宋會彬， 鄭學(xué)鑫， 劉金勇

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.江西銅業(yè)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(shù)礦山必備的生產(chǎn)設(shè)施，也是礦山最重要的安全環(huán)保設(shè)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(huán)境形成無法估量的影響[1]。據(jù)統(tǒng)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(shè)計、運行簡單，從業(yè)人員易于運用，在我國得到廣泛應(yīng)用，已建尾礦庫絕大多數(shù)采用該方法。但上游式尾礦筑壩法的筑壩尾砂質(zhì)量難以控制，易出現(xiàn)安全事故，目前國際礦業(yè)發(fā)達(dá)國家及地區(qū)已經(jīng)限制使用該方法，我國在高震區(qū)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(zhì)量可控、浸潤線埋深低[2]，是國際上公認(rèn)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(shè)起步較晚，缺乏建設(shè)及運行管理經(jīng)驗，且采用該筑壩法的尾礦壩建設(shè)及運行管理的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超上游式尾礦筑壩法的尾礦壩。因此，該方法在國內(nèi)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(chǎn)工作，對尾礦庫本質(zhì)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(shè)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(nèi)將得到廣泛應(yīng)用。同時，國家“一帶一路”戰(zhàn)略將加快中國礦業(yè)投資“走出去”，這些都要求我國更多的礦業(yè)從業(yè)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(chǎn)，設(shè)計總庫容為8.35億m3[5]，其尾礦壩為國內(nèi)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(jīng)運行了31年。近年來，國內(nèi)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(shè)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(shè)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(jù)上述尾礦庫的建設(shè)和運行管理經(jīng)驗，總結(jié)和完善中線式尾礦筑壩法的關(guān)鍵技術(shù)是十分迫切和必要的。本文根據(jù)上述尾礦庫的建設(shè)和運行經(jīng)驗系統(tǒng)總結(jié)提煉，包括建設(shè)期關(guān)鍵技術(shù)和運行期關(guān)鍵技術(shù)，此項技術(shù)的完善和發(fā)展將有利于中線式尾礦筑壩法在國內(nèi)的推廣和使用。

1 建設(shè)期關(guān)鍵技術(shù)

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

基建期的主要工程設(shè)施包括初期壩、攔砂壩、庫底排滲設(shè)施、尾礦分級及排放設(shè)施、滲水收集設(shè)施及筑壩區(qū)防洪設(shè)施。上述設(shè)施的建設(shè)與其它類型尾礦壩的建設(shè)并無不同。其建設(shè)期的關(guān)鍵是根據(jù)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(tǒng)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(shè)直接影響尾礦庫基本建設(shè)投資，后期壩建設(shè)則與尾礦庫的運行管理費用直接相關(guān)。中線式尾礦壩壩址選擇既要考慮庫容壩高比優(yōu)、地質(zhì)條件良好、初期壩建設(shè)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(yīng)綜合考慮初期壩與后期壩兩者的關(guān)系并根據(jù)具體條件慎重確定。

1.2 尾礦分級系統(tǒng)選擇

尾礦分級系統(tǒng)選擇關(guān)鍵是分級設(shè)備的選擇及作業(yè)率的確定。中線式尾礦筑壩法分級設(shè)備一般選用水力旋流器。其規(guī)格與型號的選擇應(yīng)在滿足沉砂“質(zhì)”的前提下，盡可能提高“量”。所謂“質(zhì)”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(chǎn)量，小型旋流器可以獲得較高的產(chǎn)量，大型旋流器管理簡單，在旋流器選擇時應(yīng)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(shè)備的生產(chǎn)者根據(jù)選礦廠所排出尾砂的工藝參數(shù)初選幾種工藝配置，最后由設(shè)計單位綜合考慮確定尾礦分級系統(tǒng)最終的工藝配置并給出相應(yīng)的粗砂產(chǎn)率(k1)。

由于礦山的選礦廠除了年檢外，均連續(xù)生產(chǎn)，這要求尾礦排放是連續(xù)的。筑壩尾砂分級設(shè)備必須露天布置在壩頂，其所處的自然環(huán)境對年作業(yè)率影響很大，所以必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境綜合考慮其作業(yè)率(k2)。

尾礦分級系統(tǒng)作業(yè)率(k2)=(選礦廠年生產(chǎn)天數(shù)-極端天氣天數(shù)-分級系統(tǒng)年事故天數(shù))/選礦廠年生產(chǎn)天數(shù)

