氣驅排滲技術及其在膏體尾礦筑壩工程的應用

馬進強

摘要：果郎溝尾礦庫為甲瑪銅多金屬礦二期工程配套尾礦庫，采用初期壩+膏體上游法堆壩形式，實際運行過程中存在尾砂滲透系數低、不固結，且壩體浸潤線埋深僅10m左右等問題。華泰龍礦業公司采用氣驅排滲技術，在壩體均勻布設特殊結構的豎直和水平排滲管，采用高壓氣驅和重力自流的聯合排滲方式，大大提高了壩體排滲效率，浸潤線埋深快速降低至20m左右，提高了壩體穩定性。氣驅排滲技術有效解決了果郎溝尾礦庫子壩排滲固結程度低的難題，同時為膏體尾礦筑壩方式及排滲技術提供了參考依據。

關鍵詞：氣驅排滲;膏體尾礦;飄管排滲;氣驅豎井;槽孔管;穩定性

中圖分類號：TD926.4 +1文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）03-0076-03doi：10.11792/hj20210316

西藏華泰龍礦業開發有限公司（下稱“華泰龍礦業公司”）果郎溝尾礦庫為甲瑪銅多金屬礦4萬t/d選礦廠配套使用的尾礦庫，設計采用初期壩+膏體上游法堆壩形式。但是，膏體尾礦筑壩工藝在實際應用中，存在尾礦排水固結強度低、難度大，尾礦庫浸潤線高，尾礦壩安全風險較高等問題[1]。針對這些問題，華泰龍礦業公司以現代科學理論和試驗研究手段為基礎，提出了適合膏體尾礦筑壩技術條件下的排滲方案、工藝技術及配套裝備，即氣驅豎井及飄管排滲（氣驅排滲）技術，取得多學科、多方法的集成創新與系統優化成果，有效解決了果郎溝尾礦庫浸潤線高、壩體加固難的技術難題，對保障尾礦安全堆存及壩體穩定具有重大現實意義。

1工程概況

果郎溝尾礦庫為甲瑪銅多金屬礦二期工程4萬t/d選礦廠配套使用的尾礦庫，設計采用初期壩（高85m，壩頂標高4265m，壩軸線478m，壩頂寬5m）+膏體上游法（高175m）堆壩形式。尾礦庫總壩高260m，總庫容7002.2×10 4m 3，為一等尾礦庫。設計排礦濃度為64%～66%，尾礦粒度-0.074mm占70%。子壩采用碾壓廢石構筑，每級子壩高5.0m，壩頂寬3.0m，上下游邊坡坡度均為1∶2，服務年限為12.9a。

果郎溝尾礦庫設計采用初期壩+膏體上游法堆壩形式，“模袋法+寬頂子壩”工藝進行筑壩。實際運行過程中，尾礦粒度細、含泥量高，壩體上升快、尾礦不固結，灘面以下20m范圍內尾礦不成型、呈流態、幾乎沒有強度，前三級子壩浸潤線埋深只有10m左右。此外，果郎溝尾礦庫還面臨高濃度、庫區封閉排滲不良、堆壩過高等問題。針對果郎溝尾礦庫初期壩+膏體上游法堆壩形式的技術條件，進行膏體尾礦壩氣驅排滲技術的系統研究及應用，成功降低了壩體浸潤線。

2氣驅排滲技術

快速實現壩體排滲固結是提高尾礦庫壩體穩定性的關鍵因素，目前常規方法是預埋排滲管，但這種方法受施工條件限制，施工質量難以達到要求，排滲效果不理想。此外，傳統排滲管和反濾層結構也存在缺陷，導致排滲效率低。華泰龍礦業公司提出的氣驅排滲技術，是在壩體均勻布設特殊結構的豎直和水平排滲管，采用高壓氣驅和重力自流的聯合排滲方式。相比傳統排滲方式，氣驅排滲技術不受施工條件限制，且排滲效率高[2]。

2.1槽孔管

排滲管的排滲效果主要取決于滲透面積。氣驅排滲的排滲管采用孔槽設計，即槽孔管[3]，其結構如圖1所示。槽孔管管壁均勻布設孔槽，主要技術參數：槽孔管直徑為100mm，管壁外側縱向均勻設置16個滲流槽，槽寬10mm，槽深3.5mm。按間距150～200mm鉆孔，孔徑為8mm，每延米接觸面積為3140cm 2，每延米滲流面積為1600cm 2（16個槽），滲透比約為0.51。相比傳統排滲管，槽孔管滲透面積提高了24.5倍，排滲效率大大提高。

2.2反濾層

槽孔管反濾層結構如圖2所示。在槽孔管的外壁包裹一層白鋼網，其可以使槽孔管周圍80%細尾砂順利通過，留下20%粗尾砂在槽孔管周圍形成反濾層，進一步增大了透水面積，提高了排滲效率。

2.3獨特的管中管結構

氣驅排滲豎井的外管為進水管，內管為出水管，高壓氣體通過高壓進氣管（10mm左右）從內管底部注入，推動內管中的液體向上爬升，從而在外管底部形成負壓，使得外管水位下降，井周圍尾礦中的孔隙水通過反濾白鋼網源源不斷地進入外管中，加速尾礦排水固結，同時大幅降低尾礦堆體的浸潤線。高壓進氣管中的氣體壓力高達1.2MPa，從而可以將尾礦堆體數十米深處的積水吸出，實現深層尾礦的排水固結。

