付沖溝尾礦庫細(xì)粒尾砂堆存研究

姚嗣偉 樂志強(qiáng) 張年龍 肖松麗 程從文

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司）

尾礦是放錯(cuò)地方、未加以合理利用的特殊資源，尾礦綜合利用是資源可持續(xù)利用的重要組成［1］，提取粗粒尾砂做建材是實(shí)現(xiàn)尾礦綜合利用的有效途徑之一［2］，但剩余的細(xì)粒尾砂筑壩將對尾礦庫的安全運(yùn)行造成影響。細(xì)粒尾砂筑壩的安全性是影響粗粒尾砂提取項(xiàng)目是否實(shí)施的主要因素。

為驗(yàn)證粗尾砂提取后細(xì)粒尾砂堆存對尾礦庫穩(wěn)定性的影響，在尾礦庫現(xiàn)場取尾砂后采用旋流器分級的方式，分別按提粗比例15%、20%、25%、30%進(jìn)行旋流器分級獲取試驗(yàn)所用的細(xì)粒尾砂。通過現(xiàn)場溜槽試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)［3-5］，研究全尾礦在提取不同比例粗尾礦后在沉積灘面的分布規(guī)律及物理力學(xué)特性。

1 現(xiàn)場溜槽試驗(yàn)

利用付沖溝尾礦庫壩前現(xiàn)有放礦條件，計(jì)劃對選礦廠輸送至尾礦庫的尾礦漿進(jìn)行現(xiàn)場旋流器分級，所獲取的細(xì)顆粒溢流用于庫內(nèi)溜槽放礦試驗(yàn)，粗顆粒底流外排至尾礦庫庫內(nèi)。

根據(jù)尾礦庫現(xiàn)場條件以及試驗(yàn)?zāi)康?，在尾礦庫混凝土副壩前布置溜槽，溜槽前設(shè)置1臺FX350-GTP 分級旋流器對入庫全尾進(jìn)行分級，旋流器溢流出口采用放礦管直通溜槽槽首內(nèi)，旋流器粗顆粒底流排放至尾礦庫庫內(nèi)，待沉積穩(wěn)定后取樣試驗(yàn)。

壩前共設(shè)置2 個(gè)平行溜槽（1#和2#），溜槽長度為50 m，高度為1.0 m，寬度為1.5 m。其中1#溜槽排放提取粗顆粒比例為16.25%（工況1）和26.39%（工況3）的細(xì)顆粒尾礦；2#溜槽排放提取粗顆粒比例為21.33%（工況2）和29.34%（工況4）的細(xì)顆粒尾礦。槽底以現(xiàn)狀沉積灘面為底（模擬現(xiàn)狀灘面坡度與滲透條件），槽壁由開挖尾砂堆筑而成。

1.1 放礦流動(dòng)性研究

現(xiàn)場放礦結(jié)果表明，提取粗尾砂后，旋流器溢流端尾礦漿濃度較全尾礦排放濃度降低，流動(dòng)性較好，能自溜槽頂端順利流動(dòng)至溜槽底端，流動(dòng)過程分級沉積效果較為明顯（表1）。

?

1.2 沉積灘狀態(tài)研究

現(xiàn)場放礦結(jié)果表明，旋流器溢流各濃度尾礦漿在溜槽起點(diǎn)至10 m 處的沉淀分級效果較差；10～50 m處沉淀分級效果較好，主要為尾中砂、尾粉砂層沉積，滲透性較好；50 m 以外沉積灘面細(xì)粒尾礦占比增加，坡度變緩，滲透性降低。滿足最小安全超高0.7 m的設(shè)計(jì)要求，調(diào)洪段坡度大于設(shè)計(jì)調(diào)洪段沉積灘坡度0.5%，滿足尾礦庫設(shè)計(jì)及規(guī)范要求（見表2所示）。

從溜槽試驗(yàn)結(jié)果來看，試驗(yàn)中尾礦漿濃度較低時(shí)，流速較快，分級效果較好；黏性尾礦不易沉積，沉積灘面尾砂滲透性較好；灘面0～50 m 范圍內(nèi)均未見明顯夾泥現(xiàn)象，切面擾動(dòng)后即刻出現(xiàn)砂體失粘脫落現(xiàn)象。工業(yè)化運(yùn)行情況下，關(guān)鍵點(diǎn)是要避免尾礦漿水流受阻導(dǎo)致黏性尾礦過快沉積，影響沉積灘面坡度形成。

