攀钢中沟湾尾矿库中线法筑坝工艺试验研究①

2022-07-06周科平杨于渲李杰林曾志飞毛德华徐寒冰

矿冶工程 2022年3期

周科平，杨于渲，李杰林，曾志飞，毛德华，徐寒冰

（1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083； 2.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙 410012）

尾矿库设施是绝大多数金属非金属矿山项目建设的重要组成部分［1］。尾矿筑坝工艺按堆积方式可分为上游法、中线法、下游法、高浓度堆积法和水库式堆积法。其中，中线法筑坝工艺是在初期坝坝体中轴线处选用水力旋流器分级尾砂，利用分级沉砂形成堆积坝加高坝体的一种筑坝工艺，它具有增加库区尾矿堆存量、浸润线低、坝坡抗剪强度高、稳定性系数大等诸多优点［2］。随着国家越来越重视尾矿库安全建设和运行，今后将会有越来越多的尾矿库采用中线法筑坝工艺进行修筑，因此，开展尾矿库中线法筑坝工艺研究对于完善和优化中线法筑坝技术具有重要意义。

国内已有相关学者开展了尾矿库中线法筑坝的相关研究［2-5］。受场地、施工条件、试验经费等因素的制约，以往多采用室内试验或工程类比法来确定设计参数，开展工业试验较少，获得的工艺设计参数往往与工程实际相差较大，严重影响了筑坝作业。本文结合攀钢集团中沟湾新建尾矿库设计参数，通过开展中线法尾矿筑坝工业试验，确定了中线法筑坝工艺和参数，并对坝体浸润线进行了实测与验证，为中沟湾尾矿库应用中线法筑坝工艺可行性提供依据。

1 现场筑坝试验

1.1 工程设计概况

中沟湾尾矿库设计库址位于四川省攀枝花市盐边县金河乡［6］，尾矿库设计初期坝最大坝高75 m，坝顶标高1 250 m，坝顶宽10 m，坝顶轴线长230 m；上游坡比1 ∶2.5，下游坡比1 ∶3；拦砂坝采用滤水碾压堆石坝，坝顶宽5 m，上下游坡比1 ∶2，坝顶标高1 155 m，最大坝高35 m，坝体上游坝坡设反滤层；初期坝与下游拦砂坝之间铺设排渗垫层，垫层由合理级配的卵砾石或碎石组成，厚2.0 m；堆积坝分4 层堆积，堆积高度分别为25 m、50 m、75 m、118 m，最终堆积标高1 368 m，筑坝高度118 m，总坝高193 m，总库容9 805 万立方米。

1.2 试验设计

试验区域选择在攀钢集团有限公司马家田尾矿库干滩上，以中沟湾尾矿库设计资料为依据，开展现场筑坝工业试验。根据相似理论［7-8］，确定现场工业试验的相似参数比为1 ∶25，试验所用尾砂为矿山选矿厂排放至马家田尾矿库的尾矿砂。

筑坝试验模型建设主要包括初期坝、拦砂坝、排渗垫层、尾砂围堰、旋流器及给矿管道。为了确保溢流排放过程中水分不会渗流至底部的尾砂堆中，从而模拟出真实的尾矿库水位条件，在尾砂围堰内坡、尾砂围堰与初期坝之间的区域做防渗工程，底层为400 g 滤水土工布，上面敷设一层HDPE 防渗膜。同时，为模拟实际情况，在拦砂坝上游边坡、排渗垫层区域以及初期坝铺设一层400 g 滤水土工布。现场筑坝试验模型如图1 所示。

图1 现场筑坝试验场地模型

1.3 旋流器工况参数确定

适宜的旋流器工况参数对中线法筑坝至关重要，中线法筑坝技术要求旋流器的分级沉砂粒径＋0.074 mm粒级含量大于75%且-0.02 mm 粒级含量小于10%，沉砂产率应达到40%以上。旋流器操作参数主要包括入料浓度、入料压力，旋流器结构参数主要包括沉沙嘴、溢流管尺寸、锥角等［9］，旋流器参数决定旋流分级效果，现场工业试验采用的是2×CZ400 高效旋流器组。

总尾矿通过现场放矿管进入旋流器组，总尾矿经旋流器分级后，旋流器沉砂用于坝体堆筑，旋流器溢流排入围堰。根据尾矿排放条件，共进行了4 组不同工况条件下的旋流器分级试验，结果见表1。

表1 旋流器分级试验结果

由表1 可知，给矿压力一定时，旋流器沉砂嘴直径越小，沉砂浓度越高，沉砂产率则随之降低；给矿压力越小，沉砂浓度越低，沉砂产率则随之增加。给矿压力0.1 MPa 条件下，选用沉砂嘴Φ55 mm 旋流器分级沉砂浓度较高，为75.56%；给矿压力0.15 MPa 条件下，沉砂嘴直径Φ65 mm 旋流器分级沉砂产率较高，为63.16%。各种旋流器参数下，尾砂粒径＋0.074 mm 粒级含量始终维持在75%以上，尾砂细颗粒即粒径-0.02 mm 粒级含量基本维持在5%左右，即在给矿压力0.1 MPa 与0.15 MPa 条件下，3 种沉砂嘴直径进行现场旋流器分级的沉砂粒度均能满足中线筑坝法要求。

