孫靖霄，陳鐵亮，曹婷，呂犇，李文海

（中冶沈勘工程技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

尾礦庫是用以貯存金屬、在非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦的場(chǎng)所，是礦山的三大控制性工程之一，它的安全不僅關(guān)系到礦山自身的安全，而且還關(guān)系到周邊及下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安危。常見的上游式尾礦庫類別有濕式尾礦庫和干式尾礦庫，對(duì)應(yīng)的堆存工藝分別是“濕排”和“干堆”。兩種尾礦庫從規(guī)范要求到設(shè)計(jì)理念再到生產(chǎn)管理要求均有很大區(qū)別。通常情況下，尾礦庫均采用單一的堆存工藝，兩種堆存工藝在同一個(gè)尾礦庫轉(zhuǎn)換應(yīng)用實(shí)踐很少。本文分析了兩種堆存工藝，并就兩種堆存工藝在窯溝尾礦庫的變更實(shí)踐進(jìn)行了研究論證。

1 常見尾礦庫堆存工藝分析

1.1 常見堆存工藝

濕式尾礦庫是采用水力輸送排放的尾礦庫，堆存工藝通常采用水力沖填法使尾礦入庫，礦漿濃度一般為15%～25%，子壩則采用水力充填沉積或旋流器分級(jí)粗砂進(jìn)行堆筑[1]。濕式尾礦庫中的上游式尾礦堆存法具有筑壩工藝簡(jiǎn)單、管理方便、運(yùn)行費(fèi)用較低等突出優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)絕大部分尾礦庫采用濕式堆存。

干式尾礦庫采用機(jī)械排放尾礦且非洪水運(yùn)行條件下庫內(nèi)不存水的尾礦庫。尾礦干堆指采用大型脫水設(shè)備，將選礦排出的尾礦漿送到尾礦脫水車間，經(jīng)脫水設(shè)備充分過濾（或擠壓）成尾渣慮餅，濃度超過80%，經(jīng)過皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送至尾礦堆場(chǎng)里分層堆放的尾礦堆放方式[2]。干式堆存具有提升尾礦庫安全系數(shù)、庫容利用率高、服務(wù)年限延長(zhǎng)、提升回水利用率、節(jié)約藥劑消耗等特點(diǎn)。干式堆存由20世紀(jì)80年代興起，于20世紀(jì)90年代引進(jìn)到中國(guó)，目前應(yīng)用范圍較小。

1.2 工藝對(duì)比

干堆和濕排工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示[3]：

表1 尾礦庫干堆、濕排工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

1.3 工藝適用范圍

從工藝對(duì)比上可以看出，盡管干堆工藝優(yōu)點(diǎn)看似較多，但是干堆方法不適合于所有的礦山，選用它是考慮庫區(qū)工程水文地質(zhì)條件、貴金屬回收、較高的環(huán)保要求、地形限制無法建設(shè)傳統(tǒng)尾礦庫等因素。

在我國(guó)2014年統(tǒng)計(jì)的11666座尾礦庫中，有423座是“干堆”庫，從礦石類型看，干堆尾礦庫在國(guó)內(nèi)主要用于中小型金礦、中型有色金屬礦以及大型鐵礦和鋁冶煉廠；從處理量來看，國(guó)內(nèi)采用干堆的礦山尾礦量在100～2000t/d。

根據(jù)礦山特點(diǎn)、地理地形、氣候、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)性等因素考慮選用尾礦堆存方法，尾礦設(shè)施投資和運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性是尾礦貯存技術(shù)是否適用的關(guān)鍵[4]。

我們追蹤曾設(shè)計(jì)的干堆尾礦庫運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)對(duì)于某些地區(qū)大多數(shù)尾礦庫，由于礦石品位較低，鐵礦排尾量均較大，采用干堆技術(shù)是不合適的，尾礦進(jìn)行脫水干堆運(yùn)行成本高，企業(yè)負(fù)擔(dān)大，尾礦庫或者變更放礦方式或者停用，而對(duì)于一些尾礦量小、產(chǎn)值高的企業(yè)干堆尾礦庫運(yùn)行良好，詳情如表2所示。

