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弓一 中下游 式尾矿坝设计概要 北京有色冶金设计研究总院杨春福 【 } 商 要】简要 介绍丁 中、 下游 尾 矿坝 的 特点、 堆筑 方 { 击 及 设计中必 须 考虑的 主 要 要技术指标的确定原则和方{ 击。 DES I GN S UM M A RY 0lF M匝DI UM AND DOW Ns TREA]Ⅵ TAI LI NG DAM T j 问题 ，并 论 述 丁 主 B e l j i n g C e n t r a l E n g i n e e ri n g＆ R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r No n f e r r o u s M e t a l l t t r g i cal I n d u s t rie s Ya n g Ch u nf Ⅱ 【 A B S T R A C T 】T h is p a p e r i n t r o d u c e d t h e c h a r a c t e r is t i c s o f m e d i u m a n d d o w n s t r e a m t a i l i n g d a m ，d a mmi n g me t h o d a n d ma i n p r o b l e ms t h a t mu s t b e c o us i d e r ed i n d e s i g n，a s we l l the ma i n p rin c i p l e s an d me t h o d s b y wh i c h t h e ma in t e c h n i c a l p a r a me t e r s c a n be c o n f i r me d we r e d i s c u s s e d． KEY W ORDSM ed i u m an d d o wn s t r e a m t a i l i n g d a r n Cy c l o n e Cl a s s i f i c a t i o n s i z e S a n d y i e l d 1 引言 用旋流 器沉砂堆筑 的中、下游式尾矿 坝 ，材料性质单一均匀 ，有较好的透水性和 稳定性 ，在堆筑高坝时，尤其是在地震区堆 筑高坝时 ，比传统的上游式尾矿坝有明显的 优越性。但这种形式的尾矿坝只是在近几年 才在我国出现 ，不论是理论上还是实践上都 缺乏经验 。 在进行德兴铜矿三期工程设计时 ，为了 尽可能地减少移 民和征地 ，经多方案 比较 ， 决定建造坝高 2 0 8 m 的尾矿坝。设计工作于 1 9 8 9年 完成，尾矿库在 1 9 9 0年底投 入使 用 ， 到 1 9 9 8年为止 ，堆坝高度 已达 9 8 m。 该库的建设 ，使我国的尾矿坝建设史又迈出 了新的一步。 中、下游式尾矿坝的设计涉及的领域很 大，本文主要是根据德兴铜矿四号尾矿坝的 设计实践 ，从中、下游尾矿坝的特点．设计 中应考虑的问题和主要技术指标的确定方法 等几个方面概要地阐述。 2 适用条件 如果不考虑经济方面的因素 ，可以说适 合于任何条件 ，只要有足够的旋流器沉砂量 就可 以。但是 ，在不需尾矿分级或经简单处 置就可保证尾矿坝的稳定的地方 ，没有必要 购置分级设备。因此 ，该方法只是在需要堆 筑较高的尾矿 坝和尾矿粒度较细的情况下 ， 尤其是在地震区才更显示出其优越性。 