干堆尾礦庫干尾砂壓實標準探討

王立彬，蒙 萌，劉 碩，劉新剛，田文高，王明明

（1.中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北秦皇島066004；2.銅源國際工程設計研究有限公司，河北秦皇島066004；3.鞍鋼礦業(yè)有限公司齊大山選礦廠，遼寧鞍山114000）

尾礦干堆技術(shù)起源于國外，于20世紀90年代初引入我國，首先應用到黃金尾礦處理方面，隨后逐步推廣到鐵礦、銅礦、鋁礦、磷礦等其他有色金屬非金屬礦山尾礦處理中。我國對尾礦干堆技術(shù)開發(fā)研究起步較晚，尾礦干堆技術(shù)運行多年，一直沒有相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程指導其設計與施工，直到2013 年由中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部、中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布《尾礦設施設計規(guī)范》[1]（GB 50863-2013），該規(guī)范從國家標準的層面對尾礦干式堆存進行了相關(guān)規(guī)定。

干堆尾礦庫是指用以貯存金屬非金屬礦山選礦廠排出的尾礦漿經(jīng)固液分離后的干尾砂的場所[2]。干尾砂進入干堆尾礦庫后，為保證尾礦干堆體穩(wěn)定性，需對其進行碾壓處理。相關(guān)試驗表明，尾礦干堆體的密實度對抗剪強度有明顯影響，密實度越高，抗剪強度越大[3]?！段驳V設施設計規(guī)范》（GB 50863-2013）規(guī)定“影響堆積壩體穩(wěn)定性的區(qū)域應分層碾壓加高，壓實度不低于0.92。在不影響堆積壩體穩(wěn)定的區(qū)域可適當降低碾壓標準”。我國大多數(shù)全尾礦既不屬于砂性土，也不屬于粘性土，統(tǒng)一以壓實度作為碾壓標準是否合理，作者結(jié)合工程經(jīng)驗對干尾砂壓實標準進行分析探討。

1 尾礦定名分級

尾礦分砂性尾礦、粉性尾礦及粘性尾礦，砂性尾礦又細分為尾礫砂、尾粗砂、尾中砂、尾細砂、尾粉砂，粉性尾礦特指尾粉土，粘性尾礦包括尾粉質(zhì)粘土、尾粘土，具體劃分標準見表1。在土力學中，根據(jù)土顆粒的粒徑大小劃分為不同的粒組，具體粒組劃分見表2。根據(jù)土力學中關(guān)于土的粒組劃分標準，砂性尾礦屬于粗粒組，而粉性尾礦、粘性尾礦則屬于細粒組。

2 干尾砂壓實標準探討

在土力學中，壓實是指土體在壓實能量作用下，土顆?？朔ｉg阻力，產(chǎn)生相對位移，使土中的孔隙減小，密度增加，細粒土的壓實標準采用壓實度控制（亦稱壓實系數(shù)λc），壓實度是指材料壓實后的干密度與標準最大干密度之比，它是碾壓施工質(zhì)量檢測的關(guān)鍵指標之一，表征現(xiàn)場壓實后的密實狀況，壓實度越高，密度越大，整體性能越好。由于在施工現(xiàn)場用壓實度進行施工質(zhì)量控制不方便，往往將壓實度轉(zhuǎn)換成干密度作為現(xiàn)場控制質(zhì)量的依據(jù)。粗粒土的壓實標準采用相對密度Dr控制[5]，相對密度=（控制干密度-最小干密度）×最大干密度/（最大干密度-最小干密度）×控制干密度。