表2 干堆工藝運(yùn)營(yíng)對(duì)比表

2 尾礦庫堆存工藝實(shí)踐

2.1 尾礦庫堆存工藝沿革

窯溝尾礦庫因下游周邊環(huán)境和庫區(qū)實(shí)際地形條件的限制（如圖1所示），最初采用“干堆”工藝堆存。自運(yùn)行以后，窯溝尾礦庫幾次變更脫水工藝，仍然難以控制尾礦含水量，導(dǎo)致干堆尾礦無法及時(shí)晾曬、碾壓堆存造成尾礦庫灘面雜亂無序，從而造成壩體尾砂密實(shí)度降低，不利于尾礦庫的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定。后來窯溝尾礦庫變更堆存工藝由“干堆”轉(zhuǎn)為“濕排”方式運(yùn)行至閉庫。

圖1 尾礦庫現(xiàn)狀衛(wèi)星圖

2.2 尾礦庫設(shè)計(jì)概況

窯溝尾礦庫設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高為610m，總壩高149m，總庫容為506.5萬m3，尾礦庫等別為三等。

（1）原設(shè)計(jì)-干堆工藝。初期壩采用透水堆石壩型，壩頂標(biāo)高490.0m，最大壩高29m，頂寬4m，外坡平均邊坡1:2，內(nèi)坡坡比1:1.75。尾礦壩設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高為610.0m，堆積壩高120m，外邊坡的平均坡比為1:3。排洪系統(tǒng)采用排水斜槽—消力池形式。排水斜槽斷面尺寸均為0.7m（寬）×1.0m（高），在排水斜槽下游出口處修建一座消力池。在外坡面每隔10m設(shè)置橫向壩面排水明溝，用豎向排水明溝連接。設(shè)置人工位移觀測(cè)設(shè)施。

（2）整改設(shè)計(jì)-濕排工藝。尾礦庫總壩高、總庫容及尾礦庫等別不變，提高尾礦庫管理等別，即洪水設(shè)防和邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)采用二等庫標(biāo)準(zhǔn)。

變更尾礦堆存工藝由干堆轉(zhuǎn)為濕排。對(duì)最后兩級(jí)子壩進(jìn)行削坡處理后，調(diào)整堆積壩平均邊坡坡比為1:3。后期壩的堆筑采用上游濕排法，每級(jí)子壩高度2.5m，子壩外坡比為1:2，內(nèi)坡比為1:1.5，每個(gè)子壩預(yù)留2.5m寬平臺(tái)。外坡平均邊坡坡比為1:3。在現(xiàn)狀壩體和擬堆壩體增設(shè)排滲設(shè)施，包括壩體水平排滲體及輻射井。增設(shè)在線位移和浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)和人工浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)設(shè)施，如圖2所示。

圖2 窯溝尾礦庫設(shè)計(jì)平面布置圖

2.3 干堆轉(zhuǎn)濕排可行性論證

（1）增補(bǔ)必要試驗(yàn)研究。針對(duì)窯溝尾礦庫周邊環(huán)境和濕排尾礦庫的規(guī)范要求，整改設(shè)計(jì)時(shí)由相關(guān)單位編制了尾礦堆積壩巖土工程勘察報(bào)告、壩體三維滲流安全分析報(bào)告和壩體地震動(dòng)力穩(wěn)定分析報(bào)告。上述三個(gè)報(bào)告的內(nèi)容和有關(guān)結(jié)論，充分論證了窯溝尾礦庫干堆轉(zhuǎn)濕排的可行性，同時(shí)提出了一些重要的注意事項(xiàng)和可以采取的有效措施，為設(shè)計(jì)單位提供了有力的技術(shù)支持，使設(shè)計(jì)單位可以抓住主要矛盾各個(gè)擊破，為尾礦庫的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

