湿式尾矿堆存技术

(1)选址方法。近年来数字信息技术发展迅速,体现出高速、大容量、综合化、数字化和个人化的发展趋势。同样在尾矿库选址方面,目前国内外学者大量地利用数字信息技术进行选址,如应用Arc View、Map GIS等计算机软件^[1] 、层次分析法(AHP)与地理信息系统(GIS)^[2,3] 进行尾矿库选址,建立矿区的数字高程模型(DEM),可以对矿区位置、地质图、缓冲区、低洼区等进行叠加分析,再结合容积计算或模糊综合优选理论确定最佳尾矿库,提高了尾矿库选址的综合决策量化水平和可视化程度。利用信息数字技术进行尾矿库选址必将成为今后的主流技术而得到发展。

(2)利用废弃空间堆放尾矿。废弃空间包括地下空区、露天采坑、地表塌陷区等,这些空间都会危及矿山的安全生产,而利用这些空间来堆放尾矿既可以消除对矿山带来的安全隐患,又能减少矿山尾矿库建设、经营、灾害治理等费用,改善矿山生产和生活环境,因此近年来成为矿山企业的研究热点^[4] 。废弃空间利用技术的关键主要包括尾矿库容积确定,尾矿库边坡安全稳定,采空区防渗措施,尾矿库输送、排洪、回水、加水系统的安全可靠性,坑内尾矿排放安全位置确定等方面^[5,6] 。例如要实现露天坑作尾矿库同时保证地下矿正常开采,必须在对岩体进行岩石力学研究基础上,对露天坑实施防渗加固措施,并采用胶结充填采矿法,对露天地下过渡段还要进行注浆加固^[7] 。随着我国对环境保护要求越来越严格,采用废弃空间来堆放尾矿将会成为目前一些已生产矿山企业的选择重点。

引起尾矿库灾害的主要原因有坝体渗流、坝体滑坡以及地震等3大类,其中以坝体渗流造成的事故所占比例最大。尾矿坝的排渗措施包括坝面治理、库底排渗、柔性水平排渗管式、辐射式排渗、电力排渗、钻孔对接排渗、土工布加筋筑尾矿坝等^[8] ,不同的条件应采用不同类型的排渗设施。近年来,在尾矿坝的排渗加固方法、防渗施工方法、新型防渗材料的应用等方面开展了一些研究工作,这些方面也将成为今后重点的研究方向。

尾矿堆积坝排渗加固方法,包括贴坡反滤法、自流式排渗管、管井法和虹吸排渗、垂直-水平联合自流排渗、辐射井等^[9] 。辐射井自流排渗技术包括沉井、水平辐射管和穿坝导水管的设计以及施工工艺等,辐射井的结构由主井、辐射滤管、导水管和排水插板组成,这项技术具有适应地层广、浸润线降幅大、运行管理方便和工程寿命长等优点^[10,11] 。孟家冲尾矿坝生产实践表明,辐射井排渗具有控制范围广、降水深度和疏干体体积大,自流排渗、后期管理方便等优点,使其尾矿坝继续加高到180 m标高得以保证^[12] 。水平-竖直孔联合自流排渗法能有效穿透尾矿中的细泥夹层,将各细泥夹层上的积水导入垂直排渗孔,使其富集到水平滤管或附近,通过水平滤管排出坝体外,能有效降低坝体浸润线,适用于尾矿排放紊乱,尾矿堆积体中较多细泥薄层或透镜体,相对隔水明显的尾矿堆积地层^[13] 。某矿针对尾矿库溢洪井井壁和隧道壁出现渗漏、涌泥的现象,提出壁后注浆堵漏防渗处理措施^[14] 。

尾矿库在进行防渗施工时,要注意场地的基底清理、防渗材料和防渗结构的选择及防渗材料的铺设、连接、覆盖等工序的质量控制^[15] 。如Ⅱ类尾矿库的环保防渗结构宜采用单层土工膜复合防渗结构,即1层防渗土工膜加1层与其紧密接触的膜下压实黏土层或土工织物膨润土垫(GCL)^[16] 。基底处理是整个防渗工程中的重点和难点,由于复合防渗层渗漏量很小,因此尾矿库防渗设施施工中基底处理和膜下低渗透性土层或人工衬里铺设是非常重要的^[17] 。文献[18] 提出一种新型的分段施工垂直排渗管技术,在1/2~2/3尾矿库坝高处铺设该排渗管可达最佳效果。该技术可有效地降低坝体浸润面,保证尾矿库渗流稳定性和结构安全性。新厂沟尾矿库采用双向槽孔排渗管技术,分别在初期坝坝顶、第5级和第8级子坝处安置双向槽孔排渗管,使该尾矿库满足了加高扩容的要求^[19] 。

选用适当的防渗材料改善坝体渗流条件、提高坝体的密实度,可以有效治理并预防尾矿库的灾害。近年来高密度聚乙烯HDPE复合土工膜在尾矿库工程施工中得到了应用^[20,21] ,但施工时要注意采用适宜的工艺^[22] ,如中铝公司中州台马沟赤泥库提出了分台阶、分区铺设防渗膜的理念^[23] 。

