尾矿干式堆存工艺的研究与实践

尾矿干式堆存工艺的研究与实践摘要近年来，尾矿库溃坝的事故屡屡发生，给人民群众生命财产造成了重大损失，对环境造成了严重破坏。通过分析研究尾矿干式堆存工艺，阐述了尾矿干式堆存工艺特点，安全可靠性及实际应用状况，为尾矿干式堆存的设计及安全管理提供了相关的技术对策措施。尾矿干式堆存符合安全部门，环保部门提倡尾矿干式堆存的发展要求，在安全上、环保上意义重大。关键词干堆尾矿脱水尾矿浓缩高浓度膏体尾矿库是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。尾矿库的类型通常有山谷型尾矿库、傍山型尾矿库、平地型尾矿库及截河型尾矿库。近年来随着我国矿业的快速发展，我国尾矿库的数量迅速增加，我国尾矿库的突出特点是数量多，规模小，安全度低，且多数尾矿库下游失事范围内有居民或其他设施。目前，大多数矿山企业尾矿采用湿式直排的方式处理，尾矿属自然沉淀，脱水效率非常低。尾矿库库区内经常贮存大量澄清水及洪水，导致尾矿上方形成尾矿库悬湖，当浸润线从坝坡出露时易形成溃坝风险。为了解决尾矿库安全、环境方面的问题，20世纪60年代由黄金系统从环境保护角度考虑开始进行尾矿干式堆存工艺的研究，目前大力推广尾矿干式堆存，尾矿干式堆存在安全上和环保上意义重大，目前安全部门、环保部门都在提倡尾矿干式堆存，以提高尾矿库的安全性并减小其对环境的影响。一、尾矿干式堆存工艺研究与实践的紧追性湿式尾矿直排的堆存方式主要有上游式尾矿筑坝法、中线式尾矿筑坝法、下游式尾矿筑坝法。上游式尾矿筑坝法是子坝中心线不断向初期坝上游方向移升，坝体由流动的矿浆水力充填沉积而成；中线式尾矿筑坝法是在初期坝轴线处用旋流分级粗尾砂冲积尾矿的筑坝方式；下游式尾矿筑坝法是在初期坝下游方向用旋流分级粗尾砂冲积尾矿的筑坝方式。鉴于上游式尾矿筑坝法具有筑坝工艺简单，管理方便，运营费用较低等突出优点，所以国内外均普遍采用。上游式尾矿筑坝受排矿方式的影响，往往含细粒夹层较多，渗透性能较差，浸润线位置较高，坝体稳定性较差。且尾矿库运行期间库内蓄水，将可能造成溃坝和地下水渗透污染，进而可能危及下游居民和设施的安全，并可能污染地表水。常规尾矿库尾矿上方形成悬湖(见图1)，浸润线从坝坡出露时，形成溃坝风险；分级后的尾矿容易发生液化，进而影响坝体安全；尾矿库一旦溃坝将形成泥石流，破坏性大。图1常规尾矿库形成的尾矿库悬湖综上分析可知上游式尾矿筑坝是最省钱的尾矿堆存方法，同时如果安全管理不到位，上游式尾矿筑坝也是最危险的一种堆存方法，尾矿库的安全主要掌握在尾矿库运营单位手里，大型企业配备有尾矿库安全管理机构并配备有专业的安全管理人员，尾矿库的安全性相对较高，小型企业尾矿库安全管理机构设置不完善，安全管理人员专业水平参差不齐，给尾矿库的安全埋下隐患。我国尾矿库数量之多、库容之大、坝体之高在世界上是少有的，尤其在地震区采用上游法建设高尾矿坝、尾矿坝排渗降水技术、岩溶地区尾矿库建设等方面都处于领先水平。但另一方面，还必须看到我国尾矿库安全形势不容乐观，尾矿库安全事故甚至恶性事故常有发生，给人民生命财产造成了无法弥补的重大损失。为了更好的解决尾矿库在安全方面及环境保护方面的问题，为尾矿干式堆存的设计及安全管理提供相关的技术对策措施，我们应大力推广尾矿干式堆存工艺。二、尾矿干式堆存的型式尾矿干式堆存指利用大型板框压滤机，将选矿排出的尾矿浆，进入搅拌槽缓冲后用渣浆泵送到压滤车间，经压滤机充分挤压成为干片状的尾渣饼，浓度达到80%以上，含水量仅有20%左右，用皮带传送机或自卸车运往尾矿干堆场里分层堆放的尾矿堆放方式。新型尾矿干式堆存指选厂尾矿自流至深锥浓密机进行浓缩脱水，将矿浆浓度由26%-29%提高至62%-65%，然后用泵将浓缩底流矿浆扬送至陶瓷过滤机过滤脱水，所得尾矿干渣含水量13%以下，尾矿干渣采用皮带输送机或自卸车运送至尾矿堆场，采用装载机摊铺、逐层碾压、夯实后覆土，即可恢复植被或复垦。