（2）采取可靠安全措施。設(shè)計(jì)采取了以下可靠安全措施：提高洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、提高壩體穩(wěn)定分析設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)化排滲設(shè)施、設(shè)置可靠監(jiān)測(cè)設(shè)施。

3 干堆轉(zhuǎn)濕排工藝研究

3.1 堆存工藝變更設(shè)計(jì)難點(diǎn)

由于窯溝尾礦庫最初設(shè)計(jì)采用干堆工藝，設(shè)計(jì)堆積壩外坡坡比為1:3，陡于常規(guī)濕排工藝堆積壩外坡坡比1:4；未設(shè)置壩體排滲設(shè)施；缺少浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)設(shè)施；部分標(biāo)高調(diào)洪庫容有限。上述問題對(duì)于采用干堆工藝來說可以滿足尾礦庫安全運(yùn)行的要求，但變更為濕排工藝后就存在諸多問題需要解決。

窯溝尾礦庫干堆轉(zhuǎn)濕排設(shè)計(jì)難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

（1）完善各項(xiàng)安全設(shè)施。堆存工藝由“干堆”轉(zhuǎn)為“濕排”是尾礦庫設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，由于干堆庫和濕排庫有很多不同規(guī)定，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過程中要進(jìn)行充分的論證并補(bǔ)充完善各項(xiàng)安全設(shè)施。

（2）浸潤(rùn)線埋深控制。堆存工藝變更后由于庫區(qū)內(nèi)的地形條件不宜變更為濕排尾礦庫常采用的邊坡坡比1:4，只能繼續(xù)按照平均坡比1:3繼續(xù)堆筑。較陡的平均坡比在進(jìn)行壩體穩(wěn)定性分析時(shí)，控制浸潤(rùn)線埋深較深，正常運(yùn)行控制浸潤(rùn)線埋深為14m，浸潤(rùn)線的控制也成為尾礦庫干堆轉(zhuǎn)濕排設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

（3）汛期調(diào)洪措施。堆存工藝變更后經(jīng)過調(diào)洪演算發(fā)現(xiàn)，因?qū)嶋H地形條件常規(guī)濕排工藝無法形成足夠的調(diào)洪庫容，導(dǎo)致尾礦庫安全超高滿足規(guī)范要求，但洪水工況時(shí)剩余干灘長(zhǎng)度無法達(dá)到提高管理等別為二等庫以后最小干灘長(zhǎng)度100m的要求，因此需要采用特殊的汛期運(yùn)行控制管理方式滿足汛期調(diào)洪要求。

3.2 浸潤(rùn)線的有效控制

（1）控制浸潤(rùn)線的確定。尾礦庫的滲流穩(wěn)定是尾礦庫安全的重要組成部分，而尾礦庫運(yùn)行過程中與滲流穩(wěn)定密切相關(guān)的就是壩體浸潤(rùn)線的埋深，通過同一監(jiān)測(cè)剖面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)讀取的浸潤(rùn)線埋深數(shù)據(jù)，可以繪制出該剖面的浸潤(rùn)線圖，作為壩體穩(wěn)定分析的重要參數(shù)，可以結(jié)合壩體的概化分層較準(zhǔn)確地計(jì)算出壩體的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，進(jìn)而判斷壩體的穩(wěn)定性是否滿足要求。

一般情況下，設(shè)計(jì)需要擬合出在滿足規(guī)范規(guī)定的壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)的臨界值對(duì)應(yīng)的臨界浸潤(rùn)線作為尾礦庫實(shí)際運(yùn)行中的控制浸潤(rùn)線，同時(shí)尾礦堆積壩下游坡浸潤(rùn)線的最小埋深還要滿足《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50863－2013）中的要求，（如表3所示）和滿足《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50191－2012）中的要求：一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)尾礦壩下游坡浸潤(rùn)線的最小埋深不宜小于6m，四級(jí)、五級(jí)尾礦壩不宜小于4m的設(shè)計(jì)條件。

