尾矿库安全技术基础知识.

尾矿库基础知识江西都昌金鼎钨钼矿业有限公司2013年12月荀子曰:防为上救次之戒为下尾矿库基础知识前言尾矿：矿山开采出来的矿石，经选矿回收有用矿物后，剩下的呈矿浆状态排出的固体废弃物。尾矿设施：进行尾矿处理的设施或场所，一般是对尾矿的输送系统、堆存系统、排水系统及回水系统的总称。其功能在于将选矿后剩下的矿渣妥善地储存起来，防止流失和污染。是矿山建设的一项重要工程。第一节尾矿库3.1尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿库通常有下列几种类型：1、山谷型尾矿库山谷型尾矿库是在山谷谷口处筑坝形成的尾矿库，如图2-1所示。它的特点是初期坝相对较短，坝体工程量较小；后期尾矿堆坝相对较易管理维护，当堆坝较高时，可获得较大的库容；库区纵深较较大时，排洪设施施工长，澄清距离及干滩长度易于满足设计要求；但汇水面积相对较大。我国现有的大、中型尾矿库大多属于这种类型。图2-12、傍山型尾矿库傍山型尾矿库是在山坡脚下依山筑坝所围成的尾矿库，如图2-2所示。它的特点是初期坝相对较长,初期坝和后期尾矿堆坝工程量较大；由于库区纵深较短，澄清距离及干滩长度受到限制，后期坝堆的高度一般不太高，故库容较小；汇水面积虽小，但调洪能力较小，排洪设施的进水构筑物较大；由于尾矿水的澄清条件和防洪控制条件较差。管理、维护相对比较复杂。国内低山丘陵地区的尾矿库多属于这种类型。图2-2傍山型尾矿库3、平地型尾矿库平地型尾矿库是在平地四面筑坝围成的尾矿库，如图2-3所示。其特点是初期坝和后期尾矿堆坝工程量最大，维护管理比较麻烦；由于周边堆坝，库区面积越来越小，尾矿沉积滩坡度越来越缓，因而澄清距离、干滩长度以及调洪能力都随之减少，堆坝高度受到限制，一般不高；但汇水面积小，排水构筑物相对较小；国内平原或沙漠地区多采用这类尾矿库。例如金川、包钢和山东省一些金矿的尾矿库。图2-3平地型尾矿库4、截河型尾矿库截河型尾矿库是截取一段河床，在其上、下游两端分别筑坝形成的尾矿库，如图2-4所示。有的在宽浅式河床上留出一定的流水宽度，三面筑坝围成尾矿库，也属此类。它的特点是不占农田；库区汇水面积不太大，但库外上游的汇水面积通常很大，库内和库上游都要设置排水系统，配置较复杂，规模庞大。这种类型的尾矿库维护管理比较复杂。国内采用者不多。图2-4截河型尾矿库【释义与知识】尾矿库的库容有全库容、总库容和有效库容之分。图2-5为尾矿库典型断面示意图。图2-5尾矿库库容组成图图中:▼H1─某一坝顶标高，对应的水平面为AA′；▼H2─洪水水位，对应的水平面为BB′；▼H3─蓄水水位，对应的水平面为CC′；▼H4─正常生产的最低水位，亦可称之为死水位，对应的水平面为DD′。该水位由最小澄清距离确定；DE─细颗粒尾矿沉积滩面及矿泥悬浮层面；V1─空余库容：指水平面AA′与BB′之间的库容，它是为确保设计洪水位时坝体安全超高和安全滩长的空间容积，是不允许占用的，故又称安全库容；V2─调洪库容：指水平面BB′和CC′之间的库容，它是在暴雨期间用以调洪的库容。是设计确保最高洪水位不致超过BB′水平面所需的库容，因此，这部分库容在非雨季一般不宜占用，雨季绝对不许占用；V3─蓄水库容：指水平面CC′和DD′之间的库容，供矿山生产水源紧张时使用，一般的尾矿库不具备蓄水条件时，此值为零，CC′和DD′重合；V4─澄清库容：指水平面DD′和滩面DE之间的库容，它是保证正常生产时水量平衡和溢流水水质得以澄清的最低水位所占用的库容，俗称死库容；V5─有效库容：是指滩面ABCDE以下沉积尾矿以及悬浮状矿泥所占用的容积。它是尾矿库实际可容纳尾矿的库容。可根据选矿厂在全部生产期限内产出的尾矿总量W(t)和尾矿平均堆积干密度d(t∕m3)按式3-1计算得到。V5=W/d3-1如果W是选矿厂在全部生产期限内产出的尾矿总量，相应算出的V5就是该尾矿库的总有效库容。