中線式尾礦筑壩法關鍵技術

宋會彬， 鄭學鑫， 劉金勇

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.江西銅業股份有限公司 德興銅礦， 江西 德興 334200)

0 引言

尾礦庫是絕大多數礦山必備的生產設施，也是礦山最重要的安全環保設施之一。尾礦庫本身是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，一旦失事，很可能造成重、特大安全事故，且對下游環境形成無法估量的影響[1]。據統計，截至2015年底，我國共有尾礦庫8 869座。上游式尾礦筑壩法由于設計、運行簡單，從業人員易于運用，在我國得到廣泛應用，已建尾礦庫絕大多數采用該方法。但上游式尾礦筑壩法的筑壩尾砂質量難以控制，易出現安全事故，目前國際礦業發達國家及地區已經限制使用該方法，我國在高震區也已限制使用該方法。

尾礦壩自身安全性高低是決定尾礦庫能否安全運行的前提條件，中線式尾礦筑壩法由于筑壩尾砂質量可控、浸潤線埋深低[2]，是國際上公認的安全性較好的尾礦筑壩方法。我國中線式尾礦筑壩法建設起步較晚，缺乏建設及運行管理經驗，且采用該筑壩法的尾礦壩建設及運行管理的復雜程度遠超上游式尾礦筑壩法的尾礦壩。因此，該方法在國內一直未得到廣泛推廣和使用。

近年來國家高度重視尾礦庫安全生產工作，對尾礦庫本質安全提出了更高要求，中線式尾礦筑壩法因其安全度高、建設成本相對較低，在國家大力重視尾礦庫安全的背景下，中線式尾礦筑壩法在國內將得到廣泛應用。同時，國家“一帶一路”戰略將加快中國礦業投資“走出去”，這些都要求我國更多的礦業從業人員能夠更快、更好地掌握安全性較高的中線式尾礦筑壩法[3-4]。

德興銅礦四號尾礦庫于1991年2月投產，設計總庫容為8.35億m3[5]，其尾礦壩為國內首例采用中線式尾礦筑壩法堆筑的尾礦壩，該尾礦壩至2022年2月，已經運行了31年。近年來，國內大型尾礦庫傾向于選用中線式尾礦筑壩法，如2017年投入使用的云南省普朗銅礦玉郎佩尾礦庫設計庫容2.3億m3、2019年投入使用的江西省德興銅礦五號尾礦庫設計庫容10.3億m3，其尾礦壩均采用中線式尾礦筑壩法筑壩。根據上述尾礦庫的建設和運行管理經驗，總結和完善中線式尾礦筑壩法的關鍵技術是十分迫切和必要的。本文根據上述尾礦庫的建設和運行經驗系統總結提煉，包括建設期關鍵技術和運行期關鍵技術，此項技術的完善和發展將有利于中線式尾礦筑壩法在國內的推廣和使用。

1 建設期關鍵技術

中線式尾礦筑壩一般采用水力旋流器對全尾礦進行分級后用沉砂筑壩，其建設期的主要工作內容為尾礦壩壩址的選擇、尾礦分級系統的選擇、后期壩及基建期相應工程設施建設。

基建期的主要工程設施包括初期壩、攔砂壩、庫底排滲設施、尾礦分級及排放設施、滲水收集設施及筑壩區防洪設施。上述設施的建設與其它類型尾礦壩的建設并無不同。其建設期的關鍵是根據中線式尾礦堆壩法的特點選擇合適的尾礦壩壩址、尾礦分級系統及砂量平衡計算。

1.1 中線式尾礦筑壩法壩址選擇

中線式尾礦壩一般由初期壩和后期壩兩部分組成，初期壩建設直接影響尾礦庫基本建設投資，后期壩建設則與尾礦庫的運行管理費用直接相關。中線式尾礦壩壩址選擇既要考慮庫容壩高比優、地質條件良好、初期壩建設投資少，又要考慮后期壩筑壩工程量，滿足尾礦砂量平衡。因此，中線式尾礦壩壩址的選擇應綜合考慮初期壩與后期壩兩者的關系并根據具體條件慎重確定。