表3 尾礦堆積壩下游坡浸潤(rùn)線的最小埋深（m）

對(duì)于某些地區(qū)的選鐵尾礦，由于尾礦中粗粒徑的比重占比較大，導(dǎo)致尾礦的滲透性能比較好，一般臨界浸潤(rùn)線值小于上述兩個(gè)規(guī)范中規(guī)定的浸潤(rùn)線最小埋深，故一般按照上述兩規(guī)范的埋深相對(duì)大值作為控制浸潤(rùn)線埋深值。窯溝尾礦庫由于堆積壩外邊坡較陡，壩體穩(wěn)定分析時(shí)，需要很深的浸潤(rùn)線埋深才能保證壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，這和常見的直接按照規(guī)范選取控制浸潤(rùn)線埋深有很大的區(qū)別，而且正常運(yùn)行時(shí)浸潤(rùn)線控制埋深達(dá)到14m。整改設(shè)計(jì)后，由于尾礦自己的特性，結(jié)合可靠的排滲設(shè)施以及實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)施等綜合手段，干堆轉(zhuǎn)濕排后，該尾礦庫的實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線埋深始終可以滿足設(shè)計(jì)要求，這對(duì)于尾礦庫的壩體穩(wěn)定起到了至關(guān)重要的作用。

（2）安全可靠的排滲設(shè)施。有效滲流控制是保證尾礦壩安全的關(guān)鍵，浸潤(rùn)線（面）埋深是判斷滲流安全狀況的最直接依據(jù)。對(duì)于高壩尾礦庫增加排滲設(shè)施可以更好地降低浸潤(rùn)線保證壩體安全，尤其是在壩體1/3高度到2/3高度之間的導(dǎo)滲設(shè)施對(duì)降低尾礦壩浸潤(rùn)線起著關(guān)鍵作用[5]。由于窯溝尾礦庫最初采用干堆方式堆存，設(shè)計(jì)中并未設(shè)置排滲設(shè)施。干堆轉(zhuǎn)濕排后，必須采取必要的排滲設(shè)施來降低壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線埋深，保證尾礦庫的安全運(yùn)行。

由于尾礦的滲透固結(jié)特性比較復(fù)雜，單一的排滲類型往往難以滿足安全穩(wěn)定要求，需要聯(lián)合采用不同的排滲措施[6]。窯溝尾礦庫排滲設(shè)施在設(shè)計(jì)時(shí)分了三個(gè)部分考慮：已有壩體通過設(shè)置輻射井降低現(xiàn)狀壩體浸潤(rùn)線；擬堆壩體通過設(shè)置水平排滲體來控制壩體的浸潤(rùn)線埋深；另外還根據(jù)三維滲流報(bào)告結(jié)論要求密切關(guān)注浸潤(rùn)線埋深。全方位的排滲設(shè)施的設(shè)計(jì)和管理措施，對(duì)該尾礦庫在正常運(yùn)行時(shí)浸潤(rùn)線埋深的控制起到了至關(guān)重要的作用，從轉(zhuǎn)濕排以后的運(yùn)行情況來看，所有采取的排滲設(shè)施都是有效的。

（3）安全可靠的觀測(cè)設(shè)施。由于窯溝尾礦庫最初采用干堆方式堆存，設(shè)計(jì)中并未設(shè)置浸潤(rùn)線觀測(cè)設(shè)施。干堆轉(zhuǎn)濕排后，必須采取必要的監(jiān)測(cè)設(shè)施來密切監(jiān)測(cè)尾礦庫的運(yùn)行控制參數(shù)，保證尾礦庫的安全運(yùn)行。

窯溝尾礦庫設(shè)置了較為完善的尾礦庫安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，采用在線監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)設(shè)施，其中人工水位觀測(cè)孔實(shí)際數(shù)量達(dá)到34個(gè)，遠(yuǎn)超出該尾礦庫正常設(shè)置個(gè)數(shù)，但因?yàn)樵撐驳V庫的浸潤(rùn)線埋深控制至關(guān)重要，如何能全面監(jiān)測(cè)壩體的重要區(qū)域，也只能出此對(duì)策，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來看，浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)設(shè)施的布置是必要的監(jiān)測(cè)手段。

