高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究---硕士论文

大连理工大学硕士学位论文 - I - 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 Study on the measures to accelerate consolidation about the dam construction of high-density tailings 作 者 姓 名： 学科、 专业： 岩土与环境力学 学 号： 指 导 教 师： 教授 完 成 日 期： 年 月 日 大连理工大学 Dalian University of Technology 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 II 摘 要 使用尾矿筑坝是矿山生产中资源再利用的一种有效方式。尾矿固结沉积效果直接 关系到尾矿库的建设，包括了对干滩形成条件、子坝修筑以及坝体稳定性的影响。因 此，研究如何加速尾矿固结沉积速度，提高干滩强度，对尾矿库工程意义重大。本文 以南京梅山高浓度尾矿筑坝工程为例，采用现场试验、室内土工试验、数值计算和工 程实际结合的方法，对高浓度尾矿压滤筑坝以及加速尾矿沉积固结措施作了初步研究。 本文所做的主要工作和取得的研究成果如下所列： （1）通过试验对高浓度尾矿筑坝的可行性进行了研究，得出此尾矿压滤之后可以 用于干堆筑坝的结论。在高浓度放矿条件下，对干滩 50m 处尾矿的固结进行了相关计 算，结果显示此放矿模式下尾矿沉积固结不完全，修筑三级子坝静力稳定性不满足工 程要求。 （2）在高浓度放矿尾矿固结不完全的情况下，考虑到土袋特有的工程特性，通过 抛土袋挤淤的方法加固干滩，并经过计算得出了挤淤断面的形状和挤入的深度。在此 基础之上，对坝体的静力稳定性进行了校核，结果表明满足稳定性要求，验证了挤淤 加固干滩的可行性。 （3）现场做了尾矿高浓度排放流槽试验和库区尾矿稀释排放试验。试验过程中保 证尾矿流量一致，一段时间后，对流槽和库区相同位置的尾矿进行了采样分析。通过 对颗粒组成进行分析，发现尾矿稀释之后低浓度排放的颗粒分选效果比高浓度直接排 放好，50m 干滩内粗颗粒（粒径大于 0.075mm）的含量更高。运用 Geo-studio 软件对 高浓度放矿和低浓度排放 50m 处尾矿的固结和坝体的稳定性进行了对比计算，结果表 明：低浓度排放库区的浸润线埋深更深，尾矿固结基本完成，坝体相对安全。为尾矿 库高浓度输送低浓度排放工艺的研究提供了有力的依据。 （4）高浓度尾矿稀释排放之后，库区尾矿砂分布区域增大，饱和松砂在受到地震 或其他振动时易发生液化。通过振动进行预液化处理，液化之后土颗粒重组，变得密 实，为后期进一步加固和筑坝做准备。利用土工动三轴试验，选取不同的振动幅值、 振动频率、固结比，对尾矿砂的液化特性进行了研究。结果表明：振动幅值越大，土 体液化所需的时间越短；随着振动频率的升高，孔压的上升速率增大，土体抗液化强 度降低，越容易发生液化；增大固结比，土体抗液化强度提高。这为现场预液化和夯 实试验研究提供了借鉴。 关键词：尾矿；固结；稳定性；稀释；动三轴 大连理工大学硕士学位论文 - III - Study on the measures to accelerate consolidation about the dam construction of high- -density tailings Abstract It is an effective way of resources reuseing to use tailings for damming in mine production. The effect of consolidation of tailings is directly related to the construction of the tailing reservoir, including the effects of formation conditions of dry beach, dam construction and the stability of the dam. Therefore, it is great significant in studying how to accelerate the consolidation and deposition rate of the tailings and increase the intensity of dry beach in tailings engineering. In this paper, taking the project about damming with high-density tailings in Meishan of Nanjing as an example, making a preliminary study on filtering and damming with the high-density tailings and the methods to accelerate the consolidation and deposition of