城门山铜矿尾砂干式堆存工艺试验研究

邱子昱　刘晓峰 　赵自越

〔摘 要〕为解决城门山铜矿尾矿库库容不足无法继续堆存问题，对刘家沟尾矿库进行了湿排改干式堆存工艺试验。试验对干堆试验区域进行分区，选取典型区域研究了地基不处理时干堆的可行性，测定了干堆尾砂的物理力学指标，通过各区块的试验效果对比分析找出最适应的地基处理工艺及技术参数。基于试验结果，在壓实度满足90%的前提下，建议干堆体碾压完成后含水率不大于27%、容重不小于18.50 kN/cm3、凝聚力不小于33.8 kPa、内摩擦角不小于16.8 °。全年监测结果显示，尾矿库运行情况达到了尾砂堆存工艺试验的目的，取得了很好的应用效果。

〔关键词〕尾矿库；试验区；干式堆存；地基处理；监测

中图分类号：TD926   文献标志码：A文章编号：1004-4345（2023）05-0044-03

Study on the Design of Crushing and Grinding Process for a Tungsten Mine

QIU Ziyu 1， LIU Xiaofeng 2， ZHAO Ziyue 2

（1. Chengmenshan Copper Mine of Jiangxi Copper Group Co.， Ltd.， Jiujiang， Jiangxi 332100， China;

2. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract   In order to solve the problem of insufficient storage capacity in the tailings storage of Chengmenshan Copper Mine， the test on replacing wet discharge with dry stockpiling process was conducted in the Liujiagou tailings storage. The dry stockpiling test area was zoned in the test， and typical zones were selected to study the feasibility of dry stockpile without foundation treatment. The physical and mechanical indicators of dry stockpile tailings were measured， and the most suitable foundation treatment process and technical parameters were found through comparative analysis of the test results of all zones. Based on the test results， it is recommended that the moisture content of the dry stockpile after compaction should not exceed 27%， the unit weight should not be less than 18.50 kN/cm3， the cohesion should not be less than 33.8 kPa， and the internal friction angle should not be less than 16.8 °， provided that the compaction degree should be 90%. The annual monitoring results show that the operation of the tailings storage has reached the goal of testing the tailings stockpiling process and achieved good application results.

Keywords  tailings storage; test area; dry stockpiling; foundation treatment; monitoring

1   项目概况

城门山铜矿刘家沟尾矿库为城门山铜矿目前唯一正常生产使用的尾矿堆存场地[1]，距选矿厂东北方向直线距离为1.9 km。城门山铜矿尾矿排放量维持在2 500 kt/a，尾矿库库容接近饱和，而矿山毗邻赛城湖区，周边地形不适合建设大容量的尾矿库。该尾矿库于2011年开始投入使用，坝顶高程为30.0 m，采用一次筑坝工艺，总库容1 640.6×104 m3。2017年，在原刘家沟尾矿库上进行了模袋法[2]堆坝扩容改造设计，改造后堆积坝顶高程为34.0 m，采用上游式筑坝工艺，总库容为1 838.5×104 m3。然而，经模袋法堆坝扩容改造后，尽管尾矿库服务年限有所延长，但是库容量仍然有限。为此，城门山铜矿与中国瑞林工程技术有限公司、赣北地质工程勘察院合作，为了扩大库容量，拟将现有“湿排工艺”改为“干式堆存工艺”，来进行试验研究，为今后干堆作业提供技术指导依据。

2   试验研究

2.1  试验目的

该尾砂库为湿法堆存尾库，库内尾砂未能充分固结，承载能力较低。因此在进行干堆作业过程前，需确认地基满足汽车运输尾砂及机械碾压时所需要的地基承载力，避免出现机械陷入的情况发生。

故为适应将湿排改为干堆工艺，须对库内现有尾砂进行地基处理试验。在库区挑选典型区域进行干堆试验，确保在干堆开展前库内尾砂面具备干堆承载能力，探索承载力提高的工作方法、流程及工艺参数尾砂含水率、干堆容重、凝聚力和内摩擦角等，为今后作业操作提供技术指导依据。

2.2  试验方案

选择库区典型区域（约18 000 m2）作為试验区，确保干堆轮转过程中各单元之间高差不超过100 cm，试验区边界与膜袋坝坝顶保持50 m安全距离。将试验区分为9块区域，分为两个阶段进行离散性对比：1）第一阶段，主要确定干堆地基不处理的可行性、碾压试验效果的判别；２）第二阶段，尝试不同类型地基处理方式[4]，以指导后期各阶段作业区地基处理。具体试验区域划分平面，见图1。

2.3  具体措施

具体措施如下：1）检测堆场内压滤后尾砂的含水率，筛选合格尾砂进行干堆，使之满足干堆体90%的压实度，从而有利于作业面地基的稳定性[5]。2）在试验区周边修建截水沟、排水沟。雨季时，在干堆体表面采取临时覆盖措施，尽可能减少雨水进入干堆区域。库区地面保持在0.5%～1.0%的坡度，保障汛期洪水顺利进入蓄水区。3）汽车运输尾砂至干堆试验指定作业单元晾晒，然后由湿地型履带式机械摊铺、堆放，来回进行碾压。

3   试验结果分析

3.1  地基处理

挑选典型区域作为干堆地基不处理试验区，分别为1、4、7区；抛填挤淤法试验区，分别为2、5、8区；加筋法（竹筏+竹排）试验区，分别为3、6、9区。对各干堆体进行取样检测，并进行数据对比分析，试验结果具体见表1。

