技术领域
[0001] 本
发明涉及一种提高已堆存尾矿库存储量的工艺方法，属于采矿技术领域中的矿山尾矿坝堆筑技术。
背景技术
[0002] 尾矿坝是蓄积
水力选矿后排放的泥浆矿渣的坝式
建筑物，坝体内主要堆存矿山选矿后排出的尾矿泥浆或其他工业废渣，对矿山环境的保护和治理起到很大的作用。选矿所排放的尾矿通常是
含水量较大的稀泥浆，多采用
泵抽装置通过管道输送至尾矿库存放。随着尾矿库中流态泥浆堆存量的加大，其对尾矿坝施加的水平力随着坝高的增加成指数增长，因此尾矿坝设计高度就会受到限制，即尾矿库的容量受到限制。当坝内存放的尾矿稀泥浆达到设计标高后就必须停止向坝内继续注入尾矿泥浆，否则将会导致溢坝或溃坝，造成灾难性的后果。
[0003] 我国是矿产大国，目前年排放尾矿量已超10亿吨，且仍在逐年增加。为保证
矿石的继续开采，在尾矿库满库容后，就必须重新选址新建尾矿库。然而由于土地资源稀缺，环境问题突出，选址建造新尾矿库投资成本加大、尾矿输送距离增加，矿企将承受巨额建设、运输
费用，造成对其发展的严重不利影响。
发明内容
[0004] 本发明为了解决
现有技术中存在的问题，提出一种提高已堆存尾矿库容量的工艺方法，为节约土地资源和生产成本提供了有效安全的技术途径。现有的尾矿库设计理念基本是把尾矿泥浆视作与水性能相同的东西，即
流体；因此它的存储也与水的存储一样，需要构筑坝体形成尾矿库。此外，基于上述理念，现有的尾矿泥浆的注入是随意的。流态的尾矿泥浆对坝体产生与尾矿泥浆的堆存深度成指数关系的水平推力，这是影响尾矿坝稳定安全的关键因素。
[0005] 本发明所提出的一种提高已堆存尾矿库存储量的工艺方法，主要基于以下的新理念：将尾矿泥浆区别于水，设法将尾矿泥浆中的水排除，使尾矿泥浆转变成低含水量的可自立的密实土体，则可大大消除作用于尾矿坝上的水平作用力，并提高其自身的承载力，从而消除影响坝体稳定安全的不利因素。同时，由于尾矿泥浆中水的排除，可腾出很大的空间，进而提高尾矿泥浆的存储量。之后对后续新出尾矿泥浆的注入进行管理，改变现有随意注入模式，采用有序注入，通过有组织管理分片区分层振动排水、翻晒碾压或
固化等方法使之形成可自立的固态尾矿土，从而将库内贮存流动态泥浆的方式转变成堆土山的贮存方式，大大提高尾矿库的尾矿存储量。
[0006] 本发明提出一种能提高已堆存尾矿库存储量的工艺方法。其基本方法是：采用适当排水增密施工工艺将已堆存的高含水量尾矿泥浆中的水排除并使其密实，将尾矿泥浆转变成低含水量的固态自立尾矿土，从而腾出部分库容；之后对后续注入的尾矿泥浆实施分片区、分层的有组织注入，通过对尾矿泥浆的分片区、分层排水、压密或固化，使之也成为固态自立的尾矿土。逐层堆筑至设计高度后，最终形成高密实度固态自立尾矿堆存体，实现已堆存尾矿库扩容。
[0007] 本发明所述一种能提高已堆存尾矿库存储量的工艺方法的基本技术方案是依据尾矿库内堆存的尾矿泥浆的颗粒级配，分两种情况采用以下方法：
[0008] 当尾矿泥浆为
砂土且粘粒
