一种新型尾矿废石联合排放方法.pdf

6 0 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．0 3 ．0 1 3 一种新型尾矿废石联合排放方法 周汉民1 2 3 ，董威信4 ，崔旋2 ’3 1 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ； 3 ．金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 ； 4 ．北京中岩大地科技股份有限公司，北京1 0 0 0 4 3 摘要我国2 0 0 ～3 0 0m 级的大型排土场和尾矿库逐渐增多，占用大量土地资源，同时给下游居民设施带来很大的威 胁。研究安全、经济的尾矿一废石联合堆放方法可以节约大量土地，具有重大的经济和环境效益。针对一种新型的尾矿废石 联合排放方法一废石格网，从应力变形、渗流固结的角度对废石与尾矿的相互作用进行了理论分析和基于有限元和极限平衡 条分法的数值模拟，结果表明废石体的合理布置可以有效降低尾矿库深部尾矿的渗流路径，加速尾矿排放过程中累积超静孔 压的消散，显著降低坝体浸润线，提高滑裂面经过土体的抗剪强度，提升尾矿坝的抗滑稳定性。 关键词尾矿坝；废石格网；渗流固结；稳定性 中图分类号T D 9 2 6 ．4 1 ；X 7 5 1文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 7 0 3 - 0 0 6 0 - 0 6 AN e wM e t h o df o rC o ．d i s p o s a lo fT a i l i n g sa n dW a s t eR o c k Z H O UH a n m i n 7 ，2 一．D O N GW e i x i ∥，C U IX u a n 2 ，’ 1 ．C o l l e g eo fC i v i la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ， B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ， C h i n a ；3 ．B e i j i n gK e yL a b o r a t o r yo fN o n f e r r o u sI n t e l l i g e n tM i n i n gT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 2 6 2 8 ，C h i n a ； 4 ．B e i j i n gZ h o n g y a nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n g1 0 0 0 4 3 ，C h i n a A b s t r a c t Ag r o w i n gn u m b e ro f2 0 0 ～3 0 0mh i g hw a s t e d u m pa n dt a i l i n g sp o n dh a v eb e e no r a r et ob e c o n s t r u c t e di nC h i n a ，w h i c hn o to n l yu s eu pal o to fl a n d ，b u ta l s og r e a t l yt h r e a t e nt h ed o w n s t r e a mc i v i l i a n i n f r a s t r u c t u r e ．C o d i s p o s a lo ft a i l i n g sa n dw a s t er o c ki s o fs i g n i f i c a n ti m p o r t a n c ef o rs a v i n gt h el a n dr e s o u r c ea n d e n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n ．T h i sp a p e rc o n d u c t st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nan e wm e t h o df o r c o d i s p o s a lo ft a i l i n g sa n dw a s t er o c k w a s t er o c kg r i d W R G ．