蘇衛(wèi)宏 高結(jié)旺 吳小剛 秦 柯 盛 歡 方 勇

（1.銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.非煤露天礦山災(zāi)害防控國家礦山安全監(jiān)察局重點實驗室；4.中鋼集團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)利用國家工程研究中心有限公司）

尾礦庫作為礦山選礦配套設(shè)施，在維持礦山正常生產(chǎn)運行中起著至關(guān)重要的作用［1］。目前，國內(nèi)尾礦庫在進行尾礦處置堆存過程中，選廠入庫尾礦放礦通常采用集中或分散方式。尾礦漿在水攜泥沙自流特性作用下，通常在放礦點區(qū)域形成以粗粒顆粒分級的沉積灘面，庫尾部分形成澄清匯水區(qū)域；而在尾礦庫匯水區(qū)，尾礦經(jīng)自流分選作用，粒度呈現(xiàn)超細粒形態(tài)，其固化特性及形成的沉積灘面承載力極差，為后期尾礦庫進行閉庫綜合治理帶來了極大的不便利性［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)致尾礦庫水下及匯水區(qū)邊緣有效庫容利用率降低，造成尾礦庫有限資源浪費。因此，就整合提升尾礦庫水下及匯水區(qū)邊緣有效庫容綜合利用率，進行尾礦庫匯水區(qū)沉積灘面擠淤特性試驗研究。

目前國內(nèi)尾礦庫匯水區(qū)軟弱沉積灘面擠淤治理相關(guān)研究鮮有報道，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)在護岸工程深水區(qū)厚淤泥層進行地基處理，論證了其良好的適用性。鄭強強等［5］針對促淤圍涂工程中地基淤泥厚度大、軟土含砂等問題，研究了經(jīng)濟爆破耗材擠淤特性。徐學勇等［6］為完善爆破擠淤技術(shù)理論，通過建立爆破擠淤起爆控制理論模型，研究了爆破擠淤對堆石壩的影響。尾礦庫作為一高勢能泥石流危險源，若將爆破擠淤技術(shù)應(yīng)用在尾礦庫匯水區(qū)軟弱灘面處理中，其對尾礦壩安全無法進行定量評估。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，但鑒于尾礦庫工程特點，拋石（渣）擠淤技術(shù)應(yīng)用在尾礦庫中將耗費大量資金，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，在尾礦庫工程惡劣環(huán)境中難以實現(xiàn)。為此，該研究在尾礦庫工程特點的基礎(chǔ)上，利用尾礦庫現(xiàn)有條件，秉持有限資源充分利用的原理，對旋流器分級粗顆粒擠淤特性進行試驗研究，以論證該技術(shù)方法的適用性，為后續(xù)尾礦庫閉庫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股份有限公司冬瓜山銅礦老鴉嶺尾礦庫為工程背景，老鴉嶺尾礦庫位于安徽省銅陵市冬瓜山銅礦選礦廠南側(cè)約1.4 km 的天門鎮(zhèn)南洪村程家沖內(nèi)，庫形東西走向，西高東低，庫區(qū)面積50.922 萬m2，庫區(qū)匯水面積0.62 km2，屬山谷型尾礦庫。尾礦壩為一次性構(gòu)筑堆石壩，壩長729 m，最終壩頂標高+120 m，壩高80 m，總庫容1 935.57萬m3，有效庫容1 801.74 萬m3，可滿足選廠14 a 服務(wù)年限，設(shè)計屬三等庫。尾礦庫地理位置見圖1。

2022年12月，由于尾礦庫處于運行后期，根據(jù)尾礦庫實測地形圖得知，在后續(xù)新尾礦堆存場所未啟用且不突破原設(shè)計灘面最高標高+118.3 m的情況下，選廠按原放礦方式，老鴉嶺尾礦庫剩余可利用有限庫容將難以保障礦區(qū)后期正常生產(chǎn)，對冬瓜山銅礦的持續(xù)生產(chǎn)構(gòu)成影響。因此，為解決尾砂堆存處置問題，對老鴉嶺尾礦庫+118.3 m以下剩余有效庫容進行精細化利用研究（圖2），計劃將尾礦庫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行精細化放礦，尾礦庫匯水區(qū)可用庫容部分利用水下拋填粗尾砂進行擠淤高效堆存。該研究主要針對尾礦庫匯水區(qū)拋填粗尾砂擠淤特性進行室內(nèi)試驗研究。

2 試驗研究

2.1 試驗方案

旋流分級粗顆粒擠淤特性試驗采用控制變量的方法進行，研究單一變量（旋流分級粗粒土體積）對尾礦庫匯水區(qū)軟弱灘面細粒擠淤特性的影響規(guī)律。試驗方案中的細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，默認粗粒粒徑一致。

2.2 試驗材料及設(shè)備

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

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為測定取樣尾砂粒徑范圍，采用篩分法與密度計法進行尾砂粒徑顆分試驗，試驗結(jié)果見表2，粒徑級配曲線見圖3、圖4。

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

2.3 試驗流程

根據(jù)試驗方案規(guī)劃，試驗前先將現(xiàn)場取得的尾礦庫匯水區(qū)沉積灘面尾砂（細粒尾砂）利用攪拌槽加水攪拌均勻后，分別加入100 mL量筒內(nèi)，此次設(shè)計加入?yún)R水邊緣取細粒尾砂樣體積V1為24 mL。為保障每個量筒內(nèi)加入的細粒尾礦漿樣體積以及粒徑一致，采用邊攪邊加樣的次序進行，利用10 mL 量筒進行調(diào)節(jié)。各工況下細粒尾礦沉降效果見圖5。

