浅谈瑞木红土镍矿防排水措施的优化

段棋凡

（瑞木镍钴管理（中冶）有限公司，北京 100028）

瑞木镍钴矿属于“湿型”红土矿，位于巴布亚新几内亚马当省境内，矿区所在地属于热带雨林气候，一年分为旱季和雨季，雨季期间矿区防排水工程的压力较大，时常有采矿生产活动对矿区周边河流水系造成污染。不仅对矿区周边社区居民造成用水困难，加重矿区对周边环境治理的负担，还直接或间接影响社区关系，对公司整体名誉造成损失。经过矿区多年的实践，针对防排水工程出现的问题进行分析，并给出优化措施。

1 矿区简介

瑞木镍钴项目位于热带雨林气候地区，5-10月为旱季，11-4月为雨季，年平均降雨量为5100mm，雨季平均降雨量4027mm，雨季降雨量占全年总降雨量的80%，旱季降雨量则较少。矿区位于瑞木河西南岸，地势较高，最高标高810m，最低标高6545m，平均标高700m，地势起伏相对平缓。矿区北、东两侧紧邻瑞木河冲积平原，矿区面积约为10k㎡。矿区中部有较大的平坦地带，四周地势下降，水势经周围小溪汇入瑞木河。

2 防排水现状

瑞木红土镍矿采用露天开采的方式，防排水主要是由大型雨水沉淀池、拦水坝和积水坑等防排水工程组合应用。雨水沉淀池布置在采场内部，主要以蒸发渗透为主，拦水坝布置在采场边界，主要对汇水进行堵截控制，积水坑布置则灵活运用，作为防排水工程辅助，现有防排水工程有雨水沉淀池2个，拦水坝8个，积水坑30个。经过多年开采，矿区已经形成相对完备的防排水工程系统，采场内地表径流基本得到控制，但是在雨季还是会有部分区域有冲积污染物冲至下游水系。

3 防排水能力不足原因分析

3.1 矿区及周边地形

矿区内最高标高810m，最低标高6545m，平均标高700m，地势起伏相对平缓。矿区周边地势较低，矿区东北部是河流以及河流的冲击平原。矿区及其周边地形形成了一个高山台体，矿区四周地势较低，对防排水工程要求较高。

3.2 矿体比重小，粒度细

“湿型”红土矿一般由6层组成,分别为腐殖土、红色褐铁矿层、黄色褐铁矿层、残积层、含砾石的残积层及基岩[1]。矿体平均体重约为0.9t/m³左右，见表1。瑞木镍红土矿的粒度很细，黄色褐铁矿层-38μm的粒级含量高达87.93%，残积矿层-38μm粒级含量还占有65.47%。在雨水冲刷过程中矿体浮于流体上层，跟随流体漂流至下游水系中，不容易沉淀，影响防排水工程的效果。

表1 矿体平均体重表

3.3 矿区汇水面积大，雨季降雨强度大

目前矿区总面积大约10km³。根据历年降雨统计分析，矿区每年强降雨在1、2、3月，全年小时降雨强度大于30mm/h累计在20h左右[2]。

3.4 开采方式

瑞木镍钴项目红土矿开采采用露天开采的方法，机械开采和水力开采相结合。水力开采法是借助于水的能量将含矿矿层冲击崩落，使矿石粉碎分离出来的方法[3]。水力开采工艺占产能的30%～35%。水力开采面临着雨季期间汇水量大、强降雨期间不能生产，大量雨水汇集至集浆池并溢流，容易造成下游的污染的问题。

4 优化措施

4.1 增加采场内部雨水沉淀池容积和沉淀池数量

实践证明，采场防排水排至采场内部雨水沉淀池是最有效的方法。

根据矿体赋存和矿体地板形态，合理布置采剥作业，尽量在采场内部低洼处形成尽可能多的采空区，用来建设雨水沉淀池汇集雨水，防止污染。

4.2 拦水坝库容设计

拦水坝建设在采场外部，拦水坝库容设计满足泥浆沉淀期间库容足够容纳强降雨汇水。为了防止流体对坝体冲刷，坝顶不能过水，坝体应修建排洪设施，并在坝体表面覆盖一层防雨工程塑料薄膜。防止流体直接冲刷坝体。排洪设施为坝体两侧掘出的两个溢流口，并放置石笼进行过滤处理。

拦水坝库容设计计算公式：

其中：V库，拦水坝库容，m³；v径流，径流量，m³/s；t，泥沙群体沉降时间，s

雨水冲刷作用下，矿体颗粒、泥沙等随雨水汇集至拦水坝处，泥沙颗粒在水中下沉时，其运动状态受颗粒的雷诺系数的影响。

ν，清水的运动粘度，Pa；ω0，颗粒下沉速度；d，颗粒的粒径

根据实践数据可得，Re为0.65。当沙粒雷诺系数0.5

式中γs为泥沙容重，γ为清水容重，c1和c2是按实测资料确定的无因次系数。如果用c1=6,c2=2/3代入上式可得到鲁比沉速公式,它适用于细颗粒泥沙(此时公式的形式实际为Stokes的球体沉速公式)[4]。

上式即为细粒泥沙沉降速度的通用表达式。

ν取1.005×10-3Pa·s（20℃），d取38μm，求得沉降速度为0.0122mm/s。

则坝体库容为：

上式中H为坝体高度，R为汇水面积，q为最大降雨强度。

即在设计拦水坝库容计算时，应考虑能承受汇水面积内持续强降雨的最长时长。

4.3 复垦

为了防止水土流失，减少雨水对矿体冲刷，应及时进行复垦植被的工程。复垦作业分为两部分，工程复垦和生物复垦。工程复垦是复垦的第一道程序，将剥离物聚堆排放至采空区进行平整，并做好相关的防排水工程。生物复垦是复垦的第二道程序，采用幼苗栽培的方法对采空区进行植被恢复。复垦工程道路应为开拓道路的固定坑线，在防止水土流失的同时，减少矿石损失。

4.4 收集雨水进行循环利用

雨季降雨比较集中，大量降雨汇入采场内的大型雨水沉淀池，蒸发渗透缓慢，对防排水工程有一定的储水压力。矿区水力开采产能占比为30%～35%，需要大量清水。针对水力开采容易造成雨水溢流污染的问题，在雨水沉淀池周边安装渣浆泵，对雨水沉淀的汇水进行循环利用，既可以缓解雨水沉淀池的汇水压力，也可以为水力开采提供充足的雨水，节约成本。

5 结语

经过系统的防排水工程计划编排及单体设计，结合矿区复垦规划，可以对矿区雨水沉淀池、积水坑和截洪沟进行联合作业，确保防排水系统的完备。防排水工程是一个系统的工程，在规划和设计防排水工程的时候，还要兼顾矿区的采剥作业，复垦作业，尤其矿区所在地属于热带雨林气候，更加加剧了矿区防排水工程的压力。