某尾礦庫細(xì)粒尾礦堆存試驗(yàn)研究

徐嘉辰 曾霄祥

【摘 要】 本文通過溜槽試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)對(duì)細(xì)粒尾礦堆存規(guī)律進(jìn)行研究，提出了通過用旋流器稀釋放礦+人工干灘的細(xì)粒尾礦堆存的技術(shù)方案。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：旋流器底流稀釋后尾礦筑人工干灘方案實(shí)際沉積效果較好，人工干灘形成較快;旋流器底流稀釋后可大大提高沉積灘滲透性，有利于沉積灘面的快速排水固結(jié);現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明按現(xiàn)有給礦特性及旋流器運(yùn)行參數(shù)，能夠達(dá)到溜槽試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施過程中可通過優(yōu)化人工干灘區(qū)域排水和增設(shè)排滲設(shè)施能夠滿足尾砂筑壩要求。

【關(guān)鍵詞】 細(xì)粒尾礦;溜槽試驗(yàn);現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn);室內(nèi)土工試驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】 TD926 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）02-0025-03

為了解細(xì)粒尾礦對(duì)尾礦沖積灘坡度的影響及細(xì)粒尾礦筑壩物理力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，驗(yàn)證細(xì)粒尾礦堆存的可行性，本文采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)等方法對(duì)細(xì)粒尾礦力學(xué)性質(zhì)、滲透特性等進(jìn)行分析研究，確定了旋流器稀釋放礦+人工干灘的細(xì)粒尾礦堆存方案。

1項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目尾礦庫屬于山谷型尾礦庫，庫區(qū)北、東、西三面環(huán)山，尾礦壩位于庫區(qū)南側(cè)。初期壩為碾壓透水堆石壩，初期壩內(nèi)坡面鋪設(shè)加筋土工布反濾層;尾礦庫采用排水井-排水管的排洪系統(tǒng)，同時(shí)在壩內(nèi)設(shè)置水平排滲盲溝進(jìn)行排滲，根據(jù)規(guī)范，屬四等庫。

根據(jù)資料，入庫尾礦+200目?jī)H占16.84%，屬于典型的細(xì)粒級(jí)尾礦。本項(xiàng)目試驗(yàn)內(nèi)容主要為現(xiàn)場(chǎng)高濃度尾礦筑壩流槽試驗(yàn)研究，尾礦料土工試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)了解高濃度細(xì)粒級(jí)尾礦對(duì)尾礦沖積灘坡度的影響，并得出高濃度細(xì)粒級(jí)尾礦筑壩物理力學(xué)指標(biāo)的變化，為下一階段研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2溜槽試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在尾礦庫壩前西側(cè)布置溜槽，共設(shè)置平行兩個(gè)槽（1#溜槽，2#溜槽），溜槽長(zhǎng)度40m，其中1#溜槽采用尾礦漿分級(jí)后的底流稀釋放礦、2#溜槽采用尾礦漿分級(jí)后的底流直接放礦。溜槽槽底以現(xiàn)狀沉積灘面為底（模擬現(xiàn)狀灘面坡度與滲透條件），槽壁采用土裝砂袋堆筑外包土工膜（根據(jù)實(shí)際放礦條件下尾礦側(cè)向排水條件較差特性進(jìn)行模擬）。溜槽槽尾敞開并90度轉(zhuǎn)折，以摸清水利阻擋對(duì)放礦沉積的影響。

堆積壩頂溜槽前設(shè)置兩臺(tái)某型號(hào)旋流器對(duì)擬定尾礦漿進(jìn)行分級(jí)，旋流器底流出口直通溜槽槽首內(nèi)，其中1#溜槽增設(shè)排水管進(jìn)行底流稀釋，旋流器頂端溢流采用放礦管延伸排放至尾礦庫庫內(nèi)。具體布置圖如圖1所示。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)放礦結(jié)果表明，旋流器底流尾礦漿稀釋后的流動(dòng)性較好，能較好地自溜槽頂端流動(dòng)至溜槽底端，流動(dòng)過程分級(jí)沉積效果較為明顯。

未經(jīng)稀釋旋流器底流尾礦漿因濃度較高造成流動(dòng)性差，流動(dòng)狀態(tài)類似隆起淤積，流動(dòng)過程未見分級(jí)效果，沉積一段時(shí)間后灘面坡度接近于0°。

現(xiàn)場(chǎng)放礦結(jié)果表明，旋流器底流尾礦漿稀釋后在溜槽起點(diǎn)至30m處的沉淀分級(jí)效果較好，形成坡度及排水滲透效果較為理想;30m至出口段含泥量激增，坡度接近于0°，滲透性極差。