the tailings, by using the method of field test, laboratory geotechnical engineering tests and numerical calculation combined with practical engineering. The main work and achievements of this paper are as follows: (1) Making the conclusion that the high-density tailings can be used to dam after filtering by studying the feasibility of damming through the filter test of high-density. Doing the calculation about the consolidation of tailings at 50m of dry beach under the condition of high-density discharge, it shows that the consolidation of the tailings is not complete with this discharge mode, the static stability of three-level sub dam does not meet the engineering requirements. (2) Under the situation that tailings not completely consolidation with the way of high- density discharge, throwing soilbags for compaction to strengthen of dry beach considering the unique engineering characteristics of soilbag, getting the section shape and depth of the compaction after calculation. On the basis, the static stability of the dam is verified, the results show that the dam is safe and verify the feasibility of compaction to reinforcement of dry beach. (3) Doing the tests of sluice with high-density discharge and low-density discharge after dilution in the reservoir in the field. Ensuring the flow of the tailings is consistent during the test process, after a period of time, sampling and analysising the tailings at the 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 IV same position of sluice and reservoir. Through the analysis of the particle composition, it indicates that the effece of particle separation with low-density diacharge of the tailings after dilution is better than the high-density discharge directly, the higher content of coarse particles(diameter greater than 0.0075mm) in the area less than fifty meters of the dry beach. Calculating the consolidation of the tailings at 50m and the stability of the dam with high- density and low-density discharge, the results show that the seepage line of the reservoir buried deeper, the consolidation is basically completed of the tailings and the dam is relatively safe. Providing a strong basis about the study on the method of high-density transportation and low-density discharge