某大型铁矿尾矿库一次性筑坝技术

李瑞鸿 袁子有 李跃强

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

某大型铁矿尾矿库一次性筑坝技术

李瑞鸿 袁子有 李跃强

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

分析了一次性筑坝技术的适宜范围，以承德地区某大型铁矿尾矿库一次性筑坝技术设计为例，对其设计要点进行了探讨，并将一次性筑坝技术与传统上游式尾矿筑坝法进行比较，结果表明一次性筑坝方案技术上是可行的，经济上更合理，值得推广。

尾矿库 一次性筑坝技术 上游式筑坝法

目前我国普遍采用的是上游式尾矿筑坝方式，坝体的安全稳定性受尾矿颗粒级配、尾矿排放浓度及流动沉积规律等因素的影响，安全性较低。多年的运行实践经验表明，上游式尾矿筑坝法对于解决矿山尾矿问题有局限性。近年来监管部门正在积极引导各地区和尾矿库企业应用在线监测、尾矿充填和干式排尾等先进适用的新技术[1-5]。国家五部门联合下发的《关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见》(安监总管[2012]32号)中明确提出，新建四、五等尾矿库应当优先采用一次性筑坝方式。有关文献[6]对中、小型尾矿库一次性筑坝，从坝型选择、筑坝材料、排洪、排渗防渗、尾矿排放方式等方面进行了探讨，分析了其设计要求。本文通过某大型铁矿尾矿库采用一次性筑坝技术的设计实例，对上游式筑坝法和一次性筑坝技术进行了比较，分析两种筑坝方式的优缺点，最终确定采用一次性筑坝方案。并提出了大型尾矿库一次性筑坝技术设计要点，为该技术的推广起到一定的促进作用。

1 一次性筑坝技术的适宜范围

近年来由于越来越严格的安全和环保要求，尾矿库一次性筑坝技术越来越受到关注。尾矿库一次性筑坝技术，指的是在基建期一次性将拦挡坝修建至最终设计标高，建成永久性坝体，在生产过程中直接将尾矿排入库内，不再用尾砂分级堆筑子坝。对于大型尾矿库工程，通常坝体高，筑坝工程量大，可根据尾矿排放堆积速率分期修筑拦挡坝。一次性筑坝是所有筑坝方式中抗震稳定性最好的，缺点是筑坝材料用量最多。

一次性筑坝方式主要适用于以下几种情况：①山谷型尾矿库沟谷长度较长，两侧山体有足够的长度且筑坝材料充裕；②平地型尾矿库和傍山型尾矿库，不能满足最小干滩长度及澄清距离要求的；③尾矿粒度细，不能利用尾砂堆筑子坝，优先采用一次性筑坝方式；④在高寒地区气温低，冬季放矿时不利于尾砂排水固结，容易形成永冻层，同时受严寒气候的影响，大量矿浆冻结于库内，待春天气温回升时融化，可能引发春汛，给尾矿坝造成一定的安全隐患，优先采用一次性筑坝方式；⑤由于矿山自身地形条件的限制，没有适宜的场地用作排土场，建设尾矿库需同时考虑排土场建设，可采用一次性筑坝方式。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某铁矿为露天开采矿山，选矿厂原矿处理规模为150万t/a，排尾量130万t/a。全尾矿颗粒较粗，小于0.074 mm的尾砂仅占总质量的7.0%，脱水性能良好。

拟建尾矿库地处燕山中低山区的一处沟谷内，三面环山，为一典型的山谷型尾矿库。从地貌上看，该库沟谷呈“Y”字型布置，近于西东走向，断面呈“V”字型。沟谷狭长，主沟长约1 500 m，沟底宽度20～40 m。该区为典型的大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，冬长夏短，冬季寒冷干燥，春季骤冷骤热，夏季盛行偏南风，气候温和，雨水集中，时有暴雨及冰雹。夏季气温最高39 ℃，冬季最低气温-27 ℃，年平均气温8.6 ℃左右，年平均降水量553 mm。水源地距选矿厂较近，水质、水量能够满足生产和生活用水的要求。拟建尾矿库下游有部分居民居住，无工矿企业，无高压线及其他重要设施。企业与该处村民已达成搬迁协议，居民搬迁后该区域适宜用作尾矿库库址。

