细粒尾矿堆积坝加固设计与研究.pdf

Series No. 326 August 2003 金 属 矿 山 METAL MINE 总第326期 2003年第8期 3 高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目。 魏作安,重庆大学资源及环境科学学院,高级工程师,博士生,400030 重庆市沙坪坝区。 安全与环保 细粒尾矿堆积坝加固设计与研究 魏作安 尹光志 万 玲 张东明 重庆大学 摘 要 以龙都尾矿库的设计资料为依据,在分析尾矿堆积坝加固特点的基础上,提出了以加筋法为主的综 合加固方案。通过稳定性计算,得出采用加筋法进行加固,可以提高细粒尾矿堆积坝的稳定性,达到加固坝体的目 的。 关键词 细粒尾矿 尾矿坝 加筋法 Design and Study of the Reinforcement of Fine Tailings Stacked Dam Wei Zuoan Yin Guangzhi Wan Ling Zhang Dongming Chongqing University Abstract Based on the design data of Longdu tainlings reservoir and on the analysisof the reinforcement characteris2 tics of tailings stacked dam ,a scheme of comprehensive reinforcement with geo2grid as its main wasproposed. Stability cal2 culation showed that the reinforlement by geo2grid can raised the dam stability so as to achieve the aim of dam body consolidation. Keywords Fine tailings ,Tailings dam ,Geo2grid 由于选矿技术和工艺的不断提高,以及尾矿的 利用像井下充填等 , 使得进入尾矿库内的尾矿颗 粒越来越细。当尾矿中的细颗粒成分占到一定比例 时,其用于堆坝就很困难,尤其是堆积高坝就更难。 从矿山发展和环境保护方面考虑,希望能解决好细 粒尾矿堆积高坝的问题。1995年中国有色金属工 业总公司已把细粒尾矿堆积高坝作为尾矿处理技术 发展方向之一[1]。但随着国家机构改革和矿山企 业的改制,使得该项技术的研究未取得进展。目前, 细粒尾矿堆坝在我国成功的事例还不多,堆积坝高 均在20 m左右,属于三、 四级坝。龙都尾矿库就是 因为全尾矿井下充填,使得进入尾矿库内的尾矿为 细粒尾矿,对尾矿坝的稳定产生不利影响。 1 细粒尾矿堆积坝加固设计与研究 1. 1 细粒尾矿定义及堆坝特点 一般认为符合下述条件者为细粒尾矿平均粒 径dcp≤0. 03 mm , - 0. 019 mm含量一般 50 , 0. 074 mm的含量 10 , 0. 037 mm≤30 的 尾矿[2]。 根据试验和国内筑坝的实践,认为0. 037 mm 的尾矿在分散放矿时可以形成沉积滩; - 0. 037 0. 019 mm的颗粒沉积较好; - 0. 019 mm颗粒不易 沉积。当悬液浓度为5 ～10 、 潜流速度超过10 cm/ s时,可能发生异重流。所以,把0. 020 mm作 为筑坝的分界粒径。 1. 2 尾矿堆积坝加固的特殊性 尽管细粒尾矿堆坝的加固与软基加固处理在机 理和原理上有些相似或相近的地方,但毕竟尾矿堆 积坝与其它构建筑存在很大的差异,像堤坝的基础 加固[3],它是一次性的,而且堆坝材料和堆坝工艺 都能人为控制,可以选取含水量低的、 易压密实的填 筑材料,施工时可以采用机械碾压等等。对于尾矿 堆积坝而言,既不能采用机械碾压,也不能控制堆坝 材料,只能对堆坝上升速度,放矿浓度、 速度等进行 控制。 细粒尾矿堆积坝的加固不可能是一次性的,它 是随着尾矿堆积坝的上升而不断地加固,目的是形 成一个人工加固的坝壳体,所以细粒尾矿堆积坝的 加固次数比较多,一般要到细粒尾矿排放结束,有粗 粒尾矿的进入。这就决定了细粒尾矿堆积坝的加固 45 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 措施和方法不可能很复杂,也不可能采用机械设备 大规模进行,因为必须保证尾矿库能一直使用,不能 因为加固而停产。 1. 3 细粒尾矿堆积坝加固设计流程 根据过去在这方面类似工程的工作经验,总结 出细粒尾矿堆积坝加固设计流程,见图1。 图1 尾矿坝加固处理设计流程 1. 4 细粒尾矿堆积坝加固方案 按照 “技术可行,安全可靠,经济合理,实施简 便” 的原则,进行加固处理措施的方案设计。经多方 案定性分析比较,提出加固方案为以加筋法为主的 综合方案。如图2 ,每隔一定厚度在干滩面上铺设 一层土工合成材料土工格栅。同时,在坝外坡种 植草皮。在坝坡上进行植被种草,它不仅仅在坡面 上起到防风固砂、 防止雨水冲刷的作用,而且就深层 而言,它还可以相对降低坝体浸润线的上升趋势和 渗透变形,大大降低坝体滑坡的可能性[4]。 图2 土工格栅的铺设示意 1. 5 加固计算与分析 加筋后坝体稳定性分析图3 ,按照瑞典条分 法来计算其稳定系数Ks。