of the tailings reservoir. (4) Low-density discharge of the tailings after dilution, the regional distribution of the tailings sand is increases, the saturated loose sand is prone to liquefy under the earthquake or other virbration. Trying to make it liquefy in advanced, then the soil particles rearrange and become compacted after liquefaction, it is good for further strengthening and damming. Selecting different vibration amplitude, virbration frequency and consolidation ratio to do the dynamic triaxial tests to study the liquefaction characteristics of the tailings sand. The tests results show that: the vibration amplitude is bigger, the time of liquefaction is shorter, the dynamic strength of tailings sand increases with the decreases of frequency, the growth rate of the dynamic pore water pressure increases with the increases of frequency. In addition, the dynamic strength of tailings sand increases with the increases of consolidation ratio. It provides reference for the experimental research on liquefaction in advanced and reinforce in the field. Key Words：tailings; consolidation; stability; dilution; dynamic triaxial 大连理工大学硕士学位论文 - V - 目 录 摘 要.I AbstractII 1 绪论 1 1.1 尾矿处理介绍1 1.2 尾矿库安全现状及溃坝分析2 1.2.1 尾矿库安全现状.2 1.2.2 尾矿库溃坝分析.3 1.3 尾矿筑坝研究简介5 1.4 本文的研究意义和主要内容7 1.4.1 研究意义.7 1.4.2 研究内容.7 2 高浓度尾矿压滤筑坝研究 9 2.1 研究背景9 2.2 干堆法简介10 2.3 高浓度尾矿压滤试验研究11 2.4 高浓度放矿条件下子坝静力稳定性校核14 2.4.1 高浓度放矿干滩固结计算.14 2.4.2高浓度放矿静力稳定性计算17 2.5 挤淤加固干滩20 2.5.1 土袋施工工程特性.21 2.5.2 抛土袋挤淤.22 2.6 挤淤干滩修筑三级子坝稳定性校核29 2.6.1 挤淤后三级子坝的稳定性.29 2.6.2 加高到三级子坝时整体的稳定性.31 2.7 小结32 3 高浓度尾矿稀释排放加速干滩固结沉积 33 3.1 原、新放矿工艺的不同33 3.1.1 原放矿工艺.33 3.1.2 新放矿工艺.34 3.2 原、新工艺对比试验35 3.2.1 高浓度排放流槽试验.36 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 VI 3.2.2 流槽试验与库区取样结果对比.37 3.3 高、低浓度尾矿固结模拟对比39 3.3.1 模型建立和材料参数选取.39 3.3.2计算结果分析40 3.4 稳定性校核41 3.4.1 模型建立和材料参数选取.41 3.4.2 渗流水位线的计算.42 3.4.3 静力稳定性计算.43 3.5 小结44 4 稀释尾矿砂动力特性研究 46 4.1 概述46 4.2 动力特性试验研究进展46 4.3 尾矿砂动三轴试验47 4.3.1 试验仪器.47 4.3.2 试验土料及相关参数.49 4.3.3 试验过程.49 4.4 尾矿砂动三轴试验结果分析50 4.4.1 固结比为 1.25 的液化强度分析50 4.4.2 固结比为 1.5 的液化强度分析51 4.5 不同固结应力比结果比较52 4.6 孔压的变化情况55 4.7 小结56 5 结论与展望 57 5.1 结论57 5.2 展望58 参 考 文 献 59 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 64 致 谢 65 大连理工大学学位论文版权使用授权书 66 - 1 - 1 绪论 1.1 尾矿处理介绍 随着我国工业化进程的不断推进，对矿产资源的开采和利用已经达到了前所未有的高 度，尤其是制造业和能源产业对矿产的需求量更是巨大。