细粒尾矿快速筑坝新技术及工程应用*

周汉民，崔 旋,2，张 宇，韩亚兵

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160； 2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，以储存金属非金属矿山经矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣的场所[1-2]。据统计，我国90%的矿山尾矿库采用上游式堆坝方法筑坝[3]。传统上游法筑坝工艺指在初期坝上游方向冲、堆积尾矿的筑坝方式，即尾矿经过重力分选、自然沉积作用形成堆积坝的沉积滩，在滩面上采用冲积法、池填法、渠槽法、旋流分级筑坝法等工艺堆筑子坝[4-5]，该过程入库尾矿沉积固结后形成具有一定承载力的坝基，是成功实现后期子坝堆筑的关键[6-7]。

随着我国矿山资源开采利用持续高速发展，以及选矿工艺水平和回收率的不断提高，尾矿入库量逐年增多，尾矿粒径越来越细。细粒径尾矿进入尾矿库后透水性差、固结时间长、力学强度低、超孔隙水压力难以消散[8-9]，导致尾矿沉积滩呈现承载力低、排水能力差的软弱特性，难以直接作为坝基堆筑后期子坝，严重制约企业大规模生产[10-12]。因此，开发安全快速的细粒尾矿软弱滩面筑坝技术，一直是国内外矿业界追求的目标。

1 细粒尾矿快速筑坝新技术

细粒尾矿快速筑坝新技术是指采用尾矿模袋法堆坝强基+渣土宽顶子坝增稳+坝基协同排渗的工艺流程，以提高细粒尾矿软弱坝基上子坝稳定性的1种新型上游法筑坝技术及工艺。模袋联合渣土宽顶子坝如图1所示。

图1 模袋联合渣土宽顶子坝Fig.1 Geofabriform combined muck wide-crest dam

尾矿模袋法堆坝指通过向土工编织模袋内充灌尾砂并经压力排水形成固结充灌体，利用充灌体连续交错堆筑而形成模袋子坝的尾矿库堆积坝填筑方法[3,13-15]，模袋法堆坝施工示意如图2所示。土工模袋一方面通过排水保砂、层间加筋等作用将散体尾砂材料约束成型堆筑子坝；另一方面将通过挤淤置换、应力扩散等作用提升下卧沉积滩的坝基承载力；此外，模袋坝体抗渗透破坏能力强，可实现抵御坝前未固结尾矿的作用。

图2 模袋法堆坝施工示意Fig.2 Schematic diagram of dam construction with geofabriform method

渣土宽顶子坝施工示意如图3所示。采用渣土宽顶子坝一方面可达到增加有效干滩长度及安全超高的目的，另一方面起到抵御坝前深厚未固结尾矿、保证单级子坝稳定性的作用。

图3 渣土宽顶子坝施工示意Fig.3 Schematic diagram of muck wide-crest dam construction

为加速坝前湿软沉积滩固结排水、提高子坝坝基承载力，需辅以布置于模袋坝前和渣土坝基的真空席垫排渗、竖向排渗及水平排渗组合措施，最终实现细粒尾矿软弱滩面快速筑坝的目的。

2 工程应用

2.1 工程概况

国内某尾矿库设计服务能力较大，尾矿堆坝高度175 m，最大上升速度达30 m/a。入库尾矿浓度55%～60%。全尾矿中-74 μm的粒径含量约为80%，-20 μm的粒径含量约为50%，-5 μm的粒径含量为20%。尾砂液限含水率为25.2%，塑限含水率为17.9%。

该尾矿库具有放矿浓度高、服务能力大、坝体上升速度快等特点，工勘结果显示库内滩面软弱且厚大，0～25 m范围内滩面含水率高达40%，传统方法难以满足企业正常生产需求。鉴于此，采用细粒尾矿快速筑坝技术进行工程应用，应用成果对细粒尾矿处置具有较好的指导意义。

2.2 筑坝方案设计

为实现软弱滩面上快速安全堆筑子坝的目的，尾矿库采用“模袋法+宽顶子坝”型式进行后期坝堆筑，单级模袋坝高5 m，共10级,子坝外坡比1∶2.0，顶宽55 m，底宽80 m。宽顶子坝堆筑(模袋子坝及渣土子坝)设计如图4所示，子坝排渗系统设计如图5所示。

图4 第1～10级子坝剖面示意(子坝坝体部分)Fig.4 Schematic diagram for section of first level to tenth level sub-dams (dam body part of sub-dam)

图5 坝体排渗设施剖面示意Fig.5 Schematic diagram for section of seepage drainage facility of dam body

1)模袋+渣土宽顶子坝工程

①模袋坝：坝顶宽6.0 m，单级高5 m，内外坡比1∶2.0，两侧预留1.4 m高模袋沉降反压平台，底宽42 m。施工前在模袋子坝基础下方抛砂1.0～1.5 m厚，抛填距离60～70 m。

②渣土坝：渣土坝顶宽49 m，外坡比1∶2.0，第1级渣土子坝预留13.5 m平台，第2级至第五级预留10 m平台，第6～10级预留15 m平台。

2)排渗工程

后期坝排渗系统主要设置布置于模袋坝前和渣土坝基的真空席垫排渗、竖向排渗及水平排渗3种排渗措施。

每级子坝沿平行坝轴线方向一般布设2幅席垫，一幅位于渣土子坝坝底，另一幅位于模袋子坝库内侧垫层上，每幅席垫宽度2 m；竖向排渗管每2～4级布置1排；水平排渗管措施每3级敷设1次。

2.3 工程应用效果

1)工程勘察

本文提出的细粒尾矿快速筑坝新技术在该尾矿库进行2 a工程应用，已安全堆筑10级子坝，总堆筑高度达50 m。库内尾砂勘坝体剖面分区示意如图6所示。

图6 勘坝体剖面分区示意Fig.6 Schematic diagram for section partition of prospecting dam body

各地层分区编号见表1。由图6可知，堆积坝内软弱夹层呈现“似剪刀口”状分布，子坝下卧尾砂在自重及排水作用下逐渐固结。

表1 库内尾砂工勘地层分布Table 1 Distribution of geological prospecting strata for tailings in pond

2)尾矿库堆积坝稳定性分析

本文利用GEO-STUDIO的SLOPE软件对尾矿库进行稳定性分析，稳定计算采用基于极限平衡原理的简化毕肖普法。

采用细粒尾矿快速筑坝新技术对尾矿库进行50 m高子坝堆筑后，其稳定性分析结果见表2。最危险滑弧如图7 所示。由图7可知，坝体在正常运行及地震工况下，安全系数均大于规范值建议，满足规范要求。

表2 稳定计算结果Table 2 Calculation results of stability

图7 地震工况下最危险滑弧Fig.7 Most dangerous slip arc under earthquake conditions

3 结论

1)模袋坝作为上覆荷载作用于饱和尾砂滩面，会加速尾砂固体颗粒沉积，支撑上部模袋子坝成功堆筑。渣土坝提升子坝稳定性，抵御深厚未固结尾矿荷载。

2)细粒尾矿快速筑坝技术施工工艺连续紧凑，可实施性强。

3)该技术在某细粒尾矿库进行工程应用，实现年最大筑坝高度30 m，稳定性分析结果表明当堆积坝高度达50 m时，坝坡整体安全系数满足规范要求。