大塔沖尾礦庫(kù)前期低濃度尾礦漿堆積尾礦沉積規(guī)律研究

許漢華 何向榮 王光進(jìn) 眭素剛 夏源

摘?要：本文介紹了大塔沖尾礦庫(kù)前期低濃度尾礦漿堆積尾礦特征，該尾礦庫(kù)低濃度尾礦漿堆積尾礦的沉積規(guī)律、物理力學(xué)指標(biāo)等符合上游法堆積尾礦的一般沉積規(guī)律，其強(qiáng)度指標(biāo)能滿足尾礦庫(kù)正常生產(chǎn)及繼續(xù)堆積。但在尾礦濃度、生產(chǎn)方式改變后，需進(jìn)行尾礦堆積規(guī)律及強(qiáng)度的研究分析，確保尾礦壩的穩(wěn)定。研究數(shù)據(jù)能為尾礦庫(kù)的相關(guān)勘察、設(shè)計(jì)、施工、評(píng)價(jià)及運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：尾礦漿;低濃度;堆積尾礦特征;沉積規(guī)律;大塔沖尾礦庫(kù)

我國(guó)冶金、化工、有色、核工業(yè)等行業(yè)的礦山建設(shè)過(guò)程中，建設(shè)尾礦庫(kù)一般均采用上游法堆壩形成壩體，用以減少工作量，可極大降低尾礦庫(kù)建設(shè)投資[1]。尾礦庫(kù)工程為系統(tǒng)工程，包含采礦選礦等專業(yè)，涵蓋水力學(xué)、土力學(xué)、穩(wěn)定性綜合分析體系、筑壩工藝技術(shù)、病患綜合防治技術(shù)等學(xué)科背景，壩體材料為一種復(fù)雜介質(zhì)，受到沉積作用、筑壩工藝、排礦方法、水力沖刷等的控制，其滲流特性和靜動(dòng)力特性等會(huì)隨顆粒組成、時(shí)間、空間而發(fā)生相應(yīng)變化[2]。為了得到尾礦沉積規(guī)律，勘察設(shè)計(jì)工程師、科研工作者開展了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等大量工作。田莉梅等[3]基于現(xiàn)場(chǎng)沉積灘面及鉆孔尾礦取樣進(jìn)行室內(nèi)篩分、滲透試驗(yàn)，獲得了上游式尾礦顆粒在庫(kù)內(nèi)的沉積特征及規(guī)律，構(gòu)建了上游式尾礦庫(kù)流-固耦合數(shù)學(xué)模型，獲得了壩體的應(yīng)力場(chǎng)及孔隙壓力的分布規(guī)律。王光進(jìn)等[4]基于某高尾礦壩，闡述了壩體組成結(jié)構(gòu)及尾礦沉積特征規(guī)律，探究了各種工況下的壩體穩(wěn)定性，并提出了壩體災(zāi)害的相應(yīng)綜合防治措施。

1 低濃度尾礦漿沉積規(guī)律

粒度、尾礦性質(zhì)、礦漿濃度和排放形式影響堆積尾礦沉積規(guī)律。尾礦液出排放口后，就于灘面上形成扇形漫流區(qū)，流速減小，在重力作用下主要以中粗砂和細(xì)砂的粗粒尾礦在壩前的扇形區(qū)優(yōu)先沉積，其次為粉砂，接著為粉土，最后黏粒一般在靜水區(qū)沉積為懸浮質(zhì)[5]。據(jù)砂樣試驗(yàn)結(jié)果，低濃度尾礦漿堆積尾礦成分主要為尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土，尾礦堆積壩前主要為尾粉砂，不斷向庫(kù)內(nèi)延伸，尾粉土、尾粉質(zhì)黏土不斷增多，說(shuō)明尾礦沉積宏觀上具有上粗下細(xì)、壩前粗庫(kù)尾細(xì)的規(guī)律，在微觀上普遍分布著粗細(xì)相間的互層、夾層、交錯(cuò)層，尾礦在結(jié)構(gòu)上總體表現(xiàn)為各向異性、不均一性，符合上游法尾礦庫(kù)水流沉積尾礦的沉積規(guī)律及特征[6]。

