氣壓式豎向排滲技術(shù)在磷尾礦筑壩中的應用

李 旅，程立家，蘭文倉

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

我國是礦業(yè)大國，尾礦再利用技術(shù)剛起步，目前處置選礦固體廢棄物的主要方式仍為尾礦庫堆存。尾礦壩事故危害在世界93種事故、公害中名列第18位，近幾年國內(nèi)外直接造成重大人員傷亡的事故時有發(fā)生，如2008年山西“9.8”特別重大尾礦庫潰壩事故共造成281人死亡；2019年，巴西東南部米納斯吉拉斯州布魯馬迪紐市發(fā)生潰壩事故，遇難人數(shù)超過235人。

隨著我國礦山資源開采利用持續(xù)高速發(fā)展，產(chǎn)生的尾礦量逐年增加，礦山日漸增長的尾礦庫土地使用需求與有限的土地資源之間的矛盾更加激烈，加之選礦工藝水平的不斷提高，產(chǎn)生的尾礦量逐年增加，尾礦的粒度也越來越細。目前我國尾礦庫、渣庫、磷石膏庫及赤泥庫正朝著細粒筑壩與高堆壩方向發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，我國絕大部分尾礦庫仍采用傳統(tǒng)的上游式筑壩法。上游式筑壩法是指在初期壩上游方向沖、堆積尾礦的筑壩方式，尾礦為重力分選、通過自然沉積作用形成堆積壩的子壩筑壩方法，入庫尾礦沉積固結(jié)后形成了具有一定承載能力的壩基，該壩基的承載力、物理力學性能是尾礦壩堆壩成功的關(guān)鍵。當細粒徑尾礦入庫后，尾礦滲透系數(shù)降低、固結(jié)時間變長、力學性能也隨之下降，導致上游式筑壩法存在壩基承載力不足，排滲固結(jié)滯后，尾礦干灘坡度較緩造成防洪超高不足等問題。因此，細粒尾礦安全堆壩技術(shù)值得我們?nèi)パ芯?，也是國?nèi)外礦業(yè)行業(yè)亟待解決的問題。該文以云南某尾礦庫工程項目為例，介紹了氣壓式豎向排滲技術(shù)與模袋法堆壩技術(shù)聯(lián)合應用于細粒尾礦的堆壩，為以后的類似工程提供參考和思路。

1 氣壓式豎向排滲技術(shù)工藝在磷尾礦筑壩中應用簡介

氣壓式豎向排滲井為一種新型的排滲方式，在原有預埋槽式透水管的基礎(chǔ)上改進變化而來(用于排出尾礦堆積體內(nèi)滲水從而降低堆積壩浸潤線，在多個尾礦庫中已具體實施，效果顯著)，其主要原理為采用氣壓式豎向排滲管即齒輪式透水管豎直內(nèi)置于尾礦堆積體中，采用外置空氣壓縮機向?qū)夤軆?nèi)以一定壓力充氣，同時由排水管抽取尾礦堆積體內(nèi)的滲水(由豎向齒輪式透水管收集)，并將其引出尾礦堆積體外部的排水溝，加快了細粒尾礦堆積體(尤其是飽和的土體)內(nèi)的孔隙水流出，加快了尾礦的排水固結(jié)性能，同時增強了尾礦堆積體的抗剪強度和承載力。

近年來隨著礦業(yè)行業(yè)選礦技術(shù)快速發(fā)展、工藝流程日臻完善，在選礦廠回收率日漸提高的同時排入尾礦庫的磷尾礦的粒徑也越來越細。細粒尾礦堆壩的難點主要體現(xiàn)在堆壩體內(nèi)尾礦的強度及排滲上。氣壓式豎向排滲工藝，通過加速壩前濕軟沉積灘固結(jié)排水，在提升尾礦強度的同時加速了壩基的尾礦滲透、固結(jié)，從而提高了壩基的承載力，最終實現(xiàn)了細粒尾礦堆壩安全、可靠度提升的目的。

2 工程應用

2.1 工程概況

云南某尾礦庫，堆存磷浮選尾礦，尾礦庫總壩高85 m，初期壩采用碾壓式土石壩，壩高70 m；初期壩以上為模袋法堆筑子壩，堆壩高15 m。入庫尾礦濃度約為38 %。全尾礦中-0.075 mm的粒徑含量約為94.8 %；(0.075～0.05)mm約為21.1 %；(0.05～0.01)mm約為64.8 %；-0.01 mm約為8.9 %。平均粒徑dcp為0.036 mm。該庫尾礦尾礦屬于細顆粒的尾礦。

該庫堆存至初期壩標高后，對庫區(qū)和尾礦壩進行了全面勘察，得出了庫區(qū)飽和砂土在8度地震條件下會發(fā)生嚴重液化，采用傳統(tǒng)上游法堆壩，難以滿足尾礦庫的安全運行。針對尾礦粒徑較細且存在液化的特點，經(jīng)充分論證后，通過采用模袋法筑壩工藝，并結(jié)合氣壓式豎向排滲技術(shù)對模袋堆壩基礎(chǔ)進行排滲加固，通過兩種新技術(shù)的聯(lián)合運用，目前該尾礦庫已成功實現(xiàn)了尾礦堆壩壩體加高并且運行良好，該項目應用成果對日后類似細粒尾礦堆存處置具有較好的指導意義。

