某嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫冬季放礦方式可行性分析

陳榮健 王偉明 劉 濤 曾霄祥3

（1.伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)外嚴(yán)寒地區(qū)的尾礦庫數(shù)量相對較多，但國內(nèi)外學(xué)者對于嚴(yán)寒地區(qū)上游式濕排尾礦庫冬季放礦方式的研究相對較少。唐艷華［1］結(jié)合實例分析了某嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫細(xì)粒筑壩在采取一定措施后，提高了尾礦筑壩的穩(wěn)定性；沈樓燕［2］分析了高原高寒地區(qū)尾礦庫設(shè)計中特有的技術(shù)難題；劉石橋等［3］闡明了尾礦庫中凍土存在狀態(tài)及其對尾礦庫的影響；趙德貴等［4］進(jìn)行了嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫高濃度放礦方式的探索研究；郭天勇等［5］詳細(xì)論述了尾礦庫存在的凍土危害及冬季放礦特點，并提出了尾礦堆積壩的冬季放礦凍結(jié)計算方法；楊世亮等［6］對高寒高緯度地區(qū)尾礦庫采用膏體放礦的方式進(jìn)行了探索實踐；楊永浩［7］對凍融循環(huán)作用下的尾礦力學(xué)特性進(jìn)行了試驗研究；趙媛［8］進(jìn)行了嚴(yán)寒地區(qū)含冰層尾礦庫滲流場的數(shù)值模擬分析，提出了避免冰層出現(xiàn)的措施；齊吉琳等［9］對凍土性質(zhì)及凍融后的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。上述研究均只是針對尾礦庫壩體、膏體放礦或者凍土對尾礦庫安全的影響方面進(jìn)行的，對于嚴(yán)寒地區(qū)上游式濕排尾礦庫冬季放礦方式和減少凍土影響的研究相對較少。

嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫冬季運行的特點是冬季氣溫低、庫內(nèi)沉積灘及水域處于凍結(jié)狀態(tài)，這一狀態(tài)與非冬季運行有著顯著的差異。嚴(yán)寒地區(qū)的尾礦庫冬季運行如延續(xù)采用非冬季壩前灘面放礦方式，尾礦漿在低溫作用下流動性差、甚至凍結(jié)。導(dǎo)致礦漿中的自由水無法離析、尾礦無法沉降；水砂混合物被凍結(jié)后形成的凍土阻隔尾礦壩內(nèi)滲流，次年解凍期凍土的解凍期長，且解凍時易產(chǎn)生壩體異常變形，影響尾礦庫運行安全。本研究針對某嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫冬季放礦方式，分別從現(xiàn)場調(diào)查、勘探、理論計算及破冰措施等多方面進(jìn)行分析，結(jié)果表明該冬季放礦方式是可行的，為國內(nèi)相同礦山尾礦庫冬季放礦提供參考。

1 尾礦庫概況

某尾礦庫位于嚴(yán)寒地區(qū)，年平均氣溫為2.3℃；1月份最冷，平均氣溫為-23.8℃，最低為-42.4℃；冰凍期為11月至次年4月。該庫屬于山谷型尾礦庫，采用上游法濕排式放礦。尾礦庫設(shè)計總壩高為198 m，總庫容為4.29×109m3，為二等尾礦庫。該尾礦庫入庫尾礦量5×104t/d，堆積壩上升速度為6～8 m/a，冬季尾礦濃度為40%，尾礦比重為2.65。子壩堆筑每年進(jìn)行2次，通常在汛期前完成子壩堆筑，汛期過后再堆筑下一期子壩。汛期后的子壩堆筑完成后，在壩前放礦，抬升壩前區(qū)域灘面標(biāo)高，為冬季庫內(nèi)延伸集中放礦做準(zhǔn)備。

尾礦庫實際運行時，由于庫內(nèi)調(diào)洪區(qū)灘面平緩，尾礦庫內(nèi)灘面水邊線距離灘頂太遠(yuǎn)，無法形成有效的能夠容納整個冬季運行期的入庫尾礦量的冰下放礦區(qū)，故冬季運行無法采用冰下放礦。為避免冬季放礦導(dǎo)致壩前凍土層加厚，企業(yè)結(jié)合尾礦庫實際特點，冬季進(jìn)行全尾放礦，采用4根Φ300 mm放礦支管集中放礦，放礦區(qū)域位于壩前100 m以外區(qū)域。放礦過程中，隨著放礦口處灘面上升，放礦口逐步向壩頂方向后退，并根據(jù)灘面尾礦上升情況適當(dāng)調(diào)整放礦部位，確保灘面總體均勻上升。

2 現(xiàn)場調(diào)查及勘探

為掌握該尾礦庫冬季放礦時的灘面形態(tài)、主要放礦參數(shù)及堆積體內(nèi)冰凍層賦存情況，特在冬季放礦期間進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)據(jù)監(jiān)測及勘探工作。

