蘇衛(wèi)宏 高結(jié)旺 吳小剛 秦 柯 盛 歡 方 勇

（1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.非煤露天礦山災(zāi)害防控國(guó)家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司）

尾礦庫(kù)作為礦山選礦配套設(shè)施，在維持礦山正常生產(chǎn)運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用［1］。目前，國(guó)內(nèi)尾礦庫(kù)在進(jìn)行尾礦處置堆存過(guò)程中，選廠(chǎng)入庫(kù)尾礦放礦通常采用集中或分散方式。尾礦漿在水?dāng)y泥沙自流特性作用下，通常在放礦點(diǎn)區(qū)域形成以粗粒顆粒分級(jí)的沉積灘面，庫(kù)尾部分形成澄清匯水區(qū)域；而在尾礦庫(kù)匯水區(qū)，尾礦經(jīng)自流分選作用，粒度呈現(xiàn)超細(xì)粒形態(tài)，其固化特性及形成的沉積灘面承載力極差，為后期尾礦庫(kù)進(jìn)行閉庫(kù)綜合治理帶來(lái)了極大的不便利性［2］。由于匯水區(qū)尾礦粒度形態(tài)及超孔隙水壓力的作用，水下尾礦沉積灘面呈現(xiàn)半懸浮淤泥狀，導(dǎo)致尾礦庫(kù)水下及匯水區(qū)邊緣有效庫(kù)容利用率降低，造成尾礦庫(kù)有限資源浪費(fèi)。因此，就整合提升尾礦庫(kù)水下及匯水區(qū)邊緣有效庫(kù)容綜合利用率，進(jìn)行尾礦庫(kù)匯水區(qū)沉積灘面擠淤特性試驗(yàn)研究。

目前國(guó)內(nèi)尾礦庫(kù)匯水區(qū)軟弱沉積灘面擠淤治理相關(guān)研究鮮有報(bào)道，研究尚處于起始階段。在水利工程、地基處理工程、圍海造陸工程中，由于其軟弱地基處理工程特性需要，促進(jìn)了相關(guān)擠淤技術(shù)的發(fā)展［3］。如張敏等［4］采用回填石渣爆破擠淤技術(shù)在護(hù)岸工程深水區(qū)厚淤泥層進(jìn)行地基處理，論證了其良好的適用性。鄭強(qiáng)強(qiáng)等［5］針對(duì)促淤?lài)抗こ讨械鼗倌嗪穸却蟆④浲梁暗葐?wèn)題，研究了經(jīng)濟(jì)爆破耗材擠淤特性。徐學(xué)勇等［6］為完善爆破擠淤技術(shù)理論，通過(guò)建立爆破擠淤起爆控制理論模型，研究了爆破擠淤對(duì)堆石壩的影響。尾礦庫(kù)作為一高勢(shì)能泥石流危險(xiǎn)源，若將爆破擠淤技術(shù)應(yīng)用在尾礦庫(kù)匯水區(qū)軟弱灘面處理中，其對(duì)尾礦壩安全無(wú)法進(jìn)行定量評(píng)估。在傳統(tǒng)的擠淤方法中，拋石（渣）擠淤［7-10］、真空預(yù)壓擠淤［11-13］等技術(shù)應(yīng)用廣泛，但鑒于尾礦庫(kù)工程特點(diǎn)，拋石（渣）擠淤技術(shù)應(yīng)用在尾礦庫(kù)中將耗費(fèi)大量資金，其適用性有待改良；真空預(yù)壓擠淤技術(shù)由于其復(fù)雜的工藝，在尾礦庫(kù)工程惡劣環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)。為此，該研究在尾礦庫(kù)工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用尾礦庫(kù)現(xiàn)有條件，秉持有限資源充分利用的原理，對(duì)旋流器分級(jí)粗顆粒擠淤特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，以論證該技術(shù)方法的適用性，為后續(xù)尾礦庫(kù)閉庫(kù)綜合治理工程提供技術(shù)保障。

