基于上游式快速高堆壩工藝及關(guān)鍵力學(xué)問題研究.pdf

1、尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的用以貯存尾礦的場所。它是金屬礦山三大控制性工程之一，也是非煤礦山最大的危險源。尾礦庫運營好壞，不僅影響到礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且與庫區(qū)下游居民的生命財產(chǎn)及環(huán)境息息相關(guān)。依據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》，國家科技部在“十一五”國家科技支撐計劃重點項目中，已將“非煤礦山尾礦庫潰壩”列為“公共安全”重點領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。在《國家安全生產(chǎn)十二五規(guī)劃》中，亦提出了針對“地下開

2、采礦山、露天礦山、尾礦庫等開展專項整治”。
　　 目前，我國除了上海等少數(shù)省份沒有尾礦庫外，其余省市均存在數(shù)量不等的尾礦庫。據(jù)統(tǒng)計，2008年底我國有12萬余座尾礦庫，而且每年還以200座的規(guī)模在增加。同時，隨著采礦業(yè)與選礦業(yè)的不斷發(fā)展，尾礦庫方面也出現(xiàn)了一些新的問題，比如：隨著土地資源的短缺和環(huán)境保護(hù)方面的嚴(yán)格要求，使得老尾礦庫不斷加高庫容，尾礦壩越堆越高，新尾礦庫的壩高記錄也在不斷突破，目前，設(shè)計壩最高達(dá)到260m，壩高超過

3、200m的尾礦庫已經(jīng)達(dá)上百余座；隨著礦山采礦產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，排入庫內(nèi)的尾礦也在不斷增多，這樣尾礦壩的堆壩上升速度也在不斷提高，原來一年堆一級子壩，上升高度為2.0-3.0m，現(xiàn)在一年堆積4-6級子壩，上升速度達(dá)到8.0-12.0m，有的礦山甚至超過20.0m。在場地條件和使用條件越來越苛刻的情況下，尾礦壩的堆積高度越來越高，筑壩上升速度越來越快，而現(xiàn)有的堆壩方法和工藝無法滿足，結(jié)果使得尾礦庫出現(xiàn)一些險情，有的尾礦庫剛投入使用，就成為病險

4、庫而遭遇報廢，嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)。為此，從企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約土地和環(huán)境保護(hù)方面考慮，礦山迫切希望能提出一些新的堆壩工藝和技術(shù)，以解決尾礦庫使用過程中遇到的這些新問題。
　　 本論文主要以涼山礦業(yè)新建的小打鵝尾礦庫為工程背景，采用現(xiàn)場勘探、室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬等綜合性研究方法，針對快速高堆尾礦壩的關(guān)鍵力學(xué)問題、堆壩方法和工藝等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究與探討，以解決礦山面臨的亟待解決的技術(shù)難題，為建設(shè)平安礦山服務(wù)。

5、　　 本文的主要研究內(nèi)容和取得的創(chuàng)新性科研成果為：
　　 ①介紹人類開發(fā)利用礦產(chǎn)資源的基本過程以及尾礦的來源；總結(jié)了尾礦材料的分類及其物理力學(xué)性質(zhì)的經(jīng)驗值；歸納了尾礦地面堆存的5種基本類型、尾礦壩的常用筑壩方式及其特點，認(rèn)為高濃度尾礦堆積法(圓錐法)是未來尾礦地表堆存的主要發(fā)展方法?？偨Y(jié)了國內(nèi)外尾礦庫災(zāi)害事故的類型與發(fā)生的原因。統(tǒng)計分析得出，目前我國尾礦庫發(fā)生事故的主要原因大體上可以歸納為兩大類：
　　 (1)尾礦庫防

6、洪不達(dá)標(biāo)，防洪能力差，尤其遇到極端天氣，情況更糟糕；
　　 (2)尾礦壩穩(wěn)定性差，出現(xiàn)壩坡面、壩基或壩肩滲漏，引起尾礦壩失穩(wěn)潰壩。
　　 ②結(jié)合上游式尾礦壩的形成過程及其特點，揭示了上游式尾礦壩的結(jié)構(gòu)組成。通過現(xiàn)場勘探測試，發(fā)現(xiàn)在上游式筑壩過程中，尾礦沿干灘面的沉積規(guī)律以及隨著時間的推移尾礦料在重力作用下的固結(jié)密實特性。結(jié)果顯示，兩類主要的尾礦(尾粉砂和尾粉土)隨著埋深越大，其密實度也越大，而尾粉砂的敏感性更高，更易密實

7、。室內(nèi)試驗的結(jié)果表明，隨著時間的推移，尾礦的飽和密度和干密度也逐漸增大，到達(dá)144～168小時后，趨于穩(wěn)定。在兩種尾礦中，尾粉砂的工程力學(xué)性質(zhì)均比尾粉土好，所以尾粉砂更適合作為堆壩材料。
　　 ③從我國尾礦庫的現(xiàn)狀出發(fā)，分析了我國尾礦庫的特點，主要表現(xiàn)為：分布區(qū)域廣，數(shù)量多、規(guī)模小，病、險、危類尾礦庫所占比例高，安全形勢非常嚴(yán)峻。
　　 從量與質(zhì)兩方面對我國入庫尾礦進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，目前入庫主要呈現(xiàn)兩大特點：