1.2 尾礦分級系統選擇

尾礦分級系統選擇關鍵是分級設備的選擇及作業率的確定。中線式尾礦筑壩法分級設備一般選用水力旋流器。其規格與型號的選擇應在滿足沉砂“質”的前提下，盡可能提高“量”。所謂“質”是指滿足要求的沉砂，由沉砂中-0.074 mm和-0.037 mm的含量控制；所謂“量”是指沉砂的產量，小型旋流器可以獲得較高的產量，大型旋流器管理簡單，在旋流器選擇時應在滿足筑壩速度的前提下盡可能采用大型旋流器。此部分工作一般先由分級設備的生產者根據選礦廠所排出尾砂的工藝參數初選幾種工藝配置，最后由設計單位綜合考慮確定尾礦分級系統最終的工藝配置并給出相應的粗砂產率(k1)。

由于礦山的選礦廠除了年檢外，均連續生產，這要求尾礦排放是連續的。筑壩尾砂分級設備必須露天布置在壩頂，其所處的自然環境對年作業率影響很大，所以必須根據當地的自然環境綜合考慮其作業率(k2)。

尾礦分級系統作業率(k2)=(選礦廠年生產天數-極端天氣天數-分級系統年事故天數)/選礦廠年生產天數

極端天氣天數主要為年暴雨、暴雪及極寒天數，具體數值應根據當地的氣象數據確定。分級系統年事故天數一般按10～15天考慮。

1.3 砂量平衡計算

尾礦庫后期壩的建設貫穿尾礦庫運行期的始終，其壩坡的確定、穩定計算、滲流計算、動力抗震計算與其它類型尾礦壩采用的方法相同，其關鍵是通過砂量平衡計算確定不同尾礦庫堆存標高時的壩頂升高高度。

中線式尾礦筑壩法在用沉砂筑壩的過程中，旋流器的溢流不斷地排入尾礦庫內，堆積高度也在逐年上升。旋流器沉砂產量必須滿足筑壩速度的需要，壩頂的升高速度必須在任何時候都能滿足堆存尾砂的需要。為此，必須根據分級系統的粗砂產率、年作業率進行砂量的平衡計算以確定不同尾礦庫堆存標高時的壩頂升高高度。

砂量平衡計算前應根據尾礦庫的地形圖分別計算出不同標高的庫內有效容積(V1)和筑壩容積(V2)，并分別建立標高～庫內有效容積、標高～筑壩容積曲線。

庫內不同堆存標高的壩頂升高高度的計算方法如下：根據計算壩高按標高～庫內有效容積曲線查出對應的庫內有效容積V1，按下式計算出相應的筑壩容積。

V2=V1ρd1k1k2k3/ρd2(1-k1k2k3)

式中V1、V2—庫內有效容積、筑壩容積，m3；

k1、k2—粗砂產率、尾礦分級系統作業率；

k3—粗砂產量儲備系數，一般取0.9；

ρd1、ρd2—庫內尾礦平均堆積干密度、筑壩尾礦平均堆積干密度，t/m3。

根據V2通過標高～筑壩容積曲線查出此堆存標高對應的最大筑壩標高，最大筑壩標高減去庫內堆存標高即為當期壩頂最大升高高度。

通過計算不同庫內堆存標高的壩頂最大升高高度形成標高～壩頂最大升高高度曲線，確定尾礦壩不同運行期的壩頂升高方法及升高高度。根據不同運行期的壩頂升高方法及升高高度，平衡庫內庫外的砂量，進而調整粗砂產率、尾礦分級系統作業率，最終使庫內、庫外尾砂獲得平衡。各期升高高度的選擇除了不能超過壩頂最大升高高度外，還應考慮壩內坡的穩定性，一般不宜超過20 m。

2 運行期關鍵技術

中線式尾礦筑壩法運行期關鍵技術主要包括筑壩尾砂實時控制技術，機械分期修筑圍堰、二段粗砂連續充填筑壩技術，中線式尾礦壩筑壩區立體截排洪系統。

2.1 筑壩尾砂實時控制技術

中線式尾礦筑壩分級設施需在保證筑壩尾砂的質滿足筑壩設計要求的基礎上，盡量提高筑壩尾砂的量。本文基于幾個中線式尾礦庫多年的運行管理經驗提出筑壩尾砂的控制原則為?！百|”提“量”，在運行過程中需避免提“質”棄“量”。運行過程中需對筑壩尾砂進行定期檢測，主要檢測內容為筑壩尾砂粒度、濃度及分級粗砂產率。在尾礦庫運行初期及旋流器移位時，應每天進行檢測；當筑壩尾砂質量穩定后，可減小檢測頻率，但不宜小于每周一次；當遇筑壩尾砂質量波動時，應加大檢測頻率。通過檢測結果，實時調整分級系統運行參數，影響旋流器分級效果的主要工藝參數為入料尾砂的濃度、旋流器的給料壓力和沉砂嘴的尺寸。具體調節方法如下：