1 工程背景

該研究以銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦老鴉嶺尾礦庫(kù)為工程背景，老鴉嶺尾礦庫(kù)位于安徽省銅陵市冬瓜山銅礦選礦廠(chǎng)南側(cè)約1.4 km 的天門(mén)鎮(zhèn)南洪村程家沖內(nèi)，庫(kù)形東西走向，西高東低，庫(kù)區(qū)面積50.922 萬(wàn)m2，庫(kù)區(qū)匯水面積0.62 km2，屬山谷型尾礦庫(kù)。尾礦壩為一次性構(gòu)筑堆石壩，壩長(zhǎng)729 m，最終壩頂標(biāo)高+120 m，壩高80 m，總庫(kù)容1 935.57萬(wàn)m3，有效庫(kù)容1 801.74 萬(wàn)m3，可滿(mǎn)足選廠(chǎng)14 a 服務(wù)年限，設(shè)計(jì)屬三等庫(kù)。尾礦庫(kù)地理位置見(jiàn)圖1。

2022年12月，由于尾礦庫(kù)處于運(yùn)行后期，根據(jù)尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)地形圖得知，在后續(xù)新尾礦堆存場(chǎng)所未啟用且不突破原設(shè)計(jì)灘面最高標(biāo)高+118.3 m的情況下，選廠(chǎng)按原放礦方式，老鴉嶺尾礦庫(kù)剩余可利用有限庫(kù)容將難以保障礦區(qū)后期正常生產(chǎn)，對(duì)冬瓜山銅礦的持續(xù)生產(chǎn)構(gòu)成影響。因此，為解決尾砂堆存處置問(wèn)題，對(duì)老鴉嶺尾礦庫(kù)+118.3 m以下剩余有效庫(kù)容進(jìn)行精細(xì)化利用研究（圖2），計(jì)劃將尾礦庫(kù)沉積灘面利用尾礦土工織物復(fù)合體子堤池填堆存工藝進(jìn)行精細(xì)化放礦，尾礦庫(kù)匯水區(qū)可用庫(kù)容部分利用水下拋填粗尾砂進(jìn)行擠淤高效堆存。該研究主要針對(duì)尾礦庫(kù)匯水區(qū)拋填粗尾砂擠淤特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案

旋流分級(jí)粗顆粒擠淤特性試驗(yàn)采用控制變量的方法進(jìn)行，研究單一變量（旋流分級(jí)粗粒土體積）對(duì)尾礦庫(kù)匯水區(qū)軟弱灘面細(xì)粒擠淤特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)方案中的細(xì)粒尾砂體積和加粗尾砂體積比分別設(shè)置為0，0.2∶1.0，0.4∶1.0，0.6∶1.0，0.8∶1.0，1.0∶1.0，1.2∶1.0。加粗尾礦為同一取樣位置，默認(rèn)粗粒粒徑一致。

2.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

（1）材料。試驗(yàn)材料取自老鴉嶺尾礦庫(kù)匯水區(qū)軟弱灘面尾砂（表層20～30 cm），以及旋流器分選后粗顆粒，取樣尾砂物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

?

為測(cè)定取樣尾砂粒徑范圍，采用篩分法與密度計(jì)法進(jìn)行尾砂粒徑顆分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，粒徑級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖3、圖4。

?

（2）設(shè)備。試驗(yàn)設(shè)備為容積大于2 L 的攪拌槽，量程0～50 ℃溫度計(jì)，12 支100 mL 量筒（精度0.5 mL），4 支10 mL 量筒（精度0.2 mL），長(zhǎng)度大于40 cm的攪拌棒。

2.3 試驗(yàn)流程

根據(jù)試驗(yàn)方案規(guī)劃，試驗(yàn)前先將現(xiàn)場(chǎng)取得的尾礦庫(kù)匯水區(qū)沉積灘面尾砂（細(xì)粒尾砂）利用攪拌槽加水?dāng)嚢杈鶆蚝螅謩e加入100 mL量筒內(nèi)，此次設(shè)計(jì)加入?yún)R水邊緣取細(xì)粒尾砂樣體積V1為24 mL。為保障每個(gè)量筒內(nèi)加入的細(xì)粒尾礦漿樣體積以及粒徑一致，采用邊攪邊加樣的次序進(jìn)行，利用10 mL 量筒進(jìn)行調(diào)節(jié)。各工況下細(xì)粒尾礦沉降效果見(jiàn)圖5。

