干堆尾礦庫干尾砂壓實標準探討

王立彬，蒙 萌，劉 碩，劉新剛，田文高，王明明

（1.中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北秦皇島066004；2.銅源國際工程設計研究有限公司，河北秦皇島066004；3.鞍鋼礦業有限公司齊大山選礦廠，遼寧鞍山114000）

尾礦干堆技術起源于國外，于20世紀90年代初引入我國，首先應用到黃金尾礦處理方面，隨后逐步推廣到鐵礦、銅礦、鋁礦、磷礦等其他有色金屬非金屬礦山尾礦處理中。我國對尾礦干堆技術開發研究起步較晚，尾礦干堆技術運行多年，一直沒有相關的規范、規程指導其設計與施工，直到2013 年由中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布《尾礦設施設計規范》[1]（GB 50863-2013），該規范從國家標準的層面對尾礦干式堆存進行了相關規定。

干堆尾礦庫是指用以貯存金屬非金屬礦山選礦廠排出的尾礦漿經固液分離后的干尾砂的場所[2]。干尾砂進入干堆尾礦庫后，為保證尾礦干堆體穩定性，需對其進行碾壓處理。相關試驗表明，尾礦干堆體的密實度對抗剪強度有明顯影響，密實度越高，抗剪強度越大[3]?！段驳V設施設計規范》（GB 50863-2013）規定“影響堆積壩體穩定性的區域應分層碾壓加高，壓實度不低于0.92。在不影響堆積壩體穩定的區域可適當降低碾壓標準”。我國大多數全尾礦既不屬于砂性土，也不屬于粘性土，統一以壓實度作為碾壓標準是否合理，作者結合工程經驗對干尾砂壓實標準進行分析探討。

1 尾礦定名分級

尾礦分砂性尾礦、粉性尾礦及粘性尾礦，砂性尾礦又細分為尾礫砂、尾粗砂、尾中砂、尾細砂、尾粉砂，粉性尾礦特指尾粉土，粘性尾礦包括尾粉質粘土、尾粘土，具體劃分標準見表1。在土力學中，根據土顆粒的粒徑大小劃分為不同的粒組，具體粒組劃分見表2。根據土力學中關于土的粒組劃分標準，砂性尾礦屬于粗粒組，而粉性尾礦、粘性尾礦則屬于細粒組。

2 干尾砂壓實標準探討

在土力學中，壓實是指土體在壓實能量作用下，土顆粒克服粒間阻力，產生相對位移，使土中的孔隙減小，密度增加，細粒土的壓實標準采用壓實度控制（亦稱壓實系數λc），壓實度是指材料壓實后的干密度與標準最大干密度之比，它是碾壓施工質量檢測的關鍵指標之一，表征現場壓實后的密實狀況，壓實度越高，密度越大，整體性能越好。由于在施工現場用壓實度進行施工質量控制不方便，往往將壓實度轉換成干密度作為現場控制質量的依據。粗粒土的壓實標準采用相對密度Dr控制[5]，相對密度=（控制干密度-最小干密度）×最大干密度/（最大干密度-最小干密度）×控制干密度。

《碾壓式土石壩設計規范》[6]（SL 274-2001）對粘性土的填筑標準以壓實度和最優含水率作為設計控制指標，要求：1 級、2 級壩和高壩的壓實度應為98%～100%，3級中、低壩及3級以下的中壩壓實度應為96%～98%；對砂礫石和砂的填筑標準以相對密度作為設計控制指標，要求：砂礫石的相對密度不應低于0.75，砂的相對密度不應低于0.70?！兜谭拦こ淘O計規范》[7]（GB 50286-2013）對粘性土土堤的填筑標準按壓實度確定，要求：1 級堤防不應小于0.95，2 級和堤身高度不低于6m的3級堤防不應小于0.93，堤身高度低于6m的3級及3級以下堤防不應小于0.91；對無粘性土土堤的填筑標準按相對密度確定，要求：1級、2級和堤身高度不低于6m的3級堤防不應小于0.65，堤身高度低于6m的3 級及3 級以下堤防不應小于0.60?！督ㄖ鼗幚砑夹g規范》[8]（JGJ 79-2012）對不同填土的壓實標準以壓實系數確定，壓實系數范圍在0.94～0.97。《公路路基設計規范》[9]（JTG D30-2015）對不同填方路基的壓實標準以壓實度確定，壓實度范圍在0.90～0.94?！惰F路路基設計規范》[10]（TB 1001-2016）對不同填方路基的壓實標準以壓實系數確定，壓實系數范圍在0.90～0.92。

表1 原尾礦定名分級表[1]

表2 土的粒組劃分[4]

為何粗粒土的壓實性以相對密度為標準，而不再以壓實度為標準，原因在于盡管砂和砂礫等粗粒土的壓實性也與含水量有關，但一般不存在一個最優含水量。由于粘性土存在著最優含水量，因此在填土施工時將土料的含水量控制在最優含水量左右，以期用較小的能量獲得較高的密度。

