王立彬，蒙 萌，劉 碩，劉新剛，田文高，王明明

（1.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河北秦皇島066004；2.銅源國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究有限公司，河北秦皇島066004；3.鞍鋼礦業(yè)有限公司齊大山選礦廠，遼寧鞍山114000）

尾礦干堆技術(shù)起源于國(guó)外，于20世紀(jì)90年代初引入我國(guó)，首先應(yīng)用到黃金尾礦處理方面，隨后逐步推廣到鐵礦、銅礦、鋁礦、磷礦等其他有色金屬非金屬礦山尾礦處理中。我國(guó)對(duì)尾礦干堆技術(shù)開發(fā)研究起步較晚，尾礦干堆技術(shù)運(yùn)行多年，一直沒有相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程指導(dǎo)其設(shè)計(jì)與施工，直到2013 年由中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（GB 50863-2013），該規(guī)范從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的層面對(duì)尾礦干式堆存進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。

干堆尾礦庫(kù)是指用以貯存金屬非金屬礦山選礦廠排出的尾礦漿經(jīng)固液分離后的干尾砂的場(chǎng)所[2]。干尾砂進(jìn)入干堆尾礦庫(kù)后，為保證尾礦干堆體穩(wěn)定性，需對(duì)其進(jìn)行碾壓處理。相關(guān)試驗(yàn)表明，尾礦干堆體的密實(shí)度對(duì)抗剪強(qiáng)度有明顯影響，密實(shí)度越高，抗剪強(qiáng)度越大[3]?！段驳V設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863-2013）規(guī)定“影響堆積壩體穩(wěn)定性的區(qū)域應(yīng)分層碾壓加高，壓實(shí)度不低于0.92。在不影響堆積壩體穩(wěn)定的區(qū)域可適當(dāng)降低碾壓標(biāo)準(zhǔn)”。我國(guó)大多數(shù)全尾礦既不屬于砂性土，也不屬于粘性土，統(tǒng)一以壓實(shí)度作為碾壓標(biāo)準(zhǔn)是否合理，作者結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)干尾砂壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析探討。

1 尾礦定名分級(jí)

尾礦分砂性尾礦、粉性尾礦及粘性尾礦，砂性尾礦又細(xì)分為尾礫砂、尾粗砂、尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂，粉性尾礦特指尾粉土，粘性尾礦包括尾粉質(zhì)粘土、尾粘土，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。在土力學(xué)中，根據(jù)土顆粒的粒徑大小劃分為不同的粒組，具體粒組劃分見表2。根據(jù)土力學(xué)中關(guān)于土的粒組劃分標(biāo)準(zhǔn)，砂性尾礦屬于粗粒組，而粉性尾礦、粘性尾礦則屬于細(xì)粒組。

2 干尾砂壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)探討

在土力學(xué)中，壓實(shí)是指土體在壓實(shí)能量作用下，土顆?？朔ｉg阻力，產(chǎn)生相對(duì)位移，使土中的孔隙減小，密度增加，細(xì)粒土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用壓實(shí)度控制（亦稱壓實(shí)系數(shù)λc），壓實(shí)度是指材料壓實(shí)后的干密度與標(biāo)準(zhǔn)最大干密度之比，它是碾壓施工質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，表征現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后的密實(shí)狀況，壓實(shí)度越高，密度越大，整體性能越好。由于在施工現(xiàn)場(chǎng)用壓實(shí)度進(jìn)行施工質(zhì)量控制不方便，往往將壓實(shí)度轉(zhuǎn)換成干密度作為現(xiàn)場(chǎng)控制質(zhì)量的依據(jù)。粗粒土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用相對(duì)密度Dr控制[5]，相對(duì)密度=（控制干密度-最小干密度）×最大干密度/（最大干密度-最小干密度）×控制干密度。

