貴州遵義鎳鉬礦尾礦庫設(shè)計(jì)

周建華，周吉謙，楊珊，李濤

（1.貴州西部礦業(yè)信成資源開發(fā)有限公司，貴州畢節(jié)553200；2.中南大學(xué)，長沙410083）

尾礦庫是由筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所。尾礦庫是礦山重要的組成部分，是一個具有高勢能的人造泥石流危險(xiǎn)源，存在潰壩危險(xiǎn)以及尾礦外泄污染事故，一旦失事，容易造成重特大事故。所以，尾礦庫的建設(shè)工作是礦山安全、經(jīng)濟(jì)、高效生產(chǎn)的重要保障［1－3］。

1 尾礦庫的組成、特點(diǎn)及作用

1.1 尾礦庫的組成

尾礦庫一般由尾礦堆存系統(tǒng)、尾礦庫排洪系統(tǒng)和尾礦庫回水系統(tǒng)等幾部分組成［4－5］，如圖1所示。

1）尾礦堆存系統(tǒng)

主要包括壩上放礦管道、尾礦初期壩、尾礦后期壩、浸潤線觀測、位移觀測以及排滲設(shè)施等。

2）尾礦庫排洪系統(tǒng)

一般包括截洪溝、溢洪道、排水管、排水井、排水隧洞等構(gòu)筑物。

3）尾礦庫回水系統(tǒng)

該系統(tǒng)大多利用庫內(nèi)排洪井、管道澄清水引入下游回水泵站，再揚(yáng)至高位水池。也有時在庫內(nèi)水面邊緣設(shè)置活動泵站直接抽取澄清水，揚(yáng)至高位水池。

1.2 尾礦庫的特點(diǎn)［6］

1）尾礦庫是礦山選礦廠生產(chǎn)不可缺少的設(shè)施

尾礦庫是礦山企業(yè)環(huán)境保護(hù)的重要建設(shè)項(xiàng)目，它可以防止礦山將尾礦排向江、河、湖、海、草原等地方。一個礦山的選礦廠只要有尾礦產(chǎn)生，就必須建設(shè)尾礦庫。

圖1 尾礦庫設(shè)施示意圖Fig.1 Diagram of tailings reservoir facilities

2）尾礦庫基建投資及運(yùn)行費(fèi)用巨大

尾礦庫的基建投資一般約占礦山建設(shè)總投資的10%以上，約占選廠投資的20%，有的甚至超過選廠投資。而且尾礦設(shè)施的運(yùn)行成本較高，有些礦山的尾礦設(shè)施運(yùn)行成本占選廠生產(chǎn)成本的30%以上。因此為減少運(yùn)行費(fèi)用，許多礦山的選礦廠廠址選擇要充分考慮尾礦庫的位置。

3）尾礦庫是礦山生產(chǎn)最大的危險(xiǎn)源

尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流的危險(xiǎn)源。在很長的一段時間里，各種自然的和人為的不利因素時時刻刻威脅著它的安全。許多事實(shí)表明，尾礦庫一旦失事，將給生產(chǎn)及人民的生命財(cái)產(chǎn)造成極其嚴(yán)重的災(zāi)害和損失。

1.3 尾礦庫的作用

1）有效保護(hù)環(huán)境

金屬礦山選廠產(chǎn)生的尾礦不僅數(shù)量大、顆粒細(xì)，且尾礦水中往往含有多種有害的化學(xué)藥劑，若不加處理，必然造成選廠周圍環(huán)境的嚴(yán)重污染。將尾礦貯存在尾礦庫內(nèi)，尾礦水在尾礦庫內(nèi)澄清后回收循環(huán)利用，可有效地保護(hù)環(huán)境。

2）可持續(xù)利用水資源

選礦廠生產(chǎn)需要消耗大量水資源，通常處理1t原礦需消耗水4～6t，而采用重力選礦技術(shù)有時會高達(dá)10～20t。這些水隨尾礦排入到尾礦庫內(nèi)，經(jīng)過沉降澄清以及自然凈化之后，大部分的水可供選礦工藝流程可持續(xù)利用，可以平衡枯水季節(jié)水源不足的供水補(bǔ)給。一般回水利用率達(dá)70%～90%。