质量百分比含量不大于30%时，对已堆存于尾矿库的尾矿泥浆采用振冲挤密排水工艺。利用振冲器产生高频振动，使处于不稳定松散堆积状态的砂粒、粉粒在高频振动作用下下沉，重新排列形成密实堆积，导致砂、水分离，水排出后，宏观表现为尾矿泥浆振挤密实，腾出较大体积库容。对后续注入的新尾矿泥浆，则采用分片区分层有组织注入，通过振动、挤密排水工艺使后续注入的新尾矿泥浆形成密实的固态自立堆存土。
[0009] 当尾矿泥浆为粉土或粘性土或砂土但粘粒质量百分比含量大于30%时，对已堆存于尾矿库的尾矿泥浆采用排水、击密法施工工艺，包括
真空预压、击密工艺和击密排水工艺。真空预压、击密工艺具体是：在尾矿泥浆中设置竖向排水通道，并在尾矿泥浆
面层设置横向排水通道，然后
覆盖不透气的密封膜，通过带有滤水孔的分布管使用真空装置进行抽气，使密封膜内外形成气压差，从而使密封膜下尾矿泥浆产生排水固结，进而采用击密方法进一步促进土体排水固结，如此将真空预压和击密两道工序多遍循环，最终达到尾矿泥浆排水固结、体积大大压缩、腾出大体积库容的效果。击密排水工艺是在尾矿泥浆中设置竖向排水通道，并在尾矿泥浆面层铺设一定厚度的砂石垫层，所设置竖向排水通道与砂石垫层形成连续的排水通道，采用多遍击密方法使尾矿泥浆排水固结、体积大大压缩、并腾出大体积库容。对于后续注入的新尾矿泥浆，则采用分片区分层有组织注入，通过翻晒、碾压或固化工艺使流态的尾矿泥浆转变为固态自立的尾矿土，逐层填筑后达到固态堆存要求。
[0010] 本发明的优点在于：该方法能够促进尾矿库内的已堆存尾矿泥浆的迅速排水增密，可腾出大容积库容供后续尾矿泥浆的堆存，同时本方法可实现尾矿泥浆的固态自立堆存，
稳定性增强，同时大大降低尾矿泥浆对尾矿坝的侧向力作用，提高了尾矿坝的安全性。
附图说明
[0011] 图1：本发明已堆存尾矿库扩容过程中尾矿库剖面示意图；
[0012] 图2：本发明已堆存尾矿库扩容过程中尾矿库平面示意图。
[0013] 图中：
[0014] c—固态自立尾矿
基层；e—片区；f—隔体；g—新出尾矿泥浆；
具体实施方式
[0015] 下面结合附图和
实施例对本发明进行详细说明。
[0016] 本发明所述的一种提高已堆存尾矿库存储量的工艺方法的具体步骤，由尾矿泥浆的颗粒级配所决定，下面结合图1和图2进行说明。
[0017] 当堆存的尾矿泥浆为砂土且粘粒质量百分比含量不大于30%时，具体步骤如下：
[0018] 第一步，采用振冲挤密排水施工工艺对已堆存尾矿泥浆进行排水增密施工，利用振冲器产生的高频振动使处于不稳定松散堆积状态的砂粒、粉粒下沉重新排列，砂土中的水上升排出，实现砂、水分离，砂土颗粒形成密实堆积，达到排水增密的效果。根据砂土的不同特性选择单点振冲或多点振冲以及振冲器的规格、功率等。通过上述排水增密施工后，将已堆存尾矿泥浆排水挤密后形成高密实度的固态自立尾矿基层c，腾出大容积库容。
[0019] 第二步，如图1和图2，在固态自立尾矿基层c的表面上进行分片区分层有组织管理新出尾矿泥浆g，固态自立尾矿基层c的表面划分为若干个片区e，片区e的平面大小与堆存高度由尾矿泥浆的日
排量决定，平面形状可以是任意形状，每一片区e的容积以能存储1~3天排放的尾矿泥浆为宜；各片区e由隔体f相互分隔开，隔体f高度由每层尾矿泥浆的堆存高度决定，略大于每层尾矿泥浆的堆存高度，隔体f可以是分隔板、模板、分隔土堆等公知技术，隔体f的强度需满足承受新出尾矿泥浆g注入过程中的侧向力作用的要求。
