風水溝尾礦庫選礦廢棄料的現(xiàn)場碾壓試驗研究

王海龍，張延億，劉啟旺，唐安輝

（1.鞍鋼集團礦業(yè)公司，遼寧鞍山111000；2.中國水利水電科學研究院巖土工程研究所，北京100048；3.遼寧省冶金地質勘查局，遼寧鞍山111000）

風水溝尾礦庫選礦廢棄料的現(xiàn)場碾壓試驗研究

王海龍1，張延億2，劉啟旺2，唐安輝3

（1.鞍鋼集團礦業(yè)公司，遼寧鞍山111000；2.中國水利水電科學研究院巖土工程研究所，北京100048；3.遼寧省冶金地質勘查局，遼寧鞍山111000）

為滿足鞍鋼風水溝尾礦庫增容所需，擬對已建的尾礦壩進行加高，由此需在現(xiàn)有庫周圍修建副壩，壩型初定為堆石壩，筑壩材料擬采用選礦廢棄料。對于堆石壩而言，合理的筑壩材料碾壓參數(shù)是確保大壩填筑質量、提高堆石體的壓實密度及控制壩體變形的關鍵。本文針對副壩填筑擬采用的選礦廢棄料進行現(xiàn)場碾壓試驗，研究選礦廢棄料的壓實性能，分析影響筑壩材料壓實質量的因素。試驗研究表明：筑壩材料的顆粒級配特性對壓實質量有顯著的影響，碾壓8遍后進一步增加碾壓遍數(shù)對壓實干密度的影響不明顯。通過對試驗結果的綜合分析，最終提出了筑壩材料的碾壓施工控制參數(shù)，為副壩設計和施工提供了技術依據(jù)。

選礦廢棄料；現(xiàn)場碾壓試驗；顆粒級配

鞍鋼風水溝尾礦庫設計壩頂高程140.0m，對應的有效庫容為1.68億m3。到2008年為止，已累計入庫尾礦砂0.96億m3，還剩余有效庫容0.72億m3。目前所屬選礦廠每年向尾礦庫中排放的尾礦料折合體積為1 409萬m3，計算剩余庫容還可服務約5年。為滿足未來使用需求，擬從現(xiàn)壩頂設計高程140.0m擴容加高至160.0m。為配合現(xiàn)有尾礦庫的增容，需要在目前尾礦壩周圍低于設計增容對應高程的山嶺埡口部位修建副壩，壩型初擬為堆石壩，筑壩材料擬采用選礦廢棄料。對堆石壩而言，壩體變形是關乎壩體安全運行的關鍵因素。已有的研究成果和統(tǒng)計資料表明［1-2］，壩體變形量與壓縮模量成反比，而壓縮模量又與堆石體的壓實密度或孔隙率密切相關，為了減小壩體的變形，必須提高堆石體的壓實密度或降低堆石體的孔隙率。由此，確定合理的碾壓參數(shù)是保證堆石體壓實質量的關鍵。由于堆石壩建設中選用采礦廢棄料作為填筑材料的工程實踐較少，對此類材料進行現(xiàn)場碾壓試驗的研究顯得尤為重要。

1 研究內容及試驗流程

擬采用的選礦廢棄料的巖性大致為千枚巖、花崗巖以及千枚巖與花崗巖混合材料（簡稱混合料）3種材料。在設計擬定壩料填筑厚度和碾壓設備指標的基礎上，研究確定碾壓過程中是否加水、碾壓遍數(shù)等參數(shù)，同時結合現(xiàn)場試驗情況對壓實密度進行綜合分析，為設計選定壓實標準及確定碾壓參數(shù)提供依據(jù)。碾壓試驗場地按試驗設計要求整平并振動壓實，采用水準儀控制試驗場地的平整度，場地準備完畢后在其表面鋪50 cm厚同種試驗材料作為墊層料，墊層經(jīng)振動平碾振動碾壓12遍，以使其具有足夠剛度。試驗區(qū)域兩側預留一定寬度作為過渡帶，振動碾壓設備采用16 t自行式振動平碾。

根據(jù)類似堆石料現(xiàn)場碾壓試驗和壩體填筑經(jīng)驗，將3種筑壩材料的碾壓遍數(shù)定為8遍、10遍和12遍，振動平碾行車速度不大于4 km/h，試驗場地鋪土厚度50 cm，試驗材料的最大控制粒徑為350mm。碾壓試驗主要由攤鋪、碾壓和檢測三部分組成［3］。試驗料攤鋪采用后退法。試驗料堆放完畢后用推土機按設計鋪土厚度整平。各試驗工況組合區(qū)域交接處預留2m寬度的過渡帶，以減少不同試驗條件間的相互影響。各試驗組合內間隔布置沉降測點。試驗料碾壓依序同步進行，碾壓過程中采用水準儀測定試驗料表面沉降量，碾壓完畢后在試驗區(qū)域內開挖試坑并采用灌水法進行原位密度檢測［4］，檢測完畢后對試坑開挖料進行全級配顆粒分析試驗，對小于5mm的試驗料采用酒精燃燒法進行含水量檢測。確定碾壓參數(shù)后對3種試驗料分別進行一組復核試驗。