我国自古以来地大物博，自然资 源丰富，在开采利用矿产资源的同时，需要考虑解决的问题就是选矿过程中的产物尾矿的 处理。虽然尾矿是有用目标组分含量最低的选矿产物，但是尾矿中仍然含有选矿药剂和少 量的矿，T.N.Gzogyan 等就比较详细的介绍了在铁尾矿处理过程中铁的损失。而且由于 1 尾矿量巨大，若随意放置会造成比较严重的环境影响和一定程度上资源的浪费。 AAlnour 等 2 研究了矿样中所含有的放射性元素对选矿工人的辐射影响并给出了相应的 解决方法，文献3中通过模拟分析了尾矿中重金属污染的三个主要方面，因此尾矿的处理 必须严格遵守相关规定。 纵观国内外尾矿处理的方法,主要可以分为以下几种 9-4 ：（1）以传统方式修筑尾矿 坝，尾矿通过浆体形式排放至库区储存，预留一定干滩长度，并做好防渗和排水等工作。 随着技术的不断进步和发展，逐渐有了尾矿地表膏体堆存和干堆尾矿坝技术。无论是浆体 还是非浆体排放，均是比较简易的地表式堆存。（2）地表堆存并没有完全解决安全和环 境污染问题，国外像美国、澳大利亚等率先采用尾矿回填，即选矿之后，把矿渣再填充到 采矿区，这样可以充分利用空间，不占用土地，同时减少了矿区的人为地质灾害的发生。 （3）矿产资源属于不可再生资源，而尾矿中还含有一定量的矿或其他有用元素，所以对 尾矿的回收再选和提取有用物质的技术也逐渐得到亲睐，并获得了一定的经济效益, L. R. Hossner 等 10 论述了矿山活动带来的环境问题，并分析了可以从尾矿中回收的主要金属元 素, S. I. Evdokimov 等 11 也做了从尾矿中提炼金属的相关研究。（4）尾矿也可以作为新 型建筑材料，例如可作为回填土或用于道路的铺垫材料等。尽管拥有诸多技术和方法，张 如筠 4 指出我国在尾矿处理方面还存在不少问题，如尾矿的再利用效率较低；尾矿处理技 术和设备还不完备，尚需进一步发展和研发；尾矿处理相关法规政策有待完善，且尾矿综 合利用观念相对薄弱；缺少系统的尾矿数据统计，经验不足等。这些都需要国家和企业在 生产过程中不断的去探索和完善，从而使尾矿处理逐渐系统化、规范化。 我国地貌、地形复杂多变，矿产所处地区多为山区或者丘陵地带，人烟稀少和天然凹 陷地形优势为修筑尾矿库并进行尾矿矿浆湿排提供了良好的自然条件。为了更好的利用场 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 - 2 - 地条件，最大程度上节约尾矿处理成本，在众多尾矿处理方式中，矿山附近修建尾矿库以 浆体储存尾矿已经成为我国矿山企业尾矿处理最主要的一种方式。 1.2 尾矿库安全现状及溃坝分析 1.2.1 尾矿库安全现状 传统意义上讲，尾矿库就是用来堆放各类矿山或其他工程在进行矿石等分选后排出的 尾矿或其他废弃物的场地，一般是利用修筑子坝来进行拦截和围地所构成的 12 ， 尾矿库 储存也是国内外矿山运营中最常用的尾矿堆存方式。尾矿库是矿山生产中不可缺少的重要 组成设施，把尾矿统一规范的储存起来，在维持正常生产的同时，作为一种高边坡，却 13 存在着潜在的安全隐患。尾矿库在服役期间，库区含有一定的水，同时随着矿产的开采， 尾矿坝会随着尾矿排放量的增大而不断加高，尾矿库区面积扩大，若遇到地震或洪水，很 可能会造成溃坝和尾矿泄露的危险。尾矿库溃坝会导致滑坡或泥石流，处于库区下游的居 民和地区将会遭受巨大的生命财产损失以及严重的环境污染 14 。尾矿库事故所带来的严重 危害和社会影响在世界各类重大事故中名列前茅，稍逊于核辐射等毁灭性的的灾害，比航 空、航天失事等其它灾害更加严重 15 。历史上我国也发生过几起重大的尾矿库溃坝事件， 例如 08 年山西襄汾地区暴发的特大尾矿库溃坝事故，造成了重大人民生命、财产损失和 极其不良的社会影响 16 。近些年来，我国不同规模的尾矿库事故也时有发生，在付出了惨 痛代价之后，社会逐渐意识到其带来的危害的严重性和安全治理的紧迫性。 我国现有的尾矿库数量众多，并且每年都有不少新建尾矿库，这也给管理和整治工作 带来不小的麻烦。根据不完全统计数据表明，直到 2008 年底，我国经过调查并记录在案 的尾矿库数量就达 12655 座，还有一定数量的新建尾矿库没有收录在内，尾矿库的 14 17 安全状况如图 1.1所示。从图中可以清晰的看出，存在安全问题的尾矿库所占比例占达 14 到了 38.7%，足显我国尾矿库安全防治工程的严峻形势。若按库容规模大小进行分类，其 中三级及以下安全级别相对较低的尾矿库占据了很大比例，较低的安全级别和不完 15 16 备的管理措施也导致了事故较为频繁的发生。 门永生等 15 和谢旭阳等 16 论述了我国尾矿库的一些主要特征以及目前存在的一些问 题：（1）筑坝方式采取上游式占绝大多数，这种方法虽然具有操作简单，对地形适用性 较强的优点，但是这种方法导致库区侵润线偏高，渗流条件不好，且坝体稳定性相对较差。 （2）用来修筑子坝的尾矿料颗粒细，渗透性差，不易固结沉积，地震来临较易发生液化 破坏，对坝体稳定性造成不利影响。（3）由于尾矿库设计技术的不足和局限，与欧美其 大连理工大学硕士学位论文 - 3 - 他国家比较而言，我国在坝体稳定性、防洪和抗震等方面还存在一定的差距，相关技术有 待进一步的提高。