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]（SL 274-2001）對(duì)粘性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)以壓實(shí)度和最優(yōu)含水率作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，要求：1 級(jí)、2 級(jí)壩和高壩的壓實(shí)度應(yīng)為98%～100%，3級(jí)中、低壩及3級(jí)以下的中壩壓實(shí)度應(yīng)為96%～98%；對(duì)砂礫石和砂的填筑標(biāo)準(zhǔn)以相對(duì)密度作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，要求：砂礫石的相對(duì)密度不應(yīng)低于0.75，砂的相對(duì)密度不應(yīng)低于0.70?！兜谭拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》[7]（GB 50286-2013）對(duì)粘性土土堤的填筑標(biāo)準(zhǔn)按壓實(shí)度確定，要求：1 級(jí)堤防不應(yīng)小于0.95，2 級(jí)和堤身高度不低于6m的3級(jí)堤防不應(yīng)小于0.93，堤身高度低于6m的3級(jí)及3級(jí)以下堤防不應(yīng)小于0.91；對(duì)無粘性土土堤的填筑標(biāo)準(zhǔn)按相對(duì)密度確定，要求：1級(jí)、2級(jí)和堤身高度不低于6m的3級(jí)堤防不應(yīng)小于0.65，堤身高度低于6m的3 級(jí)及3 級(jí)以下堤防不應(yīng)小于0.60。《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[8]（JGJ 79-2012）對(duì)不同填土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以壓實(shí)系數(shù)確定，壓實(shí)系數(shù)范圍在0.94～0.97?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》[9]（JTG D30-2015）對(duì)不同填方路基的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以壓實(shí)度確定，壓實(shí)度范圍在0.90～0.94?！惰F路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]（TB 1001-2016）對(duì)不同填方路基的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以壓實(shí)系數(shù)確定，壓實(shí)系數(shù)范圍在0.90～0.92。

表1 原尾礦定名分級(jí)表[1]

表2 土的粒組劃分[4]

為何粗粒土的壓實(shí)性以相對(duì)密度為標(biāo)準(zhǔn)，而不再以壓實(shí)度為標(biāo)準(zhǔn)，原因在于盡管砂和砂礫等粗粒土的壓實(shí)性也與含水量有關(guān)，但一般不存在一個(gè)最優(yōu)含水量。由于粘性土存在著最優(yōu)含水量，因此在填土施工時(shí)將土料的含水量控制在最優(yōu)含水量左右，以期用較小的能量獲得較高的密度。

干尾砂的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)在《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863-2013）中有明確規(guī)定：影響堆積壩體穩(wěn)定的區(qū)域應(yīng)分層碾壓加高，壓實(shí)度不應(yīng)低于0.92，在不影響堆積壩體穩(wěn)定的區(qū)域可適當(dāng)降低碾壓標(biāo)準(zhǔn)。尾礦分砂性尾礦、粉性尾礦及粘性尾礦，對(duì)于砂性尾礦不存在最優(yōu)含水量，在進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)無法得到最優(yōu)含水量與最大干密度的關(guān)系曲線，采用壓實(shí)度作為壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)是不合適的。相對(duì)而言，對(duì)于砂性尾礦以相對(duì)密度作為碾壓標(biāo)準(zhǔn)更為合適。規(guī)范中未區(qū)分砂性尾礦還是粘性尾礦，統(tǒng)一以壓實(shí)度作為碾壓標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格來說是有差別的，對(duì)干尾砂的壓實(shí)質(zhì)量是有影響的。因此，對(duì)于干尾砂的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)不同性質(zhì)尾礦制定不同的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，以確保干堆尾礦體穩(wěn)定安全。

3 干尾砂壓實(shí)參數(shù)確定

干尾砂的平整壓實(shí)，除了應(yīng)根據(jù)干尾砂的性質(zhì)正確地選擇壓實(shí)機(jī)具外，還應(yīng)合理地確定干尾砂的鋪填厚度、壓實(shí)遍數(shù)等各項(xiàng)壓實(shí)參數(shù)，以使壩體達(dá)到要求的壓實(shí)度，而消耗的壓實(shí)功能又最少。由于影響干尾砂壓實(shí)的因素很復(fù)雜，目前還不能通過理論計(jì)算或由試驗(yàn)室確定各項(xiàng)壓實(shí)參數(shù)，宜通過現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行選擇。現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)應(yīng)在壩體堆筑以前，干尾砂和壓實(shí)機(jī)具已經(jīng)確定的情況下進(jìn)行。

當(dāng)初步選定壓實(shí)機(jī)具類型后，即可通過現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)進(jìn)一步確定為達(dá)到設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)壓實(shí)參數(shù)，如鋪填厚度、碾壓遍數(shù)等。

在碾壓試驗(yàn)前，先通過理論計(jì)算并參照已建類似工程的經(jīng)驗(yàn)，初選幾種碾壓機(jī)械參數(shù)和擬定幾組碾壓參數(shù)，采用逐步收斂法進(jìn)行試驗(yàn)。所謂逐步收斂法系指固定其他參數(shù)，變動(dòng)一個(gè)參數(shù)，通過試驗(yàn)得到該參數(shù)的最優(yōu)值。將優(yōu)選的此參數(shù)和其他參數(shù)固定，再變動(dòng)另一個(gè)參數(shù)，用試驗(yàn)確定其最優(yōu)值。以此類推，得到每個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值。最后將這組最優(yōu)參數(shù)再進(jìn)行一次復(fù)核試驗(yàn)。若試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)、施工要求，便可作為現(xiàn)場(chǎng)使用的施工碾壓參數(shù)。