2.2 筑坝方案选择

根据尾矿性质、地形和地质条件、周边环境及尾矿坝筑坝常用方法，初选上游式筑坝和一次性筑坝两种方案，通过比较确定最优方案。

2.2.1 方案Ⅰ(上游式尾矿筑坝)

该尾矿库距企业采场较近，采场在生产期间有大量的剥离废石，设计初期坝为透水堆石坝，利用采场筛选的剥离废石筑坝。初期坝坝高30.0 m，坝顶标高720.0 m，堆积坝外边坡平均坡比为1:4，尾矿最终堆积标高800.0 m，总坝高110.0 m，计算总库容1 316.0万m3，该尾矿库等级为二等。库容利用系数按0.75计算，服务年限约11.4 a。尾矿库主要设施包括：初期坝、排水系统、排渗设施及安全监测设施等。其中，排水系统由排水井、排水管、排水隧硐、转流井、消力池及排水沟等组成。方案Ⅰ平面布置图和初期坝断面图分别见图1和图2。

图1 尾矿库平面布置

2.2.2 方案Ⅱ(一次性筑坝)

设计拦挡坝为透水堆石坝，利用采场剥离废石筑坝，不设堆积坝。拦挡坝最终坝顶标高800.0 m，总坝高为110.0 m，计算总库容为1 670.7万m3，尾矿库设计等级为二等，库容利用系数按0.9计算，服务年限约17.4 a。尾矿库主要设施包括：拦挡坝、排水系统、排渗设施及安全监测设施等。方案Ⅱ排水系统组成同方案Ⅰ，只是排水隧洞出口所接排水管和消力池的位置稍作了调整。考虑地形变化，在排水管中间设置了一座转流井，拦挡坝外坝坡未设置坝面排水沟。

图2 初期坝断面(单位:m)

方案Ⅱ平面布置图和拦挡坝断面图分别见图3和图4。

图3 尾矿库平面布置

2.3 筑坝方案分析比较

2.3.1 技术指标

对两种不同筑坝方案的尾矿设施技术指标进行比较，结果见表1。

表1 两种方案技术指标对比

注：方案Ⅱ拦挡坝堆石量按第一期考虑。

由表1可以看出，方案Ⅱ与方案Ⅰ比较：总库容多27%，总服务年限延长了6 a；拦挡坝一期筑坝工程量是方案Ⅰ的2倍多，但考虑到企业有足够的采场废石可用于筑坝，弥补了一次性筑坝材料用量多的缺点；解决了采场剥离围岩的排弃问题，减小了矿山配套的排土场规模。

图4 拦挡坝断面(单位：m)

2.3.2 防洪安全

(1)方案Ⅰ：该尾矿库为二等库，在计算过程中根据各使用期等级不同，防洪标准相应取上限。库区最大汇水面积0.745 km2，随着尾矿坝的升高，库区汇水面积、防洪标准都发生变化，选取典型坝段进行洪水计算及调洪演算。计算结果表明，尾矿库运行期间调洪能力可满足规范要求，且排空一次24 h洪水的时间不超过72 h，满足规范要求。

(2)方案Ⅱ：计算方法同方案Ⅰ，计算结果表明,方案Ⅱ的排水系统设计方案是合理可行的。另外，一次性筑坝尾矿库可利用拦挡坝体进行短时间挡水，一般小型洪水可拦蓄在库内，超标洪水可通过排洪系统泄洪。由于不受干滩长度限制，相比传统上游式湿式排放尾矿库，一次性筑坝尾矿库将拦挡坝坝顶标高与尾矿滩面标高之间的空间作为调洪区域，调节能力较大，但随尾矿排放量的增加调洪库容呈减少的趋势。因此只要留有足够的安全超高，一次性筑坝的防洪安全性会更可靠。

