付沖溝尾礦庫細粒尾砂堆存研究

姚嗣偉 樂志強 張年龍 肖松麗 程從文

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司）

尾礦是放錯地方、未加以合理利用的特殊資源，尾礦綜合利用是資源可持續(xù)利用的重要組成［1］，提取粗粒尾砂做建材是實現(xiàn)尾礦綜合利用的有效途徑之一［2］，但剩余的細粒尾砂筑壩將對尾礦庫的安全運行造成影響。細粒尾砂筑壩的安全性是影響粗粒尾砂提取項目是否實施的主要因素。

為驗證粗尾砂提取后細粒尾砂堆存對尾礦庫穩(wěn)定性的影響，在尾礦庫現(xiàn)場取尾砂后采用旋流器分級的方式，分別按提粗比例15%、20%、25%、30%進行旋流器分級獲取試驗所用的細粒尾砂。通過現(xiàn)場溜槽試驗及室內(nèi)試驗［3-5］，研究全尾礦在提取不同比例粗尾礦后在沉積灘面的分布規(guī)律及物理力學特性。

1 現(xiàn)場溜槽試驗

利用付沖溝尾礦庫壩前現(xiàn)有放礦條件，計劃對選礦廠輸送至尾礦庫的尾礦漿進行現(xiàn)場旋流器分級，所獲取的細顆粒溢流用于庫內(nèi)溜槽放礦試驗，粗顆粒底流外排至尾礦庫庫內(nèi)。

根據(jù)尾礦庫現(xiàn)場條件以及試驗目的，在尾礦庫混凝土副壩前布置溜槽，溜槽前設置1臺FX350-GTP 分級旋流器對入庫全尾進行分級，旋流器溢流出口采用放礦管直通溜槽槽首內(nèi)，旋流器粗顆粒底流排放至尾礦庫庫內(nèi)，待沉積穩(wěn)定后取樣試驗。

壩前共設置2 個平行溜槽（1#和2#），溜槽長度為50 m，高度為1.0 m，寬度為1.5 m。其中1#溜槽排放提取粗顆粒比例為16.25%（工況1）和26.39%（工況3）的細顆粒尾礦；2#溜槽排放提取粗顆粒比例為21.33%（工況2）和29.34%（工況4）的細顆粒尾礦。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），槽壁由開挖尾砂堆筑而成。

1.1 放礦流動性研究

現(xiàn)場放礦結果表明，提取粗尾砂后，旋流器溢流端尾礦漿濃度較全尾礦排放濃度降低，流動性較好，能自溜槽頂端順利流動至溜槽底端，流動過程分級沉積效果較為明顯（表1）。

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1.2 沉積灘狀態(tài)研究

現(xiàn)場放礦結果表明，旋流器溢流各濃度尾礦漿在溜槽起點至10 m 處的沉淀分級效果較差；10～50 m處沉淀分級效果較好，主要為尾中砂、尾粉砂層沉積，滲透性較好；50 m 以外沉積灘面細粒尾礦占比增加，坡度變緩，滲透性降低。滿足最小安全超高0.7 m的設計要求，調(diào)洪段坡度大于設計調(diào)洪段沉積灘坡度0.5%，滿足尾礦庫設計及規(guī)范要求（見表2所示）。

從溜槽試驗結果來看，試驗中尾礦漿濃度較低時，流速較快，分級效果較好；黏性尾礦不易沉積，沉積灘面尾砂滲透性較好；灘面0～50 m 范圍內(nèi)均未見明顯夾泥現(xiàn)象，切面擾動后即刻出現(xiàn)砂體失粘脫落現(xiàn)象。工業(yè)化運行情況下，關鍵點是要避免尾礦漿水流受阻導致黏性尾礦過快沉積，影響沉積灘面坡度形成。

綜合分析來看，提取粗顆粒尾礦后，入庫尾礦粒徑變細，溜槽沉積灘面坡度較現(xiàn)狀灘面不同程度變緩，壩前50 m 以外沉積灘面尾礦粒徑明顯變細，含黏性尾礦比重增加，透水性分布整體上不利于后期堆子壩的壩體安全。

