尾礦庫堆存工藝研究與實踐

孫靖霄，陳鐵亮，曹婷，呂犇，李文海

（中冶沈勘工程技術有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

尾礦庫是用以貯存金屬、在非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所，是礦山的三大控制性工程之一，它的安全不僅關系到礦山自身的安全，而且還關系到周邊及下游居民的生命財產安危。常見的上游式尾礦庫類別有濕式尾礦庫和干式尾礦庫，對應的堆存工藝分別是“濕排”和“干堆”。兩種尾礦庫從規范要求到設計理念再到生產管理要求均有很大區別。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尾礦庫轉換應用實踐很少。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踐進行了研究論證。

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粗砂進行堆筑[1]。濕式尾礦庫中的上游式尾礦堆存法具有筑壩工藝簡單、管理方便、運行費用較低等突出優點。我國絕大部分尾礦庫采用濕式堆存。

干式尾礦庫采用機械排放尾礦且非洪水運行條件下庫內不存水的尾礦庫。尾礦干堆指采用大型脫水設備，將選礦排出的尾礦漿送到尾礦脫水車間，經脫水設備充分過濾（或擠壓）成尾渣慮餅，濃度超過80%，經過皮帶運輸機輸送至尾礦堆場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、庫容利用率高、服務年限延長、提升回水利用率、節約藥劑消耗等特點。干式堆存由20世紀80年代興起，于20世紀90年代引進到中國，目前應用范圍較小。

1.2 工藝對比

干堆和濕排工藝的優缺點對比如表1所示[3]：

表1 尾礦庫干堆、濕排工藝優缺點對比表

1.3 工藝適用范圍

從工藝對比上可以看出，盡管干堆工藝優點看似較多，但是干堆方法不適合于所有的礦山，選用它是考慮庫區工程水文地質條件、貴金屬回收、較高的環保要求、地形限制無法建設傳統尾礦庫等因素。

在我國2014年統計的11666座尾礦庫中，有423座是“干堆”庫，從礦石類型看，干堆尾礦庫在國內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，國內采用干堆的礦山尾礦量在100～2000t/d。

根據礦山特點、地理地形、氣候、環保標準和經濟性等因素考慮選用尾礦堆存方法，尾礦設施投資和運營的經濟性是尾礦貯存技術是否適用的關鍵[4]。

我們追蹤曾設計的干堆尾礦庫運行情況，發現對于某些地區大多數尾礦庫，由于礦石品位較低，鐵礦排尾量均較大，采用干堆技術是不合適的，尾礦進行脫水干堆運行成本高，企業負擔大，尾礦庫或者變更放礦方式或者停用，而對于一些尾礦量小、產值高的企業干堆尾礦庫運行良好，詳情如表2所示。

表2 干堆工藝運營對比表

2 尾礦庫堆存工藝實踐

2.1 尾礦庫堆存工藝沿革

窯溝尾礦庫因下游周邊環境和庫區實際地形條件的限制（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，導致干堆尾礦無法及時晾曬、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度降低，不利于尾礦庫的長期安全穩定。后來窯溝尾礦庫變更堆存工藝由“干堆”轉為“濕排”方式運行至閉庫。

圖1 尾礦庫現狀衛星圖

2.2 尾礦庫設計概況

窯溝尾礦庫設計最終堆積標高為610m，總壩高149m，總庫容為506.5萬m3，尾礦庫等別為三等。

（1）原設計-干堆工藝。初期壩采用透水堆石壩型，壩頂標高490.0m，最大壩高29m，頂寬4m，外坡平均邊坡1:2，內坡坡比1:1.75。尾礦壩設計最終堆積標高為610.0m，堆積壩高120m，外邊坡的平均坡比為1:3。排洪系統采用排水斜槽—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設置橫向壩面排水明溝，用豎向排水明溝連接。設置人工位移觀測設施。

（2）整改設計-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，即洪水設防和邊坡穩定最小安全系數采用二等庫標準。

