上游式尾矿坝的沉积规律.pdf

2003年10月 第32卷 第5期 有 色 矿 山 Nonferrous Mines Oct. ,2003 Vol. 32 No. 5 其他 上游式尾矿坝的沉积规律 徐宏达 冶金部建筑研究总院,北京100088 [关键词]上游式尾矿坝;沉积规律;断面计算 [摘 要]上游式尾矿坝的设计建造和安全管理中常用到一些基本参数。如初期坝高度、 堆积坝外坡比、 沉积 滩长度、 尾矿颗粒沿滩面的分布规律等。目前常用的断面概化方法是勘察和筑坝实验方法,都有一定的局限性。 本文研究了分散排矿条件下常见尾矿的冲填沉积规律,推荐了一个上游式尾矿坝计算断面的概化方法。 [中图分类号] TU41316 2 [文献标识码] A [文章编号] 10022895120030520040204 The law of deposition about upstream tailings dam XU Hong2da Central Research Institute of Building and Construction of MMI , Beijing100088, China Key words upstream tailings dam; the law of deposition ; section calculation Abstract Some basic parameters are usually used in the design , construction and safety management of up2 stream tailings dam , such as the height of initial dam , the slope of fill dam , the length of sediment , and the dis2 tribution law of tailings size along the beach face. Now , survy and damming test is the popular section generalized , and which are unilateral. In this article the hydraulic deposition law under distributed ex2 haust for tailings conditions is studied , and a generalized for calculating section of upstream tailings dam is recommended. [收稿日期] 2003207217 [作者简介]徐宏达1950 - ,男,山东滨州人,高级工 程师,从事尾矿坝技术研究与管理工作。 1 概况 上游法尾矿筑坝工艺简单、 经济,是我国广泛使 用的方法。这种坝的设计建造和安全管理中常用到 一些基本参数。如初期坝高度、 堆积坝外坡比、 沉积 滩长度、 坡度,沉积尾矿颗粒沿滩面的分布规律等, 是分析尾矿库抗洪能力和尾矿坝稳定性的重要依据 之一。 这些参数以及取得这些参数的技术路径,在 ZBJ1 - 90[1]中基本未作规定。进行尾矿坝的稳定 性等分析评价,需要知道典型剖面的构造,因为坝体 构造和材料特性越符合工程实际,对坝的分析结论 就越准确可信。 目前尾矿坝的安全鉴定和加高扩建,通常采用 钻探和试验的方法确定坝体构造和材料特性。钻孔 可以提供准确的柱状图,钻探描述的精度可以小于 5cm。许多原位测试方法也可以对沉积尾矿进行较 为准确的分层。但由于尾矿沉积的随机性,在根据 这些单孔资料形成剖面的过程中必须需要某种推理 和简化。钻孔间距越大误差越大,加密钻孔可减少 误差,但勘察费将大幅度增加。 有的尾矿库在初步设计阶段专门安排室内或现 场的筑坝试验。这种办法慎重科学,但对试料要求 高,造价高。由于无统一报告整编规定,有的报告只 陈述实验结果,不给出坝的概化断面。在不少设计 方案的审查中,只提供计算分析结果,难得见到坝体 中沉积尾矿的构造图。许多筑坝困难、 抗洪能力不 足、 稳定性差的尾矿坝库都与尾矿沉积规律不清 楚,概化分区有误,滩面坡度估计不准有关。