F r o mt h ep o i n to fs t r e s s - s t r a i na n dc o n s o l i d a t i o n t h e o r y ，t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a la n a l y s e sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n dl i m i t e de q u i l i b r i u ms l i c em e t h o di n d i c a t e t h a tW R Gc a ni m p r o v et h eb o u n d a r yc o n d i t i o nf o rs e e p a g ea n de f f e c t i v e l y ，l o w e rt h ep h r e a t i cl i n ea n ds p e e dt h e d i s s i p a t i o np r o c e s s e so fe x c e s sp o r ep r e s s u r e ，h e n c ea n t i - s l i d es t a b i l i t ya n dl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c eo ft a i l i n g sd a mc a n b ee n h a n c e d ． K e yw o r d s t a i l i n g sd a m ；w a s t er o c kg r i d ；s e e p a g ec o n s o l i d a t i o n ；s t a b i l i t y 尾矿库是一种具有高势能的人造泥石流危险 源弓1 ，如果发生溃坝，将给下游人民的生命财产安 全带来严重威胁，并对社会经济造成重大影响。我 国是矿业大国，尾矿坝众多，特别是应用较多的上游 法尾矿坝，面临浸润线高、易溃坝的风险。2 0 0 8 年9 月8 日在山西襄汾县发生的新塔矿业有限公司特大 尾矿坝溃坝事故，造成2 7 0 人死亡，这次事故带来了 极其恶劣的环境灾害和社会影响H 1 。排土场是矿山 采矿产生的固体废弃物，包含矿山基建期间露天剥 离的表土、风化岩土以及露天或地下开采出来的破 碎岩石和贫矿等怕J 。排土场失稳除了导致矿山重大 工程事故外，还会影响矿山正常生产，使矿山遭受巨 大的经济损失。在我国，建设用地逐渐减少，导致国 内的排土场不得不越堆越高，2 0 0 ～3 0 0m 级别的超 高排土场并不罕见∞- 。 以减少排土场用地为目的，有些矿山可采用排 土场与尾矿库联合堆置的新工艺，这样既减少了占 用土地，增加了库区堆置容量，又减少了环境污染。 基金项目水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室开放 Y K 9 1 6 0 0 4 收稿日期2 0 1 7 - 0 4 ．1 4修回日期2 0 1 7 - 0 4 一1 5 作者简介周汉民 1 9 7 8 一 ，男，安徽太湖人，博士研究生，教授级高级工程师，主要从事尾矿坝安全技术研究、设计及安全评价等工作。 万方数据 2 0 1 7 年第3 期周汉民等一种新型尾矿废石联合排放方法 6 1 尾矿和废石的联合堆存需根据矿山尾砂和废石堆场 的具体情况经充分研究论证后才可应用。该技术若 应用得当，可节约尾矿库高昂的基建费、征地费，同 时避免上游式尾矿库存在的溃坝风险，可产生巨大 的社会效益和经济效益。 本文首先对矿山废石和尾矿联合处置的几种可 能方式进行了讨论，然后对一种新型的尾矿废石联 合排放方法进行了理论分析和数值模拟计算，从改 善渗流场、提高抗滑稳定性两个角度对其作用效果 进行了研究。 1 矿山废石一尾矿联合排放 目前可以采用的矿山废石一尾矿联合堆存形式 包括采用矿山废石作为筑坝材料、废石和尾矿混合 堆存、尾矿库上堆存废石。 1 ．1 采用废石筑尾矿坝 堆石坝是尾矿库初期坝的良好坝型，矿山剥离 的废石既可以作为初期坝的筑坝材料，又可以用来 堆筑尾矿堆积坝，增加尾矿库的库容。采用废石筑 尾矿堆积坝，坝体形成后，在库内排放尾矿，库容消 耗完成后，在尾矿的沉积滩上再采用废石筑下一级 堆积坝，如此反复，形成后期尾矿坝坝体。