極端天氣天數(shù)主要為年暴雨、暴雪及極寒天數(shù)，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)確定。分級系統(tǒng)年事故天數(shù)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(shè)貫穿尾礦庫運行期的始終，其壩坡的確定、穩(wěn)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(guān)鍵是通過砂量平衡計算確定不同尾礦庫堆存標(biāo)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(nèi)，堆積高度也在逐年上升。旋流器沉砂產(chǎn)量必須滿足筑壩速度的需要，壩頂?shù)纳咚俣缺仨氃谌魏螘r候都能滿足堆存尾砂的需要。為此，必須根據(jù)分級系統(tǒng)的粗砂產(chǎn)率、年作業(yè)率進(jìn)行砂量的平衡計算以確定不同尾礦庫堆存標(biāo)高時的壩頂升高高度。

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

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

V2=V1ρd1k1k2k3/ρd2(1-k1k2k3)

式中V1、V2—庫內(nèi)有效容積、筑壩容積，m3；

k1、k2—粗砂產(chǎn)率、尾礦分級系統(tǒng)作業(yè)率；

k3—粗砂產(chǎn)量儲備系數(shù)，一般取0.9；

ρd1、ρd2—庫內(nèi)尾礦平均堆積干密度、筑壩尾礦平均堆積干密度，t/m3。

根據(jù)V2通過標(biāo)高～筑壩容積曲線查出此堆存標(biāo)高對應(yīng)的最大筑壩標(biāo)高，最大筑壩標(biāo)高減去庫內(nèi)堆存標(biāo)高即為當(dāng)期壩頂最大升高高度。

通過計算不同庫內(nèi)堆存標(biāo)高的壩頂最大升高高度形成標(biāo)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(jù)不同運行期的壩頂升高方法及升高高度，平衡庫內(nèi)庫外的砂量，進(jìn)而調(diào)整粗砂產(chǎn)率、尾礦分級系統(tǒng)作業(yè)率，最終使庫內(nèi)、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(yīng)考慮壩內(nèi)坡的穩(wěn)定性，一般不宜超過20 m。

2 運行期關(guān)鍵技術(shù)

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

2.1 筑壩尾砂實時控制技術(shù)

中線式尾礦筑壩分級設(shè)施需在保證筑壩尾砂的質(zhì)滿足筑壩設(shè)計要求的基礎(chǔ)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(jīng)驗提出筑壩尾砂的控制原則為?！百|(zhì)”提“量”，在運行過程中需避免提“質(zhì)”棄“量”。運行過程中需對筑壩尾砂進(jìn)行定期檢測，主要檢測內(nèi)容為筑壩尾砂粒度、濃度及分級粗砂產(chǎn)率。在尾礦庫運行初期及旋流器移位時，應(yīng)每天進(jìn)行檢測；當(dāng)筑壩尾砂質(zhì)量穩(wěn)定后，可減小檢測頻率，但不宜小于每周一次；當(dāng)遇筑壩尾砂質(zhì)量波動時，應(yīng)加大檢測頻率。通過檢測結(jié)果，實時調(diào)整分級系統(tǒng)運行參數(shù)，影響旋流器分級效果的主要工藝參數(shù)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(diào)節(jié)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(shù)控制方法

旋流器處理的選礦廠尾礦量、濃度和粒度經(jīng)常波動，但波動范圍一般不會太大，旋流器工藝參數(shù)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(fā)生變動時，通過增減旋流器的開啟臺數(shù)控制。

②選廠尾礦濃度升高時，通過增開旋流器臺數(shù)、減小給料泵壓力等方法降低一段旋流器的給礦壓力，穩(wěn)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(shù)。選廠尾礦濃度降低時，通過減少旋流器臺數(shù)、增大給料泵壓力等方法提高一段旋流器的給礦壓力，穩(wěn)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(shù)。

③選廠尾礦粒度變細(xì)時，通過減少旋流器臺數(shù)、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(zhì)；選廠尾礦粒度變粗時，通過增開旋流器臺數(shù)、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(fā)生較大波動，則需調(diào)整沉砂嘴尺寸，應(yīng)事先準(zhǔn)備幾種型號的沉砂嘴，遇粒度變粗，需調(diào)大沉砂嘴尺寸，遇粒度變細(xì)，需調(diào)小沉砂嘴尺寸。

(2)末段旋流器位置變動旋流分級工藝參數(shù)控制方法

末段旋流器位置變動可通過調(diào)節(jié)旋流器開啟臺數(shù)、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(xù)充填筑壩技術(shù)

