氣驅排滲技術及其在膏體尾礦筑壩工程的應用

馬進強

摘要：果郎溝尾礦庫為甲瑪銅多金屬礦二期工程配套尾礦庫，采用初期壩+膏體上游法堆壩形式，實際運行過程中存在尾砂滲透系數(shù)低、不固結，且壩體浸潤線埋深僅10m左右等問題。華泰龍礦業(yè)公司采用氣驅排滲技術，在壩體均勻布設特殊結構的豎直和水平排滲管，采用高壓氣驅和重力自流的聯(lián)合排滲方式，大大提高了壩體排滲效率，浸潤線埋深快速降低至20m左右，提高了壩體穩(wěn)定性。氣驅排滲技術有效解決了果郎溝尾礦庫子壩排滲固結程度低的難題，同時為膏體尾礦筑壩方式及排滲技術提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：氣驅排滲;膏體尾礦;飄管排滲;氣驅豎井;槽孔管;穩(wěn)定性

中圖分類號：TD926.4 +1文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）03-0076-03doi：10.11792/hj20210316

西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司（下稱“華泰龍礦業(yè)公司”）果郎溝尾礦庫為甲瑪銅多金屬礦4萬t/d選礦廠配套使用的尾礦庫，設計采用初期壩+膏體上游法堆壩形式。但是，膏體尾礦筑壩工藝在實際應用中，存在尾礦排水固結強度低、難度大，尾礦庫浸潤線高，尾礦壩安全風險較高等問題[1]。針對這些問題，華泰龍礦業(yè)公司以現(xiàn)代科學理論和試驗研究手段為基礎，提出了適合膏體尾礦筑壩技術條件下的排滲方案、工藝技術及配套裝備，即氣驅豎井及飄管排滲（氣驅排滲）技術，取得多學科、多方法的集成創(chuàng)新與系統(tǒng)優(yōu)化成果，有效解決了果郎溝尾礦庫浸潤線高、壩體加固難的技術難題，對保障尾礦安全堆存及壩體穩(wěn)定具有重大現(xiàn)實意義。

1工程概況

果郎溝尾礦庫為甲瑪銅多金屬礦二期工程4萬t/d選礦廠配套使用的尾礦庫，設計采用初期壩（高85m，壩頂標高4265m，壩軸線478m，壩頂寬5m）+膏體上游法（高175m）堆壩形式。尾礦庫總壩高260m，總庫容7002.2×10 4m 3，為一等尾礦庫。設計排礦濃度為64%～66%，尾礦粒度-0.074mm占70%。子壩采用碾壓廢石構筑，每級子壩高5.0m，壩頂寬3.0m，上下游邊坡坡度均為1∶2，服務年限為12.9a。

果郎溝尾礦庫設計采用初期壩+膏體上游法堆壩形式，“模袋法+寬頂子壩”工藝進行筑壩。實際運行過程中，尾礦粒度細、含泥量高，壩體上升快、尾礦不固結，灘面以下20m范圍內尾礦不成型、呈流態(tài)、幾乎沒有強度，前三級子壩浸潤線埋深只有10m左右。此外，果郎溝尾礦庫還面臨高濃度、庫區(qū)封閉排滲不良、堆壩過高等問題。針對果郎溝尾礦庫初期壩+膏體上游法堆壩形式的技術條件，進行膏體尾礦壩氣驅排滲技術的系統(tǒng)研究及應用，成功降低了壩體浸潤線。

2氣驅排滲技術

快速實現(xiàn)壩體排滲固結是提高尾礦庫壩體穩(wěn)定性的關鍵因素，目前常規(guī)方法是預埋排滲管，但這種方法受施工條件限制，施工質量難以達到要求，排滲效果不理想。此外，傳統(tǒng)排滲管和反濾層結構也存在缺陷，導致排滲效率低。華泰龍礦業(yè)公司提出的氣驅排滲技術，是在壩體均勻布設特殊結構的豎直和水平排滲管，采用高壓氣驅和重力自流的聯(lián)合排滲方式。相比傳統(tǒng)排滲方式，氣驅排滲技術不受施工條件限制，且排滲效率高[2]。

2.1槽孔管

排滲管的排滲效果主要取決于滲透面積。氣驅排滲的排滲管采用孔槽設計，即槽孔管[3]，其結構如圖1所示。槽孔管管壁均勻布設孔槽，主要技術參數(shù)：槽孔管直徑為100mm，管壁外側縱向均勻設置16個滲流槽，槽寬10mm，槽深3.5mm。按間距150～200mm鉆孔，孔徑為8mm，每延米接觸面積為3140cm 2，每延米滲流面積為1600cm 2（16個槽），滲透比約為0.51。相比傳統(tǒng)排滲管，槽孔管滲透面積提高了24.5倍，排滲效率大大提高。

2.2反濾層

槽孔管反濾層結構如圖2所示。在槽孔管的外壁包裹一層白鋼網(wǎng)，其可以使槽孔管周圍80%細尾砂順利通過，留下20%粗尾砂在槽孔管周圍形成反濾層，進一步增大了透水面積，提高了排滲效率。

2.3獨特的管中管結構

氣驅排滲豎井的外管為進水管，內管為出水管，高壓氣體通過高壓進氣管（10mm左右）從內管底部注入，推動內管中的液體向上爬升，從而在外管底部形成負壓，使得外管水位下降，井周圍尾礦中的孔隙水通過反濾白鋼網(wǎng)源源不斷地進入外管中，加速尾礦排水固結，同時大幅降低尾礦堆體的浸潤線。高壓進氣管中的氣體壓力高達1.2MPa，從而可以將尾礦堆體數(shù)十米深處的積水吸出，實現(xiàn)深層尾礦的排水固結。