對(duì)于干尾砂的壓實(shí)試驗(yàn)，按不同鋪填厚度繪制干密度與壓實(shí)遍數(shù)的關(guān)系曲線，如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)干密度即可由曲線查得在不同鋪填厚度情況下所需的壓實(shí)遍數(shù)n1、n2、n3，然后分別計(jì)算h1/n1、h2/n2、h3/n3（即單位壓實(shí)遍數(shù)的壓實(shí)厚度）之值，其最大值即為經(jīng)濟(jì)的鋪填厚度和壓實(shí)遍數(shù)。最后再結(jié)合施工情況，綜合分析選定鋪填厚度和壓實(shí)遍數(shù)。

圖1 干尾砂干容重與壓實(shí)遍數(shù)關(guān)系曲線

4 干尾砂碾壓方式

干尾砂的壓實(shí)應(yīng)按一定次序進(jìn)行，以免發(fā)生漏壓或過分重壓。漏壓部分達(dá)不到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，不能保證質(zhì)量要求；過分重壓部分，造成能量浪費(fèi)，增加投資。

由于現(xiàn)行規(guī)范未對(duì)干尾砂的碾壓方式進(jìn)行規(guī)定，實(shí)際工程中也無成熟方法，因此，建議干尾砂的碾壓參照水工土石壩施工中土石料的碾壓方法，其碾壓方式有進(jìn)退錯(cuò)距法和圈轉(zhuǎn)套壓法兩種。前者操作簡(jiǎn)便，壓實(shí)、鋪料和質(zhì)檢等工序協(xié)調(diào)，便于組織大面積流水作業(yè)，且壓實(shí)質(zhì)量容易保證，其開行方式如圖2 中（a）所示；后者要求的工作面較大，適合于多碾組合壓實(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率較高，但轉(zhuǎn)彎的四角處容易漏壓，質(zhì)量不易保證，其開行方式如圖2中（b）所示。

圖2 碾壓方式

為了避免漏壓和保證要求的壓實(shí)遍數(shù)，進(jìn)退錯(cuò)距法的錯(cuò)距寬度按下式計(jì)算：

式中：a——錯(cuò)距寬度，m；

B——碾筒凈寬，m；

n——要求的碾壓遍數(shù)。

凡是碾壓機(jī)械壓實(shí)不到的地方以及壓實(shí)遍數(shù)不夠的部位，均應(yīng)采用小型夯實(shí)機(jī)械夯實(shí)或人工夯實(shí)補(bǔ)充合格，以保證不產(chǎn)生松軟地帶。

5 干尾砂碾壓質(zhì)量控制與檢測(cè)

在壩體堆筑過程中，應(yīng)分別檢查和控制鋪填厚度、碾壓遍數(shù)是否符合設(shè)計(jì)及施工要求，其中現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制主要是檢查控制含水率、干密度。企業(yè)應(yīng)定期檢測(cè)入庫(kù)干尾砂的含水率，至少每周應(yīng)檢測(cè)一次。當(dāng)檢測(cè)入庫(kù)干尾砂含水率超過設(shè)計(jì)含水率的10%時(shí)，應(yīng)增加檢測(cè)次數(shù)并分析原因、及時(shí)解決存在問題。入庫(kù)干尾砂含水率超過設(shè)計(jì)含水率的20%時(shí)，應(yīng)先停止排放，待問題解決后方可恢復(fù)排放。

企業(yè)應(yīng)定期檢測(cè)庫(kù)內(nèi)堆放尾礦的含水率、干密度，至少每月應(yīng)檢測(cè)一次。當(dāng)堆放尾礦的含水率、干密度與設(shè)計(jì)指標(biāo)偏離較大時(shí)，應(yīng)分析原因并及時(shí)解決。

干尾砂堆積壩壩體（包含永久性堆積體邊坡）的干密度檢測(cè)，應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。當(dāng)實(shí)測(cè)干密度低于設(shè)計(jì)要求的10%時(shí)，應(yīng)采取措施使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

碾壓后的干尾砂的干密度一般可采用灌砂法或灌水法測(cè)定。

6 結(jié)語(yǔ)

由于粗粒尾礦不存在最優(yōu)含水量，在進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)無法得到最優(yōu)含水量與最大干密度的關(guān)系曲線，因此對(duì)于粗粒尾礦來說，繼續(xù)采用壓實(shí)度作為壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)是不合適的。相對(duì)而言，對(duì)于砂性尾礦以相對(duì)密度作為碾壓標(biāo)準(zhǔn)更為合適。因此，對(duì)于干尾砂的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)不同性質(zhì)尾礦制定不同的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，以確保干堆尾礦體穩(wěn)定安全。