待各工況下細(xì)粒尾礦沉降穩(wěn)定后，記錄尾礦沉降后體積，并根據(jù)試驗(yàn)方案，利用與加入細(xì)粒尾礦量相同操作，量取粗粒尾礦體積。量取完成后，攪拌均勻，依次加入裝有沉降穩(wěn)定后細(xì)粒尾砂的量筒內(nèi)，待最終穩(wěn)定后讀取最終體積，并進(jìn)行結(jié)果分析。加入粗尾礦漿后的擠淤沉降效果見(jiàn)圖6。

3 結(jié)果與討論

3.1 擠淤體積變化規(guī)律

結(jié)合圖5、圖6，讀取未加入粗顆粒時(shí)尾礦庫(kù)匯水區(qū)細(xì)粒尾礦在水下的自然沉降體積，以及加入旋流器分選粗顆粒后尾礦在水下擠淤后的體積，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，尾砂粗細(xì)比與擠淤體積關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

?

由圖7可見(jiàn)，通過(guò)將旋流器分選粗顆粒尾砂進(jìn)行水下放礦至原尾礦庫(kù)匯水區(qū)軟弱灘面，能夠?qū)ξ驳V庫(kù)匯水區(qū)軟弱灘面產(chǎn)生一定的擠淤作用，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于泥漿的沉降過(guò)程可分為澄清區(qū)、沉降區(qū)和壓密區(qū)。尾礦漿沉積過(guò)程中相對(duì)粗的顆粒率先沉積在底層形成土骨架，并發(fā)生固結(jié)作用，形成壓密區(qū)；而細(xì)顆粒在水中沉降速度相對(duì)較小，由于水的浮力作用，尾礦漿中相對(duì)細(xì)的顆粒黏粒形成絮凝結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小顆粒的沉降速度，絮凝結(jié)構(gòu)相互連接混合形成固相結(jié)構(gòu)體的弱固結(jié)區(qū)域，即沉降區(qū)；在沉降區(qū)域頂部將粒徑較大的尾砂投入后，在重力作用下，原沉降區(qū)細(xì)粒尾礦在上部載荷的作用下被進(jìn)一步壓密，進(jìn)而達(dá)到擠淤的作用。

為進(jìn)一步研究粗顆粒擠淤特性，通過(guò)將擠淤體積與粗細(xì)尾砂體積比進(jìn)行擬合，得出

式中，V為擠淤體積，mL；α為擠淤系數(shù)；n為粗細(xì)尾礦比。

擬合系數(shù)R2為0.99，表明擠淤體積與水下放礦粗顆粒體積成正比。其中，老鴉嶺尾礦庫(kù)粗顆粒水下放礦擠淤系數(shù)α為13.104，因此，在此次水下放礦，以及后期尾礦庫(kù)軟弱灘面閉庫(kù)綜合治理過(guò)程中，擬合曲線(xiàn)方程V= 13.104n可為設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

3.2 擠淤度與擠淤比變化規(guī)律

為進(jìn)一步研究粗顆粒擠淤特性，假定擠淤體積與疊加體積的比值稱(chēng)為擠淤度，見(jiàn)式（2）；將相鄰尾礦粗細(xì)比值下擠淤差稱(chēng)為擠淤比，見(jiàn)式（3）。

式中，Vj為擠淤體積，mL；Vd為疊加體積，mL；β為擠淤度，%。

式中，γ為擠淤體積，mL。

尾砂粗細(xì)比與擠淤度、擠淤比的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

由圖8 可見(jiàn)，擠淤度與尾砂粗細(xì)比呈正相關(guān)，但擠淤比與砂粗細(xì)比呈先增大后減小的規(guī)律發(fā)展，表明在向尾礦庫(kù)匯水邊緣軟弱灘面區(qū)水下拋填粗顆粒并不是越多效果越佳；綜合分析認(rèn)為，對(duì)于尾礦庫(kù)匯水區(qū)軟弱灘面進(jìn)行閉庫(kù)綜合治理過(guò)程中，可選擇選廠(chǎng)經(jīng)旋流分級(jí)后的粗顆粒尾砂，且在尾礦庫(kù)條件允許的條件下，拋填粗顆粒尾砂體積選取為尾礦庫(kù)匯水區(qū)細(xì)粒尾礦體積的0.4倍，取得的效益最好。