2.2 模袋子壩基礎(chǔ)抗地震液化處理

尾礦庫壩前灘面將成為堆壩模袋的地基土，該地基土的性能對堆壩工程影響較大，根據(jù)詳勘資料對庫區(qū)內(nèi)尾礦堆積體的液化判別，在庫區(qū)灘面以下20 m深度范圍內(nèi)，尾礦堆積體均為嚴重液化地基土，因此須對尾礦一定深度進行地基處理。由于該尾礦庫尾礦飽和度在90 %以上，綜合考慮造價、工期等因素，放棄傳統(tǒng)的強夯法、換填法、樁基礎(chǔ)等常規(guī)處理方式最終采用了氣動式豎向排滲井，采用該技術(shù)可提高模袋子壩地基承載力以及尾礦堆積體的抗剪強度，同時解決了地基液化問題，并且不影響后期尾礦堆積子壩的上升。

氣動式豎井排滲系統(tǒng)施工工藝具體情況如下：

(1)從尾礦庫現(xiàn)狀灘頂向庫內(nèi)延伸33 m處開始施工豎井排滲管。豎井排滲共計8排(平行壩軸線方向)，每排20孔，孔間距10 m，排與排間距10 m。豎井集滲管采用φ153 mm齒輪透水管(外包304白鋼網(wǎng))，排水管采用φ40 mm PPR-RT管，排滲管單孔深度12～28 m，豎井排滲縱向通過排水主管和供氣支管連接，每排8孔，4排為一組，共計5組，每組的排水管按照i=0.005的坡度由庫內(nèi)坡向壩前方向，其出口滲水采用同樣管道連接至下游馬道排水溝內(nèi)，最后進入下游回水池，不外排。

(2)排滲豎井的施工工序為：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→安裝滲水管→安裝排水管→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。

(3)整個氣動式豎井排滲系統(tǒng)通過設在管理站的自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)視頻實時監(jiān)控和控制，可根據(jù)各組排滲豎井的詳細情況，加以控制，方便工人安全操作。氣動式豎向排滲系統(tǒng)在后期尾礦庫運行期間，可繼續(xù)使用。

(4)氣動式豎向排滲系統(tǒng)運行以后，壩前20 m深度范圍內(nèi)飽和尾礦堆積體內(nèi)的尾礦水將會逐漸被抽出，加速了尾礦堆積體的排水固結(jié)，密實了壩前尾礦地基。

設計要求氣動式豎井排滲系統(tǒng)施工后，實施區(qū)域地基承載力應提高20 %至130 kPa以上。

2.3 應用效果

為驗證氣動式豎向排滲系統(tǒng)設置后處理效果，施工方在尾礦庫內(nèi)進行了現(xiàn)場實驗。布置如下：在模袋外側(cè)20 m、距壩體73 m處施工4孔試驗孔，單孔深度28 m，敷設間距10 m，具體位置見圖1。

圖1 試驗孔平面圖Fig.1 Layout plan of experimental boreholes

根據(jù)實驗井抽水前、后靜力觸探試驗和承載力數(shù)據(jù)變化，通過實驗數(shù)據(jù)的匯總、分析后獲得氣動式豎井排滲系統(tǒng)在模袋子壩基礎(chǔ)抗地震液化處理的實際效果。靜力觸探點位設置于4孔試驗孔旁7 m處，見圖2。

圖2 靜力觸探試驗點位圖Fig.2 Site map of static probing tests

在抽水前，上述4個試驗孔20 m以下深度處承載力接近130 kPa，但20 m以上區(qū)域承載力低于130 kPa，為了快速排出20 m深以上區(qū)域尾礦水，抽排過程中試驗孔內(nèi)水位埋深控制在18.3～19.6 m以下。14天4個試驗孔共計抽水122.5 m3。實驗結(jié)果如下：

(1)試驗孔1 m范圍內(nèi)地基土承載力增長曲線，詳見圖3。

圖3 試驗孔1 m范圍內(nèi)承載力增長曲線Fig.3 Growth curve of load-bearing capacity within 1 m of test holes

經(jīng)過14天連續(xù)抽水，試驗孔1 m范圍內(nèi)8～28 m深度地基土承載力由110.7 kPa提高到154.6 kPa，平均提高了43.9 kPa，增長率39.7 %。

(2)試驗孔7 m范圍內(nèi)地基土承載力增長曲線，詳見圖4。

圖4 試驗孔7 m范圍內(nèi)承載力增長曲線Fig.4 Growth curve of load-bearing capacity within 7 m of test holes

經(jīng)過14天連續(xù)抽水，試驗孔7 m范圍內(nèi)8～28 m深度地基土承載力由110.7 kPa提高到150.9 kPa，平均提高了40.2 kPa，增長率36.3 %。

根據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)整理分析，氣動式豎向排滲系統(tǒng)能夠達到模袋加壩區(qū)域范圍內(nèi)地基平均強度提高至≥130 kPa以上的目標。

3 結(jié) 語

(1)氣動式豎向排滲系統(tǒng)在有效降低地基液化處理費用的同時，可提高模袋子壩地基承載力以及尾礦堆積體的抗剪強度，同時解決了地基液化問題，并且不影響后期尾礦堆積子壩的上升。

(2)氣動式豎向排滲系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)可靠，在后期生產(chǎn)運行期間，亦可以由人工操作控制設備繼續(xù)使用，極其方便。整個氣動式豎井排滲系統(tǒng)能夠抵抗并適應一定程度的沉降變形，并且其材料耐腐蝕，抗酸堿鹽及氧化能力強，總之，該工藝適應能力強，運用范圍廣，對尾礦庫細粒筑壩具有較好的應用前景。