御驾泉尾矿库筑坝实践与改造方向

1、御驾泉尾矿库筑坝实践御驾泉尾矿库筑坝实践与改造方向与改造方向 鲁中矿业鲁中矿业 有限公司有限公司 2017.3.291 概况概况 鲁中矿业有限公司是国有大型地下黑色冶鲁中矿业有限公司是国有大型地下黑色冶金矿山企业，隶属中国五矿集团公司。公司始金矿山企业，隶属中国五矿集团公司。公司始建于建于1970年，占地面积年，占地面积10平方千米，矿区环境平方千米，矿区环境优美、交通便利、区位优越。公司铁矿资源储优美、交通便利、区位优越。公司铁矿资源储量量3.3亿吨，是山东省最大的钢铁原料基地。生亿吨，是山东省最大的钢铁原料基地。生产的铁矿石可选性好，铁精矿含硫磷极低且保产的铁矿石可选性好，铁精矿含硫磷极低

2、且保持全自熔，是高炉冶炼、造球和炼钢的优质原持全自熔，是高炉冶炼、造球和炼钢的优质原料，产品畅销省内外。经过料，产品畅销省内外。经过44年的开发建设，年的开发建设，公司已建成一座集采矿、选矿、井巷工程施工、公司已建成一座集采矿、选矿、井巷工程施工、运输、机械制造、建筑安装为一体的独立矿山运输、机械制造、建筑安装为一体的独立矿山企业。企业。 公司现有资产总值公司现有资产总值50亿元，净资产亿元，净资产28亿亿元。采矿能力达到元。采矿能力达到600多万吨，精矿产量多万吨，精矿产量230多万吨。多万吨。 作为矿山公司主体单位之一的选矿厂作为矿山公司主体单位之一的选矿厂,负负责小官庄、张家洼、港里三矿

3、体采出矿石及责小官庄、张家洼、港里三矿体采出矿石及部分外购矿石的加工任务；主产品为铁精矿，部分外购矿石的加工任务；主产品为铁精矿，副产品为铜精矿。采用自球磨两段磨矿副产品为铜精矿。采用自球磨两段磨矿-弱磁弱磁选选-精矿分级再磨再选精矿分级再磨再选-强磁强磁-浮选浮选-磨矿磨矿-强磁强磁-重选工艺，尾矿经高效浓缩（浓度达到重选工艺，尾矿经高效浓缩（浓度达到43%）后，用隔膜泵一段输送到尾矿库。选矿厂年后，用隔膜泵一段输送到尾矿库。选矿厂年处理能力处理能力520万吨，铁精矿产能万吨，铁精矿产能200万吨、铜万吨、铜精矿精矿3000吨，年产干选废石吨，年产干选废石70万吨，磨选尾万吨，磨选尾矿矿25

4、0万吨。万吨。 2 尾矿库设计尾矿库设计 鲁中矿业御驾泉尾矿库由原冶金部鞍山黑色冶鲁中矿业御驾泉尾矿库由原冶金部鞍山黑色冶金设计研究总院设计金设计研究总院设计，面积为，面积为1.33平方千米。堆积平方千米。堆积坝坝设计标高为设计标高为350m，在可能情况下，允许堆，在可能情况下，允许堆高高至至370m，届时的总坝高分别为，届时的总坝高分别为94m和和114m，相应的，相应的总库容分别为总库容分别为3600万万立方米立方米和和5300万万立方米立方米。坝外坝外坡比坡比1:5。 设计初期坝顶标高为设计初期坝顶标高为285m，坝高，坝高29m，坝轴线，坝轴线长度长度540m，结构为堆石和废石混合透水

5、坝，坝体，结构为堆石和废石混合透水坝，坝体内、外坡比为内、外坡比为1：2，筑坝材料，筑坝材料主要主要为井下掘进废石，为井下掘进废石，坝内侧铺设土工布反滤层。坝内侧铺设土工布反滤层。 堆积坝采用上游法机械筑坝，筑坝材料为尾砂，堆积坝采用上游法机械筑坝，筑坝材料为尾砂，堆积坝总高度为堆积坝总高度为65m，每上升，每上升3m堆堆筑一级尾砂子筑一级尾砂子坝，坝顶宽坝，坝顶宽10m。 原设计尾矿库的汇水面积为原设计尾矿库的汇水面积为1.93km2，最，最终汇水面积为终汇水面积为1.26 km2 。尾矿库排洪、回水。尾矿库排洪、回水采用钢筋砼排水井采用钢筋砼排水井+涵管形式，涵管形式，设计设计8个排水个排