（4）我国地处环太平洋地震带，这给尾矿库的安全建设和运营带来了 巨大的潜在威胁，需要做好抗震方面设计，尽量降低地震的影响，然而有相当比例的尾矿 库无正规设计。（5）小规模的尾矿库占据了 90%以上，其中不乏未经登记和无安全认证 的违规尾矿库，存在极大的安全隐患。（6）由我国国情决定，尾矿库事故带来的危害和 社会影响严重。（7）我国尾矿库安全水平还有待提高，管理技术和经验不足。尾矿库相 关统计、检测、审核、管理等方面尚不完善。研究开发尾矿库安全信息调查体系，开启尾 矿库数据库采集工作就显得相当的重要 18 。鉴于我国尾矿库安全所面临的严峻形势，需要 解决的问题还有很多，要求从源头出发，探究尾矿库溃坝的原因，从而找到改善直至根除 尾矿库安全隐患的方法。 我国尾矿库完全度分布图 613 1265 3032 7745 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 危库险库病库正常库 尾矿库状态 尾矿库数量/座 图 1.1 尾矿库安全度分布图 Fig.1.1 The distribution about the safety of tailings reservoir 1.2.2 尾矿库溃坝分析 尾矿库事故所造成的危害是不可预测的，而尾矿坝溃坝则是诸多尾矿库事故中所占比 例较大的一种。尾矿坝作为尾矿库的防护墙，是很重要的一道安全防线，其起到的作用相 当重要。尾矿库的溃坝主要表现在边坡失稳破坏、洪水导致的渗透破坏及地震等原因造成 坝体的崩塌、滑坡等 19 。根据湿排尾矿的特点，尾矿库内包含了尾矿颗粒和水，形式与水 坝有一定的类似，尹光志等认为尾矿坝溃坝与水坝及泥石流运动有着本质上的不同 20 ， 且随着坝体的不断加高，库区土水所蓄势能不断增大，一旦溃坝，产生的冲击性要比水流 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 - 4 - 大的多。据相关统计资料，指出全球发生溃坝的尾矿库多数采取上游式筑坝法，这种筑坝 方式无疑增大了土水势能和溃坝风险，在发生溃坝时会对库区下游造成更为严重的破坏。 Baotian Xu 等 21 研究了随着坝体的加高上游式筑坝的稳定性相关问题，与 Nazli Tunar Ozcan 等 22 的下游式筑坝研究结果相比，下游式筑坝法更有利于加高过程中坝体的稳定， 并可在一定程度上增加库容，说明不同的坝体修筑方式对尾矿坝溃坝有影响。也有许多关 于尾矿库溃坝的分析研究，尹光志等通过试验装置成功模拟了尾矿库不同坝高情况下溃坝 的发生和发展过程，得出了溃坝时尾矿的运动特征和产生的冲击力的变化特性 20 。且通 过一系列试验研究，在分析了尾矿库溃坝动力学特性的同时，也反映出了溃坝所带来的严 重后果。张森等指出尾矿库溃坝在本质上就是边坡结构失稳破坏，并通过研究指出溃坝的 主要影响因素有渗流、地震和洪水三种 23 。刘海明等 13 在文献23提出的影响溃坝的主要 因素以外，通过对国内外尾矿坝事故资料的整理分析，补充了几点尾矿坝溃坝原因，包括 尾矿坝的违规建造，降雨量过大导致的库区浸润线过高使得坝体稳定性降低，库区水位的 变化诱发的库内滑坡、崩塌破坏等。 当然，诸如对于尾矿坝溃坝的研究，无论是案例分析还是试验研究或计算模拟，都得 出了对溃坝起到重要影响的一些因素，由于研究方法和对象并不完全一致，造成对溃坝因 素的总结大同小异，但对于溃坝的主要原因的分析，学者们还是达成了比较统一的观点。 张力霆 24 和郑欣等 25 也都对尾矿坝溃坝的原因作了研究，得出了相对而言比较全面的结 论。张力霆把尾矿库溃坝分为三个阶段，分别为：坝体在一定的外界和内部作用下的失稳； 尾矿砂和库区内的水混合而形成高势能的泥沙浆；溃坝之后泥沙的产生和发展 24 。同时 对溃坝后泥石流的发展过程从不同研究方法的角度出发也作了比较详细的综述，包括了前 面尹光志做的尾矿库溃坝模拟试验。经过张力霆的论述将影响尾矿库溃坝的因素总结为： （1）尾矿坝渗流场的浸润线埋深过浅而引发坝体渗透变形或渗透破坏导致溃坝。渗流场 由于其复杂性很难准确判定，这也给研究计算带来了诸多不便。（2）坝基强度不够，导 致坝体沿着坝基的软弱面发生滑动失稳破坏 24 。尾矿坝本质上是一种土质或岩质边坡， 子坝通常是修筑在干滩面上，若干滩沉积不良，矿浆排放不均匀，甚至地基基岩承载力不 足，会导致坝基承载力的降低和软弱夹层的出现，这样坝体就存在沿某一滑动面失稳滑动 的风险，一旦失稳，溃坝也在所难免。（3）洪水侵蚀导致溃坝。主要是由于尾矿坝材料 的渗透性相对较差，洪水来临时库区水位瞬间上升，来不及排出，使孔压上升或形成流砂 等，降低了尾矿抗剪强度或产生渗透破坏直至溃坝。P. Sjdahl 等 26 介绍了运用电阻率测 量技术来检测坝体异常渗漏的方法，并描述了因为内部侵蚀而导致尾矿库溃坝的实例，为 大连理工大学硕士学位论文 - 5 - 渗透破坏预防提供了方法。（4）地震使饱和粗颗粒尾矿砂发生液化而导致溃坝。每座正 规尾矿库虽都有其抗震设计，但当地震级数达到一定等级时，坝体会在薄弱区域发生局部 液化现象，随着地震持续时间的增长和振动强度的增大，很多局部液化区域就会贯通，进 而整个坝体液化破坏。这几点因素在文献25中均有体现。 通过以上简单的溃坝因素论述，从内因外因角度分析，溃坝的内因是坝体或坝基本身 在设计时强度不满足要求，外因则是降雨、地震等自然因素和管理方面的疏忽。