尾矿库筑坝方法包括上游式筑坝、中线法筑坝和下游式筑坝,近年来主要在堆坝设计、新型堆坝施工方法、堆坝技术、坝基处理方法方面进行了研究。

在堆坝设计方面,江西德兴铜矿四号尾矿库采用中线法堆坝工艺^[24] ,通过长期的生产实践认为每期大坝的堆筑都需要做相应的设计,尾矿库安全技术措施工程也要根据生产实际要求及时进行。羊拉铜矿随着库容的不断增大,每一年坝体的升高速度要根据生产情况进行调整,因此每一次堆坝时均要做相应的设计,及时记录堆坝数字,合理科学开展堆坝施工,根据尾砂浓、细度调整旋流器,维护好排水、排洪系统,治理库内边坡,监测库内周围地质变化,发现异常情况及时处理,以保障尾矿库的安全运行^[25] 。

在新型堆坝施工方法方面,近年来发展了一种模袋堆坝法,这是借鉴国外水利、铁路方面采用的模袋技术而发明的一种尾砂筑坝技术。如云南大平掌尾矿库针对入库尾矿量增加、尾矿粒度变细等情况,开展了以模袋法堆坝技术为主、辐射井排渗及土工加筋为辅的专项治理工程。该尾矿库采用模袋法筑坝后子坝外坡比为1∶4.0,内坡比为1∶2.0,坝顶宽18.0m,底宽42 m,单级坝高4.0 m,外坡平台4.0 m。目前已完成五级模袋堆坝,堆坝高度20 m,累积加高库容为127.88万m³。云南汤丹尾矿库采用模袋法堆坝技术,辅以加筋、排渗等措施进行加高,设计全库整体共分5级子坝进行加高,单级坝高为3.0 m,各级模袋子坝外坡比1∶3.5,各级子坝相互搭接,坝外坡各级平台宽度4.0 m,整体__~第五级子坝综合外坡比1∶4.8。总库容274万m³,有效库容247万m³。各级子坝内侧均设有立体排渗设施及土工格栅加筋措施。目前该尾矿库运行状态良好,坝体浸润线埋深控制在坝面10 m以下,能够满足9度地震区抗震设防要求。江西金山矿业有限公司阳山尾矿库属山谷型尾矿库^[26] ,采用模袋筑坝扩容方案,在尾砂面采用模袋充填,以尾砂筑坝方式新建4座分隔坝,依次使用。尾矿库从120 m高程扩容至140 m高程后,总坝高为53.8 m,新增库容约483.9万m³。宜春钽铌矿二号尾矿库采用模袋堆坝法,用高强度、透水性土工材料制作大面积连续模袋,通过向模袋内充灌尾砂并自行排水形成固结充填体,利用充填体连续交错堆筑子坝,该工艺在防汛工作中发挥了重要作用^[27] 。文献[28] 根据某铁矿尾矿库尾矿颗粒偏细,筑坝上升速度快,导致尾矿固结强度低的特点,采用模袋筑坝方法,辅以三维排渗系统,可满足偏细粒尾矿的快速堆坝,达到了尾矿库安全运行的要求。

在堆坝技术方面,文献[29] 探讨了当前解决偏细粒尾矿堆坝问题的基本原则,总结了当前偏细粒尾矿堆坝中的新技术,如模袋法堆筑子坝、辐射井排渗、新型盲沟排渗技术、坝体内铺设加筋材料以及采用先进尾矿坝位移检测技术等。小庙岭选矿公司针对高浓度尾矿堆坝困难的问题,通过采取坝前稀释手段,实现了高浓度矿浆稀释成低浓度矿浆,提高了矿浆的分散性,实现了正常堆坝。该方法2009年7月实施后,实现了来自选厂55%至60%高浓度矿浆的堆坝,运行平稳,取得了良好的效果^[30] 。文献[31] 针对高原寒冷地区的尾矿冬季放矿问题,提出了尾矿堆积坝冬季放矿冻结计算方法。

在尾矿坝基处理方面,文献[32] 提出了振冲换填法,该处理方法很适合环保要求较高的寒冷干旱草原地区。

模袋法堆坝技术是目前尾矿库筑坝中应值得重视的一项技术,该法可有效解决尾矿颗粒细不易筑坝的问题,弥补了调洪滩长不足的缺陷,加快了坝体固结时间,并使坝体快速上升,满足生产的需求。该技术的应用不仅在筑坝材料、施工难度、施工工期、新增库容等方面都要优于其他扩容方案,且投资也相对要低,安全性更高,尤其是筑坝材料取用库内尾砂既不影响环境又能增加库容,且施工期间不影响企业的正常生产(包括尾砂排放和选厂回水),给企业带来明显的经济效益和生态效益。因此,该法必将在今后的尾矿堆坝中获得推广。