尾矿库的全库容V是指某坝顶标高时的各种库容之和，用3-2式表示：V=V1+V2+V3+V4+V53-2尾矿库的总库容是指尾矿堆至最终设计坝顶标高（即设计时考虑到尾矿库能容纳下选矿厂在全部生产期限内排出的尾矿总量时的坝顶标高）时的全库容。尾矿库的库面面积、全库容、有效库容和汇水面积都将随坝体堆积高度的变化而变化。为了清楚地表示出不同堆坝高度时的具体数值，可绘制出尾矿库的性能曲线。第二节尾矿坝3.6尾矿坝挡尾矿和水的尾矿库外围构筑物，常泛指尾矿库初期坝和堆积坝的总体。【释义与知识】为了减少尾矿坝的建设投资，大、中型尾矿坝通常都是用当地土石料建一个较矮的坝暂时贮存尾矿。存满后，再利用粗粒尾矿本身逐级向上加高坝体。前者称初期坝，后者称后期坝（又称尾矿堆坝）。对于地形不能满足尾矿堆坝要求的小库，或尾矿颗粒太细无法利用尾矿堆坝者，只好采用类似水库（无后期坝）的坝型作尾矿坝。习惯称之为一次建坝，或称挡水式尾矿坝。3.7初期坝基建中用作支撑后期尾矿堆存体的坝。【释义与知识】1、初期坝的类型初期坝可分为不透水坝和透水坝。不透水初期坝──用透水性较小的材料筑成的初期坝。因其透水性远小于库内尾矿的透水性，不利于库内沉积尾矿的排水固结。当尾矿堆高后，浸润线往往从初期坝坝顶以上的子坝坝脚或坝坡逸出，造成坝面沼泽化，不利于后期坝坝体的稳定。这种坝型适用于挡水式尾矿坝或尾矿堆坝不高的尾矿坝。透水初期坝──用透水性较好的材料筑成的初期坝。因其透水性大于库内沉积尾矿，有利于后期坝的排水固结，并可降低坝体浸润线，提高坝体的稳定性。它是比较理想的初期坝坝型。2、初期坝的坝型及其特点（1）均质土坝均质土坝是用粘土、粉质粘土或风化土料筑成的坝，如图2-7所示，它像水坝一样，属典型的不透水坝型。在坝的外坡脚往往设有毛石堆成的排水棱体，以降低坝体浸润线。该坝型对坝基工程地质条件要求不高，施工简单，造价较低。在早期或缺少石材地区应用较多。若在均质土坝内坡面和坝底面铺筑可靠的排渗层，如图2-8所示，使尾矿堆积坝内的渗水通过此排渗层排到坝外。这样，便成了适用于尾矿堆坝要求的透水图图2-7均质土坝2-8透水土坝（2）透水堆石坝用毛石堆筑成的坝，如图2-9所示。在坝的上游坡面用砂砾料或土工布铺设反滤层，防止尾砂流失。该坝型能有效地降低后期坝的浸润线。由于它对后期坝的稳定有利，且施工简便，成为廿世纪60年代以后广泛采用的初期坝型。图2-9毛石透水坝（3）砂、石透水堆石坝该坝型对坝基工程地质条件要求也不高。当质量较好的石料数量不足时，也可采用一部分较差的砂石料来筑坝。即将质量较好石料铺筑在坝体底部及上游坡一侧（浸水饱和部位），而将质量较差的砂石料铺筑在坝体的次要部位，如图表2-10所示。图2-10砂、石透水堆石坝（4）废石坝用采矿场剥离的废石筑坝，有两种情况：当废石质量符合强度和块度要求时，可按正常堆石坝要求筑坝；另一种是结合采矿场废石排放筑坝，废石不经挑选，用汽车或轻便轨道直接上坝卸料，下游坝坡为废石的自然安息角，为安全计，坝顶宽度较大，如图2-11所示。在上游坡面应设置砂砾料或土工布做成的反滤层，以防止坝体土颗粒透过堆石而流失。图2-11采矿废石透水堆石坝（5）砌石坝用块石或条石砌成的坝。这种坝型的坝体强度较高，坝坡可做得比较陡，能节省筑坝材料，但造价较高。可用于高度不大的尾矿坝，但对坝基的工程地质条件要求较高，坝基最好是基岩，以免坝体产生不均匀沉降，导致坝体产生裂缝。（6）混凝土坝用混凝土浇筑成的坝。这种坝型的坝体整体性好，强度高，因而坝坡可做得很陡，筑坝工程量比其他坝型都小，但工程造价高，对坝基条件要求高，采用者比较少。3.8堆积坝生产过程中在初期坝坝顶以上用尾矿充填堆筑而成的坝。【释义与知识】选矿厂投产后，在初期坝坝顶敷设放矿主管和放矿支管向库内排放尾矿，排满后再用尾砂筑成小子坝，用以形成新的库容。将放矿主管和放矿支管移升到子坝顶，继续向库内排放尾矿，如此循环，逐渐加高坝体。子坝连同尾矿沉积体统称为后期坝（也称尾矿堆积坝）。