从表现形 式分析，广义上主要有边坡失稳破坏和渗流破坏两种，在溃坝过程中这两种表现形式是交 错存在的，不能人为的隔离开来。于广明等 14 总结了很多国内外关于尾矿坝稳定性的研究， 包括数值计算、试验模拟以及通过计算机建立数据库等，对渗流场的研究24中也列举了 一些重要的学者观点。事实上，尾矿库的溃坝是个相当复杂的过程，以上研究成果也都基 于一定的假设，并不能完全反映溃坝的整体形态。所以，减少和控制尾矿库事故除了提高 尾矿坝修筑和尾矿处理技术以外，另外一个很重要的措施就是加强安全监督和管理。张森 等 23 和郑欣等 25 通过利用尾矿库溃坝构建故障树的方法，分析给出了减少尾矿库事故的 建议和方案。在现有的尾矿库技术基础上，必须完全按照国家相关尾矿设施法律法规，在 勘察、设计、施工的每一环节都要做到十分严谨，根据实际工况设计抗震、防洪、排渗等 设施。此外，不断探索和研究，在原技术之上开创出更加先进科学的尾矿坝技术，这需要 国际上的共同努力，文献27中 Onofrio Sammarco 所描述的尾矿事故就是因为技术上的不 足而导致的溃坝。而对于监督和管理，不仅要做到实时登记和完善尾矿库基本数据资料， 加强数据库管理，还要严格取缔非法修筑的尾矿库，做到实时监控，对存在安全隐患的库 区进行整治，并利用计算机处理和自动化等技术对收集和监测到的数据进行分析，确保服 役期间的安全运行和闭库期的安全监测，并做好地震、洪水来临时的应急预案，防范于未 然。A. Gabriel Villavicencio 等 28 论述了运用概率方法进行预测来控制尾矿库事故的观点。 此外，对发生溃坝的尾矿库要做好事故处理和原因分析，尽全力预防和减小溃坝带来的损 失和危害。 1.3 尾矿筑坝研究简介 我国现有的尾矿处理技术和矿产资源多位于丘陵山区的现实状态，使得修筑尾矿库成 为我国矿山企业处理尾矿的主要手段，传统尾矿库工程则是由初期坝和后期修筑的若干子 坝共同组成的。在上、中、下游筑坝法中，上游式筑坝技术虽然在保证坝体稳定方面与另 外两种相比略差，但其施工工艺相对简单，操作方便，在工程上得到了广泛的应用。无论 采取什么样的筑坝方案，筑坝材料都是必需的。在矿山生产运营中，修筑尾矿库的费用占 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 - 6 - 到了矿山企业预算相当的部分，其中就包括了筑坝材料和运输材料的费用。比较常见的筑 坝材料有碎石，可以用来修筑初期坝和挤淤加固干滩，近些年在小的坝面处还采用混凝土 面板坝的形式，张钧山 29 研究了混凝土喷射技术在一些尾矿坝体防冲刷设计应用的实例， 取得了比较好的效果。这两种材料内摩擦角较大，修筑的坝体抗剪强度高，但不可避免的 是材料价格较高，若用在全部子坝上，无疑是一笔很大的开支，企业的可持续发展往往要 求尽量减少开支，并做到废物再利用。前文提到尾矿处理方法，其中就有综合利用一点。 如果用现有的尾矿作为筑坝材料，在节省了材料费用的同时，处理了部分的尾矿，也就变 相的增加了库区的库容，不失为一种比较好的筑坝方法。但是，安全生产必须是矿山企业 首先要解决的问题，若采用尾矿筑坝，不能只追逐经济利益，必须保证坝体的稳定性和一 定的抗液化性能。下面简单介绍一些关于用尾矿来修筑坝体的实例，证明尾矿筑坝的可行 性和安全性。 尾矿问题涉及到采矿、岩石、岩土、防灾减灾，甚至包括化学等诸多学科，而尾矿这 种材料可以用来筑坝是毋庸置疑的，20 世纪 90 年代以后对于细粒尾矿筑坝的工程研究逐 渐增多，对尾矿筑坝的研究近些年也取得了显著的成果。Abolfazl Shamsai 等 30 通过实例 研究了尾矿的岩土特性，并证明其可以用来筑坝，B. A. Volnin 等 31 则介绍了尾矿库水力 冲填坝的力学性质。国内对于尾矿的相关研究也在日趋完善。尾矿按照颗粒大小主要分为 尾矿砂、尾粉砂和尾粉质黏土三类，可见细小颗粒占到了多数。魏作安 32 从实际尾矿库 工程出发，详细阐述了对细粒尾矿的沉积规律和物理力学性质的分析，研究了细颗粒尾矿 筑坝及其加固技术，并对坝体的渗流场和动静力稳定性进行了计算。从试验、理论分析、 数值模拟不同的角度系统的论述了细粒尾矿筑坝方案。赵晖 33 论述了细尾矿筑坝在黄金 矿山中的应用，并通过采用土工织物作为加筋材料来增强坝体的抗滑力以提高坝体稳定性， 在获得了显著的经济效益的同时也在一定程度上提高了安全性。唐艳华 34 研究了在高寒 地区利用细颗粒尾矿筑坝的可行性，认为解决库区的冻胀和冻融是关键，这就要求做好坝 体的排渗，同时做好坝坡加固，完全可以保证所筑坝体的安全稳定运行。从对33、34 的分析中不难发现，对于细粒尾矿筑坝技术，由于尾矿渗透性较差导致固结效果不好，造 成坝体抗剪切强度和抗液化性能较低，这就要求在细粒尾矿筑坝时借助一定的手段加速其 固结。文献34中提到了使用旋流器使尾矿颗粒分级的方法，旋流器在各类矿产的尾矿处 理和筑坝中逐渐得到了广泛的应用。Hou-xiang 等 35 分析了旋流器作为新型技术在尾矿坝 修筑中的作用，郭友谦 36 和张长晟等 37 都以太钢某尾矿库为例，介绍了把旋流器与细尾 矿筑坝相结合的案例，将粗、细颗粒尾矿进行了分选，成功解决了由于细粒含量过多而存 大连理工大学硕士学位论文 - 7 - 在的筑坝困难和坝体安全隐患。