[0020] 第三步，将新出尾矿泥浆g注满每一个片区e，注满后静置1~3天，具体静置时间视泥浆颗粒的沉积速度而定，待自然沉积排水完成后，采用振动挤密排水施工工艺使自然沉积后的尾矿泥浆进一步排水挤密，利用振动棒或平板振动器多次反复振动泥浆，使泥浆排水并振挤密实，在每个片区e内分别形成高密实度的固态自立尾矿土。
[0021] 第四步，当每层的尾矿泥浆排水挤密完成后，以分隔板、模板作为隔体f的材料就可以拆除。可以使用碾压机对固态自立尾矿土进行最后的振动碾压，进一步振密每层的固态自立尾矿土，以方便下一层尾矿泥浆的分片区堆存。如此逐层固态堆存尾矿土至尾矿库设计标高后，即可形成高密实度的固态自立尾矿堆存体，实现已堆存尾矿库的扩容。
[0022] 所述的振冲挤密施工工艺包括单点振冲挤密施工工艺和多点振冲挤密施工工艺，所述的单点振冲挤密施工工艺就是采用一台振冲器对泥浆进行振冲挤密施工；多点振冲挤密施工工艺就是采用两台以上同类型、同规格的振冲器相互联合组成组合振冲器进行振冲挤密施工，多点振冲挤密在振冲过程中可引起土体共振，增强挤密效果。单点与多点振冲挤密施工工艺的选择由砂土的颗粒级配和粘粒含量决定。当砂土为粗砂、中砂和细砂且粘粒质量百分比含量小于10%时，可采用单点振冲挤密工艺振冲施工以实现尾矿泥浆的排水挤密；当砂土为粉砂、粉细砂或粘粒质量百分比含量大于10%小于30%的砂土时，需采用多点振冲挤密工艺或单、多点振冲挤密工艺相结合的工艺振冲施工，实现尾矿泥浆的排水挤密。
[0023] 当已堆存的尾矿泥浆为粉土或粘性土或砂土但粘粒质量百分比含量大于30%时，尾矿库扩容的具体步骤如下：
[0024] 第一步，在尾矿泥浆中设置竖向排水通道，同时在泥浆面层铺设水平排水通道，水平排水通道连通各竖向排水通道形成排水系统，而后采用真空预
压实现排水固结，具体为：在泥浆面上覆盖不透气的密封膜，通过带滤水孔的分布管使用真空装置对密封膜和尾矿泥浆面层形成的空间进行抽气，使密封膜内外形成气压差将尾矿泥浆中的水沿着水平和竖向排水通道排出，最终使尾矿泥浆排水后固结。
[0025] 同时在真空预压的过程中，在尾矿泥浆面层上
选定合适
位置，采用击密法进一步促进泥浆的固结排水，如此将真空预压和击密两道工序多遍循环，相互作用，最终达到良好的排水固结效果。所述的竖向排水通道采用砂井或竖向
排水管等公知方式形成；所述的水平排水通道采用水平排水管等公知方式形成。
[0026] 如果所述的水平排水通道通过在尾矿泥浆面层铺设一层一定厚度的砂石垫层形成，砂石垫层与竖向排水通道相连通，则直接采用夯击法夯击砂石垫层使尾矿泥浆排水固结、体积压缩、并腾出大体积库容。通过上述排水固结后，已堆存尾矿泥浆排水固结后成为高密实度的固态自立尾矿基层c，如图1所示，腾出大容积库容。