当然后 期不当的排矿作业,也会恶化坝体的沉积构造。总 结研究沉积尾矿颗粒沿滩面的分布规律、 推荐稳定 计算断面概化的统一方法具有现时意义。 确定上游式尾矿坝的计算断面时,ZBJ1 - 90要 求考虑尾矿的沉积规律,根据颗粒的粗细程度概化 分区。规程没有根据原尾矿的粗细给出或推荐典型 计算剖面,甚至没给出形成这种剖面的方法。业内 设计人员通常根据自己的经验进行概化工作,做法 也不尽相同。而且多数经验都建立在常见的、 低浓 度水力输送的砂、 粉砂、 粉土类尾矿,输送浓度大于 30 或者粘土类尾矿则缺乏经验。新库设计、 老库 扩建和安全评价均需要统一的方法。 国家经贸委2000年第20号令发布的 尾矿库 安全管理规定 要求对尾矿库的抗洪能力和抗滑稳 定性进行安全评价,为了使尾矿库安全评价工作落 到实处,有必要寻求一种广泛适用、 经济合理的方 法,确定分析计算所需数据。 本文首先介绍分散排矿条件下冲填尾矿沉积规 律,再讨论上游式尾矿坝计算断面概化方法。 2 一般规律 1中、 细砂类尾矿,这类尾矿颗粒较粗,平均粒 径0125～01074mm ,小于01019mm的粒级含量低。 当分散排矿流量小于10L/ s时,由于颗粒组、 渗透性 大、 挟砂能力小,百米滩面的平均坡度可达3 ～ 8 。滩面太陡的需大流量集中向库内排矿,以保持 坝顶和滩面平衡升高。 图1 冲积滩面示意图 2粉砂、 粉土类尾矿,这是最常见的尾矿,平均 粒径01074～01037mm。当排放浓度为15 ～ 25 、 支管流量为10～30L/ s时,宏观沉积规律接 近,粉土尾矿沉积滩面坡度稍缓,如图1。滩面上形 成以排矿口为起点的扇形漫流区,这里的尾矿多为 沉砂质。在两扇形区的交界处易形成弯曲主流槽, 槽内矿浆流速大、 挟砂能力也大,可将沉砂质和推移 质送往更远处。进入池心区的矿浆迅速在水中扩 散。大于01019mm的颗粒也随之较快沉淀,形成水 下陡坡段。悬浮质的颗粒在池心区缓慢沉积,形成 矿泥层。这类尾矿在50 左右的浓度,采用支管流 8～15L/ s放矿,可形成300余米的沉积滩,坝前 50m滩面坡度4 ,190m的坡度116 ,至水边 330m的坡度为1119 。沉积尾矿颗粒随滩面变缓 而变细。坝前50m为中、 细砂,50～100m为粉砂和 粉土,100～200m为粉土和粉质粘土。但是沉积的 砂性尾矿中含有原尾矿中的粘颗粒。 3粘土类尾矿,一般小于01037mm粒组含量 高于60 。我国的铁矿、 锡矿、 锰矿、 铝矿等均有这 类尾矿。在分散排矿条件下,支管排出的矿浆流在 滩面上形成一个消能坑。矿浆从消能坑携带尾矿向 四周流出,由于子坝的阻挡,矿浆流形成以子坝为直 线边的扇形冲滩。推移质尾矿沉积在扇形区,悬移 质尾矿被矿浆携向远处。有时,矿浆也在两扇形区 相交处形成 “弯弯小渠”,渠中细流较扇形区水深大、 流速大,足以冲刷裹挟粗粒尾矿。但是,由于离开放 矿口越远滩面坡度越平缓,流速越来越慢,形成均匀 缓慢的泥浆流动。显然,这一段坡度较陡,由推移质 尾矿组成,长约30余米,决定于全尾矿的粒度组成。 此后,尾矿浆一面在重力下分选一面向前移动,同 时,离析出的水以更快的速度流向池心。矿浆浓度 增大流速减小,直到停止分选和宏观运动[2]。根据 流槽试验[3],维持这种缓慢滑移流动的滩面坡度约 为013 。这类尾矿采用分散放矿的上游法筑坝, 通常满足不了规范和20号令关于滩长的规定,需要 论证变通。 3 沉积滩坡度 1任意排矿长度L处的平均坡度IL由下式 确定[4] ILI100100 / L α 1 式中 IL 任意排矿长度L的平均坡度; I100 百米滩面的平均坡度,以小数计; L 任意滩长,m; α 衰减指数,0123～0138,可取013。 式1在双对数坐标中是一条直线,斜率即为衰 减指数。当考虑排矿浓度、 流量和尾矿粒径时,用式 2计算任意排矿长度L处的平均坡度IL IL A d113 p p βp / q0126 L 013 2 式中 dp 加权平均粒径; p 矿浆的重量浓度; 14第5期 徐宏达上游式尾矿坝的沉积规律 q 支管放矿流量; A、βp 、 β d 经验系数,决定于流量、 浓度、 粒 径等,按表1采用。 