干法赤泥堆場周邊的安全影響區(qū)域分析

羅先進(jìn),楊小全

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

赤泥的處置是氧化鋁、氫氧化鋁生產(chǎn)工藝的重要組成部分,從20世紀(jì)90年代以來,我國鋁行業(yè)設(shè)計院與各氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)共同努力,對赤泥干法堆存技術(shù)做了大量工作,從工程實(shí)踐到理論研究積累了許多成功的經(jīng)驗(yàn),獲得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。赤泥干法堆存與傳統(tǒng)濕法堆存工藝相比,僅土地利用效率就提高了30%～40%,同時堆場的潰壩和滲漏風(fēng)險大幅降低。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國已建成干法赤泥堆場幾十余座,在赤泥綜合利用尚未實(shí)現(xiàn)消化大部分赤泥的情況下,干法堆存已成為赤泥堆存技術(shù)的主要發(fā)展方向。

在2014年之前,國內(nèi)尚無赤泥堆場的設(shè)計規(guī)范,赤泥堆場基本上是參照尾礦庫的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。隨著對赤泥性質(zhì)認(rèn)知的深入,發(fā)現(xiàn)其與尾礦有著較大的差異,需要有針對性的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,來指導(dǎo)設(shè)計和運(yùn)行管理。2014年國標(biāo)《干法赤泥堆場設(shè)計規(guī)范》發(fā)布,國內(nèi)干法赤泥堆場的設(shè)計按此執(zhí)行,其審批、驗(yàn)收、取證及運(yùn)行管理均參照《尾礦庫安全監(jiān)督管理規(guī)定》(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局令第38號)和《非煤礦礦山企業(yè)安全生產(chǎn)許可證實(shí)施辦法》(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局令第20號)進(jìn)行。據(jù)我們理解,最新兩個文件《關(guān)于印發(fā)防范化解尾礦庫安全風(fēng)險工作方案的通知》(應(yīng)急〔2020〕15號)和《遏制尾礦庫 “頭頂庫”重特大事故工作方案》(安監(jiān)總管一〔2016〕54號)不適用于干法赤泥堆場。另通過我們的了解,國內(nèi)的干法赤泥堆場大多數(shù)下游1 km范圍內(nèi)存在村莊、廠區(qū)或者高速公路等情況,目前均是參照尾礦庫管理,并未納入頭頂庫管理范疇。

1 干法赤泥堆場概況

貴州某氧化鋁廠采用拜耳法生產(chǎn)工藝,采用干法工藝對產(chǎn)生的赤泥進(jìn)行堆存處置,堆場類似于“平地型”,總占地面積約0.8 km2,實(shí)際最大堆存面積0.5 km2,四周埡口筑初期壩1～7#,往上整體再以上游式筑壩工藝?yán)^續(xù)堆存,始終保持“四周高、中間低”運(yùn)行模式,堆存規(guī)劃分為二期實(shí)施,總庫容約為2600萬m3,總壩高75 m,屬于三等赤泥堆場。堆場共分為4個堆存小區(qū),中間“十”字形交叉壩分隔,每個區(qū)各設(shè)置1座排水豎井,收集場內(nèi)垂直降雨,每級子壩頂形成環(huán)場道路,1#初期壩外坡面設(shè)入場上壩道路,赤泥濾餅經(jīng)入場道路、環(huán)場道路、中間分隔壩運(yùn)送至堆場內(nèi)。

赤泥堆場在氧化鋁廠區(qū)東北方向,堆場下游500 m范圍內(nèi)無集中居民點(diǎn),1#初期壩下游為回水池、回水泵房,距離400 m為氧化鋁倉及包裝堆棧,2#初期壩下游500 m為原料均化庫,3#副壩下游300 m為高速公路匝道,4#副壩下游300 m為高速公路匝道,500 m處為高速公路主線,5#、6#和7#副壩下游均為農(nóng)田。參照尾礦庫管理要求,從壩腳起至下游尾礦流經(jīng)路徑1.0 km范圍不能有居民或重要設(shè)施,但赤泥有其特殊性,干法赤泥堆場不完全等同于尾礦庫。

2 干法赤泥基本性質(zhì)

2.1 赤泥定義及化學(xué)成分

赤泥為“用含鋁的礦物原料制取氧化鋁或氫氧化鋁后所產(chǎn)生的廢渣”,是化學(xué)冶煉產(chǎn)生的工業(yè)廢渣,化學(xué)成分主要為SiO2、Al3O2、Fe2O3、CaO,其具體數(shù)值與生產(chǎn)所用鋁土礦的原始成分密切相關(guān),本研究針對的貴州某氧化鋁廠,采用國內(nèi)一水硬鋁石型鋁土礦生產(chǎn)。