[0027] 第二步，在固态自立尾矿基层c的表面上进行分片区分层有组织管理新出尾矿泥浆g：首先将固态自立尾矿基层c的表面划分为若干个片区e，片区e的平面大小与堆存高度由尾矿泥浆日排量、尾矿泥浆排水干燥快慢程度共同决定，平面形状可是任意形状；各片区e由隔体f相互分隔开，隔体f高度由每层尾矿泥浆的堆存高度决定，略大于每层尾矿泥浆的堆存高度，隔体f可以是分隔板、模板、分隔土堆等，隔体f的强度需满足承受入注新出的尾矿泥浆g的侧向力作用的要求。
[0028] 第三步，将新出尾矿泥浆g依次注满每个片区e，注满后静置1~3天，具体静置时间视泥浆颗粒的沉积速度而定，待自然沉积排水完成后，采用翻晒、碾压工艺或固化工艺使流态的尾矿泥浆转变为固态自立的尾矿土，填筑后达到固态堆存要求。
[0029] 翻晒、碾压工艺是对泥浆采用反复翻整晾晒之后使之干燥达到最佳含水率后再进行碾压密实的公知工艺，固化工艺则是采用公知技术在自然沉积后的泥浆中掺入适量固化剂搅拌均匀后直接固化泥浆的工艺。对于每层的尾矿泥浆排水固结或固化完成后的片区e，拆除隔体f，进行碾压，同时下一层的尾矿泥浆的片区e堆存继续进行。如此逐层固态堆存尾矿泥至尾矿设计标高后，即可形成高密实度的固态自立尾矿堆存体。
[0030] 所述的击密法包括强夯、冲击碾压和振动碾压三种公知技术，击密法的选择依据尾矿坝的承载能力、尾矿泥浆的堆存深度及渗透性能共同决定，若采用强夯工艺，强夯的位置、夯击数和夯击能由尾矿坝体的承载能力所决定。
[0031] 所述固化工艺中固化剂的掺入量由新出尾矿泥浆g需达到的性质指标所决定，一般掺量范围为尾矿泥浆质量的5~30%。
[0032] 本发明提出的一种能提高已堆存尾矿库存储量的工艺方法，该方法能够促进尾矿库内的已堆存尾矿泥浆的迅速排水增密，可腾出大容积库容供后续尾矿泥浆的堆存，同时本方法可实现尾矿泥浆的固态自立堆存，稳定性增强，同时大大降低尾矿泥浆对尾矿坝的侧向力作用，提高了尾矿坝的安全性。
[0033] 实施例一
[0034] 某满库容
铝土矿尾矿库，库顶面面积120公顷，尾矿坝坝高25m，现有尾矿泥浆日3
排放量为2万m，采用本发明提供的方法增加尾矿库存储量。具体方法如下：
[0035] 本满库容尾矿库已堆存泥浆由于堆存时间较短，表面自由水虽已基本排干，但泥浆的平均孔隙比仍高达到1.2，孔隙比较大，
密度较小，承载力较小，尾矿泥浆为中粗砂且粘粒质量百分比含量为5%。对该尾矿库按下述工艺步骤进行扩容：
[0036] ①尾矿库内已堆存尾矿泥浆为中粗砂且粘粒质量百分比含量低于10%，采用单点振冲挤密施工工艺对已堆存尾矿泥浆进行排水增密施工，振冲器型号为BL-75、
电机功率为75kW，利用振冲器产生的高频振动使处于不稳定松散堆积状态的砂粒、粉粒下沉重新排列，砂土中的水上升排出，实现砂、水分离，砂土颗粒形成密实堆积，达到排水增密的效果。通过上述排水增密施工后，已堆存尾矿泥浆排水挤密后孔隙比降到0.5，形成较高密实度的固态自立尾矿基层c，腾出近32%的存储量。
[0037] ②在固态自立尾矿基层c的表面上进行分片区、分层、有组织管理新出尾矿泥浆g，固态自立尾矿基层c的表面划分为20个片区e，每个片区e的平面大小为6公顷，堆存高度为1m，平面形状为矩形，每一片区的容积为存储3天排放的尾矿泥浆；各片区e由薄型
钢模板作为隔体f相互分隔开，模板高度设置为1.1m。