3 对坝址地形的基本要求 因为中下游尾矿坝至少是由两部分组成 的初期坝和后期坝。初期坝影响基本建设 的工程费用 ，而后期坝影响后期建设的工程 费用。因此 ，在选择坝址时即不能象上游式 尾矿坝那样只考虑或较多地考虑初期坝有一 个理想的坝址 ．这有可能使后期坝正好处于 中下诲式尾矿埙设计概要杨春福 邮编 1 ,0 0 0 3 8 维普资讯 一 个开阔地带而造 成太大的堆坝工作量 ，甚 至造成砂 量的不足 ，也不能只考 虑后期坝有 较好的地形条件而忽略了初期坝 ，至使初期 坝的建造花 费过多。这两者 的关 系应综合考 虑并根据具体条件慎重确定。 4 堆筑方法的确定 所谓尾 矿坝 的 “ 上 游式 ” 、 “ 中线 式 ”、 “ 下游式”是根据初期坝的轴线与后期坝的 轴线的相对位置定义的尾矿坝的形式。本文 所说的筑坝方法是指某种形式的坝的堆筑 或施工 方法 。 在进行中、下游式尾矿坝的设计时必须 对筑坝方法有所考虑，因为不仅影响设计的 分析计算，也关系到设计方案是否能实施。 在尾矿筑坝的实践中可能会有各种各样 的方法 ，但根据 国内外对 中 、下游式尾 矿坝 的报道和笔者设计实践 ，可以将其归纳为以 下几种类型 。 4 ． 1 机械堆筑 法 该法是将分级后 的旋流器沉砂预先排放 至某一场地脱水 ，待沉砂便于机械作业时将 其运至尾矿坝，象土石坝施工那样堆筑坝体 如巴西某磷矿尾矿坝 。该法的优点是便于 对填筑质量进行控制 ，坝坡也容易根据需要 设置。缺点是施工费用较高 ，比较适合于沉 砂粒度较粗 ，便于脱水且有合适的预放场地 的情况。选用该法应注意施工机械的选型和 对沉砂含水量检控 ，以免在运输、碾压过程 中因机械震动而引起尾砂的溢水。 4 ． 2 旋流器堆筑法 该法是将旋流器直接架设于坝顶或坝的 一 端或两端 ，由旋流器排出浓度很高的沉砂 并直接排向坝体 ，高浓度的沉砂在流动过程 中形成一 自然沉积坡度，该坡度即为尾矿坝 坡 ，坝体密度也是 自然沉积密度 如加 拿大 s i mil c o尾矿坝 。该法的主要优点是不需要 专门设置堆坝设备，从而施工费较少，堆坝 管理人员也较少。主要缺点是坝坡、密度不 便按需要控制，旋流器和管道需经常移动。 选用该法时需对沉砂 的浓度控制 ，浓度与沉 积坡度的关系及矿浆 的稳定性有 明确 的认 识 。 4 ． 3池填 法 该法是将旋流器的沉砂用管道输送至坝 体堆筑的工作面上 ，并将工作面分隔成几个 池子，沉砂浆排人池内沉积充填 ，当一个池 子充 满后再充 填另 一个 ，如 此循 环往 复使 坝 体逐渐升高 如加拿大 b r e n d a 尾矿坝 。这 种方法的主要优点是不用频繁地移动旋流 器 ，适合于分期筑坝 。但因采用管道输送 ， 沉砂浓度不宜过高 ，从而在沉砂粒度较细 ， 不宜脱水 的情况下可能会在池内形成积水。 若出现这种情况应注意随时导出。 4 4综 合法 一 个大型的尾矿坝往往不是采用单一的 方法堆筑 ，而是同时或者在不同的时问、不 同的坝体位置采用几种不同的方法 ，这应根 据具体的施工条件、地形条件、坝体质量要 求 、当地气候条件等因素综合考虑确定。德 兴铜矿即采用 了此法 。 堆坝方法的确定往往有两种情况 一种 是首先根据工程需要进行尾矿坝设计 ，然后 再根据设计 的要求确定堆筑方法。另一种情 况是根据当时当地的具体条件只能采用某种 堆坝方法 ，由此进行尾矿坝的设计 。而在较 多地情况下是两者都要兼顾。 5 坝顶的升高 尾矿坝顶的升高基本上可分为逐渐升高 和分期升高两种方法。 逐渐升高坝顶的方法是与旋流器直线排 矿筑坝法相联系的。