(1)選礦廠尾礦量、濃度和粒度波動旋流分級工藝參數控制方法

旋流器處理的選礦廠尾礦量、濃度和粒度經常波動，但波動范圍一般不會太大，旋流器工藝參數的控制主要以壓力控制為主，末段旋流器入礦濃度控制為輔。

①選礦廠尾礦量發生變動時，通過增減旋流器的開啟臺數控制。

②選廠尾礦濃度升高時，通過增開旋流器臺數、減小給料泵壓力等方法降低一段旋流器的給礦壓力，穩定一段沉砂量；通過加大一段沉砂補加水量降低二段旋流器的給礦濃度，增開二段旋流器臺數。選廠尾礦濃度降低時，通過減少旋流器臺數、增大給料泵壓力等方法提高一段旋流器的給礦壓力，穩定一段沉砂量；通過減少一段沉砂補加水量提高二段旋流器的給礦濃度，減少二段旋流器臺數。

③選廠尾礦粒度變細時，通過減少旋流器臺數、增大給料泵壓力等方法提高一段旋流器的給礦壓力，保證一段沉砂的質；選廠尾礦粒度變粗時，通過增開旋流器臺數、減小給料泵壓力等方法降低一段旋流器的給礦壓力，提高一段沉砂的量。

④若選廠尾礦粒度發生較大波動，則需調整沉砂嘴尺寸，應事先準備幾種型號的沉砂嘴，遇粒度變粗，需調大沉砂嘴尺寸，遇粒度變細，需調小沉砂嘴尺寸。

(2)末段旋流器位置變動旋流分級工藝參數控制方法

末段旋流器位置變動可通過調節旋流器開啟臺數、給料泵壓力等方法，控制旋流器給礦壓力，保證末段旋流器分級效果。

2.2 機械分期修筑圍堰、二段粗砂連續充填筑壩技術

中線式尾礦筑壩法筑壩工藝的選擇需綜合考慮尾礦壩堆筑速度，旋流器及管道移動頻率等因素，筑壩區域分為外坡粗砂堆筑區和壩頂子壩堆筑區兩部分。筑壩順序為先堆筑外坡粗砂堆筑區，后堆筑壩頂子壩堆筑區。外坡粗砂堆筑方法簡單，筑壩工期主要受壩頂子壩堆筑速度控制。本文通過系統總結提出機械分期修筑圍堰、二段粗砂連續充填筑壩技術堆筑壩頂子壩，解決了大型中線式尾礦壩一次筑壩高度、筑壩工程量大，筑壩時間要求短的難題。

此項技術具體實施方法為子壩堆筑由兩頭向中間推進子壩堆筑時，二段旋流器架設于尾礦壩壩軸線兩端，以粗砂堆積成的壩體作為基礎，采用機械分期修筑圍堰，分別向中間分段進占。子壩堆筑一般安排在汛期過后，合攏一般在壩頂中間(單頭筑壩除外)。每期子壩筑壩高度由設計確定。每次堆壩過程示意圖如圖1所示。

尾礦壩筑壩過程中需對筑壩工期、壩體形態、筑壩排水、筑壩機械配合等關鍵作業進行控制，確保堆筑任務能夠保質保量完成。

(1)筑壩工期控制

圖1 一次筑壩過程示意圖

中線式尾礦筑壩法筑壩工序多，旋流器安裝移動費時，造成筑壩工期長，容易給尾礦庫下一年防汛帶來影響。其流程為架設管線、安裝旋流器、機械修筑圍堰、分級放礦、排水等。其中修筑圍堰可有效加快粗砂沉積和固結速度，減少筑壩粗砂流失；增加圍堰長度，可加快大壩堆筑速度，縮短筑壩工期。

(2)壩體形態控制

尾礦壩子壩堆筑前需對尾礦庫運行現狀進行測繪，根據測繪結果及放礦安排制定子壩堆筑方案，確定子壩壩軸線，內、外坡坡腳線位置，保證子壩中心線與上一期子壩位置保持不變。各級子壩堆筑全程測繪監控，保證大壩堆筑高度、寬度、平整度達到設計要求。

