影响细粒尾矿坝安全稳定性因素及对策

问题探讨 影响细粒尾矿坝安全稳定性因素及对策 孙国文 1 ,余 果 2 ,3 ,尹光志 2 ,3 (1. 重庆工程职业技术学院,重庆400037; 2.重庆大学 资源及环境科学学院,重庆400044; 3.重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆400044) 摘 要:通过对细粒尾矿堆坝的不利因素分析,讨论了干滩面长度、 堆坝坡度、 尾矿砂密实度以及浸 润线高度对坝体稳定性的影响,并与一般尾矿坝进行对比,结合生产实际,制定了相应提高细粒尾矿坝 体稳定性的措施。 关键词:细粒尾矿;尾矿坝;稳定性;浸润线 中图分类号:TD926. 4 文献标识码:B 文章编号:1008 - 4495(2006)01 - 0063 - 03 收稿日期:2005 - 03 - 23修回日期:2005 - 12 - 12 基金项目:国家自然科学基金(50374084) 作者简介:孙国文(1976 - ) ,男,助教,硕士,2005年7月 毕业于重庆大学资源及环境科学学院采矿专业,现从事教学 工作。 随着选矿技术和工艺的不断提高,以及尾矿的 利用(井下充填、 做复合材料等 ) , 使得尾矿颗粒越来 越细。当尾矿中的细粒成分占到一定比例时,将其 用于堆坝就很困难,尤其是堆积高坝就更难,目前细 粒尾矿堆坝高度未超过30 m。在国内外矿山中,由 于尾矿坝工程失效,造成严重危害的实例屡见不 鲜 1 。因此,当用细粒尾矿筑坝无法回避时,应该考 虑如何提高坝体稳定性,确保尾矿坝安全。作者就影 响细粒尾矿坝安全稳定性的因素和提高坝体稳定性 措施进行阐述,提出了解决这一问题的一些基本 设想。 1 细粒尾矿 目前,细粒尾矿没有严格的定义。资料 2 ,3 介 绍,细粒尾矿是指平均粒径dcp0. 03 mm ,其中 - 0. 019 mm颗粒含量一般 50 % , + 0. 074 mm的含 量 30 %时就可以 考虑用尾矿堆坝。 细粒尾矿的产生主要有两种情况 :1) 由选矿场 排出的全尾砂本身就属于细粒尾矿 ;2) 选矿物排出 的全尾砂虽不属于细粒尾矿,但由于生产上采用分 级尾砂充填工艺,全尾砂经过分级处理后,其较粗部 分用于井下充填,余下较细部分为细粒尾矿被排放 到尾矿库堆坝。云南大红山铜矿的细粒尾矿就属于 后一种。 2 影响细粒尾矿坝体稳定性因素 尾矿坝是尾矿构筑物的主体。影响细粒尾矿坝 体稳定性的因素很多,例如,区域地质构造、 库区不 良地质现象、 干滩面长度、 堆坝坡度、 尾矿砂密实度 和浸润线高度、 工程措施、 效果等。 2. 1 干滩面长度对坝体稳定性影响 目前国内形成一定规模的尾矿有1 500座左右, 其中90 %以上的尾矿库采用上游法筑坝工艺 1 。该 法是通过坝顶分散放矿的支管向库内均匀放矿。在 排矿量大、 浓度低的排放条件下,干滩面长度很大程 度取决于库内水位控制。若干滩面控制过长,滩面 的上升速度必然缓慢,由此而影响库容蓄水和澄清 水距离不足导致回水质量变劣。若控制水位保持滩 面坡度,使水面离坝顶水平距离缩短,库内水位上 升,导致坝体安全稳定性降低。因此,控制、 监测干 滩面长度极其重要。 2. 2 堆坝坡度对坝体稳定性影响 通过对细粒尾矿堆积坝物理模型室内试验的研 究,测试出在不同坡度下细粒尾矿坝的承载能力,结 果表明,当堆积坝坡度每增大10,其坝体承载能力 至少减至原来的1516 ,说明提高尾矿堆积坝坡 度不利于坝体稳定,更易发生破坏。