尾矿库加固方法包括完善排洪设施、改善坝体渗流条件和受力条件及提高坝体的密实度,具体技术包括灌浆加固,井式、管沟式排渗、褥垫及墙式排渗,土工格栅加筋加固,坝体碾压和振冲置换法等。近年来,提出了超压真空密实技术、端部卷轴式土工格栅加固方法、塑料排水板排水固结法、土工聚合物加固法、高压喷射灌浆技术等。

尾矿坝的超压真空密实技术即采用独特防淤堵排水板,结合增压技术对尾矿库进行加固治理,可提高尾矿库安全^[33] ;端部卷轴式土工格栅加固方法不仅可使尾矿坝的稳定性提高14%~17%,而且能改变坝体应力场的分布,使其朝着有利坝体稳定的方向变化^[34] ;塑料排水板排水固结工艺处理江西铜业武山铜矿新建尾矿库软基取得了成功,与传统处理工艺相比,不仅降低了工程造价,缩短了工期,并避免了因软基处理造成的环境污染^[35] ;土工聚合物加固法^[36] 利用其能承受的拉力,增加稳定力矩,提高软土抗滑稳定性,其导水作用能使土层加速固结,加快坝基填土施工速度。因此该法可缩短工期,达到工程环保要求;高压喷射灌浆技术^[37] 、坝体灌注黏土浆加固技术^[38] 等是应用面广、质量高的防渗加固方法,目前已趋成熟;水平加筋技术^[39] 即针对尾矿库加高扩容时土堤抛石挤淤出现隆起的现象,对堆积坝和浆砌石坝后尾矿区域进行水平加筋,以利尾矿排水固结,效果良好。

尾矿库闭库包括尾矿坝坝体整治、尾矿库排洪系统整治、库区覆土生态恢复和完善尾矿坝观测设施并定期监测4个要点^[40] 。如某铁矿闭库设计时,对坝采用片石反压和放缓边坡处理进行加固,同时加设垂直-水平联合排渗体和排水沟等以紧急降低库内洪水位,降低浸润线^[41] ;针对尾矿库闭库工程中排洪系统的治理,文献[42] 提出了尾矿库闭库后对原排洪系统进行全面封堵并新建永久性排洪明渠,同时将滩面整治成由内向外顺坡的理念,强调了闭库后零存水的原则。

尾矿库闭库今后的发展重点仍在于尾矿库的复垦和生态化及坝体的整体整治,以确保安全和对环境无害,包括新型的复垦技术,如生物复垦技术、生态农业复垦技术等。

尾矿库的模型主要包括溃坝仿真模型、安全预测模型、溃坝后砂流的演进模型等,这些模型为编制工程安全与环境风险应急预案提供了依据,因此在今后将得到不断的发展。

在尾矿库坝溃坝仿真模型验证方面,清华大学^[43] 提出了尾矿库溃坝模型相似律及试验方法,并完成了德兴铜矿五号尾矿库、攀枝花钢铁公司万年沟尾矿库、西藏驱龙铜多金属矿甲玛沟尾矿库等13座尾矿库的溃坝模型试验,研究了尾矿坝溃决机理、溃坝尾矿流对下游的影响程度及对策;文献[44] 采用FLO2D泥石流模拟软件对湖南某尾矿库进行溃坝灾害过程仿真,并将模拟结果与3DMine数字矿山软件耦合,实时反演溃坝灾害过程;根据多个大坝的实际溃决资料,文献 提出尾矿坝溃坝的数学模型,并就尾矿坝溃坝后泥石流对坝下游的影响提出预测方法,最后利用数学模型对某尾矿库溃坝砂流进行了预测。

在尾矿坝安全预测模型方面,文献提出了基于果蝇算法优化广义回归神经网络的尾矿库安全预测模型,同时采用相关分析方法选取尾矿库安全评价指标。结果表明,与GRNN网络模型和BP网络模型相比,采用果蝇算法优化的GRNN模型预测精度更高,适用性更强,在尾矿库安全预测方面具有很大的实际应用价值。在此基础上,还提出了采用修正型果蝇优化算法优化广义回归神经网络的尾矿库安全评价模型(MFOA-GRNN) 。

在溃坝后砂流的演进模型方面,云南兰坪铅锌矿温庄尾矿坝通过ABAQUS有限元软件,建立了尾矿坝的二维流固耦合模型,获得了该尾矿坝在正常和洪水2种工况下的应力场、位移场、渗流场,对尾矿库的安全稳定性进行了很好的预测^[48] ;以辽宁某尾矿库为例,文献[49] 采用非牛顿流体模型中的Bingham模型,利用ANSYS CFX流体动力学分析软件对溃坝后的砂流演进过程进行模拟分析,重点分析了溃坝后的流态变化、速度矢量变化以及最终堆积形态,其结果将为溃坝灾害应急预案的编制、下游人员安全疏散方案的提出及溃坝后的灾害评估提供重要的依据。