如果废石 量足够，也可以采用废石中线法进行筑坝o7 1 。 废石筑坝的优点很多1 废石内摩擦角大，坝体 稳定性高；2 渗透性好，减低浸润线，提高抗液化能 力；3 废石和尾矿联合堆存，节约土地资源；4 下游 坡面由废石构成，减轻了粉尘等环境问题。 1 ．2 剥离废石一尾砂混合堆存 矿山采场的废石一般粒径较大，具有较高的力 学强度，压缩性小，废石堆体渗透性强，与之相比，尾 矿力学强度低，粒度细，渗透系数低。采用采场剥离 的废石与尾砂混合堆存，即脱水浓缩尾矿后与废石 } 昆合堆存形成排土场，这样的方式可以不用建设用 于储存尾矿的尾矿库，对于节省建设用地非常有利。 尤其对于平原地区，这一混合堆存技术将为这些建 设尾矿库选址难的地方提供有效的尾矿处置途 径“ J 。尾矿与废石的混合一方面可以提高整体强 度，另一方面尾矿充填入废石体的孔隙后，可以降低 其渗透性，减少气、水进入废石体，从而降低酸性液 体的产生 特别是含大量硫化物的废石 ，减少对周 边环境的影响。但废石与尾矿的混合比例尚无经验 可参考，需要做大量的配合比试验。若尾矿掺人量 过大，会导致混合体的内摩擦角和渗透性降低过多， 降低废石堆体的抗滑稳定性和抗地震液化能力，掺 入量过小，又不能充分发挥该技术的作用效果。 1 ．3 在尾矿库上覆盖排土场 目前为止，我国面临闭库的尾矿库为数众多。 如果能对这些尾矿库土地加以利用，如堆放矿山废 石，将会产生巨大的经济和环境效益旧。10 | 。一般来 讲，在尾矿库上覆盖排土场，是一种改变尾矿坝受力 状态的处置方式，影响坝体的渗流特性以及稳定性。 因此这种处置方式往往要求尾矿坝的堆积坝体固结 充分，浸润线较低，并且要求进行合理的设计并保障 施工的安全，在以上前提条件下，以尾矿库上覆盖排 土场方式进行尾矿库和排土场的联合堆存是具有安 全性的。 2 废石格网一一种新型矿山废石和尾 矿联合排放方法 废石格网，顾名思义，是一种将矿山剥离的废石 成格网状铺设在尾矿库中 图1 。不同于尾矿和废 石混合堆置，该方法施工简单，只需用卡车将废石运 到尾矿库里逐层堆筑，不需要进行复杂的材料配比 试验。在尾矿库建设初期，首先沿库底建设第一期 废石格网，然后在格网中放矿，为提高工作性能，可 以间隔一个格网放矿。待所有格网排满以后，修筑 图1废石格网示意图 F i g ．1 S k e t c ho fw a s t er o c kg n a 这种废石和尾矿联合堆存的方法具有很多优 点1 废石堆积体渗透性较高，比尾矿高3 个数量级 以上，可视之为排水边界，将尾矿库顶面单向排水条 件改进为顶面 四周的三向排水边界，从而可以有 效降低尾矿库深部尾矿的渗流路径，加速超静孑L 压 的消散过程；2 废石体本身强度较高，运输车辆碾压 后密实度提高，可以改善尾矿坝的抗剪强度，可以将 其视为扩展的“碎石桩”，能够提高尾矿坝的抗滑稳 定性；3 尾矿坝上游局部是抗液化能力降低的区域， 设置废石格网后，渗透性增强，地震作用累积的超静 孔压可以快速消散，从而可以提高坝体的抗液化稳 万方数据 6 2 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第3 期 定性；4 对于含硫化物的废石，废石格网中的废石与 空气隔离，可以有效抑制酸性溶液的产生，从而减轻 对周围环境的影响；5 废石和尾矿统一处置，可节约 建设用地，降低矿山成本。 虽然废石格网在理论上具有很多优点，但废石 和尾矿在物理性质上有很大的差别，比如粒径、级 配、应力变形、渗流特性等。本文将采用数值模拟方 法对废石格网的适用性进行初步的探索。 3 废石格网对改善固结速度的评估 尾矿，特别是细粒尾矿的渗透性很差，渗透系数 通常低于1 1 0 ～c m ／s 。这将导致尾矿库深部累积 的孔压很难消散，降低了有效应力和抗剪强度，在地 震作用下，极易因液化丧失抗剪强度。采用基于比 奥固结理论的有限元方法，论证废石格网对改善尾 矿库渗透固结速度的作用。 3 ．1 比奥固结理论 比奥固结理论从较严格的固结机理出发推导了 准确反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的三 维固结方程。考虑土体中微元体，联立平衡方程、有 效应力原理、土的本构方程、几何方程以及连续性方 程等，可得到土体变形和孔压耦合起来的三维固结 h H 地基 方程 r 一[ a 】7 。[ D 】[ a 】{ u [ a 】7 { M p i 厂 { 一导册‰m 卜墨v z p o q ’ 。 