大塔冲尾矿库前期低浓度尾矿浆堆积尾矿沉积规律研究

    许汉华 何向荣 王光进 眭素刚 夏源

    

    

    

    摘?要：本文介绍了大塔冲尾矿库前期低浓度尾矿浆堆积尾矿特征，该尾矿库低浓度尾矿浆堆积尾矿的沉积规律、物理力学指标等符合上游法堆积尾矿的一般沉积规律，其强度指标能满足尾矿库正常生产及继续堆积。但在尾矿浓度、生产方式改变后，需进行尾矿堆积规律及强度的研究分析，确保尾矿坝的稳定。研究数据能为尾矿库的相关勘察、设计、施工、评价及运行管理提供技术支撑。

    关键词：尾矿浆;低浓度;堆积尾矿特征;沉积规律;大塔冲尾矿库

    我国冶金、化工、有色、核工业等行业的矿山建设过程中，建设尾矿库一般均采用上游法堆坝形成坝体，用以减少工作量，可极大降低尾矿库建设投资[1]。尾矿库工程为系统工程，包含采矿选矿等专业，涵盖水力学、土力学、稳定性综合分析体系、筑坝工艺技术、病患综合防治技术等学科背景，坝体材料为一种复杂介质，受到沉积作用、筑坝工艺、排矿方法、水力冲刷等的控制，其渗流特性和静动力特性等会随颗粒组成、时间、空间而发生相应变化[2]。为了得到尾矿沉积规律，勘察设计工程师、科研工作者开展了大量的现场试验、室内试验、数值模拟等大量工作。田莉梅等[3]基于现场沉积滩面及钻孔尾矿取样进行室内筛分、渗透试验，获得了上游式尾矿颗粒在库内的沉积特征及规律，构建了上游式尾矿库流-固耦合数学模型，获得了坝体的应力场及孔隙压力的分布规律。王光进等[4]基于某高尾矿坝，阐述了坝体组成结构及尾矿沉积特征规律，探究了各种工况下的坝体稳定性，并提出了坝体灾害的相应综合防治措施。

    1 低浓度尾矿浆沉积规律

    粒度、尾矿性质、矿浆浓度和排放形式影响堆积尾矿沉积规律。尾矿液出排放口后，就于滩面上形成扇形漫流区，流速减小，在重力作用下主要以中粗砂和细砂的粗粒尾矿在坝前的扇形区优先沉积，其次为粉砂，接着为粉土，最后黏粒一般在静水区沉积为悬浮质[5]。据砂样试验结果，低浓度尾矿浆堆积尾矿成分主要为尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土，尾矿堆积坝前主要为尾粉砂，不断向库内延伸，尾粉土、尾粉质黏土不断增多，说明尾矿沉积宏观上具有上粗下细、坝前粗库尾细的规律，在微观上普遍分布着粗细相间的互层、夹层、交错层，尾矿在结构上总体表现为各向异性、不均一性，符合上游法尾矿库水流沉积尾矿的沉积规律及特征[6]。

    2 堆积尾矿物理性质

    根据勘察对堆积坝上的尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土所进行的物理性质试验统计，其结果如表1所示。

    从表1中我们可以得出以下结论：尾矿的比重较大，这和尾矿所含的矿物成分有关系，尾矿的质量密度、干密度值较大，比重、干密度随粒度变小而变小，而质量密度和含水量关系密切，水位以上相对较小[7]。

    3 堆积尾矿的力学性质

    根据对尾矿的抗剪强度进行的各种方法的试验结果，抗剪强度试验结果如表2所示，固结试验结果如表3所示：

    从表2中我们可以得出以下结论：在上述的抗剪强度试验成果中，尾粉砂的φ值较大，尾粉土次之，尾粉质黏土由于呈可塑至软塑状态抗剪强度较小[7]。

    从表3中我们可以得出以下结论，颗粒由粗到细其变形模量由大逐渐变小，压缩模量随土的颗粒组成有关联，土体易压密实，粉质黏土均呈软～可塑状态。

    4 堆积尾矿渗透性

    （1）根据对尾矿砂堆积体中的垂直渗透性试验，渗透试验结果统计如表4所示：

    从表4中可以看出尾粉砂的渗透系数k要大于尾粉土。尾粉砂为中等透水层，尾粉土为弱透水层。

    （2）为得到尾矿砂沉积滩面的渗透性，在各沉积滩面取浅层砂样进行渗透试验，试验结果统计如表5所示：

    从上表可见，尾矿中水平渗透系数远大于垂直渗透系数，这与尾矿砂沉积体中夹薄层、微薄层黏土有关，也即与尾矿的沉积规律及方式有关。

    5 结语

    本尾矿库低浓度尾矿浆堆积尾矿的沉积规律、物理力学指标等符合上游法堆积尾矿的一般沉积规律，其强度指标能满足尾矿库正常生产及继续堆积。但在尾矿浓度、生产方式改变后，需进行尾矿堆积规律及强度的研究分析，确保尾矿坝的稳定。