干尾砂的壓實標準在《尾礦設施設計規范》（GB 50863-2013）中有明確規定：影響堆積壩體穩定的區域應分層碾壓加高，壓實度不應低于0.92，在不影響堆積壩體穩定的區域可適當降低碾壓標準。尾礦分砂性尾礦、粉性尾礦及粘性尾礦，對于砂性尾礦不存在最優含水量，在進行擊實試驗時無法得到最優含水量與最大干密度的關系曲線，采用壓實度作為壓實標準是不合適的。相對而言，對于砂性尾礦以相對密度作為碾壓標準更為合適。規范中未區分砂性尾礦還是粘性尾礦，統一以壓實度作為碾壓標準，嚴格來說是有差別的，對干尾砂的壓實質量是有影響的。因此，對于干尾砂的壓實標準應根據不同性質尾礦制定不同的壓實標準，以確保干堆尾礦體穩定安全。

3 干尾砂壓實參數確定

干尾砂的平整壓實，除了應根據干尾砂的性質正確地選擇壓實機具外，還應合理地確定干尾砂的鋪填厚度、壓實遍數等各項壓實參數，以使壩體達到要求的壓實度，而消耗的壓實功能又最少。由于影響干尾砂壓實的因素很復雜，目前還不能通過理論計算或由試驗室確定各項壓實參數，宜通過現場壓實試驗進行選擇?，F場壓實試驗應在壩體堆筑以前，干尾砂和壓實機具已經確定的情況下進行。

當初步選定壓實機具類型后，即可通過現場碾壓試驗進一步確定為達到設計要求的各項壓實參數，如鋪填厚度、碾壓遍數等。

在碾壓試驗前，先通過理論計算并參照已建類似工程的經驗，初選幾種碾壓機械參數和擬定幾組碾壓參數，采用逐步收斂法進行試驗。所謂逐步收斂法系指固定其他參數，變動一個參數，通過試驗得到該參數的最優值。將優選的此參數和其他參數固定，再變動另一個參數，用試驗確定其最優值。以此類推，得到每個參數的最優值。最后將這組最優參數再進行一次復核試驗。若試驗結果滿足設計、施工要求，便可作為現場使用的施工碾壓參數。

對于干尾砂的壓實試驗，按不同鋪填厚度繪制干密度與壓實遍數的關系曲線，如圖1所示。根據設計干密度即可由曲線查得在不同鋪填厚度情況下所需的壓實遍數n1、n2、n3，然后分別計算h1/n1、h2/n2、h3/n3（即單位壓實遍數的壓實厚度）之值，其最大值即為經濟的鋪填厚度和壓實遍數。最后再結合施工情況，綜合分析選定鋪填厚度和壓實遍數。

圖1 干尾砂干容重與壓實遍數關系曲線

4 干尾砂碾壓方式

干尾砂的壓實應按一定次序進行，以免發生漏壓或過分重壓。漏壓部分達不到壓實標準，不能保證質量要求；過分重壓部分，造成能量浪費，增加投資。

由于現行規范未對干尾砂的碾壓方式進行規定，實際工程中也無成熟方法，因此，建議干尾砂的碾壓參照水工土石壩施工中土石料的碾壓方法，其碾壓方式有進退錯距法和圈轉套壓法兩種。前者操作簡便，壓實、鋪料和質檢等工序協調，便于組織大面積流水作業，且壓實質量容易保證，其開行方式如圖2 中（a）所示；后者要求的工作面較大，適合于多碾組合壓實，其優點是生產率較高，但轉彎的四角處容易漏壓，質量不易保證，其開行方式如圖2中（b）所示。

圖2 碾壓方式

為了避免漏壓和保證要求的壓實遍數，進退錯距法的錯距寬度按下式計算：

式中：a——錯距寬度，m；

B——碾筒凈寬，m；

n——要求的碾壓遍數。

凡是碾壓機械壓實不到的地方以及壓實遍數不夠的部位，均應采用小型夯實機械夯實或人工夯實補充合格，以保證不產生松軟地帶。

5 干尾砂碾壓質量控制與檢測

在壩體堆筑過程中，應分別檢查和控制鋪填厚度、碾壓遍數是否符合設計及施工要求，其中現場質量控制主要是檢查控制含水率、干密度。企業應定期檢測入庫干尾砂的含水率，至少每周應檢測一次。當檢測入庫干尾砂含水率超過設計含水率的10%時，應增加檢測次數并分析原因、及時解決存在問題。入庫干尾砂含水率超過設計含水率的20%時，應先停止排放，待問題解決后方可恢復排放。

企業應定期檢測庫內堆放尾礦的含水率、干密度，至少每月應檢測一次。當堆放尾礦的含水率、干密度與設計指標偏離較大時，應分析原因并及時解決。

干尾砂堆積壩壩體（包含永久性堆積體邊坡）的干密度檢測，應按照設計要求進行。當實測干密度低于設計要求的10%時，應采取措施使之達到設計要求。

碾壓后的干尾砂的干密度一般可采用灌砂法或灌水法測定。

6 結語

由于粗粒尾礦不存在最優含水量，在進行擊實試驗時無法得到最優含水量與最大干密度的關系曲線，因此對于粗粒尾礦來說，繼續采用壓實度作為壓實標準是不合適的。相對而言，對于砂性尾礦以相對密度作為碾壓標準更為合適。因此，對于干尾砂的壓實標準應根據不同性質尾礦制定不同的壓實標準，以確保干堆尾礦體穩定安全。