a ￡ ‘y 甜 上式为包含4 个偏微分方程的微分方程组，也 包含4 个未知变量虬、M ，、％、P ，它们都是坐标和 时间的函数。其中，平衡方程的左端第一项表示发 生的位移所对应的力，第二项表示当前孔压所对应 的力，右端为外荷载；连续性方程的左端第一项表示 单位时间内位移改变所对应的体积变形，第二项为 孔压变化导致流出微元体的水量。因此，固结方程 反映了土体变形与渗流的耦合，也称为流固耦合。 3 ．2 计算模型和参数 计算剖面采用图1 所示I I 断面，按图2 所示 进行简化。图2 中B 是废石格网宽度，b 是格网顶 宽，格网两侧坡度为1 n ，单级格网高h ，总高度为 日。利用对称性，将以上断面简化为矩形计算模型， 其尺寸按式 2 和 3 进行等效。 b l 了b i n h2bl 了 i B l 譬一．了n h 3 地基 图2 模型概化 F i g ．2C o n c e p t u a lm o d e l 考虑一个1 0 0 m 高的尾矿库，每年升高5m ，建 立模型h 5m ，凡 2 ，H 1 0 0m ，b 5m ，B 2 0 0m ， 则b 。 7 ．5m ，B 。 9 5m 。模型和有限元网格见图3 ， 计算过程记录1 、2 、3 单元的孑L 压、位移、应力等 信息。 废石和尾矿均采用摩尔库伦模型，参数见表1 。 废石的内摩擦角取4 2 。，渗透系数为1 ．0 1 0 ～m ／ s ， 而尾矿内摩擦角为2 2 。，渗透系数远低于废石为5 ．0 1 0 一m ／s 。计算模型底部为固定边界，两侧为水平 约束条件，可以发生竖向沉降。对于渗流，两侧和底 部为不透水边界，顶部为排水边界。计算过程中，最 后一级顶部设置为排水边界，上覆尾矿以后，更改为 不排水边界。 万方数据 2 0 1 7 年第3 期周汉民等一种新型尾矿废石联合排放方法 6 3 表1 T a b l e1 计算参数 C a l c u l a t i o np a r a m e t e r s 废石尾矿 图3 有限元计算网格 F i g ．3 F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sg r i d 5 0 4 0 謇3 0 幽 蕹2 0 骝 1 0 0 3 ．3 计算结果分析 为对计算结果进行验证，同时对不设置废石格 网的情况进行计算。图4 是第1 0 到2 0 年模型底部 三处的超静孔压消散过程。从图中可知，在每一级 尾矿施加后，模型底部迅速积累了4 5k P a 左右的超 静孔压，然后随着渗流固结的进行，超静孔压逐步消 散。其中，1 单元处孔压迅速消散，因为废石体的渗 透系数很大，而2 、3 单元因为所处尾矿渗透系数很 小，孔压消散的较慢。2 单元离废石体水平距离较 近，渗径较短，固结较3 单元快。逐年来看，时间越 靠后，同一位置处的孔压消散过程越来越长，如同样 是3 样单元，1 9 2 0 年的消散过程要远慢于第1 0 1 1 年。这是因为除了水平渗流后，尾矿顶部也是渗流 边界，不过因为竖向渗径随着尾矿厚度的增加逐渐 增大，故固结时间不断增加。 图5 给出了三个单独年份的超静孔压消散过程 曲线，同时给出了不设置废石格网情况下的消散过 程曲线。在初期，尾矿库厚度小，竖向渗径较小，顶 层排水边界为主要排水边界，废石格网加速排水效 一3 2 ⋯ ⋯⋯一1 冉 ＼ [LL ＼ l | ，Lj L L| I；L 、3 一 l O1 l1 21 31 41 51 61 71 81 92 0 时间／年 图4 超静孔压消散过程 1 0 - 2 0 年 F i g ．4D i s s i p a t i o np r o c e s so fe x c e s sp o r ep r e s s u r e 1 0 ～2 0y e a r s 果不大，表现为3 单元曲线和不设置废石格网差别 不大，而随着时间的推移，尾矿库厚度逐渐增大，竖 向渗径增加，水平向渗流逐渐发挥主导作用，废石格 网显著提高了渗流固结的速度，变现为3 单元曲线 和不设置废石格网差别越来越大。 下面从有效应力方面论证废石格网的作用效 果。全部为尾矿时，竖向有效应力成层分布，接近竖 向自重应力计算结果。设置废石格网后，因为废石 体的弹性模量远高于尾矿，两者界面处产生了应力 调整。靠近废石的尾矿有效应力有所降低，是因为 尾矿的模量较低，相对废石产生较大的沉降，废石对 临近尾矿产生了向上的“拖拽力”。从图6 中单元竖 向有效应力的发展曲线也可以看出，2 单元处的竖 向应力要略低于3 蝉元。 