylchlorid，PVC）管。滤水管段开孔，呈梅花形布置。开孔直径宜为6～12 mm，开孔率宜为8%～10%，滤水管外包200～400 g/m2的土工布。水平排渗管下游段为导水管段，长度宜取5～15 m，排渗管垂直坝轴线倾向下游设置，坡比宜取2%～4%。水平排渗管的分布间距、长度以及层数，可按照尾矿砂的渗透系数结合工程实践经验值初步选取，具体设计应根据渗流和稳定性计算结果确定。这种排渗方式管理简便，施工工艺简单，造价低，但在细粒尾矿中容易造成堵塞而失效。

软式透水管的盲沟排渗是在沉积滩面上预埋盲沟（碎石体外包土工布），盲沟内设软式透水管，渗水通过软式透水管盲沟排至坝外排水沟。这种排渗方式施工简单，初期排渗效果较好，但后期易堵塞，导致排渗失效。

为解决普通排渗管容易淤堵的问题，研究人员提出了槽孔式弧形排渗管。这种排渗管由直线段和弧形曲线段组成，采用异形PE槽孔管。这种槽孔管一般外径为75 mm，内径为51 mm，壁厚为6 mm，滤水管段沿管外壁纵向均匀开槽，槽宽10 mm，槽底打孔，孔径8 mm，孔距100 mm，管外包裹白钢网，如图1所示。小于白钢网孔径的尾砂进入渗流槽中，渗流槽代替普通排渗管中的圆孔直接和尾矿接触，避免了堵塞;大于白钢网孔径的尾砂在槽孔管周围形成新的反滤层，使得渗入到槽孔管中的水通过导水管排出坝外[1]。弧形排渗管入口直线段长度一般大于30 m，直线段坡比一般取1%～4%，弧形段最大弯曲率不宜大于每米0.8°。这种排渗管的间距、长度、埋深以及层数，可根据坝体渗流和稳定性计算结果综合确定。这种槽孔式弧形排渗管排渗效果明显且持久，但施工存在一定的难度。根据现场多次实验研究，高尚青提出可在尾矿库的应用中反向布置槽孔管，并在实际工程中取得了良好的效果。

1.2 土工席垫排渗

排渗管有效排渗面积较小且运行过程中易堵塞，导致槽孔管施工存在困难。将排渗管改为土工席垫，不仅施工较方便，也显著提高了排渗效果，同时可起到加筋作用，提高了尾矿坝边坡的稳定性。在每级子坝完成后，在平行于坝轴线距滩顶100 m左右的位置设一层土工席垫，单组席垫宽2 m、厚12 mm，外包500 g/m2土工布。可根据实际情况设置若干组，每组席垫间距约2 m，席垫左右岸长度可伸入两岸的山坡[2]。席垫内预埋DN100集渗盲管，外包土工布，垂直坝轴线方向每隔50 m设置一根排渗钢管。集渗盲管与排渗钢管采用三通相连，排渗钢管出口接坝坡排水沟。梅聪等研究人员对尾矿坝土工席垫进行了三维有限元模拟和效果分析[3]，结果表明土工席垫排渗设施可增大堆积坝浸润面埋深，从而有效控制浸润面。

1.3 管井排渗

当尾矿堆积坝内有厚层矿泥夹层时，仅用水平排渗效果稍差，因此提出了管井排渗，这种排渗方法是沿尾矿堆积坝轴线方向设置渗水竖井至浸润线以下，利用水泵抽排管井内的渗水。管井由井口管、井壁管、滤水管及沉砂管段组成。管材根据尾矿库特性可采用无砂混凝土管、钢管或塑料管。井间距一般为10～20 m，井直径为20～50 cm。滤水管有效长度一般不宜超过30 m，沉砂管长度不宜小于1 m。这种排渗方法一般适用于渗透系数较大的砂性尾矿和不具备自流排渗条件的情况，运行时频繁启停水泵需专人维护管理且耗电，可作为临时性排渗降水措施[4]。

1.4 虹吸排渗

虹吸排渗是应用虹吸原理虹吸抽排渗水。这种排渗系统主要由水封槽、虹吸井、虹吸管路及观测井组成。水封槽主要保障虹吸系统所要求的真空度，即在启动虹吸系统后确保排水管出口一直位于相应的水位高度之下[5]。虹吸井是该系统关键的降水设施，对成井的质量有一定的标准和要求。虹吸井井深不宜大于15 m，多采用无砂混凝土管，管径一般为200～300 mm，壁厚为50～100 mm。对控制浸润线埋深在4～8 m范围内且渗流量稳定的堆积坝，适合采用此种方式排渗。在严寒地区，应采取防冻措施。这种排渗方式在运行过程中容易出现“气塞”断流的情况，无法保障系统的运转持续性，会对运行管理造成一定的影响。