表1 经验系数 粒径dp≤01074mmdp≥01074mm 系数A 、 β p 、 β d βp A βd A βd q≤10L/ s0112412711301950172 10L/ s q≤20L/ s0136714211311650172 20L/ s q≤30L/ s0161019211321430172 3从泥砂运动力学出发,用六因素公式3归 纳实验结果[5],假设滩面坡度I取决于尾矿比重 Gs、 水的比重Gw、 加权平均粒径dcp或中值粒径 d50、 排矿浓度Cw、 单宽流量q、 滩面长度L。把筑 坝实验所得指数与河床运动研究结果进行比较后, 表明采用描述河床运动的指数3/4、- 1/3、- 1/2 是可行的。南芬实验当K3 01366 4时,指数为 01748 1、- 01316 0、- 01495 2。 IK6[ Gs-Gw / G w]1 /2 d1/ 2 50C3 /4 wq - 1/3 L - 1/2 3 IK3C3/ 4 wq - 1/3 L - 1/2 4 对于一个矿山,通常矿石性质和选矿流程在一定时 期变化不大,尾矿的比重和粒径变化也很小,式3 可以简化为三因素公式4。为了与六因素系数K6 区别,把式3的系数记为K3。由于多数尾矿是粗 砂和粘土粒组含量都不多的均匀材料,平均粒径 dcp和中值粒径d50非常接近。表2中多数为dcp。 不过对于明显缺乏粗或细粒组的尾矿, dcp和d50差 别将加大,评价其特性应考虑有效粒径等特征粒径 指标。 笔者根据室内模型实验和现场实测的77个资 料筛选出部分资料见表2 , 按式3 4反算出 K3、K6。K3的算术平均值为01548,偏差SK 01256,σK 01252。有些尾矿要么颗粒过粗或过 细,要么浓度过大。因此上述经验可用于砂类和粉 砂类尾矿分散排矿情况,根据表2实例,具体适用范 围可表述为比重217～3116,中值粒径01037～ 0127mm,有效粒径01002 4～01066mm,排矿浓度 10 ～35 ,单宽流量012～7135L/ s。对于含粘粒 较多的尾矿和非分散排矿作业情况应慎重使用。 4 尾矿颗粒沿沉积滩长的分布 如前所述,大多数矿山的尾矿浆排放浓度在 10 ～25 。近年来,有的达到35 ～50 ,未达 到尾矿浆的不分选浓度砂类65 ～70 ,粉类 55 ～60 ,粘土类35 ～40 。因此,尾矿浆在 滩面上仍然有分选现象,可描述为矿浆流出支管先 经过消能坑和一个陡坡见图1 , 称为消能段。这 里沉积的大部分为沉砂质,是粗化过程。然后由于 流动中的重力分选作用和排矿过程中的 “漫流” 、“弯 曲主流” 现象,流速各异,冲淤不定,粗化、 细化、 挟砂 各种运动交替发生。滩面上很难形成均匀单一的沉 积层如粗砂、 细砂、 粉砂等 , 即使在同一位置尾矿 的粒度组成也不尽相同;况且,排矿流量、 浓度也非 恒定不变。因此滩面上尾矿颗粒分布是随机的,只 能服从一种统计规律。图2是符山铁矿滩面取样的 测试结果[3],其中前5个数据,用的是三个剖面上多 个数据2～5个的平均值,图中的曲线可用式5 表示。也有人用滩长L的指数函数描述加权平均 粒径DL。对于排矿流量大于20L/ s和小于20L/ s 分别使用式6和式7。 D50 01192 - 9143210 - 4 L5 DL 11386d019 pL - 0106 6 DL 6131d019 pL - 0145 7 图2 D50沿干滩长度的分布 5 上游法尾矿坝剖面概化的方法 尾矿冲填沉积区通常可划分为干坡段、 过渡段 和塔前段见图1。根据我国大多数尾矿坝资料, 干坡段由消能漫流段和弯曲主流段组成,尾矿的平 均粒径在0105～011mm或更粗。过渡段的尾矿中 以0102～0105mm为主,小于0102mm粒组的含量 显著增加。这个区段包括入水段和水下陡坡段,尾 矿组成与库内水位控制有关。塔前区段主要是静水 条件 下 沉 积 的,以0102～01005mm以 及 小 于 01005mm颗粒为主。 按这一模式,只要选定了分界粒径,就可用式 5 6 7中的任一式,算出分界滩长。从而可沿水 平方向做出分界点。