2.4全天候自動化運行

氣驅排滲技術配備高效自動控制系統(tǒng)，根據(jù)孔內水位自動切換抽排孔，每臺空壓設備可以控制30～50口氣驅排滲豎井，循環(huán)抽排，不會因尾礦滲透系數(shù)低而斷流，使排滲效率大幅提高。此外，氣驅排滲豎井中沒有任何機械部件，無需維修，即使內、外管隨尾礦堆體沉降彎曲變形，系統(tǒng)也能正常工作，從而使得系統(tǒng)的可靠性和使用壽命大幅提升。

氣驅排滲豎井原理示意圖見圖3。

3工程應用

3.1氣驅排滲豎井施工

根據(jù)果郎溝尾礦庫時段運行現(xiàn)狀，氣驅排滲豎井施工平面圖見圖4。

1）在二級子壩（標高4275m）鋪設一排氣驅排滲豎井，單孔深度30m，間距10m，共計43孔。

2）在三級子壩（標高4280m）鋪設一排氣驅排滲豎井，單孔深度40m，間距10m，共計43孔。

氣驅排滲豎井施工程序為臨時設施搭建→人員進場→設備、材料進場→施工前準備→焊接排滲管→鉆機鉆孔→安裝進水管→安裝出水管→安裝供氣系統(tǒng)→安裝排水系統(tǒng)→安裝監(jiān)測及控制系統(tǒng)→設備啟動抽水。

氣驅排滲豎井施工采用XH-50特種鉆機，鉆孔孔徑為120mm。槽孔管現(xiàn)場熔接，確保密閉性良好，并且內部至少可承受1.2MPa的氣壓;槽孔管內部安裝40mm的PE出水管，高壓進氣管、液位及壓力傳感器，并與控制設備連接，實現(xiàn)自動循環(huán)抽排。

3.2水平飄管施工

在4267m水平布設一排水平飄管（排滲管），排滲管采用75mm齒輪透水管（外包304白鋼網(wǎng)），排水管采用75mmPE管。鉆孔深度181～203m，孔間距10m，共計布設47孔，其施工平面圖見圖5。施工順序為排滲管熔接→機械鉆孔→敷設排滲管[4]。

3.3應用效果

果郎溝尾礦庫二級子壩的氣驅排滲豎井單孔深度30m，共43孔，于2019年4月25日施工，6月7日完工，開始連續(xù)抽水，初始排水量230m 3/d;抽水至7月7日，排水量降至150～130m 3/d。三級子壩的氣驅排滲豎井單孔深度40m，共43孔，于2019年6月7日施工，7月中旬施工完成并開始排水，初始排水量為190m 3/d。水平飄管于2019年9月開始施工，在一級子壩坡面共布設47孔，實際單孔長180m，10月中旬施工完成并開始排水。

為了驗證排滲效果及壩體穩(wěn)定性，氣驅排滲技術實施前后分別對壩體做了2次工程勘察。從浸潤線埋深指標分析來看：氣驅排滲技術應用前，浸潤線埋深10m左右;氣驅排滲技術應用后，浸潤線埋深降低至18.4～26.0m;表明氣驅排滲技術能快速降低壩體浸潤線高度，提高壩體穩(wěn)定性。

4結論

1）相比傳統(tǒng)排滲技術，氣驅排滲技術具有排滲效率高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。

2）氣驅排滲技術在果郎溝尾礦庫應用后，快速將壩體浸潤線埋深從10m左右降低到18.4～26.0m，提高了壩體穩(wěn)定性。

3）采用氣驅排滲技術大大降低了子壩壩體達到相同穩(wěn)定性條件下所需要的土石方量，節(jié)約了運輸和施工成本，經(jīng)濟效益顯著。同時，該技術能快速有效地提高壩體穩(wěn)定性，降低尾礦庫安全風險，具有較顯著的社會效益。因此，氣驅排滲技術在同類型尾礦庫筑壩工程中具有很好的推廣應用價值。

[參考文獻]

[1]王振興，蘇星月.尾礦庫膏體排放相關問題探討[J].世界有色金屬，2019（5）：243-244.

[2]原福慶，邢曉琳.某尾礦庫排滲設施設計[J].有色礦冶，2020，36（1）：46-49.

[3]金永超.排滲管井在尾礦庫中的應用[J].資源信息與工程，2019，34（3）：118-119.

[4]奚興符，阮茂盛.尾礦庫排滲工程技術方法[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2018，45（5）：81-86.

Abstract：GuolanggoutailingspondisthetailingspondsupportingPhase2ProjectofJiamaCopperPolymetallicMineandtakestheformofearlydam+pasteupstreamdamformation.Duringoperation，thetailingshavelowpermeabilitycoefficientanddoesntsolidify，besides，theburialdepthofdamseepagelineisonlyabout10m.Byapplyingairdrivendrainagetechnology，verticalandhorizontaldrainagepipeswithspecialstructureareevenlyarrangedonthedambody.Thejointprocessofhighpressureairdrivenandgravityflowmethodfordrainagegreatlyimprovesthedrainageefficiencyofthedam，theburialdepthofdamseepagelinerapidlydecreasestoabout20m，andthedamstabilityisimproved.AirdrivendrainagetechnologyeffectivelysolvesthelowsolidificationdegreeproblemfordrainageinthesubdamofGuolanggoutailingspond，andatthesametime，providesreferencefordamconstructionwithpastetailingsanddrainagetechnology.

Keywords：airdrivendrainage;pastetailings;floatingpipedrainage;airdrivenverticalshaft;slottube;stability