气驱排渗技术及其在膏体尾矿筑坝工程的应用

马进强

摘要：果郎沟尾矿库为甲玛铜多金属矿二期工程配套尾矿库，采用初期坝+膏体上游法堆坝形式，实际运行过程中存在尾砂渗透系数低、不固结，且坝体浸润线埋深仅10m左右等问题。华泰龙矿业公司采用气驱排渗技术，在坝体均匀布设特殊结构的竖直和水平排渗管，采用高压气驱和重力自流的联合排渗方式，大大提高了坝体排渗效率，浸润线埋深快速降低至20m左右，提高了壩体稳定性。气驱排渗技术有效解决了果郎沟尾矿库子坝排渗固结程度低的难题，同时为膏体尾矿筑坝方式及排渗技术提供了参考依据。

关键词：气驱排渗;膏体尾矿;飘管排渗;气驱竖井;槽孔管;稳定性

中图分类号：TD926.4 +1文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）03-0076-03doi：10.11792/hj20210316

西藏华泰龙矿业开发有限公司（下称“华泰龙矿业公司”）果郎沟尾矿库为甲玛铜多金属矿4万t/d选矿厂配套使用的尾矿库，设计采用初期坝+膏体上游法堆坝形式。但是，膏体尾矿筑坝工艺在实际应用中，存在尾矿排水固结强度低、难度大，尾矿库浸润线高，尾矿坝安全风险较高等问题[1]。针对这些问题，华泰龙矿业公司以现代科学理论和试验研究手段为基础，提出了适合膏体尾矿筑坝技术条件下的排渗方案、工艺技术及配套装备，即气驱竖井及飘管排渗（气驱排渗）技术，取得多学科、多方法的集成创新与系统优化成果，有效解决了果郎沟尾矿库浸润线高、坝体加固难的技术难题，对保障尾矿安全堆存及坝体稳定具有重大现实意义。

1工程概况

果郎沟尾矿库为甲玛铜多金属矿二期工程4万t/d选矿厂配套使用的尾矿库，设计采用初期坝（高85m，坝顶标高4265m，坝轴线478m，坝顶宽5m）+膏体上游法（高175m）堆坝形式。尾矿库总坝高260m，总库容7002.2×10 4m 3，为一等尾矿库。设计排矿浓度为64%～66%，尾矿粒度-0.074mm占70%。子坝采用碾压废石构筑，每级子坝高5.0m，坝顶宽3.0m，上下游边坡坡度均为1∶2，服务年限为12.9a。

果郎沟尾矿库设计采用初期坝+膏体上游法堆坝形式，“模袋法+宽顶子坝”工艺进行筑坝。实际运行过程中，尾矿粒度细、含泥量高，坝体上升快、尾矿不固结，滩面以下20m范围内尾矿不成型、呈流态、几乎没有强度，前三级子坝浸润线埋深只有10m左右。此外，果郎沟尾矿库还面临高浓度、库区封闭排渗不良、堆坝过高等问题。针对果郎沟尾矿库初期坝+膏体上游法堆坝形式的技术条件，进行膏体尾矿坝气驱排渗技术的系统研究及应用，成功降低了坝体浸润线。

2气驱排渗技术

快速实现坝体排渗固结是提高尾矿库坝体稳定性的关键因素，目前常规方法是预埋排渗管，但这种方法受施工条件限制，施工质量难以达到要求，排渗效果不理想。此外，传统排渗管和反滤层结构也存在缺陷，导致排渗效率低。华泰龙矿业公司提出的气驱排渗技术，是在坝体均匀布设特殊结构的竖直和水平排渗管，采用高压气驱和重力自流的联合排渗方式。相比传统排渗方式，气驱排渗技术不受施工条件限制，且排渗效率高[2]。

2.1槽孔管

排渗管的排渗效果主要取决于渗透面积。气驱排渗的排渗管采用孔槽设计，即槽孔管[3]，其结构如图1所示。槽孔管管壁均匀布设孔槽，主要技术参数：槽孔管直径为100mm，管壁外侧纵向均匀设置16个渗流槽，槽宽10mm，槽深3.5mm。按间距150～200mm钻孔，孔径为8mm，每延米接触面积为3140cm 2，每延米渗流面积为1600cm 2（16个槽），渗透比约为0.51。相比传统排渗管，槽孔管渗透面积提高了24.5倍，排渗效率大大提高。

2.2反滤层

槽孔管反滤层结构如图2所示。在槽孔管的外壁包裹一层白钢网，其可以使槽孔管周围80%细尾砂顺利通过，留下20%粗尾砂在槽孔管周围形成反滤层，进一步增大了透水面积，提高了排渗效率。