2 壓實干密度檢測結果及分析

采用灌水法對千枚巖、花崗巖和混合料3種試驗料在不同碾壓遍數(shù)工況下分別選取10個檢測點進行壓實干密度值檢測。確定碾壓參數(shù)后，在復核試驗場地分別選取5個檢測點進行壓實干密度檢測，3種試驗料的壓實密度檢測值見表1、表2和表3。

為便于對比壓實干密度值的分布及大小，將千枚巖和花崗巖壓實干密度值繪制在圖1內，由圖1可見，除剔除個別明顯異常值并不考慮碾壓遍數(shù)影響，千枚巖試驗料壓實干密度值分布在2.25～2.49 g/cm3范圍內的比例約為80％，其值變化范圍約0.24 g/cm3；花崗巖試驗料壓實干密度值分布在2.13～2.38 g/cm3范圍內的比例約為88％，其值變化范圍約0.25 g/cm3；據(jù)復核試驗壓實干密度檢測結果，千枚巖壓實干密度值在2.27～2.44 g/cm3范圍內的比例約為80％，干密度值變化范圍約0.17 g/cm3；花崗巖壓實干密度值在2.20～2.36 g/cm3范圍內的比例約為80％，干密度值變化范圍約0.16 g/cm3。

兩種試驗料壓實干密度值均有一定程度的離散，分析認為：（1）碾壓試驗3種試驗料均取自鞍鋼齊大山鐵礦的排巖場堆積料，由于在排巖過程中顆粒分離明顯，堆積體底部附近粗粒徑顆粒集中，中上部細粒徑顆粒集中。挖取試驗料從底部開始，未對堆積體的材料進行充分拌合，盡管在取運料及攤鋪過程中已對試驗料級配進行控制，但仍無法避免粗顆料集中的現(xiàn)象出現(xiàn)，導致各試坑土料級配存在差異，壓實干密度檢測值存在一定程度的離散；（2）由于試驗料取自鐵礦棄料，其中有含量不一的鐵礦石存在，而當試坑中包含有較多此類顆粒時，也將導致其壓實干密度值出現(xiàn)一定程度的離散性；（3）復核試驗前對試驗料進行了簡單拌合，一定程度上避免了粗顆粒集中和細顆粒積聚現(xiàn)象，干密度值均有一定程度的提高，且離散程度相對減小。由此認為，對于礦山選礦后的排巖堆石料，由于其堆積過程的特殊性，在用作筑壩材料時，應充分考慮其顆粒分離的影響，避免粗、細顆粒的集中和聚積。

3 壓實干密度值的影響因素

3.1 試驗料級配對壓實干密度值的影響為對比研究顆粒級配對壓實干密度的影響，在進行混合料碾壓試驗過程中只對混合料進行最大粒徑控制。而在復核試驗時除將超徑顆粒剔除外，取料過程中對試驗料也進行了一定程度的拌合，降低了試驗料的級配差異性。圖2為混合料壓實干密度檢測值。由圖2可見，采用不同取料及攤鋪方式后干密度檢測值存在明顯的差異?，F(xiàn)場碾壓試驗（不包括復核試驗）后的壓實干密度值分布在1.92～2.36 g/cm3范圍內的比例約為80％，其中干密度值變化范圍約0.44 g/cm3；復核試驗后的壓實干密度值分布在2.22～2.38 g/cm3范圍內的比例約為80％，其中干密度值變化范圍約0.16 g/cm3。

分析認為，對試驗料級配進行控制后壓實干密度值有顯著的提高，且其離散程度顯著降低?，F(xiàn)場檢測過程中發(fā)現(xiàn)，試驗料級配不良的試坑內部存在明顯架空現(xiàn)象。此類試坑內粗顆粒間少有細料，顆粒間空隙非常明顯，振動碾壓過程中，顆粒骨架間無細顆粒有效填充，導致此類試坑壓實干密度值顯著偏低。

為進一步對比試驗料顆粒級配對壓實干密度的影響，選取了混合料試驗區(qū)域中4個典型的試坑，進行開挖料級配曲線與干密度值對比分析，見圖3。試驗料的顆粒級配指標見表4。根據(jù)判別標準，當不均勻系數(shù)Cu≥5和曲率系數(shù)Cc=1～3時，試驗料的粒徑分布不均勻，級配良好，較大顆粒間的孔隙可有較小顆粒填充，試驗料容易被壓實；不完全滿足上述兩個條件的試驗料，均屬于級配不良，不易被壓實。結合圖3及表4結果可以發(fā)現(xiàn)，“碾壓8遍-1”和“碾壓8遍-3”試坑開挖料的顆粒級配均屬于級配良好，“碾壓12遍-2”和“碾壓12遍-3”試坑開挖料的顆粒級配均屬不良級配。對應碾壓8遍的干密度值反而明顯高于碾壓12遍條件下的值，這與一般的堆石料壓實規(guī)律相左。由此可以認為，顆粒級配對于排巖堆石材料的壓實質量有顯著的影響，是壩體填筑壓實的關鍵因素。