3）合理保護(hù)礦產(chǎn)資源

有些尾礦中還含有大量有用礦物成分，甚至是稀有和貴重金屬成分。由于工藝技術(shù)原因，一時無法全部選凈，將其暫時貯存于尾礦庫中，將來技術(shù)成熟可以再進(jìn)行回收利用。

2 貴州遵義鎳鉬礦尾礦庫的選址決策

2.1 項(xiàng)目背景

貴州省遵義市陳家灣、楊大灣鎳鉬礦位于遵義市匯川區(qū)北西方向，直距15km，屬遵義市匯川區(qū)高坪鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)呈南北向展布，長約6 000m，寬約3 100m，面積18.4327km2。該礦主要采用地下開采，選礦設(shè)計(jì)規(guī)模年處理礦石66萬t，日處理礦石2 000t。

其中選礦廠的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：

選廠生產(chǎn)規(guī)模：2 000t／d。

工作制度：330d／a，3班／d，8h／班。

尾礦：1 133t／d，堆積干容重暫按11kN／m3。

廢石：600t／d，塊度30～90mm，松散系數(shù)1.5。

尾礦濃度：40%。尾礦粒度：–0.074mm占90%。

服務(wù)年限：礦區(qū)總服務(wù)年限為44.94年。

2.2 尾礦庫庫址選擇

1）堆壩方式

擬建尾礦庫用于堆存鎳鉬礦浮選產(chǎn)生的尾礦。由于尾礦粒度較細(xì)，如果采用細(xì)粒級尾礦上游法筑壩，則堆高需通常控制在40m以下，否則如果堆高過高，則堆積邊坡易出現(xiàn)沼澤化，甚至塌滑現(xiàn)象，不能保證其安全。

擬建尾礦庫如果采用上游法尾礦筑壩，則一般需控制堆高不超過40m。

2）尾礦庫庫址選擇

礦區(qū)位于貴州遵義市匯川區(qū)北西方向，直線距離15km，屬遵義市匯川區(qū)高坪鎮(zhèn)管轄。

由于采礦區(qū)域面積為18.43km2，尾礦庫庫址宜結(jié)合選廠廠址、服務(wù)年限等實(shí)際情況進(jìn)行選擇，盡量符合就近、節(jié)省投資、降低運(yùn)行成本的原則［7－8］。設(shè)計(jì)在礦區(qū)周圍現(xiàn)有地形圖范圍內(nèi)選擇4個方案作為擬選尾礦庫庫址：

方案一：爛泥埡庫址

該庫址所在溝位于礦區(qū)南向陳家院子上游1.3km處，由于溝口逐漸開闊，壩址選擇距溝口約200m處。匯水面積約1.0km2。溝長約1.2km，溝型為“V”型，溝的寬度較小。初期壩高60m，后期堆高40m。總庫容232.52×104m3，能為目前規(guī)模的選廠服務(wù)5年。初期壩體工程量約為85×104m3，如果采用選廠廢石分期筑初期壩，則選廠產(chǎn)生的廢石量不能滿足尾礦堆積要求的壩體上升高度；如果一次性筑壩，則基建投資和服務(wù)年限嚴(yán)重不合理。設(shè)計(jì)不推薦該庫址。

方案二：桃子臺庫址

該庫址位于礦區(qū)南向陳家院子上游700m處，包括爛泥埡溝、盧塘壩溝、水桶溝三條支溝，匯水面積4.34km2。初期壩筑于溝口一個小山包處，壩頂標(biāo)高1 065m時，壩高35m。后期采用尾砂上游法筑壩，堆高35m時，總庫容2 002.52×104m3，考慮子壩采用選廠的廢石堆筑，則可為目前規(guī)模選廠服務(wù)45年（含尾礦和廢石）。