《碾壓式土石壩設計規(guī)范》[6]（SL 274-2001）對粘性土的填筑標準以壓實度和最優(yōu)含水率作為設計控制指標，要求：1 級、2 級壩和高壩的壓實度應為98%～100%，3級中、低壩及3級以下的中壩壓實度應為96%～98%；對砂礫石和砂的填筑標準以相對密度作為設計控制指標，要求：砂礫石的相對密度不應低于0.75，砂的相對密度不應低于0.70?！兜谭拦こ淘O計規(guī)范》[7]（GB 50286-2013）對粘性土土堤的填筑標準按壓實度確定，要求：1 級堤防不應小于0.95，2 級和堤身高度不低于6m的3級堤防不應小于0.93，堤身高度低于6m的3級及3級以下堤防不應小于0.91；對無粘性土土堤的填筑標準按相對密度確定，要求：1級、2級和堤身高度不低于6m的3級堤防不應小于0.65，堤身高度低于6m的3 級及3 級以下堤防不應小于0.60?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》[8]（JGJ 79-2012）對不同填土的壓實標準以壓實系數(shù)確定，壓實系數(shù)范圍在0.94～0.97?！豆仿坊O計規(guī)范》[9]（JTG D30-2015）對不同填方路基的壓實標準以壓實度確定，壓實度范圍在0.90～0.94?！惰F路路基設計規(guī)范》[10]（TB 1001-2016）對不同填方路基的壓實標準以壓實系數(shù)確定，壓實系數(shù)范圍在0.90～0.92。

表1 原尾礦定名分級表[1]

表2 土的粒組劃分[4]

為何粗粒土的壓實性以相對密度為標準，而不再以壓實度為標準，原因在于盡管砂和砂礫等粗粒土的壓實性也與含水量有關(guān)，但一般不存在一個最優(yōu)含水量。由于粘性土存在著最優(yōu)含水量，因此在填土施工時將土料的含水量控制在最優(yōu)含水量左右，以期用較小的能量獲得較高的密度。

干尾砂的壓實標準在《尾礦設施設計規(guī)范》（GB 50863-2013）中有明確規(guī)定：影響堆積壩體穩(wěn)定的區(qū)域應分層碾壓加高，壓實度不應低于0.92，在不影響堆積壩體穩(wěn)定的區(qū)域可適當降低碾壓標準。尾礦分砂性尾礦、粉性尾礦及粘性尾礦，對于砂性尾礦不存在最優(yōu)含水量，在進行擊實試驗時無法得到最優(yōu)含水量與最大干密度的關(guān)系曲線，采用壓實度作為壓實標準是不合適的。相對而言，對于砂性尾礦以相對密度作為碾壓標準更為合適。規(guī)范中未區(qū)分砂性尾礦還是粘性尾礦，統(tǒng)一以壓實度作為碾壓標準，嚴格來說是有差別的，對干尾砂的壓實質(zhì)量是有影響的。因此，對于干尾砂的壓實標準應根據(jù)不同性質(zhì)尾礦制定不同的壓實標準，以確保干堆尾礦體穩(wěn)定安全。

3 干尾砂壓實參數(shù)確定

干尾砂的平整壓實，除了應根據(jù)干尾砂的性質(zhì)正確地選擇壓實機具外，還應合理地確定干尾砂的鋪填厚度、壓實遍數(shù)等各項壓實參數(shù)，以使壩體達到要求的壓實度，而消耗的壓實功能又最少。由于影響干尾砂壓實的因素很復雜，目前還不能通過理論計算或由試驗室確定各項壓實參數(shù)，宜通過現(xiàn)場壓實試驗進行選擇?，F(xiàn)場壓實試驗應在壩體堆筑以前，干尾砂和壓實機具已經(jīng)確定的情況下進行。

當初步選定壓實機具類型后，即可通過現(xiàn)場碾壓試驗進一步確定為達到設計要求的各項壓實參數(shù)，如鋪填厚度、碾壓遍數(shù)等。

在碾壓試驗前，先通過理論計算并參照已建類似工程的經(jīng)驗，初選幾種碾壓機械參數(shù)和擬定幾組碾壓參數(shù)，采用逐步收斂法進行試驗。所謂逐步收斂法系指固定其他參數(shù)，變動一個參數(shù)，通過試驗得到該參數(shù)的最優(yōu)值。將優(yōu)選的此參數(shù)和其他參數(shù)固定，再變動另一個參數(shù)，用試驗確定其最優(yōu)值。以此類推，得到每個參數(shù)的最優(yōu)值。最后將這組最優(yōu)參數(shù)再進行一次復核試驗。若試驗結(jié)果滿足設計、施工要求，便可作為現(xiàn)場使用的施工碾壓參數(shù)。