根据选厂总给矿管压力条件，最终选择旋流器给料压力0.15 MPa、沉砂嘴直径60 mm 条件下进行筑坝工业试验。

1.4 中线法筑坝工艺流程

试验堆积坝分为4 层堆积，每层高度分别为1 m、1 m、1 m、1.72 m，堆积坝最终高度4.72 m，外坡比为1 ∶3.1，每层堆积坝堆积完成后需静置3 d 使得尾砂自然固结。现场中线法筑坝试验方案设计与试验过程如图2 所示。具体试验步骤如下：①在实施放矿筑坝前，进行设备调试与压力测试，并将旋流器抬升、安装在合适位置。采用一端进占法筑坝，旋流器放置在初期坝的一端，旋流器底流槽连接给矿管道、底流输送管道、给水管等。 ②对分级尾砂底流加水稀释至60%左右，然后通过自流输送至试验区，通过自流沉积形成外坡，构筑堆积坝，溢流则向尾砂围堰内排放。通过在坝上连接管道，延长输矿距离，实现均匀放料筑坝，堆积坝的最终堆积坡比为1 ∶3.1。 ③当每层堆积坝的高度达到试验设计的高度后，尾砂堆积坝自然固结3 d。④第2～4 层筑坝重复②、③步骤。

图2 中线法筑坝试验设计方案与过程

2 坝体取样与水位监测结果分析

2.1 坝体尾砂物理力学参数

在堆积坝坝体区域内取固结尾砂原状样，开展物理力学参数测试，以获取尾砂的堆积干密度、抗剪指标等参数。取样时，严格按照相关试验技术要求和标准进行，取样点共计8 个，横向和纵向相互间隔8 m，取样深度为50 cm。取样截面与取样点如图3 所示。

图3 堆积坝坝体取样点位置及编号

坝体尾砂物理力学参数试验结果如图4 所示。根据现场实际，以旋流器摆放在堆积坝的一侧为起始点，横坐标按取样点距离放矿口由近及远依次排列。从试验结果可看出：①分级尾砂黏聚力变化范围为7.8 ～24 kPa，内摩擦角变化范围为21.2°～27.0°，含水率变化范围为6%～15%，湿密度变化范围为1.80～2.05 g／cm3，干密度变化范围为1.40～1.60 g／cm3。 ②随着与旋流器排矿口距离越来越远，分级尾砂含水率、黏聚力与内摩擦角逐渐升高，但当黏聚力与内摩擦角增加到一定值时，会随距离增加而降低，而湿密度与干密度则变化不明显。

图4 堆积坝坝体取样物理力学试验结果

上述结果与现场试验尾砂排放位置和方式有关。总体上随排矿距离由近及远，分级尾砂力学强度指标逐渐增大后再逐渐减小，尾砂含水率逐渐升高。在排矿过程中，由于现场排矿压力较大，尾砂初始速度较大，较粗颗粒自坝体坡面向下流动，经一定运移距离后逐渐沉积，多数在坝体中轴线中部偏下游区域汇集，该区域分级尾砂力学强度指标相对较高，含水率相对较低；细颗粒运移距离长，容易在试验区域运距最远处沉积汇集，该区域分级尾砂力学强度指标均相对较低，含水率相对较高；同时，在排矿口附近区域形成消力坑，坑部区域由机械搬运填筑而成，无水压力渗透固结压密作用，导致该区域分级尾砂力学强度指标均较低，含水率也较低。

2.2 水位监测

为了掌握尾矿坝中浸润线分布情况，在整个试验期间，利用浸润线在线监测系统和平尺水位计2 种方式进行了尾矿坝浸润线测试［10］。

浸润线在线监测的5 个测点位于中心剖面，测压管位置如图5 所示。

图5 浸润线监测管路布置位置示意图

水位监测采用在线监测同时人工辅助测量方式进行，结果如图6 所示。由于初期坝、拦砂坝均为透水堆石坝，堆积坝下方设有排渗垫层，排渗效果好。根据粒径分析结果，底流粗砂平均粒径0.014 mm，渗透系数4.31 × 10-4cm／s，尾砂渗透性强，因此坝体总体排渗性能好。在堆积坝区域（3、4、5 号测点），在每层尾砂固结期间，各测点水位随着时间推移迅速下降，而在筑坝过程中水位波动幅度变化较大，最高水位为1.0 m。在溢流区域（1、2 号测点），由于底部铺设防渗膜，垂直渗透性接近于0，溢流区域水分子只能通过初期坝向下游渗透，筑坝过程中，溢流持续排放入库，导致溢流库内水位上升较快，待筑坝作业停止后，溢流库内水位又会因渗流而缓慢下降，下降速率为0.005 m／h。

图6 工业试验坝体水位示意图

根据水位测试结果，堆积坝的最高水位出现在第2 层筑坝时，高度为1.0 m，根据相似比1 ∶25，此时堆积坝高度为50 m，进而计算出试验坝体的浸润线埋深最小值为25 m。由《尾矿设施设计规范》可知，当堆积坝高度50 m 时，浸润线的最小埋深为3.3 m（见表2）。证实中沟湾新建尾矿库采用中线法尾矿筑坝时，尾矿坝内的浸润线埋深满足设计规范要求［11］。