根据资料[5]和[6 ] ,对 资料[5]中的计算公式进行了修正,增加了地震力的 作用,具体为公式 1 图3 加筋边坡稳定计算 Ks ∑ n i 1 W icosθitanφ cΔLi R ∑ m i 1 Taiyi ∑ n i 1 Wisinθi R CsWiαi , 1 式中, Wi为第i土条重量;θi为第i土条底弧的仰 角;ΔLi为第i土条底弧长; R为最危险滑动圆弧的 半径; Tai为第i层筋材的抗拉强度; yi为第i层筋材 距滑弧圆心的距离; Cs为地震系数; c为边坡填土的 粘结力;φ为边坡填土的内摩擦角; n为划分的土条 总数; m为布置的加筋材料总层数。 由于加筋作用力Tai等于加筋土块重量和筋带 与土的摩擦系数及筋带长度三者的乘积,即加筋作 用力Tai Tai LaiφsgWvi,2 式中, La为主动段长度,即在滑弧以内的长度;φsg 为土与筋材间的摩擦角,由拉拔试验测得; Wvi为作 用在某层筋材上的覆盖压力。 而地震力的大小等于条块的重量与地震系数的 乘积,即地震力Fi Fi CsWi.3 从计算结果表1可看出,尾矿坝经加固处理 后,其稳定性满足规范要求,达到了处理加固的目 的。 加筋边坡加筋材料长度计算,每层筋材延伸出 滑动圆弧以外的长度LP,可以提供充分的抗拔力, 防止筋材被拔出 LP TaKf 2Wvtanφsg ,4 式中, Ta为筋材的容许抗拉强度; Kf为要求的抗拔 安全系数。 下转第60页 55 魏作安等细粒尾矿堆积坝加固设计与研究 2003年第8期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 在实践中,总结出了较佳的间隔长度。其经验 计算公式 L 0.1-0.16 S , 或 L 0.24-0.26 Z , 式中,L为间隔长度,m;Z为药柱高度,m;S为炮 孔深度,m。 3 气囊间隔技术在预裂爆破中的应用 预裂爆破的效果及边坡的稳定,对露天矿山的安 全稳定生产有着极其重大的影响。常规大孔径垂直 孔预裂爆破技术大多是采用底部集中装药或径向不 耦合装药,径向不耦合装药较底部集中装药更为合 理。而这种径向不耦合装药工艺的缺点是孔口不填 塞,往往造成能量损失,形成空气冲击波、 噪声和孔口 飞石,从而威胁到人员设备的安全。而气囊间隔技术 正好弥补了这种预裂爆破工艺技术的缺点,变无填塞 为有填塞。预裂爆破装药填塞结构见图2。 预裂炮孔一般填长3～4 m ,使炸药能量有效 地作用在境界孔的中心连线上,提高了预裂孔的成 缝能力,改善了预裂爆破效果。 另外,该技术在控制爆堆前冲距离及提高填塞 图2 气囊间隔预裂爆破装药结构 质量方面,也能产生独到的作用。 4 结 语 长期的实践表明使用气囊间隔技术可以有效 降低炸药单耗,大幅度降低大块率,使破碎块度更加 均匀合理,降低了二次破碎的消耗和工人作业强度, 同时提高了预裂爆破效果,使得边坡更为安全稳定。 歪头山铁矿通过应用气囊间隔技术,收到了巨 大的经济效益,降低了采矿综合成本。到目前为止, 共取得经济效益超过100万元,为歪头山铁矿的发 展创造了更为有利的条件。 收稿日期 20032052 25 上接第55页 所以,筋材总长度L为 L La LP.5 由于加筋带格栅在滑弧内的水平长度最大值 为47. 35 m 50 m ,同时从每根加筋带的上覆土重 量考虑,滑弧内的小于滑弧外的,这样作用在滑弧内 的筋带上的摩擦力小于作用在滑弧外的,所以滑体 一旦发生滑动时,筋带不会从滑床被拔出,筋带土 工格栅长度设置为100 m是可靠合理可行的。 表1 主剖面加筋后坝体稳定性计算结果 设计坝高 / m 洪水运行特殊运行 570 高40 1. 072 600 高80 1. 1921. 063 规范值1. 151. 05 2 结 论 对龙都尾矿库细粒尾矿堆积坝的加固方案是采 用以加筋土工格栅加固为主的综合方案。目前, 该方案正在实施中。由于尾矿库是一项特殊的工业 构建筑[7],虽然与水利工程有相似之处,都属于坝 工系列,但一般的工程是先建好后再使用,阶段分 明,而尾矿库却不同,有其特殊性,它的服务期即堆 置尾矿、 解决矿山尾矿的排放等,也是它的施工建设 期,它是施工建设期和使用服务期交织在一起的,所 以尾矿库工程不仅要求设计等各项规划措施得当, 更要求重视日常的生产管理,科学合理、 制度化的生 产管理是保证尾矿库工程安全的必要环节。 参 考 文 献 1 中国有色金属尾矿库概论 编辑委员会 1 中国有色金属尾矿库 概论 1 中国有色金属工业总公司,1992 2 尾矿设施设计参考资料编写组 1 尾矿设施设计参考资料 1 北京 冶金工业出版社,1980 3 沈楼燕 1 土工网格在尾矿库软弱坝基处理中的应用 1 有色冶金 设计与研究,19973 48～50 4 晏兴荣,王全明,李志荣 1 尾矿坝植被种草的实践和意义 1 冶金 矿山设计与建设,19986 62～63 5 何光春 1 加筋土工程设计与施工 1 北京人民交通出版社,2000 6 YANG H HUANG1 土坡稳定分析 1 包承纲,等译 1 北京清华大 学出版社,1988 7 祝玉学,戚国庆,鲁兆明,等 1 尾矿库工程分析与管理 1 北京冶 金工业出版社,1999 收稿日期20032042 08 06 总第326期 金 属 矿 山 2003年第8期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.