称它为坝，实质上是尾矿沉积体临空面的边坡，这种自然沉积的砂性土边坡稳定性能较差；大、中型尾矿堆积坝最终的高度往往比初期坝高得多，是尾矿坝的主体部分。堆积坝一旦失稳，灾害惨重。所以如何确保堆积坝的安全历来是设计和生产部门十分重视的一项工作。堆积坝的筑坝方式有上游式、中线式、下游式和浓缩锥式等类型。3.9上游式（尾矿筑坝法）在初期坝上游方向充填堆积尾矿的筑坝方式。【释义与知识】上游式筑坝的特点是子坝中心线位置不断向初期坝上游方向移升，坝体由流动的矿浆自然沉积而成，如图2-12所示。该坝型受排矿方式的影响，往往含细粒夹层较多，渗透性能较差，浸潤线位置较高，故坝体稳定性较差。但它具有筑坝工艺简单，管理相对简单，运营费用较低等突出优点，所以国内外均普遍采用。图2-12上游式尾矿坝3.10中线式（尾矿筑坝法）在初期坝轴线处用旋流器分级粗尾砂冲积尾矿的筑坝方式。【释义与知识】中线式尾矿筑坝工艺与下游式尾矿筑坝类似，但坝顶中心线位置始终不变。如图2-13所示。其优缺点介于上游式与下游式之间。图2-13中线式尾矿坝3.11下游式（尾矿筑坝法）在初期坝下游方向用旋流器分级粗尾砂冲积尾矿的筑坝方式。【释义与知识】下游式尾矿筑坝是用水力旋流器将尾矿分级，溢流部分（细粒尾矿）排向初期坝上游方向沉积；底流部分（粗粒尾矿）排向初期坝下游方向沉积。其特点是子坝中心线位置不断向初期坝下游方向移升，如图2-14所示。由于坝体尾矿颗粒粗，抗剪强度高，渗透性能较好，浸潤线位置较低，故坝体稳定性较好。但分级设施费用较高，且只实用于颗粒较粗的原尾矿，又要有比较狭窄的坝址地点。国外使用较多，国内使用尚少见。图2-14下游式尾矿坝此外，有些尾矿库在使用过程中，其周围需在多处陆续建坝。通常将坝基标高最低处也是最先建的坝称作主坝，后建的称作1号副坝、2号副坝等等。副坝的类型及筑坝要求与主坝相同。较矮的副坝可采用挡水式坝型，无需堆积坝；较高的副坝可采用既有初期坝，又有堆积坝的坝型。必须提醒：有堆积坝者应适当提前在坝前放矿，为堆积坝创造堆坝的条件。3.12沉积滩水力冲积尾矿形成的沉积体表层，常指露出水面部分。3.13滩顶沉积滩面与堆积坝外坡的交线，为沉积滩的最高点。【释义与知识】通常说坝顶很容易理解为子坝顶，而子坝由松散尾砂堆成，一般是不能拦挡洪水的，在评价安全超高和安全滩长时自然也不能以子坝顶作依据。为此，现行的《选矿厂尾矿设施设计规范（ZBJ1-90）》首次引进了“滩顶”的概念，用滩顶代替坝顶较为确切。也就是说，坝顶一般是指滩顶，而不是指子坝顶。从图2－15中可以看出：滩顶和子坝顶二者在一般情况下是有区别的。在防洪安全检查时，或事故分析时是不能通用的。只有在滩顶达到子坝顶时，二者才是一致的。图2-15滩顶、子坝顶示意图3.14滩长由滩顶至水边线的水平距离。3.15最小干滩长度设计洪水位时的干滩长度，具体数值参见尾矿库施工图设计说明书，一般要比规范值大。3.17最小安全超高规定的安全超高最小允许值，具体数值参见尾矿库施工图设计说明书，一般要比规范值大。【释义与知识】必须提醒一点：《选矿厂尾矿设施设计规范（ZBJ-90）》规定的安全超高最小允许值（见本教材5.3.9条的表3）只限用于设计人员使用。而设计文件规定的最小安全超高值则有可能大于规范规定值，后者才是生产单位必须遵循的防洪控制依据。3.18坝高对初期坝和中线式、下游式筑坝为坝顶与坝轴线处坝底的高差，对上游式筑坝则为堆积坝坝顶与初期坝坝轴线处坝底的高差。3.19总坝高（即最终坝体高度）与总库容相对应的最终堆积标高时的坝高3.20堆坝高度或堆积高度尾矿堆积坝坝顶与初期坝坝顶的高差。3.21尾矿堆积坝坡比尾矿堆积坝各级子坝外坡脚与坝肩之连线的斜率。等别全库容V（万m3）坝高H（m）一二等库具备提高等别条件者二三四五V≥100001000≤V＜10000100≤V＜1000V＜100H≥10060≤H＜10030≤H＜60H＜30尾矿库等别表1【释义与知识】尾矿库的等别从高到低分为五等。设计规范对等别不同的尾矿库采用的防洪标准和坝体安全系