變更尾礦堆存工藝由干堆轉為濕排。對最后兩級子壩進行削坡處理后，調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，每級子壩高度2.5m，子壩外坡比為1:2，內坡比為1:1.5，每個子壩預留2.5m寬平臺。外坡平均邊坡坡比為1:3。在現狀壩體和擬堆壩體增設排滲設施，包括壩體水平排滲體及輻射井。增設在線位移和浸潤線監測和人工浸潤線監測設施，如圖2所示。

圖2 窯溝尾礦庫設計平面布置圖

2.3 干堆轉濕排可行性論證

（1）增補必要試驗研究。針對窯溝尾礦庫周邊環境和濕排尾礦庫的規范要求，整改設計時由相關單位編制了尾礦堆積壩巖土工程勘察報告、壩體三維滲流安全分析報告和壩體地震動力穩定分析報告。上述三個報告的內容和有關結論，充分論證了窯溝尾礦庫干堆轉濕排的可行性，同時提出了一些重要的注意事項和可以采取的有效措施，為設計單位提供了有力的技術支持，使設計單位可以抓住主要矛盾各個擊破，為尾礦庫的安全運行提供了技術保障。

（2）采取可靠安全措施。設計采取了以下可靠安全措施：提高洪水設防標準、提高壩體穩定分析設防標準、強化排滲設施、設置可靠監測設施。

3 干堆轉濕排工藝研究

3.1 堆存工藝變更設計難點

由于窯溝尾礦庫最初設計采用干堆工藝，設計堆積壩外坡坡比為1:3，陡于常規濕排工藝堆積壩外坡坡比1:4；未設置壩體排滲設施；缺少浸潤線監測設施；部分標高調洪庫容有限。上述問題對于采用干堆工藝來說可以滿足尾礦庫安全運行的要求，但變更為濕排工藝后就存在諸多問題需要解決。

窯溝尾礦庫干堆轉濕排設計難點有以下幾個方面：

（1）完善各項安全設施。堆存工藝由“干堆”轉為“濕排”是尾礦庫設計的難點，由于干堆庫和濕排庫有很多不同規定，導致在設計過程中要進行充分的論證并補充完善各項安全設施。

（2）浸潤線埋深控制。堆存工藝變更后由于庫區內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，只能繼續按照平均坡比1:3繼續堆筑。較陡的平均坡比在進行壩體穩定性分析時，控制浸潤線埋深較深，正常運行控制浸潤線埋深為14m，浸潤線的控制也成為尾礦庫干堆轉濕排設計的難點。

（3）汛期調洪措施。堆存工藝變更后經過調洪演算發現，因實際地形條件常規濕排工藝無法形成足夠的調洪庫容，導致尾礦庫安全超高滿足規范要求，但洪水工況時剩余干灘長度無法達到提高管理等別為二等庫以后最小干灘長度100m的要求，因此需要采用特殊的汛期運行控制管理方式滿足汛期調洪要求。

3.2 浸潤線的有效控制

（1）控制浸潤線的確定。尾礦庫的滲流穩定是尾礦庫安全的重要組成部分，而尾礦庫運行過程中與滲流穩定密切相關的就是壩體浸潤線的埋深，通過同一監測剖面各監測點讀取的浸潤線埋深數據，可以繪制出該剖面的浸潤線圖，作為壩體穩定分析的重要參數，可以結合壩體的概化分層較準確地計算出壩體的抗滑穩定系數，進而判斷壩體的穩定性是否滿足要求。

一般情況下，設計需要擬合出在滿足規范規定的壩坡抗滑穩定的最小安全系數的臨界值對應的臨界浸潤線作為尾礦庫實際運行中的控制浸潤線，同時尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深還要滿足《尾礦設施設計規范》（GB50863－2013）中的要求，（如表3所示）和滿足《構筑物抗震設計規范》（GB50191－2012）中的要求：一級、二級、三級尾礦壩下游坡浸潤線的最小埋深不宜小于6m，四級、五級尾礦壩不宜小于4m的設計條件。