1.5 辐射井技术排渗

辐射井技术排渗是在堆积坝体内设置一层或多层辐射状排渗管，利用排渗管将尾矿渗水自流汇集到集水竖井内，再通过与竖井连接的导水管将渗水自流排出坝体。根据渗水流向，辐射井主要由辐射状排渗管、竖向集水井及通向坝坡的导水管组成[6]，如图2和图3所示。集水井可位于堆积坝坝坡或尾矿沉积滩面，一般为圆形钢筋混凝土结构，直径不宜小于3 m，井深不宜小于15 m，井间距不宜小于100 m，且井口设盖板。排渗管以集水井为中心，在尾矿层内呈辐射状布置。排渗管以坡比2%～4%坡向集水井，排渗管长度应综合考虑尾矿渗透特性、含水层厚度等因素，一般宜取30～100 m。排渗管结构则可参照水平排渗管。导水管管径一般可取90～130 mm，长度为50～130 m，坡比2%～4%坡向坝坡排水沟。辐射井系统中，集水井数量、排渗管数量可依据堆积坝轴线长度、渗流和稳定性计算结果综合确定。

辐射井排渗技术能有效降低浸润线埋深，排渗效果好，维护费用低，使用寿命长[7]，对尾矿坝的地层具有较好的适用性，便于施工工作的开展，尤其适用于尾矿坝渗透破坏治理工程。另外，辐射井施工速度快，通常只需十几个小时就能够完成1节沉井，深度大约在1 m，在24 h之内就可完成大约60 m长的一根辐射排渗管的施工工作[8]。目前，辐射井排渗技术已成功应用于多座尾矿库，尤其是对尾矿库除险加固的应用，取得了良好的效果。

1.6 竖向+水平联合自流排渗

随着尾矿库排渗设施的不断改进，尤其是对于尾矿颗粒较细的情况，尾矿库排渗设施越来越倾向于使用竖向+水平联合排渗的方式。这种排渗方式同时集水形成立体排渗，效果好，适用范围广。竖向排渗设施可选择管井、砂砾井或塑料排水板。水平排渗设施可以是垂直于坝轴线的水平排渗管（纵向排渗管），也可以是平行于坝轴线的盲沟（横向排渗盲沟）与垂直于坝轴线的水平排渗管（纵向排渗管）组合。这套排渗方式可在新建尾矿库堆坝过程中预埋，也可用于尾矿库排渗设施加固工程，可降排分布不均匀的多层渗水，对浸润线的降深幅度较大。江铜集团银山铜矿尾矿库历经3次加高扩容，随着堆积坝坝体的不断加高，原排渗逐渐失效，导致坝体浸润线埋深较浅，对坝体安全埋下了巨大隐患。采用竖向+水平联合自流排渗技术后[9]，坝体沼泽化现象消失，浸润线埋深降幅较大，排渗效果理想。

2 结语

上游法尾矿库堆积坝体的稳定性与其坝体的固结程度和排渗设施密切相关，尤其是对含泥细粒尾矿库，排渗设施的有效性是降低坝体浸润线埋深和提高坝体稳定性的关键。

排渗设施类型众多，其适用性、施工难易程度、造价及效果也各不相同。排渗设施的选择应根据尾矿特性和实际情况因地制宜，在技术和经济上做出比较合理的选择。

尾矿库排渗设施应尽可能预埋，以减小施工难度，节约工程资源。当尾矿库浸润线过高、渗流及坝体稳定性不符合规范要求时，应通过增设可大幅度降低浸润线埋深的排渗设施，加速尾矿固结，以提高堆积坝的稳定性。

参考文献：

[1]金松丽，徐宏达，张伟，等.尾矿坝排渗技术的研究现状[J].现代矿业，2012（7）：35-38.

[2]陶东良，梅聪，陆誉婷.白岩尾矿坝土工席垫排渗措施模拟及渗控效果分析[J].水力发电，2015（6）：60-72.

[3]梅聪，沈振中，邵国卫，等.尾矿坝土工席垫三维有限元模拟及效果分析[J].水电能源科学，2016（1）：73-76.

[4]羅文明，刘金保，廖志刚.自流排渗施工技术在永平铜矿尾矿库的应用[J].铜业工程，2018（1）：39-42.

[5]奚兴符，阮茂盛.尾矿库排渗工程技术方法[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2018（5）：81-86.

[6]戴红涛，赵江倩，曾开华.高堆细粒尾矿库辐射井水平排渗技术应用[J].科技创新导报，2019（35）：63-65.

[7]刘兵，王绍平，罗长海，等.城门峒尾矿库坝体预埋辐射排渗法技术研究及应用[J].现代矿业，2019（4）：219-221.