待各工況下細粒尾礦沉降穩(wěn)定后，記錄尾礦沉降后體積，并根據(jù)試驗方案，利用與加入細粒尾礦量相同操作，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)定后細粒尾砂的量筒內(nèi)，待最終穩(wěn)定后讀取最終體積，并進行結(jié)果分析。加入粗尾礦漿后的擠淤沉降效果見圖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尾礦庫匯水區(qū)細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)計結(jié)果見表3，尾砂粗細比與擠淤體積關(guān)系曲線見圖7。

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由圖7可見，通過將旋流器分選粗顆粒尾砂進行水下放礦至原尾礦庫匯水區(qū)軟弱灘面，能夠?qū)ξ驳V庫匯水區(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程可分為澄清區(qū)、沉降區(qū)和壓密區(qū)。尾礦漿沉積過程中相對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)；而細顆粒在水中沉降速度相對較小，由于水的浮力作用，尾礦漿中相對細的顆粒黏粒形成絮凝結(jié)構(gòu)，進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)細粒尾礦在上部載荷的作用下被進一步壓密，進而達到擠淤的作用。

為進一步研究粗顆粒擠淤特性，通過將擠淤體積與粗細尾砂體積比進行擬合，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，以及后期尾礦庫軟弱灘面閉庫綜合治理過程中，擬合曲線方程V= 13.104n可為設(shè)計提供一定依據(jù)。

3.2 擠淤度與擠淤比變化規(guī)律

為進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為擠淤度，見式（2）；將相鄰尾礦粗細比值下擠淤差稱為擠淤比，見式（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。

尾砂粗細比與擠淤度、擠淤比的關(guān)系曲線見圖8。

由圖8 可見，擠淤度與尾砂粗細比呈正相關(guān)，但擠淤比與砂粗細比呈先增大后減小的規(guī)律發(fā)展，表明在向尾礦庫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；綜合分析認為，對于尾礦庫匯水區(qū)軟弱灘面進行閉庫綜合治理過程中，可選擇選廠經(jīng)旋流分級后的粗顆粒尾砂，且在尾礦庫條件允許的條件下，拋填粗顆粒尾砂體積選取為尾礦庫匯水區(qū)細粒尾礦體積的0.4倍，取得的效益最好。

4 工程應(yīng)用

為實現(xiàn)對老鴉嶺尾礦庫庫容最優(yōu)化利用及精細化放礦的目的，計劃將尾礦庫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行精細化放礦，尾礦庫匯水區(qū)可用庫容部分利用水下拋填粗尾砂進行擠淤高效堆存。因此，項目執(zhí)行前期需根據(jù)礦方提供的尾礦庫2022 年12 月實測地形圖，以及尾礦庫原設(shè)計情況，對池填堆存區(qū)進行圈定。圈定原則為在不突破尾礦庫原設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合當?shù)厮男畔⒓拔驳V庫排洪構(gòu)筑物現(xiàn)狀，利用水量平衡法進行調(diào)洪演算。通過持續(xù)迭代計算，圈定尾礦庫現(xiàn)狀，最大化有效利用庫容，計算結(jié)果見表4，調(diào)洪演算過程曲線見圖9。根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果，對池填區(qū)進行圈定，圈定結(jié)果見圖10。

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由圖10 可見，細化圈定池填堆存區(qū)中存在大面積的匯水區(qū)。通過地形圖量測，池填堆存區(qū)需進行水下拋填粗尾砂區(qū)域面積2.07萬m2，水下區(qū)域細粒淤泥約27.6萬m3。因此，為達到對老鴉嶺尾礦庫水下庫容精細化利用，以及為后期尾礦庫閉庫工程中軟弱灘面綜合治理提供良好的工程基礎(chǔ)，結(jié)合前期試驗研究成果，對老鴉嶺尾礦庫水下拋填粗顆粒擠淤尾砂，其與水下區(qū)域細粒淤泥體積比約為0.4∶1，測量得知水下拋填粗顆粒擠淤尾砂約7.68 萬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)計灘面標高+118.3 m。

擠淤現(xiàn)狀灘面見圖11。

由圖11 可見，通過對池填堆存匯水區(qū)水下拋填粗顆粒進行擠淤后，現(xiàn)狀灘面穩(wěn)定排水，固結(jié)沉降，沉積灘面形成硬實基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場實地調(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）老鴉嶺尾礦庫通過將旋流器分選粗顆粒尾砂進行水下放礦至原尾礦庫匯水區(qū)軟弱灘面，能夠?qū)ξ驳V庫匯水區(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）擠淤度與尾砂粗細比呈正相關(guān)，擠淤比與砂粗細比呈先增大后減小的規(guī)律發(fā)展。在尾礦庫條件允許下，拋填粗顆粒尾砂體積選取為尾礦庫匯水區(qū)細粒尾礦體積的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)。此次擠淤特性試驗結(jié)果不僅能提升尾礦庫匯水區(qū)的有效庫容利用率，亦可為后期尾礦庫閉庫軟弱灘面綜合治理工程提供良好的工程基礎(chǔ)。