3.2 碾壓遍數(shù)對壓實干密度的影響3種試驗料的碾壓遍數(shù)均分別取8遍、10遍和12遍。圖4是千枚巖和花崗巖壓實干密度值與碾壓遍數(shù)變化關系圖。由圖4可見，碾壓遍數(shù)對壓實干密度的影響不明顯。綜合考慮壩體壓實質量保證及施工填筑效率，建議碾壓遍數(shù)不低于8遍。

4 加水有效性分析

已有堆石料填筑碾壓成果顯示［1，5-7］，堆石料加水碾壓可起到兩種作用：一是起潤滑作用，可減小碾壓時顆粒間相互移動的摩擦阻力，有利于堆石體的壓實；二是巖塊棱觸點受到軟化，在振動力作用下易于壓碎，細料可以填充骨架中的孔隙。在此兩種作用影響下，加水碾壓有助于提高堆石料的壓實密度。

現(xiàn)場試驗過程中，受所在區(qū)域持續(xù)降雨影響，試驗前各試驗料已達較高的含水率，盡管在試驗加水區(qū)域灑水約3％（體積含水率），但試坑開挖料中＜5 mm土料的含水量顯示（見表1、表2及表3），試驗料中細粒料的含水量大多處于5％～6％之間，與不加水時相近，說明對試驗料進行加水的效果不明顯，由此，在對本次試驗結果統(tǒng)計分析時也忽略了加水的影響，均按不加水工況考慮。

參照其它工程碾壓施工經(jīng)驗，認為應通過取料、卸料及攤鋪分階段進行加水，總加水量可按5％（體積含水量）左右控制。

5 結語

（1）采用廢棄鐵礦料進行筑壩時，由于堆料造成的顆粒分離及填筑料顆粒中程度不一的含鐵量將會造成壩體壓實干密度檢測結果呈現(xiàn)明顯的離散性。因此，壩體填筑質量控制宜采取施工工藝參數(shù)和壓實指標雙控的方法，把填筑料源及施工過程控制作為主要控制環(huán)節(jié)。

（2）填筑料的顆粒級配將顯著影響壓實干密度結果及壩體填筑的壓實效果，采用此類材料進行壩體填筑時需對上壩料的顆粒級配進行嚴格控制。

（3）填筑層鋪土厚度為50 cm，采用16 t振動平碾壓實，在碾壓遍數(shù)達到8遍后，進一步增加遍數(shù)對壓實干密度的提高不明顯。綜合考慮壩體壓實質量及填筑效率兩種因素，碾壓遍數(shù)可控制不低于8遍；加水量可根據(jù)現(xiàn)場施工時的氣候條件靈活掌握，按干料加水5％左右控制。

（4）壩體填筑壓實標準，可根據(jù)三種筑壩材料的的復核碾壓試驗結果確定。

參考文獻：

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［4］SL 237-1999，土工試驗規(guī)程［S］.

［5］張延億，劉啟旺，張海波.玉灘水庫筑壩材料現(xiàn)場碾壓試驗研究［J］.水利水電工程設計，2013，32（1）：64-72.

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［7］日本土質工學會.粗粒土的現(xiàn)場壓實［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.

Site rolling test of ore-d ressing waste gravels for Fengshuigou Tailing Reservoir

WANG Hai-long1，ZHANG Yan-yi2，LIU Qi-wang2，TANG An-hui3

（1.Anshan Iron and steel group corporation，Anshan 111000，China；2.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100048，China；3.Liaoningmetallurgical geological exploration bureau，Anshan 111000，China）

To enhance its capacity，the Fengshuigou Tailing Reservoir will be heightened.Hence，the sad?d le dam for this project，which is composed of ore-dressing waste gravels，is considered.As far as the rock-filled dam is concerned，reasonable rolling parameters are important to ensure rolling density and de?formation.Thus，the site rolling test of ore-dressing waste gravels is adopted to study the key factor of roll?ing density.It is demonstrated that the grain gradation of these materials has significant influence on rolling quality.On the other hand，rolling round has little influence on rolling density after 8 rolling round.Final?ly，based on comprehensive analysis of test results，the reasonable rolling parameters of these materials are proposed，which can provide reference for design and construction of saddle dams.

ore-dressing water materials；site rolling test；grain gradation

TU413.6

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.011

1672-3031（2014）01-0065-06

（責任編輯：王冰偉）

2013-05-09

中國水利水電科學研究院院專項（巖集1021）

王海龍（1974-），男，遼寧鞍山人，高級工程師，主要從事地質工程研究。

張延億（1979-），男，甘肅人，碩士，工程師，主要從事土的室內及現(xiàn)場試驗研究。E-mail：zhangyanyi@iwhr.com