綜合分析來看，提取粗顆粒尾礦后，入庫尾礦粒徑變細(xì)，溜槽沉積灘面坡度較現(xiàn)狀灘面不同程度變緩，壩前50 m 以外沉積灘面尾礦粒徑明顯變細(xì)，含黏性尾礦比重增加，透水性分布整體上不利于后期堆子壩的壩體安全。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)尾礦庫相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合付沖溝尾礦庫自身情況，開展室內(nèi)土工試驗(yàn)。包括尾礦物理性質(zhì)試驗(yàn)（含水率、密度、比重、塑液限及顆粒分析）和尾礦力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)（壓縮、滲透、固結(jié)快剪及三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)），依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析擬定方案下細(xì)粒尾礦堆存的壩體穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證付沖溝尾礦庫細(xì)粒尾礦堆存的安全可行性。

2.1 尾礦物理性質(zhì)試驗(yàn)

通過含水率試驗(yàn)、濕密度試驗(yàn)、密度試驗(yàn)（見表3）和顆粒分析試驗(yàn)（見表4）等土常規(guī)試驗(yàn)獲取尾礦試樣的含水率、密度、及液、塑限等物理參數(shù)。

?

?

由尾礦物理性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

（1）不同提取粗顆粒運(yùn)行工況下，+0.075 mm 顆粒占比在沉積灘面上0～50 m 范圍內(nèi)呈逐漸減少趨勢，符合尾礦沉積規(guī)律特性；由于溢流端口水壓較大，前期粗顆粒不能正常沉淀，0～20 m 沉積灘面+0.075 m 顆粒含量較混亂，無明顯規(guī)律；20～50 m 區(qū)域水流已趨于穩(wěn)定，+0.075 mm 占比逐漸減少的規(guī)律性較明顯；工況3、4 低濃度放礦下+0.075 mm 顆粒占比逐漸減小的規(guī)律性更明顯。

（2）隨著提取粗顆粒比例增加，在灘面相同距離處+0.075 mm 顆粒含量逐漸降低。沉積灘面50 m 處，工況1 尾礦樣+0.075 mm 含量為75.10%，工況4 尾礦樣+0.075 mm 含量為51.90%。由此可見，提取粗顆粒后排放濃度降低對尾礦顆粒分選有利，促使更多粗顆粒尾礦在壩前沉積，有利于壩前0～50 m 處沉積灘坡度的形成。

（3）工況4 提取粗顆粒比例為29.34%，在放礦濃度為25.55%的低濃度放礦條件下，沉積灘面0～50 m范圍內(nèi)+0.075 mm 顆粒占比降低，沉積灘面坡度低于現(xiàn)狀灘面坡度。沉積灘面50 m 以外細(xì)粒尾礦占比明顯增加，滲透性降低，不利于尾礦庫運(yùn)行至后期的壩體安全穩(wěn)定性。

2.2 尾礦力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

2.2.1 滲透試驗(yàn)

在不考慮取樣誤差影響下，隨著提粗比例的增加，在相同灘前距離下的提粗比例越高，試樣的滲透系數(shù)越低；在同一工況下，沉積灘面距放礦點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，試樣的滲透系數(shù)逐漸減小。

提取粗粒尾砂后排放濃度降低有著良好的水力分級效果，導(dǎo)致工況1～4 沉積灘面0～50 m 范圍內(nèi)尾礦樣的滲透系數(shù)稍大。但工況3、4 放礦條件下沉積灘面50 m 距離以后黏粒尾礦顆粒明顯增多，不利于后期堆積壩體的脫水固結(jié)（見表5）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，細(xì)顆粒尾礦增多降低了沉積灘滲透性，不利于沉積灘面的快速排水固結(jié)。

?

2.2.2 固結(jié)快剪試驗(yàn)

在現(xiàn)狀灘面和溜槽灘面下，在灘前不同距離處分別取尾礦樣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果顯示：①在不考慮取樣誤差影響下，隨著提粗比例的增加，在相同灘前距離下的尾礦試樣黏聚力增大、內(nèi)摩擦角減小。總體上，灘面尾礦物理力學(xué)指標(biāo)變化情況與尾礦顆粒中黏粒含量變化正相關(guān)。②在同一工況下，沉積灘面距放礦點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，黏聚力整體呈上升趨勢，內(nèi)摩擦角整體呈下降趨勢。③工況4與現(xiàn)狀沉積灘面0～50 m 范圍內(nèi)尾礦顆粒分布相近的情況下，尾礦樣均為尾粉砂，黏聚力及內(nèi)摩擦角指標(biāo)也相近（見表6）。

?