2.1 現(xiàn)場調(diào)查

針對該尾礦庫冬季放礦進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查及試驗，現(xiàn)場放礦如圖1所示。

由現(xiàn)場航拍可見，礦漿沿流道流向庫內(nèi)后，雪完全融化的區(qū)域為礦漿沖開或冰層很薄的區(qū)域，有礦漿水流動；白色雪顏色稍淡的區(qū)域為尾礦漿深入冰蓋層以下，并對冰上覆蓋的積雪部分融化。同時監(jiān)測反映庫水位持續(xù)上升，表明尾礦漿已將非白色雪覆蓋區(qū)域冰層融化，并進(jìn)入未融化冰層以下，流向庫尾回水浮船。

冬季放礦期間，對空氣溫度、放礦口礦漿溫度、流道口部寬度和深度等進(jìn)行了測量，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

經(jīng)過對冬季放礦情況觀察分析，表明采用集中放礦可以很快形成放礦流道，礦漿沿流道向庫內(nèi)流動并在冰層區(qū)域深入到水下流向庫尾。根據(jù)礦漿溫度測算及現(xiàn)場觀察，集中放礦礦漿具有融冰效果，只要放礦不停，礦漿不但不會凍結(jié)，還會對周邊冰層進(jìn)行融化。

2.2 勘探檢測

為查明冬季放礦后尾礦堆積體內(nèi)部存在凍土層的情況，分析在堆積壩內(nèi)產(chǎn)生的凍土對壩體安全的影響，對堆積壩進(jìn)行鉆探測溫。工程地質(zhì)剖面如圖2所示，部分鉆孔井溫數(shù)據(jù)如圖3所示。

由工程地質(zhì)剖面圖可見，冰凍層主要分布于壩體上游灘面區(qū)，灘面以下20 m范圍內(nèi)；堆積壩坡面區(qū)以下未見冰凍層。冰凍層為2層。根據(jù)各冰凍層分布標(biāo)高推測上部冰凍層為2018年冬季形成的；下部冰凍層為2017年冬季形成的；2017年初及以前形成的冰凍層均已徹底消融不復(fù)存在。冰凍層平均層厚1.0～2.0 m，局部最大層厚3.9 m。該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為2.3 m，與勘探冰凍層厚度基本一致。

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鉆孔內(nèi)部溫度監(jiān)測表明，冰凍層附近的溫度約0℃，位于堆積壩面區(qū)鉆孔（ZK3-2）內(nèi)溫度隨深度逐漸升高，近原始地表區(qū)域堆積體溫度約10℃，靠近堆積體上表面區(qū)域堆積體溫度主要受到外部氣溫影響較大。對位于庫區(qū)灘面鉆孔（ZK2-3、ZK4-3和ZK5-2）內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)分析，存在冰凍層的鉆孔，在冰凍層分布區(qū)溫度為0℃，非冰凍層分布區(qū)溫度在0℃以上，且隨孔深增加而升高。近原始地表區(qū)域堆積體溫度明顯高于上部尾礦堆積體溫度。

由上述分析可知，尾礦堆積體在整個冰凍期最大凍土厚度2～3 m。尾礦庫堆積體內(nèi)分布的凍層均為近2～3 a形成的，且處于持續(xù)融化狀態(tài)；被尾礦覆蓋3 a以上的冰凍層均已徹底融化。堆積壩內(nèi)溫度隨深度增加而升高，近底部原始地表區(qū)域溫度穩(wěn)定在10℃左右。冰凍層區(qū)域溫度約0℃，非冰凍層區(qū)域溫度均高于0℃，且隨著未凍土層厚度增加而升高，靠近底部原始地表溫度最高、且穩(wěn)定。上述分析表明，該尾礦庫冬季放礦方式不會導(dǎo)致堆積體內(nèi)產(chǎn)生永久凍土層。

3 理論計算

3.1 礦漿流溫降距離計算

冬季極端低溫情況下，當(dāng)?shù)V漿流動距離增加，其灘面覆蓋區(qū)域擴大、流速減慢，礦漿溫度隨流動距離增加逐漸降低至0℃，繼續(xù)流動時，溫度繼續(xù)降低，最終在灘面上凍結(jié)或進(jìn)入冰層以下水域。礦漿溫度由其在放礦口處的溫度逐漸降低至0℃時的流動距離稱為溫降距離，可按式（1）計算。

式中，l為礦漿流自放礦口處的溫度降低至0℃時的流動距離，m；Cu為礦漿容積熱容量，J/（m3·℃）；θ1為放礦管口礦漿溫度，℃；u為灘面礦漿流流速，m/s；h為礦漿流的深度，m；λ為礦漿導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；θs為放礦時空氣溫度，℃。