8、　　 (1)入庫尾礦的數(shù)量在成倍增加；
　　 (2)入庫尾礦的性質(zhì)發(fā)生了變化，尾礦顆粒組成越來越細(xì)。
　　 ④針對快速高堆壩這一新鮮事物，提出了一些新的概念及定義。從現(xiàn)有尾礦庫等別評判標(biāo)準(zhǔn)中的兩個參數(shù)(庫容(V)和壩高(H)分析，認(rèn)為尾礦壩的高度(H)更重要。同時，綜合業(yè)界已有的資料，分析認(rèn)為尾礦高堆壩的高度界定為100.0m比較合理，即總壩高(Hm)等于或超過100.0m就認(rèn)定為高壩范疇。
　　 結(jié)合尾礦壩的

9、形成過程，給出尾礦壩的筑壩上升速度(u)的定義。同時，提出了單位壩高庫容(η)的概念。認(rèn)為筑壩上升速度(u)越高對尾礦壩的穩(wěn)定越不利，在選擇尾礦庫時，單位壩高庫容(η)值越大越好。
　　 并就我國快速高堆壩產(chǎn)生的緣由及其存在的弊端進(jìn)行了分析，可為我國礦山尾礦庫設(shè)計與安全管理提供參考。
　　 ⑤利用理論分析，從工程力學(xué)的角度，針對尾礦堆積子壩的極限堆積高度和尾礦壩上升極限速度進(jìn)行研究，獲得了不同尾礦材料的、不同堆壩速度下，

10、尾礦堆積壩的穩(wěn)定性。從理論上推導(dǎo)出比較結(jié)合實際情況的、子壩極限高度的計算公式。獲得了4種尾礦的極限堆壩上升速度的變化規(guī)律以及極限值。即隨著年堆壩速度的增加，尾礦壩的穩(wěn)定性也是逐漸降低。如果按照穩(wěn)定系數(shù)為1.0來判斷，則尾細(xì)砂的年堆壩極限速度為24.0m，尾粉砂為18.0m，尾粉土為12.0m，尾粉質(zhì)粘土6.0m。如果按照1.05的穩(wěn)定系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來判斷，那么尾細(xì)砂的年堆壩極限速度為18.0m，尾粉砂為12.0m，尾粉土為12.0m，尾粉質(zhì)粘

11、土6.0m。
　　 ⑥針對尾礦壩堆筑上升過程進(jìn)行了剖析，得出控制堆壩上升速度的關(guān)鍵是子壩的堆筑和沉積灘的有效形成。為此，在現(xiàn)有快速堆筑子壩的方法基礎(chǔ)上，提出了兩種新方法，即旋流分級分段堆筑子壩法和預(yù)制構(gòu)件堆積子壩法。采用這些方法，不僅可以有效地解決子壩快速堆筑問題，而且工作效率也很高，勞動強(qiáng)度也很低，因為均是采用機(jī)械化作業(yè)。另外，提出了灘面分區(qū)管理的工藝，能有效地提高沉積灘面的強(qiáng)度，有效地解決沉積灘快速上升的問題。采用這些方法和

12、工藝，可以解決尾礦壩快速堆積的問題。
　　 ⑦以新建小打鵝尾礦庫工程為實例，分析了該尾礦庫的兩大特點，即堆壩上升速度快，平均年上升高度為18.0m，尾礦壩高為185m，屬于高壩的范疇。根據(jù)這些特點，結(jié)合尾礦庫周邊環(huán)境，在堆壩工藝和方法上，選擇了旋流分級堆壩方法。在此基礎(chǔ)上，對該尾礦壩的滲流場、壩體的穩(wěn)定性及其壩體應(yīng)力變形等進(jìn)行了理論計算與數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示，采用這些新的方法和工藝能滿足該尾礦庫的快速高堆尾礦壩的要求，但尾礦壩

13、的安全穩(wěn)定方面，要求尾礦壩的堆積過程中一定要設(shè)置壩體水平排滲系統(tǒng)，降低壩體的浸潤線，這樣才能確保尾礦壩的穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。
　　 盡管已有礦山采用旋流分級堆積尾礦壩的工程事例，但基本是解決粗粒尾礦不足的問題，結(jié)合上游法解決堆壩上升速度快的工程事例，目前國內(nèi)外尚未見報道，小打鵝尾礦庫屬于首次應(yīng)用。從當(dāng)前小打鵝尾礦庫的運行的情況來看，應(yīng)該是成功的。
　　 這些研究成果不僅解決了小打鵝尾礦庫的實際生產(chǎn)中的問題、產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效