从初期坝的内坡址起,将这些 同类点分别连线,整个沉积尾矿就被分成了粗、 中、 24有 色 矿 山 2003年第32卷 表2 国内上游法筑坝实践以及现场和实验的典型结果 序号工程名称Gs dp/ d50 mm q L/ s p I100 K6K3 多因素乘积 X3X6 1杨家杖子21850114112528417215841131501035 701018 2 2立山2180010550183320118117990156601031 801010 0 3立山2180010550183325118115230147901035 401011 1 4五龙21660103201516017019530122001031 901007 3 5东鞍山2170104511765150197117580148601019 901005 5 6东鞍山2170104511765180197115330142401022 901006 3 7东烧2170104611765130173114730140701017 901005 0 8南芬2186010485183314150164116400149001013 101003 9 9南芬2186010485183321150195118720154101017 501005 2 10南芬218901048415935110112380136501027 401008 2 11南芬218901048411351104112410136601028 401008 8 12南芬2189010482194451141112160136601038 401011 6 13南芬2189010483127451137112250136901057 001011 1 14包头3152010381101136214780176501017 801005 5 15包头3175010291166760161211120159701010 201002 9 16大石河2175011821162114010179101025 301014 3 17德兴217901072201111900142101014 601008 2 18德兴217901073201113620148201023 701008 4 19弓长岭21701097520113118300174301017 501007 1 20弓长岭21701097518113119800180401016 101006 6 21弓长岭21701097520017311151126501005 501002 2 22秦王坟219501061125131105210490170101015 001005 1 23秦王坟219501061167151105210440169901015 101005 2 24天宝山3120104401125252114380144801044 701013 9 25小寺沟215801062013251110480132801030 501009 5 26小寺沟2158010622251119720161701016 201005 1 27尖山2184010430187352108115510143601047 701013 4 28尖山2184010430189402130115640144001052 301014 7 29尖山21840104301685480179014290112101040 901039 6 30符山310011651451185015870133701054 901031 6 31符山31001165112550116016950139901008 601005 8 32符山3100101651125504018920151201008 101004 8 33矿山村21901066013251019270132801030 501010 8 34矿山村219010662251112320143601022 901008 1 35援阿项目313501092015566119119600191201044 701020 8 36援阿项目313501073018938118117530181501022 101010 1 细若干区见图3。 图3 沉积剖面简化示意图 如果取粗砂、 细砂、 粉砂、 粉土、 粉质粘土的特征 粒径作为分界粒径,就可把沉积尾矿分成粗砂、 细 砂、 粉砂、 粉土、 粉质粘土五个区。