    对于低浓度尾矿浆堆积的尾矿，根据以上分析可以看出其物理性有如下特点：

    （1）从颗粒级配上来看，坝前尾矿的中间粒径（d30）处于0.05～0.075mm之间，平均粒径（d50）均处于0.075～0.25mm之间，表明坝前尾矿粒组以粗粒级尾矿为主，尾矿颗粒集中在粉砂粒～细砂粒段，岩性定名基本为粉砂。

    滩面尾矿的中间粒径（d30）处于0.01～0.05mm之间，平均粒径（d50）均处于0.05～0.075mm之间，表明坝前尾矿粒组以中～粗粒级尾矿为主，尾矿颗粒集中在粗粉粒～粉砂粒段，岩性定名基本为粉土。

    从坝前—滩面，尾矿粒组变化和分级明显，表明传统上游法低浓度尾矿浆堆积的尾矿具有较好的分选性。

    （2）从含水率上来看，坝前位置与滩面位置上的指标变化较明显，主要表现在含水率数值上具有较大的差别，坝前位置尾矿的含水率小于滩面尾矿的含水率。

    （3）孔隙比：坝前位置尾矿的孔隙比与滩面上尾矿的孔隙比略大，这是坝前尾矿为粉砂，均匀好，而级配差导致孔隙比大，滩面尾矿以粉土为主，其级配相对比粉砂稍好，导致孔隙比较粉砂略小。

    （4）密度上坝前尾矿比滩面尾矿略小。这是坝前尾矿为粉砂孔隙比大所致;反之滩面尾矿粉土孔隙比较粉砂略小而致密度比粉砂略大。比重方面粉砂与粉土基本相当。

    （5）由于尾矿颗粒相对较粗，分选性好，尾矿的渗透系性较高，表现为粉砂的垂直渗透系数在5.28×10-4～5.61×10-4cm/s之间，粉土的垂直渗透系数在2.73×10-4～7.73×10-4cm/s之间，表明传统上游法堆积的尾矿无论粉砂还是粉土均具弱透水性，符合一般规律。

    （6）饱和度及含水率方面，坝前尾矿的指标比滩面尾矿的指标低，这是砂类土和粉土在粒级上的差别所致，符合一般规律。

    （7）从统计结果看，传统上游法堆积的尾矿无论坝前位置尾矿及滩面上尾矿，其含水率数值均较小。粉土的含水率数值与液限数值差为3～5，表明尾矿在稠度上属于潮湿～中湿状态，也即属于可塑～硬塑状态。

    由上文分析可知低浓度尾矿浆堆积尾矿的力学指标有如下特点：

    （1）低浓度尾矿浆堆积尾矿具中等～低压缩性;

    （2）抗剪强度指标方面：粉砂的直剪快剪抗剪强度指标略小于直剪固结快剪抗剪强度指标，但较为接近;粉土的直剪快剪抗剪强度指标与直剪固结快剪抗剪强度指标基本相当。仅存在直剪快剪粘聚力c值稍小于固结快剪粘聚力c值，表明传统上游法堆积的尾矿在干滩地段固结程度较好。

    （3）坝前位置尾矿的抗剪强度指标与滩面尾矿的抗剪强度指标基本相当，表明尾粉砂和尾粉土在粘粒含量和固结程度方面较相近。

    参考文献：

    [1]颜学军.上游法尾矿堆筑壩坝体沉积规律探讨[J].稀有金属与硬质合金，2008（02）：54-58.

    [2]陈殿强，王来贵.尾矿库工程及加高过程力学特性研究[M].辽宁科学技术出版社，2011.

    [3]田莉梅，屈春来，张景华.上游式尾矿库颗粒沉积规律及坝体渗流场分析[J].金属矿山，2017（05）：60-64.

    [4]王光进，孔祥云，杨春和，张超.尾矿高坝的边坡稳定性研究[J].矿冶，2013，22（01）：1-5.

    [5]余绍维，孙华，王兆昌，樊怀华，张鹰.上游法尾矿坝堆积尾矿的沉积规律与尾矿堆积坝管理的相关关系[J].中国新技术新产品，2013（06）：175-177.

    [6]刘超，刘文连，樊亚红.高浓度尾矿沉积规律研究[J].价值工程，2016，35（23）：172-174.

    [7]夏源.尾矿坝的三维稳定性与可靠度分析[D].昆明理工大学，2018.

    作者简介：许汉华（1989—?），男，福建龙岩永定人，工程师，毕业于中国地质大学（武汉）地质学基地班，长期从事岩土工程勘察、设计、施工及地质灾害治理等相关方面工作。