它是通过逐渐抬高旋流 器的架设高度排出沉砂 ，随着坝坡的逐渐外 延坝顶也逐渐升高。这种方法加高尾矿坝顶 所形成的尾矿库容也相应逐渐增加。该法可 称为连续升高法。 分期升高坝顶的方法是将尾矿坝的总高 有色矿山--1 9 9 9 3 维普资讯 度分成几个分期坝高 ，一期坝筑完毕后再进 行下～期的堆筑。在每一期坝高 内的坝体 ， 则可能会以几种不同方法堆筑。筑坝时，一 般是将旋流器预先架设在某一高度并保持较 长期不再升高 ，或者采用机械法，或者采用 池填法 ，或者采用旋流器直接排矿筑坝的端 进法，待该高度以下的尾矿坝全部堆筑完毕 后再提高旋流器的架设高度。用该法升高坝 顶不是连续的，因而形成的尾矿库容也不是 连续增加的。该法也可称为问断升高法。 采用的升高方法不同，在短期内需用的 堆坝砂量也不同．往往分期升高法需用更多 的堆坝砂量 。堆坝砂量和每期升高的高度应 根据砂量平衡计算确定。 6 堆坝尾砂的粒度 堆坝尾砂 的粒度是尾矿堆 坝的一个重 要指标 。控制该指标 的目的主要是使尾矿坝 体有较好的渗透性能，在堆坝的过程中使坝 体尽快固结 ，堆坝砂浆带入的水尽快排除， 这即可保证坝体内的浸润线很低 ，有较好的 稳定性 ，又便于尾矿坝的堆筑。 大量的计算结果表明，如果保证使渗透 系数 K≥1 0 ～c m／ s ，对于一般升高速度的 尾矿坝而言 ，即可保证尽快固结。 堆坝尾砂的渗透系数 ，可以通过实验测 定 ，在初步计算时可以根据太沙基的公式 K2 d { 0 e 式中d 1 0 尾砂的有效粒径 ，m m； e 尾砂堆筑体的孔隙比； K 尾砂的渗透系数 ，c f n ／ s 。 根据该公式 ，可从确定的 K、e 很容易 地计算出所需要的有效粒径 d 1 0 来。 在做德兴铜矿尾矿坝设计时．曾收集了 国内外 8 个 中、下游式尾矿坝的粒度资料 ． 其有效粒径为0 ． 0 1 1 ～0 ． 1 l m m ，较多的集 中在0 ． 0 3 -0 ． 1 l m m 。如果按尾砂的堆积干 容重为1 ． 5 ～1 ． 6 t ，K1 0 0 e m／ s 用太 沙基公式计算，有效粒径 d l o ≥0 ． 0 3 ra m。 如果用尾砂 中的 一0 ． 0 7 4 ra m 含量来考 察 ，则上述资料 一0 ． 0 7 4 ra m 的含量在 3 ‘％～ 6 0 ％，较多地集 中在 一0 0 7 4 m m 含量 为不 大于 1 5 ％。 7 堆坝尾砂量及沉砂产率 中、下游式尾矿坝一般都是采用水力旋 流器对全尾矿进行分级后用沉砂堆筑的。在 用沉砂筑 坝的过程 中 ，旋流器 的溢流不 断地 排入尾矿库内，堆积高度也在逐年上升 ．旋 流器沉砂产量必须满足堆坝速度的需要 、坝 顶的升高速度必须在任何时候都能满足堆存 尾砂、调蓄洪水并有足够 的安全库容 为 此．必须进行砂量的平衡计算I 确定沉砂产 率 。 砂量平衡计算的 目的在于确定堆坝砂量 与库存砂量的比例。为此 ，必须计算在不同 的尾矿库堆存标高时所需 的尾矿坝堆筑标 高 ，进而算出相应 的库存砂量 和堆坝砂量。 在采用间断法或分期法升高坝顶时，因库存 尾矿的升高是连续的．而坝顶是有一段时间 不能升高的 ，在这种情况下应注意选择在坝 顶即要升高但还未升高时作为计算情况 。 设在某一尾矿库的堆存标高时的库存尾 砂量为 w ，此时需要的堆坝砂量为 w2 ，那 么 w。 与 w】 、w 之和的比即为此刻需要的 最小沉砂产率。在一般情形下 ，在尾矿库使 用初期要求的沉砂产率高于后期。因此 ．在 确定初期坝的高度时应考虑沉砂产率 ，当沉 砂产率过高 ，分级粒度超出了允许范 围时， 应考虑适当提高初期坝的高度或采取其他措 施 。 