6、水井，井，在尾矿库外坝坡下游设有钢筋砼消力池及在尾矿库外坝坡下游设有钢筋砼消力池及回水系统。排洪管内径回水系统。排洪管内径1m，全长，全长1284.4m，纵坡比纵坡比0.012到到0.156。尾矿库初期防洪标准按。尾矿库初期防洪标准按20年一遇设计，年一遇设计，200年一遇校核；后期防洪标年一遇校核；后期防洪标准按准按50年一遇设计，年一遇设计，500年一遇校核。初期防年一遇校核。初期防洪高度确保不小于洪高度确保不小于5米，后期防洪高度不小于米，后期防洪高度不小于2.5米。米。 图图1 尾矿坝设计平面图尾矿坝设计平面图图2 设计初期坝3 投产后存在的问题及对策 1985年9月尾矿库投入使用后，

7、发生了初期坝漏矿、外排水超标和子坝无法按设计堆筑的一系列问题，为此，采取了相应的对策。 3.1、初期坝跑矿、漏矿，外排水超标 由于设计、施工等原因，坝体内的反滤层达不到预想的效果，大量矿浆从坝体流出，反滤层受到严重破坏。坝体严重漏矿曾迫使选矿厂两次停产。选矿厂曾对漏矿问题采取了一系列措施，1986年10月，采取坝前取砂装袋护坡，护坡厚度0.6米；于1987年初开始用旋流器沉砂护坡堵漏与人工护坡同时进行的方法，停止了坝前支管分散放矿的方法，解决了初期坝漏矿问题，成效显著。 由于坝体漏矿，更重要的是尾矿含泥高、难沉降，而库区沉降面积又小，溢水塔附近清水层浅（仅300500mm）,矿泥易流出。造成外

8、排水超标（浊度20000PPM，PH值9），使尾矿坝下游农用水库被淤，百里汶河被污染，被环保部门罚款并通报批评。为此，选矿厂采取了在2#泵站向尾矿矿浆中加H2SO4、使用采矿井下渗水（井下水为碱性，对尾矿有加速沉降作用）、选厂环水净化系统改造、增大选厂净化系统3号絮凝剂用量（包括采取用旋流器沉砂护坡）等一系列措施，直至1989年10月，外排水才完全达标。 3.2、设计筑坝方法无法实施 由于选矿厂所处理的矿石中含有大量的红板岩和其它风化岩，导致尾矿泥化严重，选厂产出的尾矿粒度与设计比严重不符（生产与设计的尾矿粒径比较见表1）。不仅加权平均粒度生产的（0.064mm）低于设计（0.09028mm）

9、，而且小于0.005mm粒级量远高于设计值（含量高达28），致使尾矿在库内形成的沉积干滩长只有2030m，30m以外泥浆的沉积坡度只有3。库内水位标高与干滩标高之差只有不到1米，且因滩面薄弱，放矿处常发生塌陷，初期坝体漏矿，坝体已无抵挡洪水的能力。至此，采用坝前支管分散放矿、推土机筑坝的设计筑坝方法已不可能。 表1 设计与实际尾矿粒度比较表 粒度(mm)-0.63 0.6300.3150.3150.1540.1540.10.1000.0760.0760.05380.05380.0383 备注产率(%)设计0.304.4714.488.206.005.128.22 加权平均粒度：设计0.0902

10、8mm生产0.064mm 生产0.203.808.206.83.506.206.50粒度(mm)0.03830.0260.0260.0200.020.01340.01340.0100.010.00500.005 0.076累计产率(%)设计11.5314.1514.95.067.550.0266.55生产7.806.705.607.209.5028.0077.50 为解决筑坝问题，保证汛期的安全防洪高度，如采用当地土石料堆筑，其效果虽好但投资巨大。当时，正好选矿厂干选废石无法长期存放，公司向设计院提出了用废石筑坝、旋流器护坡的方案。征得设计院同意后，于1989年3月决定立即利用采场掘进废石和选

11、矿厂干选废石在母坝前堆筑子坝，并在子坝上游坡利用旋流器的沉砂护坡。 1990年4月从堆筑第二期子坝开始，在废石与旋流器沉砂的分界面上铺设了丙纶土工布，至此以后，该坝基本满足了防汛和使用的要求。 新筑坝方法优点： （1）利用干选废石筑坝。不仅解决了选矿厂的干选废石的存放问题,而且解决了筑坝原料问题，大大加快了子坝上升速度，与开山碎石筑坝相比，效益相当显著。 （2）废石坝内铺设土工布。参照同类型尾矿坝的生产经验，在废石坝内铺设土工布。 其操作程序为：整坡将废石坝内坡人工把大块掀下，以免大块穿透土工布；铺布将购进的4100m成卷的土工布裁好，缝制成长4060m、宽1820m、缝合针眼密度为3个/cm