未經(jīng)稀釋的旋流器底流尾礦漿因濃度較高無水力分級(jí)效果，灘面為擠壓前行狀態(tài)，形成坡度接近于1°，且滲透性極差。

試驗(yàn)結(jié)果表明，旋流器的分級(jí)效果和產(chǎn)率是影響項(xiàng)目安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，需要盡快由廠家取樣試驗(yàn)并進(jìn)行旋流器參數(shù)調(diào)整。

3滲透及力學(xué)試驗(yàn)

根據(jù)尾礦庫相關(guān)規(guī)范要求及結(jié)合尾礦庫自身情況，開展尾礦物理性質(zhì)試驗(yàn)（含水率、密度、比重、塑液限及顆粒分析）和尾礦力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)（壓縮、滲透、固結(jié)快剪及三軸固結(jié)快剪）。

3.1滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

由上表可知：

在不考慮取樣誤差影響下，1#溜槽灘面滲透系數(shù)比現(xiàn)狀灘面滲透系數(shù)要大得多。

上述滲透試驗(yàn)表明，旋流器底流稀釋后可大大提高沉積灘滲透性，有利于沉積灘面的快速排水固結(jié)。

3.2壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)采用快速固結(jié)法進(jìn)行測(cè)定壓縮系數(shù)和壓縮模量，根據(jù)本次壓縮試驗(yàn)結(jié)果分別繪制兩種灘面下尾礦壓縮模量、壓縮系數(shù)與灘前距離關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可知，現(xiàn)狀灘面下壓縮系數(shù)較大、壓縮模量小，且隨灘前距離變化不規(guī)律（變化幅度大）;1#溜槽灘面壓縮模量大、壓縮系數(shù)減小，且隨灘前距離變化規(guī)律性強(qiáng)（變化幅度?。?。

3.3固結(jié)快剪試驗(yàn)

依據(jù)規(guī)范規(guī)定結(jié)合入庫尾礦特性，后期壩體穩(wěn)定性計(jì)算采用總應(yīng)力法所需的強(qiáng)度指標(biāo)，選用固結(jié)快剪（CQ）試驗(yàn)方法測(cè)尾礦試樣的強(qiáng)度指標(biāo)Ccq和φcq。為后續(xù)壩體穩(wěn)定性計(jì)算分析提供數(shù)據(jù)。試驗(yàn)主要采用儀器有SKDJ型直剪儀、位移計(jì)、BT224S型千分之一的電子天平及環(huán)刀。

在現(xiàn)狀灘面和1#溜槽灘面下，在灘前不同距離處分別取尾礦樣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，其試驗(yàn)指標(biāo)如表2所示。

由表2可知，1#溜槽灘面尾礦試樣凝聚力較現(xiàn)狀灘面有所減小、內(nèi)摩擦角有所增大，表明在旋流器底流稀釋放礦下，灘面尾礦黏粒含量減少，砂粒含量增加。

3.4三軸固結(jié)快剪試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在現(xiàn)狀灘面下已開展三軸剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)主要儀器為TSZ-2型三軸儀。將飽和后的試樣先在某一壓力作用下排水固結(jié)，然后在保持不排水的情況下，快速增大軸向壓力，使試樣中的剪應(yīng)力逐漸增大，直至達(dá)到極限平衡而剪切，由此求得尾礦試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)不僅能測(cè)出尾礦樣的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度，而且可以測(cè)出固結(jié)穩(wěn)定后尾礦樣的孔隙水壓力，還可以計(jì)算其有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

4現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)狀尾礦庫壩頂上均勻布置12臺(tái)旋流器，其中6臺(tái)為一組，2組交替使用。自選礦廠輸送來的尾礦漿在壩頂經(jīng)給料管輸送至旋流器給料口，底流管在壩前加水稀釋放礦，溢流管經(jīng)溢流匯集管匯集后輸送至距壩前200m庫內(nèi)排放。

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)中旋流器運(yùn)行參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)溜槽試驗(yàn)中旋流器運(yùn)行參數(shù)相同，考慮到后期尾砂筑壩安全性，本次試驗(yàn)調(diào)整了旋流器安裝高度及溢流管布置。

試驗(yàn)完成后在形成的灘面上取樣、試驗(yàn)，測(cè)得其相關(guān)指標(biāo)特性，就試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，判別該放礦工藝的可行性。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)可以得到如下結(jié)果：