2.2 赤泥的性能研究

為了更清楚的掌握赤泥的性能,對壓濾后的赤泥濾餅進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。主要包括顆粒粒徑、含水率、滲透性、抗剪強(qiáng)度等基本性質(zhì)試驗(yàn);自然固結(jié)及擊實(shí)試驗(yàn);赤泥浸泡試驗(yàn);赤泥淋洗試驗(yàn)等。

(1)顆粒粒徑

赤泥的顆粒組成主要為粉粒組和粘粒組,其中粉粒組平均含量為40.793%,粘粒組(包括膠粒)平均含量為22.397%,接近粘質(zhì)粉土或者粉質(zhì)粘土的顆粒組成,不均勻系數(shù)平均值為66.7,曲率系數(shù)平均值為3.39,均勻性差,顆粒級配較好。

(2)物理力學(xué)指標(biāo)

新鮮赤泥濾餅的性質(zhì)類似于粉質(zhì)粘土,含水率高,空隙比大,接近飽和狀態(tài)。其粘聚力平均值為25.8 kPa,摩擦角為23.6°,顆粒粒徑細(xì),力學(xué)性質(zhì)好。擊實(shí)試驗(yàn)表明,最優(yōu)含水率41%,最大干密度1.33?，F(xiàn)場赤泥虛鋪厚度0.5～1.0 m,經(jīng)過10天的自然晾曬,便可達(dá)到最佳含水率附近。

(3)浸泡試驗(yàn)

現(xiàn)場在自然固結(jié)赤泥進(jìn)行試坑浸泡試驗(yàn),浸泡24小時,結(jié)果顯示僅表面之下1～2 m的范圍含水率有所增強(qiáng),強(qiáng)度指標(biāo)下降至75%左右,碾壓后赤泥滲透系數(shù)能夠達(dá)到1x10-7cm/s。

(4)赤泥淋洗試驗(yàn)

現(xiàn)場通過對固結(jié)區(qū)赤泥進(jìn)行淋洗試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)淋洗液在初期的pH值約9.0,但隨著降雨持續(xù)延長,赤泥中堿被帶走,淋洗液的堿含量降低,pH值逐漸減小,隨降雨持續(xù),最后pH值趨于穩(wěn)定約8.0,且雨水懸浮物很低(根據(jù)回水池的檢測約80 mg/L)。因赤泥的粘結(jié)性能好,雨水沖刷基本上不帶走赤泥。

根據(jù)國內(nèi)大型赤泥堆場赤泥性能的試驗(yàn)研究,因礦石的特性及冶煉工藝的差別,導(dǎo)致赤泥的性能指標(biāo)上有所差異,但是整體而言均是滲透系數(shù)小、黏聚力高、強(qiáng)度高。

2.3 赤泥與尾礦的區(qū)別

赤泥和尾礦從定義上、產(chǎn)生的工藝上,是兩種截然不同的產(chǎn)物,赤泥是化學(xué)冶煉的產(chǎn)物,而尾礦是物理過程的產(chǎn)物。赤泥的顆粒粒徑、滲透系數(shù)與尾粉質(zhì)黏土類似。從物理力學(xué)性能指標(biāo)上比較,其強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同顆粒粒徑的尾礦,所以赤泥不同于尾礦,是兩種不同類型的物質(zhì)。

目前國內(nèi)赤泥堆場均采用濾餅干法堆存技術(shù),赤泥的堆積方式為:壓濾脫水晾曬后,層層碾壓堆積形成。根據(jù)各干法赤泥堆場的運(yùn)行情況,壩體內(nèi)不存在浸潤線,且堆場內(nèi)正常情況下無積水,安全環(huán)保風(fēng)險很低。而國內(nèi)絕大多數(shù)尾礦庫均是直接濕法漿液排放,庫內(nèi)長期積水,存在浸潤線,尾礦經(jīng)過自然沉積形成堆積狀態(tài)。因此,干法赤泥堆場與尾礦庫在堆存物料、堆積過程、堆存狀態(tài)上有著較大的區(qū)別,所以干法赤泥堆場不完全等同于尾礦庫。

表1 赤泥與尾礦的對比分析表

3 干法赤泥堆場本質(zhì)安全分析

3.1 壩坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)堆場現(xiàn)狀勘察參數(shù)進(jìn)行各壩體的穩(wěn)定性分析,選用各埡口處最大(最不利)斷面作為計算斷面,采用瑞典圓弧條分法,考慮了正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行、特殊運(yùn)行等3種工況,各工況計算參數(shù)選取:正常工況按現(xiàn)狀勘察參數(shù)正常取值;洪水工況根據(jù)赤泥浸泡試驗(yàn)結(jié)論,對表層2.0 m厚赤泥的參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減;特殊工況在洪水工況基礎(chǔ)上再疊加7度地震的影響。共進(jìn)行了6個壩體斷面的穩(wěn)定計算。