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(qū)域分為外坡粗砂堆筑區(qū)和壩頂子壩堆筑區(qū)兩部分。筑壩順序為先堆筑外坡粗砂堆筑區(qū)，后堆筑壩頂子壩堆筑區(qū)。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(tǒng)總結(jié)提出機械分期修筑圍堰、二段粗砂連續(xù)充填筑壩技術(shù)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(shù)具體實施方法為子壩堆筑由兩頭向中間推進(jìn)子壩堆筑時，二段旋流器架設(shè)于尾礦壩壩軸線兩端，以粗砂堆積成的壩體作為基礎(chǔ)，采用機械分期修筑圍堰，分別向中間分段進(jìn)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(shè)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(tài)、筑壩排水、筑壩機械配合等關(guān)鍵作業(yè)進(jìn)行控制，確保堆筑任務(wù)能夠保質(zhì)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(shè)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(jié)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(tài)控制

尾礦壩子壩堆筑前需對尾礦庫運行現(xiàn)狀進(jìn)行測繪，根據(jù)測繪結(jié)果及放礦安排制定子壩堆筑方案，確定子壩壩軸線，內(nèi)、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(jiān)控，保證大壩堆筑高度、寬度、平整度達(dá)到設(shè)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(shè)在庫內(nèi)側(cè)，埋設(shè)數(shù)量根據(jù)需要確定，埋設(shè)深度需根據(jù)堆筑子壩長度調(diào)節(jié)：當(dāng)堆筑子壩較短時，細(xì)砂不易沉積、易排出，排水管埋設(shè)深度較淺；當(dāng)堆筑子壩較長時，細(xì)砂易沉積，不易排出，排水管埋設(shè)深度較深。排水管進(jìn)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(lián)合作業(yè)，配合筑壩作業(yè)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(yè)安全，需提前將子壩圍堰內(nèi)積水排凈，并進(jìn)行干燥(自然涼干)，推土機作業(yè)安排專人進(jìn)行指揮，控制子壩堆筑坡度。

2.3 中線式尾礦壩筑壩區(qū)立體截排洪系統(tǒng)

中線式尾礦筑壩運行期筑壩區(qū)域持續(xù)充填尾砂，形態(tài)不停變動，在多雨地區(qū)壩體表面尾砂易流失。根據(jù)中線式尾礦筑壩特點，針對南方多雨地區(qū)，本文提出通過在筑壩區(qū)兩側(cè)設(shè)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(shè)施、“人”字形擋水子壩及壩頂截水溝多設(shè)施形成立體截排洪系統(tǒng)。立體截排洪系統(tǒng)即適應(yīng)中線式尾礦壩筑壩區(qū)不停變動的現(xiàn)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(qū)中線式尾礦筑壩運行期筑壩區(qū)域汛期壩體表面易沖刷造成粗砂流失的難題。

(1)筑壩區(qū)兩側(cè)截排洪設(shè)施

為了防止筑壩區(qū)外部雨水進(jìn)入筑壩區(qū)，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(huán)保效益。

(2)壩外坡“多梯級截排水”設(shè)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(shè)施需每年修筑；另外，基于壩體安全性考慮，壩外坡截排洪設(shè)施不能改變壩體自身的物理性質(zhì)，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(shè)施。

“多梯級截排水”設(shè)施是指通過在尾礦壩外坡修筑攔截子壩劃塊分區(qū)管理，分割匯流面積，攔截匯流雨水，及時導(dǎo)流，排出壩面匯水，防止壩面匯水的擴大和連續(xù)對砂質(zhì)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?dāng)r截，然后導(dǎo)流至兩側(cè)截洪溝內(nèi)，利用截洪溝進(jìn)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(jù)外坡面面積及當(dāng)?shù)乇┯炅看_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(qū)域，擋水子壩修筑為“人”字形，并在兩側(cè)山體結(jié)合部利用土工布及砂袋人工壘筑排水出口至兩側(cè)排污溝[6]。

(3)壩頂截排水設(shè)施

中線式尾礦壩頂寬較寬，壩頂溢流容易出現(xiàn)拉溝甚至導(dǎo)致邊坡垮塌。為解決這一問題，首先在尾礦壩壩頂內(nèi)、外側(cè)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(dǎo)流，并每間隔150 m設(shè)置一路排水管將匯水排入庫內(nèi)。由于固化層厚度只有2～3 cm，固結(jié)面很容易被破壞，不會形成弱透水層影響壩體的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)本文通過對國內(nèi)三個典型中線式尾礦壩建設(shè)和運行過程的經(jīng)驗進(jìn)行系統(tǒng)的分析，總結(jié)出了關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)包括建設(shè)期關(guān)鍵技術(shù)和運行期關(guān)鍵技術(shù)。

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

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