2 堆積尾礦物理性質(zhì)

根據(jù)勘察對(duì)堆積壩上的尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土所進(jìn)行的物理性質(zhì)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1所示。

從表1中我們可以得出以下結(jié)論：尾礦的比重較大，這和尾礦所含的礦物成分有關(guān)系，尾礦的質(zhì)量密度、干密度值較大，比重、干密度隨粒度變小而變小，而質(zhì)量密度和含水量關(guān)系密切，水位以上相對(duì)較小[7]。

3 堆積尾礦的力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)對(duì)尾礦的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行的各種方法的試驗(yàn)結(jié)果，抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示：

從表2中我們可以得出以下結(jié)論：在上述的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果中，尾粉砂的φ值較大，尾粉土次之，尾粉質(zhì)黏土由于呈可塑至軟塑狀態(tài)抗剪強(qiáng)度較小[7]。

從表3中我們可以得出以下結(jié)論，顆粒由粗到細(xì)其變形模量由大逐漸變小，壓縮模量隨土的顆粒組成有關(guān)聯(lián)，土體易壓密實(shí)，粉質(zhì)黏土均呈軟～可塑狀態(tài)。

4 堆積尾礦滲透性

（1）根據(jù)對(duì)尾礦砂堆積體中的垂直滲透性試驗(yàn)，滲透試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示：

從表4中可以看出尾粉砂的滲透系數(shù)k要大于尾粉土。尾粉砂為中等透水層，尾粉土為弱透水層。

（2）為得到尾礦砂沉積灘面的滲透性，在各沉積灘面取淺層砂樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表5所示：

從上表可見(jiàn)，尾礦中水平滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于垂直滲透系數(shù)，這與尾礦砂沉積體中夾薄層、微薄層黏土有關(guān)，也即與尾礦的沉積規(guī)律及方式有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本尾礦庫(kù)低濃度尾礦漿堆積尾礦的沉積規(guī)律、物理力學(xué)指標(biāo)等符合上游法堆積尾礦的一般沉積規(guī)律，其強(qiáng)度指標(biāo)能滿足尾礦庫(kù)正常生產(chǎn)及繼續(xù)堆積。但在尾礦濃度、生產(chǎn)方式改變后，需進(jìn)行尾礦堆積規(guī)律及強(qiáng)度的研究分析，確保尾礦壩的穩(wěn)定。

對(duì)于低濃度尾礦漿堆積的尾礦，根據(jù)以上分析可以看出其物理性有如下特點(diǎn)：

（1）從顆粒級(jí)配上來(lái)看，壩前尾礦的中間粒徑（d30）處于0.05～0.075mm之間，平均粒徑（d50）均處于0.075～0.25mm之間，表明壩前尾礦粒組以粗粒級(jí)尾礦為主，尾礦顆粒集中在粉砂粒～細(xì)砂粒段，巖性定名基本為粉砂。

灘面尾礦的中間粒徑（d30）處于0.01～0.05mm之間，平均粒徑（d50）均處于0.05～0.075mm之間，表明壩前尾礦粒組以中～粗粒級(jí)尾礦為主，尾礦顆粒集中在粗粉?！凵傲６?，巖性定名基本為粉土。

從壩前—灘面，尾礦粒組變化和分級(jí)明顯，表明傳統(tǒng)上游法低濃度尾礦漿堆積的尾礦具有較好的分選性。

（2）從含水率上來(lái)看，壩前位置與灘面位置上的指標(biāo)變化較明顯，主要表現(xiàn)在含水率數(shù)值上具有較大的差別，壩前位置尾礦的含水率小于灘面尾礦的含水率。