干式堆存包括两种类型，一种为纯粹的干式堆存：尾矿脱水→脱水后尾矿含水率不超过20%→可用汽车、皮带运输至尾矿库。另一种为膏体排放(高浓度排放)：尾矿浓缩→不完全脱水→尾矿浓度70%以上(类似于送井下充填的尾矿)，膏体尾矿排放是强迫沉降，粗、中、细颗粒一块沉。此处应该注意的是浓度65%以下的尾矿排放至尾矿库后是水力沉积，有一个自然沉降的过程，在重力作用下，粗颗粒先沉，细颗粒后沉，坝前粗，越往里面越细。目前我国采用干式排尾的尾矿库有332座。旺世公司红柱石选厂尾矿采用干式堆存工艺，其尾矿的物理特性如表1。表1尾矿物理特性粒径/mm分布率/%堆比重/(t/m3)堆积角/（°）摩擦角/（°）-10-355.511.5433.4423.6-3-0.335.081.6632.9324.84-0.39.411.7332.5628.08合计（平均）100.01.6033.1824.46该尾矿采用干式堆存，且尾矿粒度较粗，采用20t的自卸车将干尾矿由选厂运至尾矿库，当尾矿堆积到一定的厚度后，用装载机将尾矿推平，分层碾压密实。三、尾矿脱水的主要方式疏干尾矿中的水分的方式主要有压滤、真空过滤、多段浓密及沉淀池等。压滤：尾矿在设计压力作用下，挤出部分尾矿砂中的水分，常用的设备有板框式压滤机、箱式压滤机。压滤用于处理较粗粒径尾矿的效果相对较好，压滤后尾矿中含水量约为20%。真空过滤：利用真空负压将尾矿中的水分吸除，常用设备有陶瓷过滤机、带式真空过滤机。真空吸附对于较细粒径的尾矿效果更好，真空吸附后尾矿砂中含水量约为20%。多段浓密：采用高效浓密机多段浓密，可将尾矿浓度控制在50%-60%的范围内，形成高浓缩尾矿膏体，常用设备有高效浓密机、高压浓密机、深锥浓缩机等。根据尾矿浓缩的程度可分为高浓度尾矿浆，排放后能形成的天然坡度角为2%-3%；低屈服应力膏体，排放后能形成的天然坡度角为3%-5%；高屈服应力膏体，排放后能形成的天然坡度角为4%-7%，利用浓密后尾矿特性，可以获得比传统水力冲填法大得多的库容。尾矿浓密后采用膏体堆存的两个关键因素：尾矿排放后不发生粗细颗粒分级；尾矿膏体必须有足够的时间干燥固结。膏体堆存的安全性：不会形成尾矿库悬湖；尾矿不饱和，不易液化；一旦失稳后不会长距离流动。沉淀池：多采用平流式多个沉淀池串连，根据尾矿自然沉降规律浓缩尾矿，澄清并排出尾矿水，同时辅以絮凝剂作用可以加速尾矿颗粒的沉降。尾矿浓缩浓度随晾晒时间延长而增大，一般需要时间较长，导致沉淀池浓缩尾矿处理量不大。四、干式尾矿排放型式根据干式尾矿入库的顺序可将干式尾矿排放型式分为上游式、中线式、下游式及倒排式。其中上游式、中线式、下游式较倒排式基建费用较高，且需要在库区上部增加库区排水设施，由于库内存在积水，达不到尾矿干式排放堆存的效果，因此，上游式、中线式、下游式尾矿干式排放很少采用，只是在个别的老库改造中采用。目前尾矿干式堆存多采用倒排式的排放方式，留从库尾开始堆筑，逐步向下游推进，形成库尾高，下游低。倒排式的优点：库内不存水，周边及上游的洪水通过截洪沟排至下游；库内无水尾矿不饱和，不量液化；一旦失稳后不会长距离流动，不会形成大的泥石流危害。尾矿库出事故的最大根源就是水，把水排除后，尾矿库的安全度就大大提高了，提倡倒排式干堆。旺世公司红柱石选厂尾矿库采用倒排式的排尾方式，为拦截库区上游洪水，在库区上游接近沟的尽头处修建挡水坝，坝底标高621m，坝顶标高63lm，坝高10m，坝顶宽度3m，坝轴线长24.5m，上游坝坡坡比l:0.1，下游坝坡坡比为1:0.5。在挡水坝上游右侧山体修建明口隧洞，将挡水坝拦截的洪水排至山体另一侧的沟内，排水隧洞采用圆拱直墙型，断面尺寸B×H=2.5m×2.5m。在左右两侧山体上设置截洪沟，与初期坝左右坝肩排水沟相连。截洪沟采用矩形断面，左侧截洪沟断面尺寸为B×H=1.9m×2.0m，截洪沟起点标高652m，终点标高620m，截洪沟长度约1.6km,截洪沟坡比为2%；右侧截洪沟断面尺寸为B×H=1.0m×1.0m，截洪沟起点标高640m，终点标高620m，截洪沟长度约1.3km，截洪沟坡比为1.54%。