(3)筑壩排水控制

為減少外排水對外坡的沖刷，筑壩排水管宜埋設在庫內側，埋設數量根據需要確定，埋設深度需根據堆筑子壩長度調節：當堆筑子壩較短時，細砂不易沉積、易排出，排水管埋設深度較淺；當堆筑子壩較長時，細砂易沉積，不易排出，排水管埋設深度較深。排水管進水口宜為活動式。

(4)筑壩機械配合控制

子壩堆筑采用機械聯合作業，配合筑壩作業主要機械為濕地推土機。推土機主要用于修筑放礦圍堰，為確保推土機作業安全，需提前將子壩圍堰內積水排凈，并進行干燥(自然涼干)，推土機作業安排專人進行指揮，控制子壩堆筑坡度。

2.3 中線式尾礦壩筑壩區立體截排洪系統

中線式尾礦筑壩運行期筑壩區域持續充填尾砂，形態不停變動，在多雨地區壩體表面尾砂易流失。根據中線式尾礦筑壩特點，針對南方多雨地區，本文提出通過在筑壩區兩側設置截排洪溝、壩外坡在汛前利用堆壩尾砂修筑“多梯級截排水”設施、“人”字形擋水子壩及壩頂截水溝多設施形成立體截排洪系統。立體截排洪系統即適應中線式尾礦壩筑壩區不停變動的現實，又充分利用了壩體自身材料降低了工程投資，解決多雨地區中線式尾礦筑壩運行期筑壩區域汛期壩體表面易沖刷造成粗砂流失的難題。

(1)筑壩區兩側截排洪設施

為了防止筑壩區外部雨水進入筑壩區，在兩岸分期逐級修建截洪溝，使山體匯水與壩面匯水分流，山體匯水直接外排，減少了沉砂池入池洪水量，有較好的環保效益。

(2)壩外坡“多梯級截排水”設施

由于中線式尾礦筑壩的自身特點，尾礦壩外坡不斷變化，壩外坡的截排洪設施需每年修筑；另外，基于壩體安全性考慮，壩外坡截排洪設施不能改變壩體自身的物理性質，綜合考慮以上兩點，德興銅礦首次提出采用筑壩尾砂修筑壩外坡“多梯級截排水”設施。

“多梯級截排水”設施是指通過在尾礦壩外坡修筑攔截子壩劃塊分區管理，分割匯流面積，攔截匯流雨水，及時導流，排出壩面匯水，防止壩面匯水的擴大和連續對砂質壩體的沖刷。具體措施是在壩外坡面每隔一定高度利用尾砂修筑一條擋水子壩，其作用是將匯水攔截，然后導流至兩側截洪溝內，利用截洪溝進行排水，防止雨水和筑壩粗砂形成越來越大的礦漿流，加劇壩體的沖刷。每條子壩之間的高差根據外坡面面積及當地暴雨量確定，兩條子壩之間的高差為20～30 m。對于壩外坡長度較長的區域，擋水子壩修筑為“人”字形，并在兩側山體結合部利用土工布及砂袋人工壘筑排水出口至兩側排污溝[6]。

(3)壩頂截排水設施

中線式尾礦壩頂寬較寬，壩頂溢流容易出現拉溝甚至導致邊坡垮塌。為解決這一問題，首先在尾礦壩壩頂內、外側各堆筑一條擋水壩，避免壩頂匯水溢流形成拉溝；其次在壩頂沿軸線方向人工開挖一條寬0.5 m、深0.4 m的溝槽，利用壩頂粗尾砂、水泥加速凝劑制作速凝水泥砂漿，涂抹在溝槽表面形成2～3 cm的固化層用于導流，并每間隔150 m設置一路排水管將匯水排入庫內。由于固化層厚度只有2～3 cm，固結面很容易被破壞，不會形成弱透水層影響壩體的穩定性。

3 結論

(1)本文通過對國內三個典型中線式尾礦壩建設和運行過程的經驗進行系統的分析，總結出了關鍵技術，該技術包括建設期關鍵技術和運行期關鍵技術。

(2)中線式尾礦筑壩法建設期的關鍵技術包括尾礦壩壩址選擇、尾礦分級系統選擇及砂量平衡計算。

(3)運行期的關鍵技術包括筑壩尾砂實時控制技術，機械分期修筑圍堰、二段粗砂連續充填筑壩技術，對于多雨地區還包括中線式尾礦壩筑壩區立體截排洪系統。