考虑到粗砂、 细砂 的强度差别不大,粉砂、 粉土的强度也相差不多,从 稳定性分析出发分为三个区即可。 中值粒径d50可作为分界指标,根据若干实验 结果一般中细砂的d50≥01125mm;粉矿d50在 下转第49页 34第5期 徐宏达上游式尾矿坝的沉积规律 地下室外的压力地下水。如果屋面漏水。还可以对 屋面进行翻修,但地下室如果漏水,则几乎没有翻修 的可能性,因此地下室防水构造的设计要求需更加 谨慎和周密。 为了解决地下水对地下室的压力问题,在国外 的许多地下室工程中常采用双层地下室外壁的做 法,即地下室作内、 外两道墙,两墙之间留出一定空 间,并在此作排水沟,地下室底板作架空层,用机械 排水将渗入地下室的水排走,这种方法可以解决地 下室使用空间不再受到地下压力水的侵扰,但这种 做法的一次性投资及长期运转费均较高,且所占地 下室空间较大,因此我国并不推荐采用此方法,除非 在场地条件限制无法作迎水面外防水的工程中才会 采用,如北京王府井百货大楼二期工程的地下室防 水即采用了此种做法王府井百货大楼二期工程与 一期旧楼贴建,地下室结构施工为逆做法。 在一般条件下,处理地下室防水的做法多采用 堵截的方法,即在地下室的侧壁和底板外作柔性防 水,再加上地下室底板和侧壁采用达到一定抗渗等 级的防水混凝土,二者共同作用将地下水阻隔在地 下室维护结构之外,笔者在长春一汽大众高层住宅 地下水位只有地表以下1～ 2m 等许多工程中的地 下室均采用了这种构造,取得了很好的效果。 在实际施工过程中,由于地下室底板的外防水 施工十分麻烦,耗费的时间较长,施工单位往往不愿 意按图施工,建设单位为将房产早日完工,也希望简 化防水做法,二者联盟改变设计。在广东省就出现 了大量的地下室外墙作了外防水,而底板则是内防 水,这样做的结果往往是因防水混凝土的施工未达 到抗渗等级,工程还未投入使用,地下室侧壁及底板 已经有了大片的水渍,时间一久就变成了地下 “蓄水 池” 。 底板内防水不能将地下水防住的原因是外防 水时,防水材料之后有几十厘米厚的混凝土作其 “后 盾”,因而可以抵抗住强大的水压,若防水材料设在 内侧,在防水混凝土未达到抗渗要求失去作用时,只 有靠薄薄的一层防水材料,它的背后是常压下的大 气,则不能抵御强大的水压力。梅县铜箔厂主厂房 由于是防腐蚀车间,整个车间的地面及墙壁内侧均 采用了防腐蚀构造,地下部分采用了玻璃钢防腐,属 于最高级别的内防水,加上设计采用的建筑外柔性 防水构造及防水混凝土,从防水的角度来说应该说 是万无一失,但由于当地施工单位既未按要求完成 外防水构造施工,也未按要求采用足够标号的防水 混凝土,因此地下室出现了较严重的漏水现象。地 下室的防腐玻璃钢施工质量较好,但未能抵挡巨大 的水压力,被渗入的地下水拱起了许多鼓包,且越来 越大。为保证车间能够正常使用,只好将玻璃钢全 部铲掉,重做柔性防水层、300mm厚的底板、 侧壁及 防腐层,使甲方及施工单位蒙受了很大的经济损失。 上接第43页 01074mm到01125mm;粉土d50在01037mm到 01074mm;粘性土d50≤01037mm。 如果需要在砂性尾矿中添加粘性土夹层,或者 需要在粘性土中添加砂性透镜体,模拟冲填尾矿的 复杂性,可以用全尾矿各粒组总量平衡的方法予以 控制。添加的位置必须考虑排矿作业流程,筑坝工 艺,地形地貌条件等因素。由于夹层对稳定性和渗 流影响较大,设计中充分考虑夹层和透镜体的作用 是慎重的。坝的失稳有可能发生在连续贯通的软弱 面,而现在的稳定性计算程序对于复杂断面也能处 理。 [参考文献] [1] 选矿厂尾矿设施设计规程[ M ].北京计划出版社, 1991. [2] 徐宏达 等.高浓度尾矿堆筑上游法尾矿坝的研究与应 用[R].冶中建筑研究总院研究报告,1994 ,11. [3] 徐宏达.广东大顶铁矿尾矿坝沉积规律与剖面简化初 探[R].冶金部建筑研究总院研究报告,1999 ,4. [4] 王治平.尾矿冲填沉积堆坡度的变化规律及其简化计 算方法[R].冶金部建筑研究总院资料,1987 ,12. [5] 王立久 等.南芬选矿厂二期尾矿坝高浓度堆筑实验研 究报告[R].大连理工大学实验研究报告,1988 ,8. 94第5期 赵 倩南北方建筑物防水设计的差异