因此,在实际尾 矿库工程中,还应随时观测控制坝坡角度。 36 2006年2月 矿业安全与环保 第33卷第1期 2. 3 尾矿砂密实度对坝体稳定性影响 一般的尾矿堆积坝,通过自然分级,依靠自身的 重力作用固结密实,宏观上具有上粗下细和坝前粗、 坝尾细的一般特征;在微观上,尾矿沉积层中普遍存 在粗细相间的夹层、 互层、 交错层、 千层饼等现象,结 构上表现为不均一性和各向异性。而细粒尾矿的平 均粒径dcp0. 03 mm ,在分散放矿时,颗粒不易沉 积,当悬浮液浓度为5 %10 % ,潜流速度大时,可能 发生异重流,使得坝体空隙度大,压实性差。尾矿材 料的室内试验表明,坝体密度对抗剪强度有明显影 响,密实度越高,抗剪强度越大。因此,在堆坝期间, 应严格控制放矿速度,避免出现由于矿砂疏松造成 坝体失稳的情况。 2. 4 浸润线高度对坝体稳定性影响 由于上游筑坝法是依据物料颗粒自然堆积的, 堆积物具有松散性和含水性,故只能在自重作用下 压密。因此堆积的尾矿砂各种力学指标都较低,而 透水性相对较大。从而使库内水在常水头和动水头 的作用下,依据尾矿的本身作为渗径渗出坝体,或者 局部形成含水饱和区,所以经常发生浸润线自初期 坝顶溢出现象。轻者在浸润线出逸处流失尾矿砂, 形成冲沟,重者造成尾矿坝的滑动。 根据现场堆积实践结果对比分析,细粒尾矿堆 积坝的浸润线比一般尾矿堆积坝的浸润线高(见图 1) 。而浸润线位置的高低对于尾矿坝的稳定性影响 甚大,粗略地讲,浸润线每下降1 m可使静力稳定性 安全因素增加0. 05左右甚至更多一些;浸润线如能 降至距坝面8 m以下,在7级地震发生时基本上不 会产生振动液化。浸润线如果降不下来,对尾矿坝 的稳定性是非常不利的 4 。因此,如何控制坝体渗 流途径,防止浸润线偏高,是细粒尾矿工程技术措施 的重要内容。 (a)细粒尾矿堆积坝 (b)一般尾矿堆积坝 图1 细粒尾矿与一般尾矿堆积坝的典型断面对比 3 提高坝体稳定性的措施 3. 1 开展细粒尾矿坝加固技术 细粒尾矿堆积坝的加固与一般尾矿加固不同。 细粒尾矿堆积坝的加固实际上是加固整个尾矿库干 滩面内的一定范围,形成一个人工尾矿壳体,使细粒 尾矿堆积坝处于稳定状态。而一般的全尾矿堆积 坝,则是通过自然分级,依靠自身的重力作用固结密 实,使靠近坝外坡一定范围内为粗粒尾矿组成的壳 体。因此,细粒尾矿堆积坝的加固不可能是一次性 的,它是随着尾矿堆积坝的上升要不断地加固,目的 是形成一个人工加固的坝壳体。由于其形成的特殊 性,决定了细粒尾矿堆积坝的加固所采用的措施和 方法不可能很复杂,也不可能采用机械大规模进行, 因为必须保证尾矿库能一直使用,不能因为加固而 停产。 目前细粒尾矿库工程中应用较多的加固方法为 加筋似池填法(见图 2) 。其具体施工工序为:在干滩 面上铺设土工格栅 按照设计坡度修筑拦挡小坝 按池填法往子坝和拦挡小坝之间放矿,达到设计高 度后,又重新铺设土工格栅,重复前面的工序。采取 这些措施的主要作用是:铺设土工格栅,提高坝体稳 定性;修筑拦挡小坝,改变干滩面的坡度,同时使尾 矿粗颗粒更好地沉积在坝前。 图2 加筋似池填法示意图 3. 2 改善坝体渗流条件 考虑到细粒尾矿堆积坝的浸润线比一般尾矿堆 积坝的浸润线高,为此应加强细粒尾矿堆积坝的排 水系统,以降低坝坡浸润线高度,增大坝体的干燥部 分或适当增加尾矿池内的干滩面长度。