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及勘探結(jié)果，該尾礦庫冬季空氣溫度分別按-30和-40℃計，放礦管口礦漿溫度為6℃，礦漿流速按0.15 m/s，礦漿導(dǎo)熱系數(shù)為1.275 W/（m·℃），礦漿容積熱容量按4 300 000 J/（m3·℃）計，則礦漿自放礦管流出后溫度降低至0℃時的流動距離計算結(jié)果如表2所示。

3.2 礦漿流凍結(jié)距離計算

礦漿流溫度降低至0℃后，當(dāng)繼續(xù)流動直至出現(xiàn)凍結(jié)時的距離稱為凍結(jié)距離，可按式（2）和式（3）計算。

式中，l'為礦漿流自放礦口處至出現(xiàn)凍結(jié)時的流動距離，m；Q為礦漿流的相變熱，kJ/m3；λf為冰的導(dǎo)熱系數(shù)，本文取2.22 W/（m·℃）；L為水的結(jié)晶或融化潛熱，一般工程熱工計算中取334.56 kJ/kg；ρd為礦漿干密度，本文取1.136 kg/m3；W為尾礦含水量，以小數(shù)計，本文取值0.666；W u為凍結(jié)尾礦中的未凍水含量，以小數(shù)計，依據(jù)勘察資料取值0.016。

計算不同礦漿深度下該尾礦庫流動礦漿的凍結(jié)距離，結(jié)果如表3所示。

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3.3 結(jié)果分析

由上述溫降距離和凍結(jié)距離計算結(jié)果可知，尾礦庫冬季放礦在滿足礦漿流深度不低于0.05 m時，礦漿凍結(jié)距離明顯大于溫降距離，表明流動的礦漿在溫度降低至0℃后依然會繼續(xù)向前流動，最短凍結(jié)距離為521.6 m。

該尾礦庫現(xiàn)階段運行標(biāo)高下，正常運行干灘長度約400 m，冬季放礦管位于人工干灘區(qū)上游，故放礦口至冰蓋層距離不超過400 m。冬季放礦采用庫內(nèi)全尾集中放礦方式，礦漿自放礦口流出后初期會沿溝道向庫內(nèi)流動，之后溝道內(nèi)尾礦沉積后礦漿會在溝道兩側(cè)漫溢流動，但礦漿擴散后流動寬度明顯小于非冰凍期壩前分散放礦時的流動寬度。因此，流動的礦漿進(jìn)入冰蓋層前是不會凍結(jié)的。

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4 破冰措施

冬季放礦期結(jié)束后，恢復(fù)壩前放礦前，為降低壩前干灘區(qū)表層冰凍層對壩體滲流及穩(wěn)定性影響，在沉積灘面采用挖掘機開挖多條大斷面橫向溝及鏈?zhǔn)介_溝機開鑿破冰溝，實現(xiàn)冰凍層上下貫通，加快灘面冰凍層融化。

5 結(jié)論

（1）從現(xiàn)場調(diào)查、勘探、理論計算及破冰措施等多方面分析，驗證了某嚴(yán)寒地區(qū)濕排尾礦庫冬季采用庫內(nèi)遠(yuǎn)離壩前灘面集中排尾的放礦方式是可行的，為嚴(yán)寒地區(qū)濕排尾礦庫提供了具有操作性強和可推廣應(yīng)用的冬季放礦方式。

（2）上游式濕排尾礦庫冬季采用庫內(nèi)遠(yuǎn)離壩前灘面集中排尾的放礦方式，不會增加整個冬季放礦期壩前最小干灘長度范圍內(nèi)凍層厚度，且?guī)靸?nèi)上游灘面冰凍層在流動礦漿作用下不會增加其凍層厚度，且具有一定的融冰作用。礦漿沿灘面流道在凍結(jié)前能夠在水邊線處進(jìn)入冰面以下，達(dá)到了冰下放礦的效果；冬季放礦期在灘面上沉積的尾礦將在3 a以內(nèi)徹底融化，不會形成永久凍土層。

（3）受企業(yè)正常生產(chǎn)運行影響，現(xiàn)場冬季放礦調(diào)查及監(jiān)測工作開展時間相對較短，掌握的冬季放礦參數(shù)稍顯不足；冰凍層探測僅為勘察期間的數(shù)據(jù)，缺少地溫長期的觀測數(shù)據(jù)。今后研究需要重點針對持續(xù)跟蹤冬季放礦灘面形態(tài)、放礦參數(shù)監(jiān)測及設(shè)置永久性地溫觀測孔等方面進(jìn)行，以便能夠充分論證該冬季放礦方式的適用條件及進(jìn)一步優(yōu)化空間，為今后推廣應(yīng)用提供重要支撐。