（3）孔隙比：壩前位置尾礦的孔隙比與灘面上尾礦的孔隙比略大，這是壩前尾礦為粉砂，均勻好，而級(jí)配差導(dǎo)致孔隙比大，灘面尾礦以粉土為主，其級(jí)配相對(duì)比粉砂稍好，導(dǎo)致孔隙比較粉砂略小。

（4）密度上壩前尾礦比灘面尾礦略小。這是壩前尾礦為粉砂孔隙比大所致;反之灘面尾礦粉土孔隙比較粉砂略小而致密度比粉砂略大。比重方面粉砂與粉土基本相當(dāng)。

（5）由于尾礦顆粒相對(duì)較粗，分選性好，尾礦的滲透系性較高，表現(xiàn)為粉砂的垂直滲透系數(shù)在5.28×10-4～5.61×10-4cm/s之間，粉土的垂直滲透系數(shù)在2.73×10-4～7.73×10-4cm/s之間，表明傳統(tǒng)上游法堆積的尾礦無(wú)論粉砂還是粉土均具弱透水性，符合一般規(guī)律。

（6）飽和度及含水率方面，壩前尾礦的指標(biāo)比灘面尾礦的指標(biāo)低，這是砂類土和粉土在粒級(jí)上的差別所致，符合一般規(guī)律。

（7）從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，傳統(tǒng)上游法堆積的尾礦無(wú)論壩前位置尾礦及灘面上尾礦，其含水率數(shù)值均較小。粉土的含水率數(shù)值與液限數(shù)值差為3～5，表明尾礦在稠度上屬于潮濕～中濕狀態(tài)，也即屬于可塑～硬塑狀態(tài)。

由上文分析可知低濃度尾礦漿堆積尾礦的力學(xué)指標(biāo)有如下特點(diǎn)：

（1）低濃度尾礦漿堆積尾礦具中等～低壓縮性;

（2）抗剪強(qiáng)度指標(biāo)方面：粉砂的直剪快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)略小于直剪固結(jié)快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，但較為接近;粉土的直剪快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與直剪固結(jié)快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)基本相當(dāng)。僅存在直剪快剪粘聚力c值稍小于固結(jié)快剪粘聚力c值，表明傳統(tǒng)上游法堆積的尾礦在干灘地段固結(jié)程度較好。

（3）壩前位置尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與灘面尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)基本相當(dāng)，表明尾粉砂和尾粉土在粘粒含量和固結(jié)程度方面較相近。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏學(xué)軍.上游法尾礦堆筑壩壩體沉積規(guī)律探討[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2008（02）：54-58.

[2]陳殿強(qiáng)，王來(lái)貴.尾礦庫(kù)工程及加高過(guò)程力學(xué)特性研究[M].遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

[3]田莉梅，屈春來(lái)，張景華.上游式尾礦庫(kù)顆粒沉積規(guī)律及壩體滲流場(chǎng)分析[J].金屬礦山，2017（05）：60-64.

[4]王光進(jìn)，孔祥云，楊春和，張超.尾礦高壩的邊坡穩(wěn)定性研究[J].礦冶，2013，22（01）：1-5.

[5]余紹維，孫華，王兆昌，樊懷華，張鷹.上游法尾礦壩堆積尾礦的沉積規(guī)律與尾礦堆積壩管理的相關(guān)關(guān)系[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（06）：175-177.

[6]劉超，劉文連，樊亞紅.高濃度尾礦沉積規(guī)律研究[J].價(jià)值工程，2016，35（23）：172-174.

[7]夏源.尾礦壩的三維穩(wěn)定性與可靠度分析[D].昆明理工大學(xué)，2018.

作者簡(jiǎn)介：許漢華（1989—?），男，福建龍巖永定人，工程師，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)學(xué)基地班，長(zhǎng)期從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)、施工及地質(zhì)災(zāi)害治理等相關(guān)方面工作。