8 堆坝矿浆的浓度 堆坝矿浆的浓度根据堆坝方法确定。当 采用机械堆 筑时，为减少脱水 时间，应在 不影响分级的情况下尽可能地加大浓度。通 过德兴铜矿 的实践，浓 度达 到 7 5 ％ 以上 。 当采用旋流器直接排矿堆坝时 ，应考虑矿浆 中 邮编 1 0 0 0 3 8 维普资讯 有足够 的流动性 ，以便使其沿坝面 自由流 动 、沉积，但同时又不能使其在坝面流动时 产生分选，因此 ，应将浓度控制在能保持矿 浆稳定的界限浓度或略高一些。该浓度应通 过试验确定。德兴铜矿堆坝矿浆的界限浓度 为 6 7 ％。通过对国 内外 同类 筑坝 方法考察 ， 一 般 均在 6 5 ％左 右 。在 某 些 有 特 殊 要 求 ， 需要矿浆分选的情况下则不同考虑。当采用 池填法堆坝时，一般都需用管道输送堆坝矿 浆 ，为防止管道堵塞 ，浓度不宜过高 ，但也 应防止因浓度过低带入过多水量造成粒度分 选和水量滞留于池内。若管道较长，应进行 试验确定。当管道不长且铺设坡度较大时， 如德兴铜矿在生产初期，已顺利 的输送过 6 O ％ 的矿 浆 。 9 分级设备的选择 分级设备一般均选用水力旋流器。其规 格与型号的选择应尽可能地同时满足沉砂的 质与 “ 量”的要求。所谓 “ 质”是指沉砂中 的细粒含量要尽可能地少 ，笔者认为最好以 沉砂中 的有 效 粒 径 d _0 来 控 制 ，也 可 用 一 0 ． 0 7 4 m m 含量来控制。所谓 “ 量”是指 沉砂 的产量 ，应满足堆坝速度 的要 求。 旋流器 的选择可从两个方 面人 手 ，一种 方法是从对 沉砂 “ 质” 的要求 出发 来选 择 ， 但这需要寻求沉砂的有效粒经与旋流器的分 级粒径、分级效率之间的对应关系，在需要 二段分级的情况下就更加困难。另一种方珐 是从对沉砂的 “ 量 的要求出发 ，选择几种 规格的旋流器 ，通过试验或分析计算复核是 否能满足沉砂在 “ 质”方面的要求 ，若不能 满足则可采用二段分级或其他措施。设备的 最终确定 ，应由设计者提出沉砂的粒度、浓 度 、产砂率等要求，由生产厂家提供合适的 设备。 l 0 环 境保 护 由于中、下游式尾矿坝 的坝坡 ，不论是 采用那种方法堆筑，一般都是临时性的，如 果 随时进行 防护 ，在经济上将是 昂贵 的 ，因 此 ，在风季较长 ，风速较大 的地 区，应考虑 设置防止风砂飞扬的措施。在多雨地区，应 考虑设置防止尾矿冲蚀和保护下游免遭污染 的措施 ，同时 ，在尾矿坝下游设置渗水 回收 设施 。 l 1 其他 对于中、下游式尾矿坝，在对地质的要 求、渗流分析、稳定 分析 ，剖面 设计 等方 面，与上游式尾矿坝都有一些区别 ，但没有 本质的区别 。 l 2 结 语 中、下游式尾矿坝在北美的一些国家是 非常普遍的，矿山经营者对筑坝工艺已有丰 富的经验 ，设计者一般只进行尾矿坝本身的 设计 ，筑坝工艺、设备选择通常是由矿山经 营者和分级设备的生产者确定 。而我国尚缺 乏中、下游式尾矿坝的建设经验 ，分级设备 的生产者也往往不能提供充分的和必要的技 术参数，因此，建设 中、下游式尾矿坝 ，从 尾矿坝本身 的设计 ，到筑 坝工艺、设备选 择、浆体输送 ，都需要设计者全面考虑 ，增 加了设计的困难 ，提高了对设计者的要求。 本文是通过德兴铜矿酉源尾矿库中线式尾矿 坝的设计所探索 、总结出的一些基本要点和 观点 ，可供设计者参考 ，随着 中、 下游尾矿 坝在我国的逐步增多，建设经验 日趋丰富， 设计理论也将 日 趋完善和成熟。 有色矿山1 9 9 9 3 维普资讯