表3 尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深（m）

對于某些地區的選鐵尾礦，由于尾礦中粗粒徑的比重占比較大，導致尾礦的滲透性能比較好，一般臨界浸潤線值小于上述兩個規范中規定的浸潤線最小埋深，故一般按照上述兩規范的埋深相對大值作為控制浸潤線埋深值。窯溝尾礦庫由于堆積壩外邊坡較陡，壩體穩定分析時，需要很深的浸潤線埋深才能保證壩坡抗滑穩定的最小安全系數滿足規范要求，這和常見的直接按照規范選取控制浸潤線埋深有很大的區別，而且正常運行時浸潤線控制埋深達到14m。整改設計后，由于尾礦自己的特性，結合可靠的排滲設施以及實時的在線監測設施等綜合手段，干堆轉濕排后，該尾礦庫的實測浸潤線埋深始終可以滿足設計要求，這對于尾礦庫的壩體穩定起到了至關重要的作用。

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

由于尾礦的滲透固結特性比較復雜，單一的排滲類型往往難以滿足安全穩定要求，需要聯合采用不同的排滲措施[6]。窯溝尾礦庫排滲設施在設計時分了三個部分考慮：已有壩體通過設置輻射井降低現狀壩體浸潤線；擬堆壩體通過設置水平排滲體來控制壩體的浸潤線埋深；另外還根據三維滲流報告結論要求密切關注浸潤線埋深。全方位的排滲設施的設計和管理措施，對該尾礦庫在正常運行時浸潤線埋深的控制起到了至關重要的作用，從轉濕排以后的運行情況來看，所有采取的排滲設施都是有效的。

（3）安全可靠的觀測設施。由于窯溝尾礦庫最初采用干堆方式堆存，設計中并未設置浸潤線觀測設施。干堆轉濕排后，必須采取必要的監測設施來密切監測尾礦庫的運行控制參數，保證尾礦庫的安全運行。

窯溝尾礦庫設置了較為完善的尾礦庫安全監測設施，采用在線監測和人工觀測相結合的監測設施，其中人工水位觀測孔實際數量達到34個，遠超出該尾礦庫正常設置個數，但因為該尾礦庫的浸潤線埋深控制至關重要，如何能全面監測壩體的重要區域，也只能出此對策，根據實際運行結果來看，浸潤線監測設施的布置是必要的監測手段。

3.3 轉濕排后的汛期調洪措施

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度來進行調洪演算，不會在汛前采取其他的措施。但是，窯溝尾礦庫受實際地形條件所限，干堆設計時需要在灘面保證足夠干灘長度后預留集水坑以形成有效的調洪庫容協助調洪，到達一定標高以后只需要控制灘面坡度即可。轉濕排后通過調洪演算發現，尾礦庫安全超高滿足規范要求，但洪水工況時剩余干灘長度無法達到提高管理等別為二等庫以后最小干灘長度100m的要求，因此設計采用了修建寬頂子壩的方式滿足汛期調洪要求。在汛期前對干灘前110m的坡度進行調整，采用寬頂子壩筑壩工藝，且持續保證寬頂子壩頂坡不小于2%，寬頂子壩頂標高與正常水位高差不小于2m。汛期前應及時修建攔擋壩，每次尾礦充填至攔擋壩頂標高，應及時修建下一期攔擋壩，直到汛期結束。汛期過后，不再持續修建寬頂子壩。下一年度汛期前應及時修建完成攔擋壩，形成寬頂子壩，以滿足該年度汛期調洪要求。

經過實際運行，寬頂子壩輔助調洪的可行性得到了充分的論證，對于庫型條件不好、庫長較短導致的調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洪措施。只要在汛期嚴格按照設計要求控制好防洪高度和寬頂子壩的長度，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、地理地形、氣候、環保標準和經濟性等因素的影響[7]，尾礦設施投資和運營的經濟性是尾礦堆存技術是否適用的關鍵，因此在設計時要合理選用適當的尾礦堆存方法，經必要的試驗研究、運營成本分析及可行性論證后，采用可靠的堆存工藝。

當正常運行控制浸潤線埋深較深時，應結合可靠的排滲設施以及實時的在線監測設施等綜合手段，來實現尾礦庫的浸潤線控制，從而保證尾礦庫的壩體穩定。

對于應地形原因導致的調洪庫容不足的問題，可考慮汛期采用寬頂子壩輔助調洪，保證尾礦庫安全度汛。

5 結語

（1）窯溝尾礦庫安全運行8年，經歷了堆存工藝由“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計參考。

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