2.3.3 坝体稳定性

2.3.3.1 尾矿坝稳定性计算

该尾矿库等别为二等，尾矿坝重要性级别为二级，根据《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)[7]的规定，应进行场地危险性分析，分析结果确定其设防烈度。

(1)方案Ⅰ：根据《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—2005)[8]的规定，1、2级山谷型尾矿坝的渗流应按三维计算或由模拟试验确定。坝体三维渗流场分析结果表明，各典型坝段在正常工况、洪水工况和特殊运行工况下浸润线埋深均较大，无坝坡出逸现象。

对尾矿库最终堆积标高800 m时的正常运行工况、洪水运行工况和特殊运行工况进行二维渗流计算。采用瑞典圆弧法和总应力法，利用河海大学开发的AutoBank软件，根据尾矿沉积规律对尾矿坝进行概化分层，选取尾矿物理力学指标。计算结果与三维渗流计算基本一致，在各种工况下浸润线埋深普遍较深，满足规范要求。利用渗流计算结果进行坝体稳定性分析，正常运行、洪水运行工况和特殊运行工况下的抗滑稳定安全系数分别为1.969、1.819和1.679，满足规范要求。

(2)方案Ⅱ：计算方法同方案Ⅰ，利用二维渗流计算结果进行坝体稳定分析，正常运行、洪水运行工况和特殊运行工况下的抗滑稳定安全系数分别为1.896、1.896和1.824，满足规范要求。

结果表明，在选取相同的物理力学指标的情况下，两种筑坝方式下的安全系数均满足规范要求，且有较大的安全储备，在洪水和特殊运行工况下，方案Ⅱ的安全系数要高于方案Ⅰ。

2.3.3.2 尾矿坝动应力抗震计算

根据《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)[7]的规定，考虑到该尾矿坝为二级坝，应进行专门的动力抗震计算，即在有限元基础上进行地震液化分析、地震稳定分析和地震永久变形分析。该项目未进行相关工作，在后续研究工作中会继续深入，根据委托的专门从事抗震的研究院或高等院校的研究成果，对坝体的稳定性分析结果进一步完善。

2.3.4 可比投资

方案Ⅰ和方案Ⅱ在基建期所需的工程投资及投资构成见表2所示。

表2 按工程类别划分投资 万元

方案初期坝(拦挡坝)排水系统排渗设施监测设施库区绿化合计Ⅰ667.031056.5287.1714.40156.961982.08Ⅱ1521.25873.50134.2115.30188.002732.26

注：方案Ⅱ拦挡坝投资按第一期考虑。

由表2可以看出，方案Ⅱ基建期费用是方案Ⅰ的近1.4倍，究其原因，主要是方案Ⅱ拦挡坝工程量较方案Ⅰ初期坝工程量有大幅增加。由于方案Ⅱ考虑了分期筑坝，同时拦挡坝的建设可以解决采场剥离围岩的堆存，减小矿山配套的排土场规模，因此可节约很大一笔投资。

该工程投资费用除基建费用外，还包括运行管理费用、闭库费用及复垦价值等费用。

(1)运行管理费用。方案Ⅱ尾矿库没有后期尾砂筑坝的费用，岗位编制的劳动定员较少，运行费用相对较低；方案Ⅱ不采用尾矿筑坝，只要保证初期坝的施工质量，基本可以避免堆积坝的日常灾害，安全管理比方案Ⅰ简单、方便，管理费用与方案Ⅰ基本相同。