方案三：市平溝庫址

該庫址位于礦區(qū)西側(cè)2km的市平溝，包括3條支溝，匯水面積4.54km2。初期壩壩高40m，堆高40m，總庫容可達(dá)1 722.4×104m3，能為選廠服務(wù)41年。但是據(jù)調(diào)查，該溝距溝口500m處的主溝為另一家公司的工業(yè)場地，其中左側(cè)支溝已堆積該公司較多的廢石；上游右側(cè)支溝目前也有多條采礦巷道，溝內(nèi)也堆積較多廢石，所以該條溝不能利用。

方案四：礦區(qū)東側(cè)庫址

該庫址位于礦區(qū)的東側(cè)，距礦區(qū)約4km，溝長約2km。但是由于礦區(qū)東側(cè)3km以遠(yuǎn)均為遵義市的水源保護(hù)區(qū)，所以該庫址方案不成立。

綜上所述，可以看出：方案一中由于溝窄，壩高與庫容技術(shù)經(jīng)濟(jì)不合理；方案二中在堆高可行的情況下，基本能滿足要求的服務(wù)年限；方案三的市平溝不能利用。所以設(shè)計(jì)擬推薦方案二的庫址作為低品位鎳鉬礦開發(fā)項(xiàng)目配套的尾礦庫。

3 貴州遵義鎳鉬礦尾礦庫的設(shè)計(jì)［5］

3.1 初期壩的確定

1）尾礦上游法筑壩

根據(jù)1∶10 000地形圖，桃子臺尾礦庫初期壩軸線設(shè)置在陳家院子上游小山丘處，使初期壩的壩軸線最短，工程量經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)計(jì)經(jīng)過庫容計(jì)算，當(dāng)初期壩壩頂高在35m，后期利用尾礦上游筑壩35 m可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)模選廠堆筑45年內(nèi)產(chǎn)生尾礦和廢石的需要。但是由于該庫初期庫長僅約600m，沉積灘長度按300m考慮，坡度按0.5%計(jì)，防洪高度僅為1.5m，經(jīng)過初步的調(diào)洪演算后，需要直徑17 m的排洪井和6.0m×6.0m的圓拱直墻型隧洞才能滿足規(guī)范的防洪要求，所以排洪系統(tǒng)尺寸不合理。后期庫長也僅700m，沉積灘長度僅能控制在300 m左右。即使考慮在庫尾設(shè)置攔洪壩，能截走的匯水面積為2.0km2，僅為庫區(qū)總匯水面積的一半。所以由于溝谷的地形限制，后期采用尾砂上游法筑壩不合理。

2）一次性筑壩

圖2 標(biāo)高與所需壩體工程量、廢石量曲線圖Fig.2 Curves of elevation，the required amount of dam projects，and overburden amount

根據(jù)選礦工藝資料選廠廢石塊度30～90mm，廢石量600t／d，服務(wù)年限內(nèi)總廢石量為499.4×104m3，年廢石量約為11×104m3，需建廢石場有效堆存。設(shè)計(jì)考慮將廢石場與尾礦庫合二為一，用選廠廢石筑壩，庫內(nèi)堆存尾礦。壩體為一次性筑壩，分期實(shí)施。

壩軸線處西側(cè)山體頂標(biāo)高僅為1 115m，旁邊小埡口頂標(biāo)高為1 095m；東側(cè)山體頂標(biāo)高基本為1 074m，一直延伸至主山體邊，通過對地形的分析，設(shè)計(jì)考慮最終壩頂為1 097m，經(jīng)初步估算，總庫容1 881.52×104m3，能堆存選廠45年產(chǎn)生的尾礦量。

一期壩體為碾壓堆石壩，壩頂標(biāo)高1 050.0m，壩高20.0m，上、下游邊坡均為1∶2.5。最終壩頂標(biāo)高時控制下游平均邊坡為1∶3.75。經(jīng)初步估算，如圖2所示，控制一定的加高高度，選廠廢石可以滿足筑壩要求。

3.2 尾礦庫庫容及等級確定

1）庫容計(jì)算

尾礦庫采用一次性筑壩，壩頂標(biāo)高1 097m，計(jì)算庫容如表1所示。

表1 尾礦庫庫容計(jì)算表Table 1 Statistical table of storage capacity of tailings pond

2）尾礦庫等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)［2］

根據(jù)規(guī)范中的壩高和全庫容，尾礦庫的等別定為三等。

相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)初期按200年一遇，中后期按500年一遇，防洪要求按碾壓土石壩有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