3.3 轉(zhuǎn)濕排后的汛期調(diào)洪措施

一般正常濕排尾礦庫都是利用尾礦自然形成的沖擊坡度和干灘長(zhǎng)度來進(jìn)行調(diào)洪演算，不會(huì)在汛前采取其他的措施。但是，窯溝尾礦庫受實(shí)際地形條件所限，干堆設(shè)計(jì)時(shí)需要在灘面保證足夠干灘長(zhǎng)度后預(yù)留集水坑以形成有效的調(diào)洪庫容協(xié)助調(diào)洪，到達(dá)一定標(biāo)高以后只需要控制灘面坡度即可。轉(zhuǎn)濕排后通過調(diào)洪演算發(fā)現(xiàn)，尾礦庫安全超高滿足規(guī)范要求，但洪水工況時(shí)剩余干灘長(zhǎng)度無法達(dá)到提高管理等別為二等庫以后最小干灘長(zhǎng)度100m的要求，因此設(shè)計(jì)采用了修建寬頂子壩的方式滿足汛期調(diào)洪要求。在汛期前對(duì)干灘前110m的坡度進(jìn)行調(diào)整，采用寬頂子壩筑壩工藝，且持續(xù)保證寬頂子壩頂坡不小于2%，寬頂子壩頂標(biāo)高與正常水位高差不小于2m。汛期前應(yīng)及時(shí)修建攔擋壩，每次尾礦充填至攔擋壩頂標(biāo)高，應(yīng)及時(shí)修建下一期攔擋壩，直到汛期結(jié)束。汛期過后，不再持續(xù)修建寬頂子壩。下一年度汛期前應(yīng)及時(shí)修建完成攔擋壩，形成寬頂子壩，以滿足該年度汛期調(diào)洪要求。

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，寬頂子壩輔助調(diào)洪的可行性得到了充分的論證，對(duì)于庫型條件不好、庫長(zhǎng)較短導(dǎo)致的調(diào)洪庫容不足或者入庫洪峰流量、洪水總量較大的尾礦庫，寬頂子壩是有效的輔助調(diào)洪措施。只要在汛期嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制好防洪高度和寬頂子壩的長(zhǎng)度，就能夠保證尾礦庫安全度汛。

4 建議

尾礦堆存工藝受到礦山特點(diǎn)、地理地形、氣候、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)性等因素的影響[7]，尾礦設(shè)施投資和運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性是尾礦堆存技術(shù)是否適用的關(guān)鍵，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要合理選用適當(dāng)?shù)奈驳V堆存方法，經(jīng)必要的試驗(yàn)研究、運(yùn)營(yíng)成本分析及可行性論證后，采用可靠的堆存工藝。

當(dāng)正常運(yùn)行控制浸潤(rùn)線埋深較深時(shí)，應(yīng)結(jié)合可靠的排滲設(shè)施以及實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)施等綜合手段，來實(shí)現(xiàn)尾礦庫的浸潤(rùn)線控制，從而保證尾礦庫的壩體穩(wěn)定。

對(duì)于應(yīng)地形原因?qū)е碌恼{(diào)洪庫容不足的問題，可考慮汛期采用寬頂子壩輔助調(diào)洪，保證尾礦庫安全度汛。

5 結(jié)語

（1）窯溝尾礦庫安全運(yùn)行8年，經(jīng)歷了堆存工藝由“干堆”及“濕排”的過程，為今后需要變更堆存工藝的尾礦庫提供了重要設(shè)計(jì)參考。

（2）“干堆”及“濕排”的不同堆存工藝應(yīng)用到工程實(shí)踐前應(yīng)進(jìn)行充分的論證，無論采用何種堆存工藝，都應(yīng)從本質(zhì)上分析其合理性、安全性及可操作性。