2.3独特的管中管结构

气驱排渗竖井的外管为进水管，内管为出水管，高压气体通过高压进气管（10mm左右）从内管底部注入，推动内管中的液体向上爬升，从而在外管底部形成负压，使得外管水位下降，井周围尾矿中的孔隙水通过反滤白钢网源源不断地进入外管中，加速尾矿排水固结，同时大幅降低尾矿堆体的浸润线。高压进气管中的气体压力高达1.2MPa，从而可以将尾矿堆体数十米深处的积水吸出，实现深层尾矿的排水固结。

2.4全天候自动化运行

气驱排渗技术配备高效自动控制系统，根据孔内水位自动切换抽排孔，每台空压设备可以控制30～50口气驱排渗竖井，循环抽排，不会因尾矿渗透系数低而断流，使排渗效率大幅提高。此外，气驱排渗竖井中没有任何机械部件，无需维修，即使内、外管随尾矿堆体沉降弯曲变形，系统也能正常工作，从而使得系统的可靠性和使用寿命大幅提升。

气驱排渗竖井原理示意图见图3。

3工程应用

3.1气驱排渗竖井施工

根据果郎沟尾矿库时段运行现状，气驱排渗竖井施工平面图见图4。

1）在二级子坝（标高4275m）铺设一排气驱排渗竖井，单孔深度30m，间距10m，共计43孔。

2）在三级子坝（标高4280m）铺设一排气驱排渗竖井，单孔深度40m，间距10m，共计43孔。

气驱排渗竖井施工程序为临时设施搭建→人员进场→设备、材料进场→施工前准备→焊接排渗管→钻机钻孔→安装进水管→安装出水管→安装供气系统→安装排水系统→安装监测及控制系统→设备启动抽水。

气驱排渗竖井施工采用XH-50特种钻机，钻孔孔径为120mm。槽孔管现场熔接，确保密闭性良好，并且内部至少可承受1.2MPa的气压;槽孔管内部安装40mm的PE出水管，高压进气管、液位及压力传感器，并与控制设备连接，实现自动循环抽排。

3.2水平飘管施工

在4267m水平布设一排水平飘管（排渗管），排渗管采用75mm齿轮透水管（外包304白钢网），排水管采用75mmPE管。钻孔深度181～203m，孔间距10m，共计布设47孔，其施工平面图见图5。施工顺序为排渗管熔接→机械钻孔→敷設排渗管[4]。

3.3应用效果

果郎沟尾矿库二级子坝的气驱排渗竖井单孔深度30m，共43孔，于2019年4月25日施工，6月7日完工，开始连续抽水，初始排水量230m 3/d;抽水至7月7日，排水量降至150～130m 3/d。三级子坝的气驱排渗竖井单孔深度40m，共43孔，于2019年6月7日施工，7月中旬施工完成并开始排水，初始排水量为190m 3/d。水平飘管于2019年9月开始施工，在一级子坝坡面共布设47孔，实际单孔长180m，10月中旬施工完成并开始排水。

为了验证排渗效果及坝体稳定性，气驱排渗技术实施前后分别对坝体做了2次工程勘察。从浸润线埋深指标分析来看：气驱排渗技术应用前，浸润线埋深10m左右;气驱排渗技术应用后，浸润线埋深降低至18.4～26.0m;表明气驱排渗技术能快速降低坝体浸润线高度，提高坝体稳定性。

4结论

1）相比传统排渗技术，气驱排渗技术具有排渗效率高、稳定性强等优点。

2）气驱排渗技术在果郎沟尾矿库应用后，快速将坝体浸润线埋深从10m左右降低到18.4～26.0m，提高了坝体稳定性。

3）采用气驱排渗技术大大降低了子坝坝体达到相同稳定性条件下所需要的土石方量，节约了运输和施工成本，经济效益显著。同时，该技术能快速有效地提高坝体稳定性，降低尾矿库安全风险，具有较显著的社会效益。因此，气驱排渗技术在同类型尾矿库筑坝工程中具有很好的推广应用价值。

[参考文献]

[1]王振兴，苏星月.尾矿库膏体排放相关问题探讨[J].世界有色金属，2019（5）：243-244.

[2]原福庆，邢晓琳.某尾矿库排渗设施设计[J].有色矿冶，2020，36（1）：46-49.

[3]金永超.排渗管井在尾矿库中的应用[J].资源信息与工程，2019，34（3）：118-119.

[4]奚兴符，阮茂盛.尾矿库排渗工程技术方法[J].探矿工程（岩土钻掘工程），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