(2)方案Ⅱ闭库费用要低于方案Ⅰ。原因在于：方案Ⅱ不存在后期堆积坝，闭库时没有堆积坝整治费用，同时滩面整治也较方案Ⅰ容易实施。

(3)复垦价值。方案Ⅱ闭库后可恢复耕地面积高于方案Ⅰ，地形条件越好，闭库后的复垦价值越高。

3 一次性筑坝技术设计要点

对于中、小型尾矿库采用一次性筑坝，与黄土高原用于水土保持的淤地坝类似，可按照水利水电工程有关设计规范设计[6]。对于大型尾矿库，结合该工程的经验，设计注意事项说明如下。

(1)拦挡坝。拦挡坝坝型的选择与筑坝材料来源、选矿废水的性质等因素有关。对于山谷型尾矿库，如沟谷纵深较长，两侧山体有足够的高度且筑坝材料充足，宜采用一次性筑坝方式；对于平地型和傍山型尾矿库，如不能满足最小干滩长度及澄清距离要求的，应采用一次性筑坝方式；一次性筑坝材料土石皆可，但高坝宜采用透水堆石坝，可结合排土场进行，若选矿废水有污染，最好采用不透水坝型，如碾压式土坝。为了节省前期投资，同时使选矿厂尽早投产，拦挡坝一般考虑分期建设。施工中需注意坝体的基础处理，坝体堆筑过程中要严格控制堆筑质量达到设计要求。

(2)放矿方式。选矿厂排出的尾矿浆通过泵站和管道输送至尾矿库，再与拦挡坝坝顶上铺设的放矿主管道连接，放矿主管道上每隔8～10m设置一个放矿支管，利用水力冲积放矿。放矿时，为保护拦挡坝上游坡及反滤层免受尾矿浆冲刷，一般采用导流槽或软管将矿浆引至远离坝顶处排放，并采用多管小流量的放矿方式，以利尽快形成滩面。

(3)排水系统。一次性筑坝尾矿库库内排水系统优先采用排水井—排水管—排水隧洞方式，有条件的可在最终坝顶设置溢洪道，避免发生超标准洪水造成洪水漫顶。

(4)防渗和排渗设施。一次性筑坝尾矿库如采用透水堆石坝，无需设置排渗设施，若采用不透水坝型，必须设置有一套完备的排渗设施，加快尾矿堆积体的排水固结，使库区尾矿渗透水及时排至库外，最大限度地降低坝体浸润线。若选矿废水有污染，拦挡坝最好采用不透水坝型，根据工程地质勘察结果，采用库底铺设土工膜防渗或下游布设截渗墙防渗，以免污染地下水，同时为降低拦挡坝内的浸润线高度，可在拦挡坝下游设置排渗棱体。

(5)安全监测设施。一次性筑坝尾矿库需在拦挡坝上布设位移观测设施，如拦挡坝为透水堆石坝无需设置浸润线观测设施，如为不透水坝型，同样需要设置。此外，还应设置完善的在线监测系统。

4 结 语

尾矿库设计除了遵循一般设计规范规程外，还需充分考虑其特殊性，如尾矿细颗粒筑坝、库区永冻层、冰凌春汛等对尾矿库造成的不利影响，有时还需兼顾排土场建设，一次性筑坝技术是解决这类问题的有效技术措施。通过某大型尾矿库上游式尾矿筑坝和一次性筑坝两种方案对比，确定采用一次性筑坝方案，并从拦挡坝、放矿方式、排水系统、防渗和排渗设施、安全监测设施等方面对其设计要点进行了探讨。无论在防洪能力还是日常生产管理上，大型尾矿库采用一次性筑坝技术都有其特有的优势，同时还解决了采场剥离废石的堆存问题，因此是一种值得推广的筑坝技术。

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[7] 中国有色金属协会.GB50863—2013 尾矿设施设计规范[S].北京,中国计划出版社,2013.

[8] 国家安全生产监督管理总局.AQ2006—2005 尾矿库安全技术规程[S].北京,煤炭工业出版社,2005.

2014-11-06)

李瑞鸿(1982—)，女，硕士，工程师，066006 河北省秦皇岛经济技术开发区龙海道71号。