3 固結(jié)分析

3.1 固結(jié)分析的目的及模型選取

尾砂的固結(jié)分析是為了從固結(jié)的角度考察細(xì)粒尾砂堆存的強(qiáng)度性能，由于孔隙水壓力不承受剪應(yīng)力，根據(jù)有效應(yīng)力原理，分析孔隙水壓力的消散規(guī)律就能反應(yīng)其強(qiáng)度性能。由于尾礦壩不承受來自于外界的荷載，所以只需要考慮自重應(yīng)力下的固結(jié)。為了分析排滲設(shè)施對尾礦堆積壩體固結(jié)的影響，本研究基于三維比奧固結(jié)理論，利用ADINA 非線性分析軟件建立尾砂固結(jié)沉降的有限元模型。

3.2 ADINA固結(jié)模型的建立

ADINA 是基于比奧（Biot）固結(jié)方程分析，本次研究選擇ADINA 模塊中的static 分析類型來完成。分析模型選取長、寬、厚3個(gè)方向的尺寸均為150 m的土體，土體由分為3 層厚度均為50 m 的尾砂層，尾礦層的相關(guān)力學(xué)參數(shù)為溜槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)折減所得，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表7。分析細(xì)粒尾砂層的固結(jié)時(shí)，將最上層作為細(xì)粒尾砂層，細(xì)粒尾砂的滲透系數(shù)比普通尾砂低兩個(gè)數(shù)量級。橫向排滲設(shè)施采用間距為50 m 的塊石盲溝，X 向和Y 向的盲溝均布置在細(xì)粒尾砂層的底部位置，在需要布置豎向排滲的方案中，采用豎向砂井作為豎向排滲設(shè)施，從細(xì)粒尾砂頂部一直通到水平盲溝位置并與其相聯(lián)，這樣更有利于將滲水導(dǎo)出尾砂土體之外。

?

建好幾何模型后，施加重力荷載和約束條件。地面和3 個(gè)側(cè)面施加位移約束，另外1 個(gè)側(cè)面和頂面施加孔隙水壓力約束（表示自由排水）。最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的模型如圖1所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文固結(jié)分析中假設(shè)固結(jié)時(shí)間為半年（180 d），在經(jīng)歷相同的固結(jié)時(shí)間之后，比較最上層分別為砂粒尾砂層和細(xì)粒尾砂層的固結(jié)情況下尾砂層的超靜水壓力來分析細(xì)粒尾砂的固結(jié)規(guī)律。以下為2 種情況下的超靜水壓力分布云圖，單位為kPa。

圖2～圖5 兩組云圖中，前者是不含細(xì)粒尾礦層的土塊，經(jīng)過180 d 的脫水固結(jié)之后，土塊中的孔隙壓力已經(jīng)非常小，最大值僅為4.511×10-14kPa；而當(dāng)上面一層為細(xì)粒尾礦層時(shí)，則土塊中的孔隙水壓力要大得多，最大值達(dá)到512.7 kPa，二者相比，孔隙水壓力大小相差16 個(gè)數(shù)量級。由此可知細(xì)粒尾礦比粗顆粒尾礦脫水固結(jié)的速度慢得多。所以，低濃度放礦帶來的大量尾礦水不利于細(xì)粒尾礦層的脫水固結(jié)。

4 結(jié) 語

（1）提取粗顆粒后入庫尾礦粒徑變細(xì)，沉積灘面坡度不同程度變緩，含黏性尾礦增加，透水性變差。

（2）提取粗粒尾砂后排放濃度降低，低濃度排尾有利于尾礦漿順利流向庫內(nèi)并增加細(xì)顆粒尾礦挾帶距離，在不同提粗比例下，灘前0～50 m 區(qū)域尾礦沉積層滲透性、物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)較現(xiàn)狀沉積灘面有所改善，提取粗顆粒尾礦后，沉積灘面50 m 以外細(xì)顆粒尾礦明顯增多，尾礦層脫水固結(jié)難度大，不利于尾礦庫運(yùn)行至后期的壩體安全穩(wěn)定性。

（3）通過綜合比較各試驗(yàn)工況結(jié)果，提取粗顆粒尾礦導(dǎo)致入庫尾礦顆粒變細(xì)，灘面沉積尾礦滲透性能降低，尾礦庫運(yùn)行后期壩體浸潤線控制難度加大，總體上不利于尾礦庫的安全運(yùn)行。從尾礦庫后期安全運(yùn)行考慮，不建議提取粗顆粒后將細(xì)粒尾礦排入尾礦庫堆存。