2.4全天候自動化運行

氣驅排滲技術配備高效自動控制系統，根據孔內水位自動切換抽排孔，每臺空壓設備可以控制30～50口氣驅排滲豎井，循環抽排，不會因尾礦滲透系數低而斷流，使排滲效率大幅提高。此外，氣驅排滲豎井中沒有任何機械部件，無需維修，即使內、外管隨尾礦堆體沉降彎曲變形，系統也能正常工作，從而使得系統的可靠性和使用壽命大幅提升。

氣驅排滲豎井原理示意圖見圖3。

3工程應用

3.1氣驅排滲豎井施工

根據果郎溝尾礦庫時段運行現狀，氣驅排滲豎井施工平面圖見圖4。

1）在二級子壩（標高4275m）鋪設一排氣驅排滲豎井，單孔深度30m，間距10m，共計43孔。

2）在三級子壩（標高4280m）鋪設一排氣驅排滲豎井，單孔深度40m，間距10m，共計43孔。

氣驅排滲豎井施工程序為臨時設施搭建→人員進場→設備、材料進場→施工前準備→焊接排滲管→鉆機鉆孔→安裝進水管→安裝出水管→安裝供氣系統→安裝排水系統→安裝監測及控制系統→設備啟動抽水。

氣驅排滲豎井施工采用XH-50特種鉆機，鉆孔孔徑為120mm。槽孔管現場熔接，確保密閉性良好，并且內部至少可承受1.2MPa的氣壓;槽孔管內部安裝40mm的PE出水管，高壓進氣管、液位及壓力傳感器，并與控制設備連接，實現自動循環抽排。

3.2水平飄管施工

在4267m水平布設一排水平飄管（排滲管），排滲管采用75mm齒輪透水管（外包304白鋼網），排水管采用75mmPE管。鉆孔深度181～203m，孔間距10m，共計布設47孔，其施工平面圖見圖5。施工順序為排滲管熔接→機械鉆孔→敷設排滲管[4]。

3.3應用效果

果郎溝尾礦庫二級子壩的氣驅排滲豎井單孔深度30m，共43孔，于2019年4月25日施工，6月7日完工，開始連續抽水，初始排水量230m 3/d;抽水至7月7日，排水量降至150～130m 3/d。三級子壩的氣驅排滲豎井單孔深度40m，共43孔，于2019年6月7日施工，7月中旬施工完成并開始排水，初始排水量為190m 3/d。水平飄管于2019年9月開始施工，在一級子壩坡面共布設47孔，實際單孔長180m，10月中旬施工完成并開始排水。

為了驗證排滲效果及壩體穩定性，氣驅排滲技術實施前后分別對壩體做了2次工程勘察。從浸潤線埋深指標分析來看：氣驅排滲技術應用前，浸潤線埋深10m左右;氣驅排滲技術應用后，浸潤線埋深降低至18.4～26.0m;表明氣驅排滲技術能快速降低壩體浸潤線高度，提高壩體穩定性。

4結論

1）相比傳統排滲技術，氣驅排滲技術具有排滲效率高、穩定性強等優點。

2）氣驅排滲技術在果郎溝尾礦庫應用后，快速將壩體浸潤線埋深從10m左右降低到18.4～26.0m，提高了壩體穩定性。

3）采用氣驅排滲技術大大降低了子壩壩體達到相同穩定性條件下所需要的土石方量，節約了運輸和施工成本，經濟效益顯著。同時，該技術能快速有效地提高壩體穩定性，降低尾礦庫安全風險，具有較顯著的社會效益。因此，氣驅排滲技術在同類型尾礦庫筑壩工程中具有很好的推廣應用價值。

[參考文獻]

[1]王振興，蘇星月.尾礦庫膏體排放相關問題探討[J].世界有色金屬，2019（5）：243-244.

[2]原福慶，邢曉琳.某尾礦庫排滲設施設計[J].有色礦冶，2020，36（1）：46-49.

[3]金永超.排滲管井在尾礦庫中的應用[J].資源信息與工程，2019，34（3）：118-119.

[4]奚興符，阮茂盛.尾礦庫排滲工程技術方法[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2018，45（5）：81-86.

Abstract：GuolanggoutailingspondisthetailingspondsupportingPhase2ProjectofJiamaCopperPolymetallicMineandtakestheformofearlydam+pasteupstreamdamformation.Duringoperation，thetailingshavelowpermeabilitycoefficientanddoesntsolidify，besides，theburialdepthofdamseepagelineisonlyabout10m.Byapplyingairdrivendrainagetechnology，verticalandhorizontaldrainagepipeswithspecialstructureareevenlyarrangedonthedambody.Thejointprocessofhighpressureairdrivenandgravityflowmethodfordrainagegreatlyimprovesthedrainageefficiencyofthedam，theburialdepthofdamseepagelinerapidlydecreasestoabout20m，andthedamstabilityisimproved.AirdrivendrainagetechnologyeffectivelysolvesthelowsolidificationdegreeproblemfordrainageinthesubdamofGuolanggoutailingspond，andatthesametime，providesreferencefordamconstructionwithpastetailingsanddrainagetechnology.

Keywords：airdrivendrainage;pastetailings;floatingpipedrainage;airdrivenverticalshaft;slottube;stability