董连平等 38 利用不同锥角的旋流器对煤矿中的煤泥进行 了分选和分级试验，并对试验之后产品的粒度组成和密度进行了相关分析。 以上关于旋流器在尾矿中使用的介绍，主要是利用其离心力将粗、细颗粒尾矿区分开 来，用渗透性较好的粗粒尾矿进行筑坝，从而增强固结沉积效果，增强稳定性。由经验可 知，选矿厂的尾矿通常是浓缩到一定浓度时进行排放的，其固结效果直接取决于尾矿浓度 大小和颗粒粗细，固结的结果将直接影响尾矿库的安全运行。近些年来，尤其在国外的一 些矿山企业，毕其功于一役，从根本上解决尾矿筑坝的安全隐患和减少筑坝开支，将湿尾 矿脱水到一定含水率进行干堆，不再修筑尾矿库，S.摩克逊 39 认为修筑尾矿坝的时代会 结束。无论是尾矿筑坝还是干堆，本质上都是要解决尾矿的固结沉积问题，压滤脱水则是 缩短了固结时间并增强了固结效果。这种尾矿处理方式在我国逐渐被使用，工程效果良好。 1.4 本文的研究意义和主要内容 1.4.1 研究意义 前文是对尾矿库和筑坝研究的综述。对于不同的矿区，不同的尾矿类型，不同的尾矿 处理技术，会造成在筑坝上存在一定的差异，并且对于高浓度筑坝的研究还有待深入的探 讨。但究其根本，无论采取怎样的尾矿处理手段和筑坝方案，都是要保证坝体的安全稳定 运行和企业的可持续发展。专家和学者们通过不断的科技探索和工程实践，已经总结出很 多实际经验和方法并在工程中得到了广泛的应用。而在尾矿库工程中，研究尾矿的沉积固 结特性对尾矿筑坝和坝体安全都是相当重要的。 本文旨在高浓度筑坝的工程研究中，通过试验和计算对加速尾矿固结沉积提出一些建 设性的方案，为保证坝体的稳定性和子坝的修筑提供一定的依据。通过一定的尝试，把不 同的处理方法进行对比，选择合适的方案，增强尾矿的固结程度，降低尾矿库的含水量， 减少尾矿坝溃坝风险。在解决尾矿筑坝某些技术问题的同时，保证尾矿筑坝的安全稳定运 行，并为矿山企业的经济和可持续发展提供一定的策略。 1.4.2 研究内容 本文基于南京山景尾矿库筑坝工程实例，在前期筑坝研究基础上作的高浓度尾矿筑坝 加速尾矿固结沉积措施的研究。如前文所述，尾矿固结程度的良好与否，决定了干滩的形 成条件，影响了后期子坝的修筑，同时决定了渗流场的分布特点，直接决定着坝体的稳定 性。可可以看出，对于加速尾矿固结沉积的研究对尾矿筑坝来说是十分重要的。 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 - 8 - 本文主要研究内容如下： （1）对国内外尾矿处理技术，尾矿库的现状以及尾矿库溃坝和尾矿筑坝技术发展做 了简单的论述和分析，总结出尾矿固结沉积效果在尾矿筑坝和安全运行中的重要性。 （2）高浓度尾矿压滤脱水筑坝可行性试验研究。通过压滤机的脱水作用，将高浓度 尾矿处理至一定含水量，通过压滤大幅度的提高其固结排水效果，压滤后的尾矿仅用于干 堆筑坝。对高浓度放矿时的干滩尾矿的固结情况进行了计算，并在原高浓度放矿形成的干 滩条件下对坝体的静力稳定进行校核。 （3）高浓度尾矿浆稀释排放工艺研究。在尾矿库现有的技术条件下，按原有尾矿浓 缩输送方案，在分管排放至库区之前，将高浓度的尾矿浆经输送管道与水汇聚于稀释箱中， 稀释之后再排放，并做了高浓度放矿流槽对比试验。把稀释放矿模式下尾矿在库区的沉积 固结情况与流槽高浓度直接放矿进行比较，对两种放矿模式下的尾矿固结沉积进行试验和 计算分析。 （4）研究动三轴振动频率对稀释尾矿砂抗液化特性的影响。将高浓度尾矿浆稀释之 后得到的尾矿砂属于松砂，遇到地震的饱和松砂易发生液化，需要进行振动夯实，提高其 强度，进而提高坝体抗液化特性。根据现场操作的需要，通过借助室内动三轴试验，选取 不同振动频率，研究频率对尾矿砂抗液化强度的影响规律，为现场夯实提供理论和实验依 据。 大连理工大学硕士学位论文 - 9 - 2 高浓度尾矿压滤筑坝研究 2.1 研究背景 山景尾矿库位于选矿厂以南 38.0km 的某村以北的山沟内，该山沟俯视呈椭圆形，三 面高山环抱。尾矿库的初期坝地面标高约为 82.0m，初期坝坝顶标高 110.0m，初期坝最大 坝高 28.0m，初期坝为碎石堆筑，一、二级子坝预用浓缩的尾矿修筑。尾矿库采用上游式 筑坝，外坡比 1:5.0，设计尾矿堆积标高为 198.5m，总坝高 116.5m，总库容约 2848 万 m ，根据尾矿相关规定 40 ，此尾矿库定为二等尾矿库。选矿厂设计规模为原矿处理量 3 400 万 t/a，尾矿处理量 110 万 t/a，尾矿库现有技术工艺排出的尾矿浓度为 15%，尾矿浆 经过浓缩以后浓度达到 47%不经过处理运输到坝上分散排放。高浓度尾矿筑坝，尾矿的固 结速度，尾矿的物理力学指标在沉积滩上的分布规律都发生了变化，并且尾矿排放沉积上 升最大速度达到了 5.0m/a，浓度的提高对坝体的稳定产生了重要影响。 根据对山景尾矿库的现场考察可知，目前山景尾矿库库区含水量比较高，致使坝体内 浸润线逐渐提高甚至从坝面溢出，尾矿固结不好，基本无法形成足够良好的干滩，给修筑 子坝增加了很大的困难。即使可以形成干滩，干滩长度也必须有足够长度。浸润线过高易 引起坝体产生渗透性破坏或导致滑坡、崩塌和泥石流的产生。特别是当地震来临时而引起 土体液化，影响了坝体的稳定性。尾矿库的运行管理要严格按照规范要求进行，严格遵守 尾矿安全管理的规定，要确保干滩长度并尽量降低浸润线的位置，从而保证坝体的稳 定性。