12、的大块，平铺到内坝坡上；固定坝肩处将布余折12m，然后用大块将布固定在坝肩上；缝合与上一次铺设的土工布按规定针眼密度缝合好，然后将旋流器沉砂均匀地放于土工布上。 土工布是介于排水体（废石坝体）和保护层（尾砂）间的“隔离层”，它可以满足防止坝体产生管涌、保证渗水水质合格的要求，其作用类似于用稻草袋装河沙堵漏和麻袋片堵漏。 土工布具有弹性与渗透性好、强度高、抗老化的优点。据测试，莱芜市丙纶厂生产的土工布（400g/m2）其断裂伸长率为：纵向96%，横向78%；垂直渗透系数0.093 cm/s。 废石坝基的沉降量一般为15%，所以因坝体的不均匀下沉而拉断土工布的可能性不大。相反，由于坝坡所铺土工布连

13、成一体，坝体某部位下沉时，该部位周围坝体均受力，所以坝上不会产生小部位塌陷的“圆洞”，而大多在坝坡产生整体下陷和坝顶靠内坝肩13m处产生纵向下沉裂缝，相对增强了坝体的整体稳定性。 （3）旋流器沉砂护坡。筑坝用废石以块为主（最大块350400mm）,且其内含有一定比例的红板岩等易粉化矿块，以此堆筑子坝用来阻挡库内泥浆易产生矿浆渗漏，导致坝体不稳定。为此在废石坝的内坡土工布上面采用了尾矿旋流器沉砂护坡的措施，护坡厚度一般为0.88m（上薄下厚），坡度约12，旋流器溢流通过胶管放入库内。旋流器工作参数见表2。 表2 旋流器护坡工作参数旋流器规格型号总使用台数放置方式沉砂嘴直径（mm）给矿压力（Mpa

14、）给矿浓度（%）沉砂浓度（%）沉砂产率（%）300聚氨酯旋流器812平卧250.080.12 302 现在43%7525 4 新筑坝方法研究成果及应用 4.1研究成果 1989年开始，先后进行了尾矿冲槽试验、旋流器沉砂护坝试验，以确认废石筑坝的可行性和筑坝高度。后陆续又进行了307m筑坝可行性、316m筑坝可行性研究，均未取得理想成果。 1995年，鲁中矿业、清华大学、冶金部建筑研究总院共同完成了“333m标高筑坝可行性研究”。在尾矿泥的固结特性和抗剪强度、坝体固结度分析、稳定性分析、动力反应分析等方面取得了进展。得出：采用废石土筑子坝是基本可行的，也是经济合理的，尚有继续加高至345m前景的

15、结论。 2000年以来，鲁中矿业按设计要求针对御驾泉尾矿库的316m标高以上坝体稳定性做了一系列优化工作。包括：在313m、316m标高平台预埋了排渗体；从313m开始，逐步调整了子坝线，合并平台为6m高、10m宽，保持整个堆筑坝1：4的总坡比（废石自然堆积坡约1：1.4到1：1.5）。 2009年6月，为了适应矿山发展、持续生产需要，鲁中矿业委托中国京冶工程技术有限公司、清华华同科技开发咨询公司和中国冶金矿业鞍山冶金设计研究院有限责任公司开展了坝体堆至345m标高的稳定性验证和370m标高筑坝方法可行性研究工作。分别对计算剖面按照瑞典圆弧法和毕肖甫法进行了计算，计算结果见表3所示。 表3 坝

16、体抗滑稳定性计算结果一览表运行工况瑞典法毕肖甫法规范标准稳定系数 规范标准 稳定系数337m标高正常工况1.201.3241.301.620洪水工况1.101.2401.201.535特殊工况1.051.1911.151.466370m标高正常工况1.251.3171.351.458洪水工况1.151.2481.251.367特殊工况1.051.1771.151.252 根据勘察报告及前期研究报告，尾矿库经过近30年的运行、沉积和固结，在靠近初期坝内坡附近尾矿的固结度已达95%以上，基本完成固结，而固结度越大，越有利于坝体的稳定。 从计算滑弧通过坝体的位置分析，无论是现状还是370米标高坝体，