2 室內(nèi)試驗

根據(jù)尾礦庫相關規(guī)范要求并結合付沖溝尾礦庫自身情況，開展室內(nèi)土工試驗。包括尾礦物理性質(zhì)試驗（含水率、密度、比重、塑液限及顆粒分析）和尾礦力學性質(zhì)試驗（壓縮、滲透、固結快剪及三軸固結不排水剪切試驗），依據(jù)試驗結果計算分析擬定方案下細粒尾礦堆存的壩體穩(wěn)定性，進一步驗證付沖溝尾礦庫細粒尾礦堆存的安全可行性。

2.1 尾礦物理性質(zhì)試驗

通過含水率試驗、濕密度試驗、密度試驗（見表3）和顆粒分析試驗（見表4）等土常規(guī)試驗獲取尾礦試樣的含水率、密度、及液、塑限等物理參數(shù)。

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由尾礦物理性質(zhì)試驗數(shù)據(jù)可知：

（1）不同提取粗顆粒運行工況下，+0.075 mm 顆粒占比在沉積灘面上0～50 m 范圍內(nèi)呈逐漸減少趨勢，符合尾礦沉積規(guī)律特性；由于溢流端口水壓較大，前期粗顆粒不能正常沉淀，0～20 m 沉積灘面+0.075 m 顆粒含量較混亂，無明顯規(guī)律；20～50 m 區(qū)域水流已趨于穩(wěn)定，+0.075 mm 占比逐漸減少的規(guī)律性較明顯；工況3、4 低濃度放礦下+0.075 mm 顆粒占比逐漸減小的規(guī)律性更明顯。

（2）隨著提取粗顆粒比例增加，在灘面相同距離處+0.075 mm 顆粒含量逐漸降低。沉積灘面50 m 處，工況1 尾礦樣+0.075 mm 含量為75.10%，工況4 尾礦樣+0.075 mm 含量為51.90%。由此可見，提取粗顆粒后排放濃度降低對尾礦顆粒分選有利，促使更多粗顆粒尾礦在壩前沉積，有利于壩前0～50 m 處沉積灘坡度的形成。

（3）工況4 提取粗顆粒比例為29.34%，在放礦濃度為25.55%的低濃度放礦條件下，沉積灘面0～50 m范圍內(nèi)+0.075 mm 顆粒占比降低，沉積灘面坡度低于現(xiàn)狀灘面坡度。沉積灘面50 m 以外細粒尾礦占比明顯增加，滲透性降低，不利于尾礦庫運行至后期的壩體安全穩(wěn)定性。

2.2 尾礦力學性質(zhì)試驗

2.2.1 滲透試驗

在不考慮取樣誤差影響下，隨著提粗比例的增加，在相同灘前距離下的提粗比例越高，試樣的滲透系數(shù)越低；在同一工況下，沉積灘面距放礦點距離越遠，試樣的滲透系數(shù)逐漸減小。

提取粗粒尾砂后排放濃度降低有著良好的水力分級效果，導致工況1～4 沉積灘面0～50 m 范圍內(nèi)尾礦樣的滲透系數(shù)稍大。但工況3、4 放礦條件下沉積灘面50 m 距離以后黏粒尾礦顆粒明顯增多，不利于后期堆積壩體的脫水固結（見表5）。試驗數(shù)據(jù)表明，細顆粒尾礦增多降低了沉積灘滲透性，不利于沉積灘面的快速排水固結。

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2.2.2 固結快剪試驗

在現(xiàn)狀灘面和溜槽灘面下，在灘前不同距離處分別取尾礦樣進行固結快剪試驗，其試驗結果顯示：①在不考慮取樣誤差影響下，隨著提粗比例的增加，在相同灘前距離下的尾礦試樣黏聚力增大、內(nèi)摩擦角減小。總體上，灘面尾礦物理力學指標變化情況與尾礦顆粒中黏粒含量變化正相關。②在同一工況下，沉積灘面距放礦點距離越遠，黏聚力整體呈上升趨勢，內(nèi)摩擦角整體呈下降趨勢。③工況4與現(xiàn)狀沉積灘面0～50 m 范圍內(nèi)尾礦顆粒分布相近的情況下，尾礦樣均為尾粉砂，黏聚力及內(nèi)摩擦角指標也相近（見表6）。