對于干尾砂的壓實試驗，按不同鋪填厚度繪制干密度與壓實遍數(shù)的關(guān)系曲線，如圖1所示。根據(jù)設計干密度即可由曲線查得在不同鋪填厚度情況下所需的壓實遍數(shù)n1、n2、n3，然后分別計算h1/n1、h2/n2、h3/n3（即單位壓實遍數(shù)的壓實厚度）之值，其最大值即為經(jīng)濟的鋪填厚度和壓實遍數(shù)。最后再結(jié)合施工情況，綜合分析選定鋪填厚度和壓實遍數(shù)。

圖1 干尾砂干容重與壓實遍數(shù)關(guān)系曲線

4 干尾砂碾壓方式

干尾砂的壓實應按一定次序進行，以免發(fā)生漏壓或過分重壓。漏壓部分達不到壓實標準，不能保證質(zhì)量要求；過分重壓部分，造成能量浪費，增加投資。

由于現(xiàn)行規(guī)范未對干尾砂的碾壓方式進行規(guī)定，實際工程中也無成熟方法，因此，建議干尾砂的碾壓參照水工土石壩施工中土石料的碾壓方法，其碾壓方式有進退錯距法和圈轉(zhuǎn)套壓法兩種。前者操作簡便，壓實、鋪料和質(zhì)檢等工序協(xié)調(diào)，便于組織大面積流水作業(yè)，且壓實質(zhì)量容易保證，其開行方式如圖2 中（a）所示；后者要求的工作面較大，適合于多碾組合壓實，其優(yōu)點是生產(chǎn)率較高，但轉(zhuǎn)彎的四角處容易漏壓，質(zhì)量不易保證，其開行方式如圖2中（b）所示。

圖2 碾壓方式

為了避免漏壓和保證要求的壓實遍數(shù)，進退錯距法的錯距寬度按下式計算：

式中：a——錯距寬度，m；

B——碾筒凈寬，m；

n——要求的碾壓遍數(shù)。

凡是碾壓機械壓實不到的地方以及壓實遍數(shù)不夠的部位，均應采用小型夯實機械夯實或人工夯實補充合格，以保證不產(chǎn)生松軟地帶。

5 干尾砂碾壓質(zhì)量控制與檢測

在壩體堆筑過程中，應分別檢查和控制鋪填厚度、碾壓遍數(shù)是否符合設計及施工要求，其中現(xiàn)場質(zhì)量控制主要是檢查控制含水率、干密度。企業(yè)應定期檢測入庫干尾砂的含水率，至少每周應檢測一次。當檢測入庫干尾砂含水率超過設計含水率的10%時，應增加檢測次數(shù)并分析原因、及時解決存在問題。入庫干尾砂含水率超過設計含水率的20%時，應先停止排放，待問題解決后方可恢復排放。

企業(yè)應定期檢測庫內(nèi)堆放尾礦的含水率、干密度，至少每月應檢測一次。當堆放尾礦的含水率、干密度與設計指標偏離較大時，應分析原因并及時解決。

干尾砂堆積壩壩體（包含永久性堆積體邊坡）的干密度檢測，應按照設計要求進行。當實測干密度低于設計要求的10%時，應采取措施使之達到設計要求。

碾壓后的干尾砂的干密度一般可采用灌砂法或灌水法測定。

6 結(jié)語

由于粗粒尾礦不存在最優(yōu)含水量，在進行擊實試驗時無法得到最優(yōu)含水量與最大干密度的關(guān)系曲線，因此對于粗粒尾礦來說，繼續(xù)采用壓實度作為壓實標準是不合適的。相對而言，對于砂性尾礦以相對密度作為碾壓標準更為合適。因此，對于干尾砂的壓實標準應根據(jù)不同性質(zhì)尾礦制定不同的壓實標準，以確保干堆尾礦體穩(wěn)定安全。