底流稀釋放礦時(shí)由于灘面無側(cè)向約束，尾礦漿在灘面上呈現(xiàn)蜿蜒曲折流動(dòng)，相對(duì)靜水區(qū)存在少量細(xì)顆粒沉積現(xiàn)象。

灘前30m總體坡度約2°，30m～50m灘面總體坡度約1°，現(xiàn)場(chǎng)直觀感受及檢測(cè)灘前40m粗顆粒含量高。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣可知，灘前30m區(qū)域尾砂顆粒較粗，總體未見夾泥層，切面擾動(dòng)后即刻出現(xiàn)砂體失黏脫落現(xiàn)象;因透水性較強(qiáng)沉積一段時(shí)間后該段灘面含水量降低顯著、承載力顯著提高。灘前30m～50m區(qū)域?yàn)┟娲嬖谏倭考蛹?xì)現(xiàn)象，且處于飽和狀態(tài)，擾動(dòng)后易出現(xiàn)液化現(xiàn)象。

4.3結(jié)果分析

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)行如下總結(jié)：

在工業(yè)試驗(yàn)過程中，經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)踏勘分析，旋流器在經(jīng)數(shù)次調(diào)試后基本穩(wěn)定在額定運(yùn)行工況下，受選礦廠尾礦漿濃度、給礦量大小及壓力波動(dòng)影響，底流濃度總體處于55.0%～70.0%，+200目總體處于50.0%～68.0%。

工業(yè)試驗(yàn)旋流器底流濃度及分級(jí)效果基本達(dá)到溜槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)試驗(yàn)過程中由于灘面取樣受限，所測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少。依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，工業(yè)試驗(yàn)灘前50m范圍灘面+200目比例均在90%以上，可以達(dá)到溜槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，且灘前50m灘面+200目比例高于溜槽試驗(yàn)結(jié)果，分析原因?yàn)榱锊墼囼?yàn)?zāi)┒伺潘糠质茏?，?dǎo)致部分細(xì)顆粒尾礦提前沉積。

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)可知，盡管灘前0～50m范圍+200目含量較高，但在灘前40m～60m范圍沉積灘面幾乎處于飽和狀態(tài)，稍加擾動(dòng)即可迅速排水，但在自然沉積狀態(tài)下排水速率慢，影響其強(qiáng)度增長(zhǎng)，應(yīng)在該區(qū)域內(nèi)布設(shè)排滲設(shè)施，增大其排水能力，盡快完成固結(jié)，提高強(qiáng)度。

5結(jié)論

本次試驗(yàn)研究得到了以下結(jié)論：

現(xiàn)場(chǎng)溜槽試驗(yàn)、滲透及力學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，按試驗(yàn)方案進(jìn)行尾礦堆存，灘前50m干灘粗尾礦含量、灘面強(qiáng)度、滲透性較現(xiàn)狀灘面均有較大程度提升，有利于尾礦庫今后運(yùn)行的安全。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，經(jīng)旋流器分級(jí)后，底流+200目的尾礦含量為55%～65%。對(duì)比底流排放時(shí)加水稀釋與不加水稀釋兩種狀況表明，加水稀釋可使底流具有良好的水力分級(jí)效果，能大大提高人工干灘上+200目的顆粒比例，提高干灘滲透性及力學(xué)指標(biāo)。

對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)和溜槽試驗(yàn)沉積灘面尾礦顆粒分布情況可知，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)灘前50m區(qū)域?yàn)┟?200目含量高于溜槽試驗(yàn)結(jié)果，可知尾礦水及時(shí)有效流向庫內(nèi)可以增加細(xì)顆粒尾礦挾帶距離。

經(jīng)過滲透性試驗(yàn)分析可知，采用旋流器稀釋放礦后，灘前50m區(qū)域尾礦沉積灘滲透性明顯得以改善，其滲透系數(shù)約為現(xiàn)狀灘面下尾礦滲透系數(shù)的10～20倍。經(jīng)滲流分析可知，按擬定方案進(jìn)行后期尾礦堆存，能夠滿足尾礦庫運(yùn)行至終期期間的滲流控制要求。

綜上所述，試驗(yàn)中旋流器在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)行狀況良好，操作簡(jiǎn)便，降低了尾礦壩施工難度及堆筑成本，有利于企業(yè)今后的生產(chǎn)運(yùn)行。該成果經(jīng)下一階段進(jìn)一步研究后可在該尾礦庫細(xì)粒尾礦堆存中實(shí)施，同時(shí)經(jīng)優(yōu)化和完善后可在類似細(xì)粒尾礦筑壩項(xiàng)目中進(jìn)行推廣和使用，將具有顯著的安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

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