现在一般是 通过设置排渗系统达到降低浸润线,提高尾矿坝稳 定性的目的。目前常用方法很多,如井式排渗、 管沟 式排渗、 褥垫排渗及墙式排渗等,其措施比较见表1。 表1 常见排渗措施比较 排渗措施原 理优缺点 井式排渗 墙式排渗 采用水泵抽水 投入大、 应用不多、 适用于急需短 期内降水的尾矿坝 管沟式排渗 褥垫排渗 采用自流原理 效果较好,施工技术难度较大,应 用广 虹吸排渗采用虹吸原理 施工方便、 经济,运营成本最低,便 于管理 从表1中可以发现,按虹吸原理设计的虹吸排 渗设施同时有表中其它处理方法的优点,现已成为 46 2006年2月 矿业安全与环保 第33卷第1期 一种新型排渗降水技术应用在各尾矿工程领域中, 运行效果良好。但由于一般尾矿筑坝可以形成厚的 砂坝壳,其渗透系数一般不低于10 - 4 cms ,所以排渗 设施容易获得明显效果。而细粒尾矿筑坝不会形成 厚的砂坝壳,坝体平均渗透系数低,其值在10 - 6 10 - 5 cms ,估计采用1种排渗降水设施,效果不一定 很明显,应当根据工程具体条件,寻求2种或2种以 上排渗设施同时进行设计,以达到更好的排渗效果。 3. 3 完善尾矿坝安全监测系统 尾矿坝是一种特殊的工业建筑物。当尾矿库投 入运行后,受着不同阶段、 环境及运行方式的影响, 其工作情况(坝高、 库区水位、 堆积坝体尾矿的物理 力学性质等)都在不断地发生变化。因此,尾矿库 (坝)的监测工作极其重要。通常尾矿库(坝)的监测 项目主要有以下4大类: 1) 变形监测 垂直位移、 水平位移、 裂缝、 固结等; 2) 应力监测 总应力、 孔隙水压力; 3) 渗透监测 浸润线、 渗流量、 渗水水质等; 4) 水文气象观测 库区降雨量、 入库流量、 库内 水位变化、 波浪等。 针对具体某一尾矿库(坝)而言,应根据该尾矿 库(坝)的特点,结合现场的实际情况,在满足监测目 的前提下,合理地选择监测项目,并加强对监测数据 分析、 整理,以实现尾矿库安全监测的自动化、 科 学化。 4 结语 做好细粒尾矿坝的管理工作,确保其安全稳定 地运行,是一项长期而艰巨的任务,必须坚持不懈。 对影响细粒尾矿坝体稳定性因素应认真分析,及时 查找,并结合相应的工程特点,找出解决和补救的措 施,只有这样,才能确保尾矿坝安全。 参考文献: 1徐宏达.我国尾矿库病害事故统计分析J 1 工业建筑, 2001 ,31(1) :69 - 71 2中国有色金属尾矿库概论 编辑委员会 1 中国有色金 属尾矿库概论 R1 北京:中国有色金属工业总公司, 1992 3尾矿设施设计参考资料编写组 1 尾矿设施设计参考资 料M1 北京:冶金工业出版社,1980 4陈守义.浅议上游法细粒尾矿堆坝问题J .岩土力学, 1995 ,16(3) :70 - 76 (责任编辑:李 琴) (上接第62页) 道顶板下沉量越来越小,最后趋于稳定状态,达到了 预期的支护效果。 2) 喷层内的应力测量。在钢格栅的中间层安 设压力盒,如图3所示。每间隔5 d对喷层内的径向 应力与切向应力进行测量,结果见图4。 图3 压力盒安装位置图 图4 应力与时间关系曲线图 从图4可以看出,前15 d喷层内的径向应力和 切向应力增量变化较大,15 d后,喷层内的径向应力 和切向应力增量变化均较小,到60 d后,径向应力和 切向应力增量越来越小,最后趋于稳定状态。 4 经济分析 1) 采用木垛法接顶,所需木料