由表1可知，采用以上3种方式均能满足要求（压实度９０％）。从试验结果分析，采用抛填挤淤法处理后表层尾砂地基承载能力能得到较大提高，在此基础上进行干堆，干堆体压实度更高，效果相较于其他两种处理方式更好。但采用此工艺操作难度大、效率低，且会降低有效库容。而采用加筋法（竹筏+竹排）施工准备周期较长，且操作难度也相对较高。而直接干堆后虽然库区表层尾砂体强度提升幅度不如抛填挤淤法，但直接干堆后尾砂干堆体的压实度、承载力、黏聚力、内摩擦角等指标基本能达到设计要求。且相较于抛填挤淤法，此工艺可操作性强，效率高，且不挤占库容。因此，在该阶段采用干堆地基不处理方式，开展尾砂干堆是可行的。

3.2  碾压试验

通常影响碾压试验的因素主要有碾压机械、尾砂粒度、分层堆填厚度、碾压遍数和干堆料含水率等。

1）碾压机械。本次碾压试验分别采用16 t、22 t的湿地推土机作为碾压机械，试验各区所采用的碾压机械为同一设备，故现场作业时推土机的行进速度大致相同。

2）尾砂粒度。现场采样对9个区域进行了颗粒分析，各区域干堆尾砂的粒度大致接近，见表2。

3）分层堆填厚度。在典型区域分别选择50 cm的堆填厚度和100 cm的堆填厚度进行对比试验：当采用50 cm的堆填厚度时，库面出现了翻砂、泛水等情况，严重影响干堆作业；当采用100 cm堆填厚度时，干堆作业可正常进行。采用两种堆填厚度的干堆体压实度均能达到试验要求，试验结果具体见表3。

4）碾压遍数。采用16 t湿地推土机碾压3遍时，压实度为88.7%，未达到90%，而碾压4遍、5遍时压实度为91.1%、94.6%。采用22 t湿地推土机碾压3遍时，压实度为90.0%；而碾压4遍、5遍时压实度分别达到92.4%和96.3%，试验结果具体见表4。

5）干堆料含水率。各区压实样试验结果见表5。

本次试验检测共计取尾砂料样269组，试验使用的尾砂料含水率在21.3%～34.0%之间。干堆体的天然容重为18.52～18.88 kN/m3，凝聚力为33.11～46.30 kPa，内摩擦角为17.5 °～21.7 °。根据试验可知，在含水率为24%时，干堆尾砂料样的压实度最佳；而当含水率超过27%时，干堆体压实度效果相对较差。干堆体压实样的各项指标均能满足设计要求。

4   全年监测结果

刘家沟尾矿库监测系统分为在线监测和人工监测[6]。尾矿库等级为三等，安全监测等级为Ⅱ级。尾矿库在线监测须与人工监测相结合，不能唯一依靠尾矿库在线监测，通过人工监测和日常安全检查弥补在线监测的不足，两者相辅相成，缺一不可。尾矿库在线监测项目包括坝体表面位移、坝体内部位移、浸润线、库水位等；人工监测项目包括坝体表面位移、库水位等。人工监测坐标数据分布见图2。通过对改造后的尾矿库运行情况进行监测，监测结果具体见表6。

综上可知，刘家沟尾矿库坝顶垂直位移呈下沉趋势，干堆期间在线监测坝面累计垂直位移在4～6 mm之间， 靠近干堆试验区副坝坝顶往东北方向移动8 mm左右。干堆期间人工监测坝面累计垂直位移在1～9 mm之间，靠近干堆试验区副坝坝顶水平位移在6～8 mm之间。

5   结论

1）在第一阶段作业区内，采用干堆地基不处理的情况，开展尾砂干堆是可行的。

2）采用16 t和22 t的湿地推土机均适应尾砂干堆条件，在尾砂进占、碾压密实、起堆成形、平整滩面等方面均能满足要求。分层堆填厚度为100 cm，碾压遍数4遍时，可达到试验要求的90 %压实度。

3）垂直位移的人工监测与在线监测结果变化趋势比较一致，全年坝体沉降趋于稳定，尾矿库运行后期没有明显增加。水平位移的人工监测与在线监测结果变化趋势比较一致，数据形态稳定，坝体总体运行稳定。

4）根据试验收集的数据计算分析，当压实度满足90%的前提下，建议干堆体碾压完成后含水率不大于27%、容重不小于18.50 kN/cm3、凝聚力不小于33.8 kPa、内摩擦角不小于16.8 °。

参考文献

[1] 刘福萍.多雨地区尾矿干堆体表面固化试验与应用研究[D].长沙： 中南大学，2014：7-10.

[2] 张舟，钱庆泽，王志强，等. 模袋法尾矿筑坝在某尾矿库加高工程中的应用[J]. 现代矿业， 2016（5）： 197-200.

[3] 傅学忠.尾矿压滤干堆在凤城地区黄金生产中的应用[J].黄金， 2012（33）： 49-51.

[4] 马文群.关于尾矿地基基础处理措施的探讨[J].世界有色金属， 2017（24）： 263-265.

[5] 曾宪坤，沈楼燕. 关于在我国南方多雨地区实施尾矿干堆技术的探讨[J]. 中国矿业， 2011（5）： 90-92.

[6] 于广明，宋传旺，潘永战，等. 尾矿坝安全研究的国外新进展及我国的现状和发展态势[J].岩石力学与工程学报，2014（33）：3238-3245.

收稿日期：2023-01-08

作者简介：邱子昱（1997—），男，主要从事矿山工程管理和土建技术工作。