坝体工艺简图如图 2.1 所示： 图 2.1 尾矿坝工艺简图 Fig. 2.1 The process of tailings dam 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 - 10 - 到目前为止，原设计山景尾矿的初期坝和一二级子坝都是预用碎石堆筑，坝体自身的 稳定性相对还是比较安全，但筑坝费用较高。此外，由于高浓度放矿，随着排放尾矿的增 多，库区水位上升比较快，尾矿沉积固结效果欠佳，库区积蓄大量水分，若遇上雨季，严 重影响施工操作。随着尾矿浆的不断排放，库内尾砂分层，坝体呈现出各向异性，工况十 分复杂，给校核坝体的稳定性造成了很大困难。库区水位的不断升高是影响坝体稳定性的 决定性因素，也就是要解决库内含水量的问题，从而根本上改善尾矿沉积固结条件，保证 尾矿库的运营和后期的管理。此尾矿库的下游有村庄和农田，一旦坝体渗透或失稳破坏， 将会给下游地区造成严重的影响，甚至人员的伤亡，从而导致矿山生产被迫停止，同时也 会对周边生态环境造成很大的污染。把高浓度的尾矿部分进行压滤干堆筑坝，一定程度上 实现了尾矿的再利用。 2.2 干堆法简介 尾矿的固结本质上是矿浆中水的排出，尾矿体积压缩，尾矿颗粒重新排列组合，孔隙 减小，密度增大的过程。根据选矿厂现有的选矿和放矿技术，提出使用压滤技术来处理部 分高浓度尾矿，加速其固结过程，并用压滤后的矿渣干堆修筑子坝。所谓的干堆，就是通 过借助一定的浓缩压滤手段，把浆体尾矿进行处理，大幅度提高其浓度，降低含水量，缩 短固结时间的同时很大程度上的增强固结效果，低含水量的滤饼用于地表堆存。这种尾矿 处理技术一些国家已经得到广泛的应用，如澳大利亚、加大和美国等。近年来，国家对矿 产管理和环保意识的不断加强，矿山企业在安全、经济和环境保护等方面都要进行改革， 这就促进了干堆法在国内的应用。迟春霞等 41 和李远飞 42 比较详细阐述了干堆处理技术 的优点和可行性，以及在矿山中的成功应用，可以从中看出干堆的优势，并为矿山企业带 了巨大的经济、安全和社会效益。罗敏杰 43 也比较系统的介绍了尾矿干堆所的巨大潜力， 陈乾渝 44 则根据相关规范论述了干堆的设计思路和安全运行中需要注意的技术环节，为 干堆库的设计积累了相关经验。魏书祥 45 完整且详细的论述了尾矿浓缩固结的环节，包 括了浓缩技术，其中就囊括了干堆法，并通过计算固结排放后的稳定性，定性定量的对尾 矿固结作了系统的研究。 综上所述，尾矿的固结排放技术在我国迅速发展，在矿山中的应用也日益增多，在经 济、安全、环保等方面都是存在其优势的。使用浓缩药剂配合压滤脱水设备是加速尾矿固 结的强有力的手段，从源头解决尾矿固结排水问题，这也是把压滤干堆筑坝用在此工程上 大连理工大学硕士学位论文 - 11 - 的实际意义，并对压滤尾矿筑坝的试验和计算结果进行分析，检验高浓度细尾矿压滤筑坝 的可行性。 2.3 高浓度尾矿压滤试验研究 赵占清等 46 等指出，压滤和过滤设备是将尾矿浆中的尾矿固体颗粒和水分离开来的 优良工具，不同设备的选型是需要根据尾矿的物理组成特性，即颗粒粗细和浓度大小来定 的。通过专业咨询，本文中选择的是自动拉板式压滤机，压滤机的工作原理主要是通过加 载部件施加一定的压力，辅助过滤设备，将固体和液体分离开来，压滤机种类繁多，适用 于矿产、炼油、冶金等众多行业，操作简单。 大连理工大学岩土与环境力学实验室于 2014 年 3 月 30 日委托上海五全过滤设备有限 公司做了山景尾矿高浓度尾矿料的压滤脱水试验。高浓度尾矿料 200kg，为高浓度放矿时 库区 50m 处干土料，配成浓度 60%的尾矿浆，用螺杆泵泵入压滤机进行压滤试验，压滤 机选型为 1250 型自动拉板式压滤机，过滤面积 500500，按照国家相关标准，最大加 2 m 载压力为 0.6MPa，压滤机的基本参数如图 2.2 所示。 图 2.2 压滤机基本参数 Fig. 2.2 The basic parameters of filter press 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 - 12 - 试验的尾矿料的基本颗粒组成和部分物理指标分别如表 2.1、2.2 所示。从表 2.1 可以 看出，该土料的细粒含量（粒径小于 0.075mm）占到了 80%以上，从表 2.2 的渗透系数值 也表明高浓度排放的尾矿渗透性较差。 表 2.1 试验尾矿料颗粒组成 Tab. 2.1 Particle composition of the tailings 土料 土粒比重 s G 颗粒组成（%） mm 不均匀系数 u C 曲率系数 C C 备注 20.5 0.50. 25 0.250 .075 0.0750. 005 0.005 50m 处 尾矿 3.093 0.684.4510.7882.751.34 1.751.02 低液限尾 粉质黏土 表 2.2 试验尾矿部分物理参数 Tab. 2.2 Some physical parameters of the tailings 土料 最大干密度 （g/cm ） maxd 3 最小干密度 （g/cm ） mind 3 最优含水量 （%） op 渗透系数 （cm/s）k 50m 处尾矿 2.030.94515.983.49E-05 岩土工程中，当土体含水