4 工程應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)對(duì)老鴉嶺尾礦庫(kù)庫(kù)容最優(yōu)化利用及精細(xì)化放礦的目的，計(jì)劃將尾礦庫(kù)沉積灘面利用尾礦土工織物復(fù)合體子堤池填堆存工藝進(jìn)行精細(xì)化放礦，尾礦庫(kù)匯水區(qū)可用庫(kù)容部分利用水下拋填粗尾砂進(jìn)行擠淤高效堆存。因此，項(xiàng)目執(zhí)行前期需根據(jù)礦方提供的尾礦庫(kù)2022 年12 月實(shí)測(cè)地形圖，以及尾礦庫(kù)原設(shè)計(jì)情況，對(duì)池填堆存區(qū)進(jìn)行圈定。圈定原則為在不突破尾礦庫(kù)原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)厮男畔⒓拔驳V庫(kù)排洪構(gòu)筑物現(xiàn)狀，利用水量平衡法進(jìn)行調(diào)洪演算。通過(guò)持續(xù)迭代計(jì)算，圈定尾礦庫(kù)現(xiàn)狀，最大化有效利用庫(kù)容，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，調(diào)洪演算過(guò)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果，對(duì)池填區(qū)進(jìn)行圈定，圈定結(jié)果見(jiàn)圖10。

?

由圖10 可見(jiàn)，細(xì)化圈定池填堆存區(qū)中存在大面積的匯水區(qū)。通過(guò)地形圖量測(cè)，池填堆存區(qū)需進(jìn)行水下拋填粗尾砂區(qū)域面積2.07萬(wàn)m2，水下區(qū)域細(xì)粒淤泥約27.6萬(wàn)m3。因此，為達(dá)到對(duì)老鴉嶺尾礦庫(kù)水下庫(kù)容精細(xì)化利用，以及為后期尾礦庫(kù)閉庫(kù)工程中軟弱灘面綜合治理提供良好的工程基礎(chǔ)，結(jié)合前期試驗(yàn)研究成果，對(duì)老鴉嶺尾礦庫(kù)水下拋填粗顆粒擠淤尾砂，其與水下區(qū)域細(xì)粒淤泥體積比約為0.4∶1，測(cè)量得知水下拋填粗顆粒擠淤尾砂約7.68 萬(wàn)m3。匯水區(qū)擠淤后，沉積灘面最大高度為+118.26 m，未突破原設(shè)計(jì)灘面標(biāo)高+118.3 m。

擠淤現(xiàn)狀灘面見(jiàn)圖11。

由圖11 可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)池填堆存匯水區(qū)水下拋填粗顆粒進(jìn)行擠淤后，現(xiàn)狀灘面穩(wěn)定排水，固結(jié)沉降，沉積灘面形成硬實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，現(xiàn)狀沉積灘面承載力良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的淤泥沼澤區(qū)。

5 結(jié) 論

（1）老鴉嶺尾礦庫(kù)通過(guò)將旋流器分選粗顆粒尾砂進(jìn)行水下放礦至原尾礦庫(kù)匯水區(qū)軟弱灘面，能夠?qū)ξ驳V庫(kù)匯水區(qū)軟弱灘面產(chǎn)生一定的擠淤作用，且擠淤體積與水下放礦粗顆粒體積成正比，其中粗顆粒水下放礦擠淤系數(shù)為13.104。

（2）擠淤度與尾砂粗細(xì)比呈正相關(guān)，擠淤比與砂粗細(xì)比呈先增大后減小的規(guī)律發(fā)展。在尾礦庫(kù)條件允許下，拋填粗顆粒尾砂體積選取為尾礦庫(kù)匯水區(qū)細(xì)粒尾礦體積的0.4倍，取得的效益最好。

（3）工程應(yīng)用結(jié)果表明，水下拋填粗顆粒進(jìn)行擠淤后，現(xiàn)狀灘面穩(wěn)定排水，固結(jié)沉降，沉積灘面形成硬實(shí)基礎(chǔ)，現(xiàn)狀沉積灘面承載力良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的淤泥沼澤區(qū)。此次擠淤特性試驗(yàn)結(jié)果不僅能提升尾礦庫(kù)匯水區(qū)的有效庫(kù)容利用率，亦可為后期尾礦庫(kù)閉庫(kù)軟弱灘面綜合治理工程提供良好的工程基礎(chǔ)。