17、均为深大滑弧。根据浸润线埋深资料，在子坝标高294m平台其浸润线埋深最低为9.21m，310m以上标高，浸润线埋深均不低于12m。因此，浸润线在294m标高局部虽然偏低，但对深大滑弧的稳定系数影响较小。通过对御驾泉尾矿库坝内浸润线埋深的统计，水位抬升趋势不明显，年平均抬升不足0.05m。 4.2应用 从1990年到2016年9月，按照新筑坝方法堆筑了19期子坝，第19期子坝坝顶标高343米，库内水位337.2米，使用7#溢水塔，约存放了2400万立方的尾矿，选厂每年通过初期坝消力池的潜水泵回水40-70万立方。多年来运行情况和检测数据表明，坝体的浸润线稳定，位移变化很小，自316米标高以后，坝

18、体没有出现裂缝、滑坡、坍塌等安全问题，满足了尾矿坝安全和选矿厂生产需要。尾矿坝现状平断面图见图1、图2。各期子坝完成堆筑时间及库内水面标高情况见表4。图3 尾矿坝现状平面图 图4 坝顶337m标高概化剖面图 图5 尾矿坝外坡 图6 十九期子坝全景图图7 尾矿库上游图 图8 旋流器沉沙护坡表4 各期子坝完成堆筑时间及库内水面标高子坝编号坝顶标高（m）完成堆筑时间护坡完成时间水面标高（m） 坝顶与水面差（m）第一期+2891990年2月1990年6月+286.03.0第二期+2921991年4月1991年7月+289.82.2第三期+2951992年6月1992年8月+290.44.6第四期+29

19、81994年1月1994年3月+292.55.5第五期+3011995年3月1995年6月+295.06.0第六期+3041996年4月1996年7月+296.08.0第七期+3071998年2月1998年7月+298.58.5第八期+3101999年7月2000年3月+301.58.5第九期+3132000年12月2001年6月+304.38.7第十期+3162002年7月2002年10月+306.89.2第十一期+3192004年8月2005年4月+310.59.5第十二期+3222005年9月2006年1月+312.19.9第十三期+3252006年7月2007年1月+313.17.9第

20、十四期+3282007年10月2008年1月+314.613.4第十五期+3312008年11月2009年7月+316.314.7第十六期+3342010年122011年9月+323.810.2第十七期+3372014年3月2014年5月+331.65.4第十八期+3402015年5月2015年9月+3355.0第十九期+3432016年2月 2016年9月+337.25.8 5 改进方向 御驾泉尾矿库已经安全运行了30多年，计算达到370m标高还有10年的寿命，而目前鲁中矿业本部的矿石储量仍能采选30多年，所以还有20多年的尾矿无处存放，考虑到无库址可选和投资大，选建新库几无可能。所以，现库

21、改造扩容、尾矿综合利用减少排放是延长其服务寿命的最有效途径。 5.1尾矿库扩容 对现有库的改造主要有两个方案可以探讨。 （1）对现有库在370m 标高的基础上继续加高至400m标高。 根据尾矿库的地形条件测算，从370m加高到400m是可能的，加高增加库容约2200万m3，对8#溢洪塔做加高处理，其与放矿点最小距离约500m，也可考虑建9#塔，均可满足尾矿水澄清的要求。加高后筑坝长度由1500m增加到约2100m。但需要新建一套排洪回水系统。 尾矿库加高主要考虑两个问题：一是技术上存在的主要问题是细粒级尾矿造成 的尾矿坝稳定问题，这个问题采取一定的技术措施是可以解决的；二是御驾泉尾矿库下游1.

22、0km内有村镇，安全方面需要考虑。该方案如能实施，可延长服务年限10年。 （2）尾矿干堆 对鲁中矿业的尾矿压滤试验表明，40%以上浓度的尾矿经过压滤，可以得到水分15-22%的滤饼和清澈的滤液（可以回选厂利用），滤饼具有较高的剪切强度。所以， 鉴于细粒尾矿压滤脱水问题已经解决 ，可以研究考虑滤饼干堆。方案为：在尾矿库的下游位置向外300-400m的沟谷山间，建约2000米长的母坝与山体相接，将初期坝脚的消力池排水管延长至新母坝坝脚，并建一新消力池。然后按一定的坡比、顺序在下游干堆。干堆期间，不向尾矿库内排矿浆，使库内泥浆自然干燥、固结5年以上，也具备在其上堆存滤饼的条件。这样整个库区干堆至350-370m标高，预估可以满足矿山服务年限。 5.2研究尾矿综合利用 尾矿压滤后，具有综合利用的价值。 （1）尾矿加工制