從分析的結(jié)果可知,堆場各埡口處最大堆積體在各工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,且安全富裕量大,本堆場為三等堆場,其邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到了二等堆場的安全系數(shù)要求,甚至已超過了一等堆場的安全系數(shù)要求,壩體失穩(wěn)(滑坡)風(fēng)險非常低。

3.2 排洪系統(tǒng)排水能力及結(jié)構(gòu)可靠性分析

(1)排水能力分析

赤泥堆場防洪標(biāo)準(zhǔn)按三等設(shè)計,按二等進(jìn)行校核,洪水重現(xiàn)期取1000年一遇。

堆場共設(shè)置4座鋼筋砼豎井,直徑2～4 m,各排水豎井上每隔0.8 m設(shè)置有4個φ400的排水口,窗口式豎井按自由泄流公式計算進(jìn)水能力,當(dāng)水位高度達(dá)到2.8 m時,豎井泄流能力已大于洪峰流量,水位將不再上漲,因此在豎井周圍設(shè)置深3.0 m的調(diào)洪池,豎井便可滿足直排洪峰需要,不會出現(xiàn)洪水漫頂風(fēng)險。

(2)排洪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠性分析

排洪系統(tǒng)采用井-管式方案,堆場底部DN1600-1800的排洪管均為現(xiàn)澆鋼筋砼管(C30砼),為加強(qiáng)排洪管道的安全性,管內(nèi)還加襯了DN1600、DN1800鋼管,經(jīng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核,排洪豎井及管道均滿足赤泥堆至最終880 m標(biāo)高時的荷載要求。通過多年的巡檢和觀測,目前的排洪豎井及管道運(yùn)行狀態(tài)良好,未發(fā)現(xiàn)有開裂、變形、及堵塞現(xiàn)象。

所以,經(jīng)過排洪系統(tǒng)排水能力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的復(fù)核,可以確定堆場的排洪系統(tǒng)排洪能力滿足條件、安全可靠性高,不會出現(xiàn)排洪系統(tǒng)失效或堵塞的風(fēng)險。

通過上述壩體邊坡穩(wěn)定性分析及排洪系統(tǒng)的可靠性分析,可以得出如下結(jié)論:赤泥堆場采用技術(shù)成熟的壓濾濾餅干堆方案,分期干赤泥筑子壩,壩體安全富裕度高;排洪系統(tǒng)安全可靠,排洪能力滿足高標(biāo)準(zhǔn)要求;加之企業(yè)的嚴(yán)格管理和運(yùn)行,確保了該堆場的穩(wěn)定性和防洪安全。

4 干法赤泥堆場對周邊安全影響控制區(qū)域分析

(1)壩體失穩(wěn)對周邊環(huán)境影響的分析

根據(jù)該堆場的特點(diǎn):堆場表面平時無積水,堆積體內(nèi)不形成穩(wěn)定浸潤線、壩體區(qū)域全碾壓,各壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)富裕量大。因此,該干法赤泥堆場不存在潰壩的可能。

該堆場現(xiàn)場新鮮濾餅實(shí)測的自然安息角約40°,而目前堆場各堆積邊坡坡度約20°～25°,小于自然安息角,所以,發(fā)生滑坡的可能性也很小。

根據(jù)《貴州省尾礦庫安全管理辦法》(省政府114號令)第五條要求,在赤泥堆場安全設(shè)施設(shè)計審查時,結(jié)合壩高劃定并審批了堆場周邊的安全控制區(qū)域?yàn)?72 m,該劃定的安全控制距離為特殊情況下壩體失穩(wěn)的最大影響距離。

滑移距離計算公式:

式中:H——堆積壩高,m;

Ф——碾壓赤泥內(nèi)摩擦角,取23.5°;

L——滑移距離,m。

又根據(jù)赤泥堆場周邊環(huán)境調(diào)查,堆場1#初期壩下游為回水池、回水泵房,2#初期壩下游500 m為原料均化庫,3#副壩下游300 m為高速公路匝道,4#副壩下游500 m處為高速公路主干道,因此,在審批劃定的172 m安全控制區(qū)域內(nèi)無重要設(shè)施,高速公路和廠區(qū)均在安全控制區(qū)域之外。