4 废石格网对提高坝体稳定性的作用 前面说到，废石格网是一种拓展的“碎石桩”，具 有较高的抗剪强度，因此可以提高坝体的抗滑稳定 性和安全系数。针对设置和不设置废石格网的典型 上游法尾矿坝进行极限平衡分析，研究其安全系数 提高程度。 4 ．1 计算理论和模型 极限平衡分析目前仍然是边坡等岩土工程稳定 性分析的主要方法。通过将土体划分为若干竖直土 条，基于一定的条间力假设，条分法成为计算边坡安 全系数的常用方法，如瑞典圆弧法、B i s h o p 法、J a n b u 万方数据 6 4 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第3 期 法等。其中，M o r g e n s t e r n P r i c e 法假定两相邻土条法 向条间力和切向条间力之间存在对水平方向坐标的 函数关系，可对任意曲线形状的滑裂面进行分析。 蛊 奁 赢 稚 辎 a 第5 年 蛊 毒 碟 穑 剐 本文采用M o r g e n s t e r n P r i c e 法对废石格网的加固效 果进行稳定性分析。 孟 奁 罱 箍 剿 b 第1 0 年 图5 尾矿堆存超静子L 压消散过程 F i g ．5 A n n u a ld i s s i p a t i o np r o c e s so fe x c e s sp o r ep r e s s u r f 时间／年 图6 竖向有效应力发展过程 F i g ．6 D e v e l o p m e n th i s t o r yo fv e a i c a le f f e c t i v es t r e s s 计算模型见图7 ，图7 a 采用传统的尾砂筑子石格网后，坝体浸润线显著降低，坝体安全系数提高 坝，图7 b 设置废石格网，同样尾砂筑子坝，图7 C 到2 ．1 1 ，提高4 8 ％；而废石筑子坝仅能提高2 ％至 不设置废石格网，而采用废石筑子坝。为考虑孔压1 ．4 5 4 。废石筑子坝增加的坝壳厚度有限，并不能显 对有效应力的影响，首先进行渗流分析，计算得到其著降低坝体的浸润线，同时尾矿坝的滑裂面深度较 孔压场分布，然后进行条分法极限平衡计算，计算参大，主要穿过深层尾矿，而只有滑入和滑出端穿过废 数见表1 。石区，废石较高的抗剪强度并没有得到充分发挥。 4 ．2 计算结果废石格网一方面可以大幅降低浸润线，提高有效应 从计算结果图7 可知，不设置废石格网情况下，力和滑体的抗剪强度，另一方面废石格网起到“碎石 浸润线高程较高，坝体的安全系数为1 ．4 2 7 ；设置废桩”的作用，进一步提高了抗滑作用力。 万方数据 2 0 1 7 年第3 期周汉民等一种新型尾矿废石联合排放方法 6 5 安全系数 1 ．4 2 7 ● 安全系数- 2 ．1 1 0 ●～ a 尾砂子坝 一硼稠删 渺r 。 浸润线 安全系数 1 ．4 5 4 ●一 b 废石格网 c 废砂子坝 图7 安全系数和滑动面 F i g ．7S a f e t yf a c t o ra n ds l i ps u r f a c e 5结论 采用有限元法和极限平衡法对废石格网这种新 颖的尾矿废石联合排放方法进行了初步探索，结果 表明 1 废石格网可以加速尾矿排放过程中累积超静 孔压的消散，尾矿库厚度越大，废石格网加速渗流固 结的作用越明显，废石格网的布置间距是影响尾矿 渗流固结速度的关键影响因子； 2 废石格网起到“碎石桩”的作用，可以显著降 低坝体浸润线，提高坝体的抗剪强度，大幅提升上游 法尾矿坝的整体稳定性。 参考文献 [ 1 ] 田文旗，薛剑光．尾矿库安全技术与管理[ M ] ．北京煤炭 工业出版社，2 0 0 6 ． [ 2 ] R I C OM ，B E N I T OG ，S A L G U E I R OAR ，e ta 1 ．R e p o r t e d t a i l i n g sd a mf a i l u r e s ar e v i e wo ft h eE u r o p e a ni n c i d e n t s i n t h ew o r l d w i d ec o n t e x t [ J ] ．J o u r n a lo fH a z a r d o u sM a t e r i a l s ， 2 0 0 8 。1 5 2 2 8 4 6 - 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