3.3 排洪系統(tǒng)

尾礦庫匯水面積為4.34km2，流域長度為2.034km，流域坡降為0.245；根據(jù)《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊》，洪水計(jì)算采用推理公式法［10］：

P＝0.5%，Qm＝193.17，τ＝0.601，W24＝107.0×104m3；

P＝0.2%，Qm＝221.96，τ＝0.598，W24＝123.76×104m3。

防洪計(jì)算時取平均沉積灘坡度為0.5%，灘長根據(jù)庫長按300m計(jì)。

根據(jù)有關(guān)計(jì)算，灘頂按至壩頂計(jì)算時，排洪系統(tǒng)尺寸過大，設(shè)計(jì)擬采用壩體按水庫壩攔洪考慮，控制灘頂與壩頂高差不小于3.0m，排水井D＝5m，H＝30m，2座；隧洞斷面B×H＝3.0m×3.0m，L＝1 200m，初期和中后期排泄規(guī)范要求壩頂安全超高均能滿足有關(guān)要求。

由于控制沉積灘頂，最終壩頂標(biāo)高在滿足服務(wù)年限的情況下，需加高至1 110m。

3.4 庫外排水系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)清濁分流，在尾礦庫3條支溝的庫尾最終淹沒范圍以上的適當(dāng)位置設(shè)置攔水壩和排水隧洞以排雨水。共包括3座攔水壩和3段排水隧洞，攔水壩壩高均為5m，采用漿砌塊石重力壩，頂寬1.5 m，下游邊坡1∶0.7，上游邊坡1∶0.2，隧洞凈斷面B×H＝1.5m×1.8m。

4 結(jié)論

本文對尾礦庫的組成、特點(diǎn)及作用進(jìn)行分析，結(jié)合貴州遵義鎳鉬礦基礎(chǔ)資料，經(jīng)多方案比較確定桃子臺庫址作為礦山配套的尾礦庫。初期壩為一次性筑壩，分期實(shí)施；后期采用選廠廢石下游法加高，推薦方案經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可行。其中壩軸線處西側(cè)山體頂標(biāo)高僅為1 115m，旁邊小埡口頂標(biāo)高為1 095 m；東側(cè)山體頂標(biāo)高基本為1 074m，一直延伸至主山體邊。通過對地形的分析，設(shè)計(jì)考慮最終壩頂為1 097m，經(jīng)初步估算，總庫容1 881.52×104m3，能堆存選廠45年產(chǎn)生的尾礦量。尾礦庫的建設(shè)能保證礦山安全、經(jīng)濟(jì)、高效生產(chǎn)，能創(chuàng)造好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］ 田文旗.我國尾礦庫現(xiàn)狀及安全對策的建議［C］／／2010中國礦山安全管理與技術(shù)裝備大會論文集，2010：49－65，70.

［2］ 李學(xué)民，鄭海遠(yuǎn).民營中小型尾礦庫設(shè)計(jì)探討［J］.有色金屬（礦山部分），2009，61（4）：74－76.

［3］ 魏作安，尹光志，沈樓燕，等.探討尾礦庫設(shè)計(jì)領(lǐng)域中存在的問題［J］.有色金屬（礦山部分），2002，54（4）：44－45，48.

［4］ 印萬忠，李麗匣.尾礦的綜合利用與尾礦庫的管理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［5］ 中國有色金屬工業(yè)總公司北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院.選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范ZBJ1－90［S］.北京：中華人民共和國建設(shè)部，1990.

［6］ 袁平，劉石橋.尾礦庫工程設(shè)計(jì)與低碳概念［J］.工程建設(shè)，2010，42（4）：24－28.

［7］ 張彥強(qiáng).符山鐵礦第二尾礦庫的選址與設(shè)計(jì)［J］.冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)，2000，32（2）：6－8.

［8］ 《尾礦壩設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》編寫組.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1980.