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3 固結分析

3.1 固結分析的目的及模型選取

尾砂的固結分析是為了從固結的角度考察細粒尾砂堆存的強度性能，由于孔隙水壓力不承受剪應力，根據(jù)有效應力原理，分析孔隙水壓力的消散規(guī)律就能反應其強度性能。由于尾礦壩不承受來自于外界的荷載，所以只需要考慮自重應力下的固結。為了分析排滲設施對尾礦堆積壩體固結的影響，本研究基于三維比奧固結理論，利用ADINA 非線性分析軟件建立尾砂固結沉降的有限元模型。

3.2 ADINA固結模型的建立

ADINA 是基于比奧（Biot）固結方程分析，本次研究選擇ADINA 模塊中的static 分析類型來完成。分析模型選取長、寬、厚3個方向的尺寸均為150 m的土體，土體由分為3 層厚度均為50 m 的尾砂層，尾礦層的相關力學參數(shù)為溜槽試驗數(shù)據(jù)折減所得，詳細數(shù)據(jù)見表7。分析細粒尾砂層的固結時，將最上層作為細粒尾砂層，細粒尾砂的滲透系數(shù)比普通尾砂低兩個數(shù)量級。橫向排滲設施采用間距為50 m 的塊石盲溝，X 向和Y 向的盲溝均布置在細粒尾砂層的底部位置，在需要布置豎向排滲的方案中，采用豎向砂井作為豎向排滲設施，從細粒尾砂頂部一直通到水平盲溝位置并與其相聯(lián)，這樣更有利于將滲水導出尾砂土體之外。

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建好幾何模型后，施加重力荷載和約束條件。地面和3 個側面施加位移約束，另外1 個側面和頂面施加孔隙水壓力約束（表示自由排水）。最后進行網(wǎng)格劃分，得到的模型如圖1所示。

3.3 計算結果及分析

本文固結分析中假設固結時間為半年（180 d），在經(jīng)歷相同的固結時間之后，比較最上層分別為砂粒尾砂層和細粒尾砂層的固結情況下尾砂層的超靜水壓力來分析細粒尾砂的固結規(guī)律。以下為2 種情況下的超靜水壓力分布云圖，單位為kPa。

圖2～圖5 兩組云圖中，前者是不含細粒尾礦層的土塊，經(jīng)過180 d 的脫水固結之后，土塊中的孔隙壓力已經(jīng)非常小，最大值僅為4.511×10-14kPa；而當上面一層為細粒尾礦層時，則土塊中的孔隙水壓力要大得多，最大值達到512.7 kPa，二者相比，孔隙水壓力大小相差16 個數(shù)量級。由此可知細粒尾礦比粗顆粒尾礦脫水固結的速度慢得多。所以，低濃度放礦帶來的大量尾礦水不利于細粒尾礦層的脫水固結。

4 結 語

（1）提取粗顆粒后入庫尾礦粒徑變細，沉積灘面坡度不同程度變緩，含黏性尾礦增加，透水性變差。

（2）提取粗粒尾砂后排放濃度降低，低濃度排尾有利于尾礦漿順利流向庫內(nèi)并增加細顆粒尾礦挾帶距離，在不同提粗比例下，灘前0～50 m 區(qū)域尾礦沉積層滲透性、物理力學強度指標較現(xiàn)狀沉積灘面有所改善，提取粗顆粒尾礦后，沉積灘面50 m 以外細顆粒尾礦明顯增多，尾礦層脫水固結難度大，不利于尾礦庫運行至后期的壩體安全穩(wěn)定性。

（3）通過綜合比較各試驗工況結果，提取粗顆粒尾礦導致入庫尾礦顆粒變細，灘面沉積尾礦滲透性能降低，尾礦庫運行后期壩體浸潤線控制難度加大，總體上不利于尾礦庫的安全運行。從尾礦庫后期安全運行考慮，不建議提取粗顆粒后將細粒尾礦排入尾礦庫堆存。