綜上可知,該干法赤泥堆場壩體安全富裕度高,赤泥力學(xué)性質(zhì)好,不存在壩體潰壩的風(fēng)險,即使發(fā)生壩體失穩(wěn),其影響范圍很小,對周邊環(huán)境的安全影響可控。

表3 堆積體滑移距離測算統(tǒng)計表

(2)降雨形成泥石流的可能性分析

該赤泥堆場類似于“平地型”,周邊匯水面積很小,主要的降雨集中在堆場表面。從調(diào)洪計算分析可以看出,赤泥堆場排洪系統(tǒng)已滿足二等庫(1000年一遇)洪水標(biāo)準(zhǔn),洪水漫頂?shù)娘L(fēng)險很低,即使按該區(qū)域極端暴雨情況(最大可能降雨)分析,豎井和管道的排洪能力也能滿足要求,不會發(fā)生洪水漫頂?shù)那闆r,不會形成泥石流對周邊環(huán)境造成破壞。

根據(jù)赤泥的模擬降雨淋洗試驗(yàn)結(jié)果,在不同降雨量條件下,隨著降雨持續(xù)時間延長,淋洗液開始pH值較大,隨后逐漸變小,最后趨于穩(wěn)定,且雨水懸浮物很低(根據(jù)回水池的檢測約80 mg/L)。因赤泥的粘結(jié)性能好,雨水沖刷基本上不帶走赤泥,不具備形成泥石流的條件。

堆場內(nèi)部的降雨不出現(xiàn)漫頂,降雨主要是對赤泥堆積壩體邊坡(面積較堆場小很多)的沖刷。目前的堆積壩邊坡均采用防滲膜鋪蓋、且各堆積壩壩頂均設(shè)置有排水溝收集雨水進(jìn)入回水池,能有效的控制降雨對堆場邊坡的影響。

表4 極端暴雨情況(最大可能降雨)排洪能力復(fù)核表

綜上可知,該干法赤泥堆場無論從漫頂可能性、還是從沖刷帶走赤泥的可能性,均不具備形成泥石流的條件,不會對下游環(huán)境造成破壞。從堆場這么多年的運(yùn)行情況來看,也充分證實(shí)了這點(diǎn)。

5 結(jié) 語

(1)赤泥具有滲透系數(shù)小、膠結(jié)性好、強(qiáng)度高等特性,決定了其不同于尾礦,干法赤泥堆場與尾礦庫在堆存物料、堆積過程、堆存狀態(tài)上有著較大區(qū)別,所以干法赤泥堆場不完全等同于尾礦庫。

(2)通過堆場歷次安全現(xiàn)狀評價,以及堆積邊坡的穩(wěn)定性分析和排洪系統(tǒng)的排水能力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的復(fù)核,堆積壩邊坡穩(wěn)定系數(shù)富余量大,雖為三等堆場,且安全系數(shù)滿足一等堆場的要求;排洪系統(tǒng)排水能力超過二等堆場的防洪標(biāo)準(zhǔn),即使遇到極端情況(最大可能降雨),其排水能力依然滿足不漫頂,并能在72小時內(nèi)排出庫外,排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足堆積荷載要求;堆場運(yùn)行管理嚴(yán)格按照設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行,壩體及排洪系統(tǒng)的監(jiān)測和排查并未發(fā)現(xiàn)損壞、堵塞等現(xiàn)象,所以,該堆場的本質(zhì)安全度較高,發(fā)生滑坡和泥石流的可能性很小,對周邊環(huán)境安全的影響非常小。

(3)堆場下游1 km范圍內(nèi)無村寨居民,周邊高速公路及廠區(qū)距離堆場邊界約500 m,根據(jù)《貴州省尾礦庫安全管理辦法》(省政府114號令)第五條要求,在赤泥堆場安全設(shè)施設(shè)計審查時,結(jié)合壩高劃定并審批了堆場周邊的安全控制區(qū)域?yàn)?72 m,該劃定的安全控制距離為特殊情況下壩體失穩(wěn)的最大影響距離,所以,該赤泥堆場對下游環(huán)境的安全風(fēng)險可控。

(4)國內(nèi)干法赤泥堆場的周邊環(huán)境,大多數(shù)堆場下游1 km內(nèi)存在村莊、廠區(qū)或者高速公路等情況。因赤泥是氧化鋁冶煉工業(yè)廢渣,其力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于同粒徑類型的尾礦;同時赤泥經(jīng)過壓濾脫水、自然晾曬、再層層碾壓形成堆積體,其安全性高,所以,目前國內(nèi)干法赤泥堆場均是參照尾礦庫管理,并未納入“頭頂庫”管理范疇。