库区排水设施采用排水井-排水隧洞-出口排水明渠的排水方式，排水井设置在距初期坝上游坡脚15m处。设置框架式钢筋混凝土结构排水井一座，排水井为6柱框架式排水井，排水井井筒内径为3.5m，井座内径为3.0m，排水井底部设置深度2m的井底水窝，以缓冲下泄水流的冲力。排水隧洞洞底平均坡比为3%，采用圆拱直墙型，断面尺寸B×H=2.5m×2.5m。旺世公司红柱石选厂尾矿库上游的洪水采用挡水坝-明口隧洞排水系统排出，尾矿库上游洪水不入库；尾矿库左右两侧山坡上的汇水由左右两侧山体上的截洪沟排至库区下游，尾矿库左右两侧山体上汇集洪水不入库；尾矿库利用有效空间范围内的汇集洪水很有限，且汇集的洪水很快通过初期坝上游排水井-排水隧洞-排水明渠的方式排出库区。尾矿库库区不存水，大大提高了尾矿库的安全度，极大减小了对尾矿库周边环境的污染。五、尾矿干堆工艺的优缺点根据尾矿干式堆存工艺的特点并结合传统尾矿直排工艺的特点比较可知尾矿库干式堆存工艺与传统尾矿直排工艺的优缺点见表2。表2尾矿干式堆存工艺与传统尾矿直排工艺优缺点对照指标尾矿干式堆存工艺传统直排工艺优点1.环保效益显著1.传统工艺成熟无风险2.节约大量生产用水，确保地处干旱地区的选厂正常生产2.生产运营成本低3.有利于回收尾矿废水中所含的金属3.建设周期短，可使企业早投产早见效益4.减少了大量的药剂消耗4.基建投资相对较小5.不会形成尾矿库悬湖，库内无尾矿水蓄积，蒸发水为尾矿内不可回收的孔隙水6.尾矿不饱和，不易液化7.一旦失稳后不会长距离流动，对尾矿库下游影响较小8.尾矿排放后不发生粗细颗粒分级，不形成泥粒夹层9.同等条件下库容较传统直排工艺库容大10.闭库复耕周期短，可分期覆盖，尾矿表面平整工作量小缺点1.设备投资较高1.对环保极为不利，一旦管理不到位，造成尾矿跑冒将直接危害下游居民的生产和生活2.生产运营成本较高2.尾矿水长期存放在尾矿库内，势必造成有害物质渗透到地下，污染地下水资源3.压滤机、过滤机等的处理能力有效，导致大规模矿山企业无法实施尾矿干式堆存3.由于种种原因造成尾矿库溃坝的恶性事故屡屡发生，给人民群众生命和财产造成了重大损失4.在降雨较大地区能够实现的可能性较小4.占地面积大，需要投人大量资金征林、征地5.形成尾矿库悬湖6.浸润线从坝坡出露时形成溃坝风险7.分级后尾矿容易发生液化8.溃坝后形成泥石流，破坏性六、干式堆存尾矿库安全防范的重点干式尾矿堆存运行管理和安全防范的重点应放在尾矿库防洪、排水系统上，其主要任务是将干式尾矿排放与碾压、坝体维护与加固、汛期防洪、抗震、监测与环保等各项工作，确保干式堆存尾矿库的安全运行，防止滑坡和破坏性灾害事故的发生，减小对环境的污染。(1)干式尾矿堆存采用倒排式分层排放、碾压至最终设计标高时必须保证尾砂堆存顶面由库尾坡向库下游(一般坡度0.5%-l%为宜)，杜绝库内积水；终期堆积外坡平整、碾压是保证坝体安全的重要措施，应严格按照审查备案后的设计进行施工。(2)设计尾矿库防洪、排水系统时应将库区周边洪水截流后排至库区下游，尾矿库有效利用空间范围内的洪水应设置专门的防洪、排水构筑物。(3)要经常检查尾矿库防洪、排水构筑物的结构完整性和安全可靠性，保证防洪、排水构筑物排水通畅。(4)在每年汛期前，初期坝前要留有一定调蓄库容和安全超高，保证储存洪水冲刷夹带下的泥砂，杜绝尾砂流出坝外，同时应根据坝前淤积尾砂的情况及时对排水井拱板进行封堵，确保库内防洪、排水系统安全有效。(5)应在库区底部适当范围内设置排渗层，确保及时疏干雨季时尾矿砂中的水分。(6)为防止干式堆存尾矿库使用期间堆积表面尾砂扬尘造成污染环境，可采取洒水喷淋或喷洒化学固结剂等措施，保持表面湿润固结，同时尾矿堆积至最终设计标高时，应及时分阶段覆土植被。(7)应及时对终期尾矿堆积坝下游坡的进行修整后覆土植草，确保堆积坝下游坡不被雨水冲刷，保证堆积坝下游坡的安全稳定，对下游坡的修整应按照审查备案后的设计