[0038] ③将新出尾矿泥浆g注满片区e后先静置1天，待自然沉积排水完成后，采用振动挤密排水工艺将自然沉积后的尾矿泥浆排水挤密，利用型号ZX-70、
频率200Hz的插入式振捣棒多次反复振入泥浆，使泥浆在振动力作用下砂石下沉堆积，水份分离排出，实现泥浆排水挤密，最终形成高密实度的固态自立尾矿土。
[0039] ④当每层的尾矿泥浆排水挤密完成后，模板就地拔起拆除，之后使用碾压机对固态自立尾矿土进行最后的振动碾压，进一步振密每层的固态自立尾矿土，以方便下一层尾矿泥浆的分片区堆存。如此逐层固态堆存尾矿土至尾矿设计标高后，即可形成高密实度的固态自立尾矿堆存体，实现尾矿库扩容。
[0040] 实施例二
[0041] 某正在堆存的铝土矿尾矿库，库顶面面积250公顷，尾矿坝坝高30m，现有尾矿泥3
浆日排放量为1.5万m，采用本发明提供的方法增加尾矿库存储量。具体方法如下：
[0042] 本已堆存容尾矿库属于正在堆存尾矿库，尾矿泥浆由于还在排放，所以整体尾矿泥浆的含水量很高，泥浆的平均孔隙比为1.8，尾矿泥浆不能直接承受施工机械及人员操作，且尾矿泥浆属于粘性土。对该尾矿库按下述工艺步骤进行：
[0043] ①在尾矿泥浆中设置竖向排水管，之后在泥浆面层铺设40cm的砂垫层，形成横向排水通道，其上覆盖不透气的密封膜，通过埋设于砂垫层中带有滤水孔的分布管使用真空装置进行抽气，使密封膜内外形成气压差将泥浆中的水沿着排水通道排出，最终实现尾矿泥浆的排水固结。当利用真空预压排水后尾矿泥浆孔隙比降低到1之后，泥浆已基本可承受施工机械荷载时，采用强夯进一步促进泥浆固结排水。在真空预压继续进行的同时，在尾矿中心位置铺设砂垫层，在其上进行强夯以进一步促进泥浆的固结排水，如此将真空预压和强夯两道工序多遍循环，相互作用，最终达到良好的排水固结效果。通过上述排水固结后，尾矿泥浆孔隙比降到0.5，已堆存尾矿泥浆排水固结后成为高密实度的固态自立尾矿基层c，腾出56%的存储量。
[0044] ②在固态自立尾矿基层c的表面上进行分片区分层有组织管理新出尾矿泥浆g，固态自立尾矿基层c的表面划分为25个片区e，每个片区e的平面大小为10公顷，堆存高度为0.3m，平面形状为矩形，每一片区的容积为存储2天排放的尾矿泥浆；各片区e以塑料分隔板作为隔体f相互分隔开，塑料分隔板高度设置为0.4m，强度需满足尾矿泥浆侧向力的作用。
[0045] ③将新出尾矿泥浆g注满片区e，注满后静置2天，待自然沉积排水完成后，利用翻晒工艺先对泥浆进行反复翻整晾晒，当晾晒干燥达到最佳含水率后再采用振动碾压机进行碾压密实，泥浆最终形成固态自立的尾矿土。当每层的尾矿泥浆排水固结完成后，将塑料分隔板拆除，同时下一层的尾矿泥浆的分片区堆存继续进行。如此逐层固态堆存尾矿泥至尾矿设计标高后，即可形成高密实度的固态自立尾矿堆存体。
[0046] 实施例三
[0047] 某满库容
铁矿尾矿库，库顶面面积80公顷，尾矿坝坝高20m，现有尾矿泥浆日排放3
量为1.2万m，采用本发明提供的方法增加库容。具体方法如下：
[0048] 本满库容尾矿库已堆存泥浆经较长时间自由沉积后，表面自由水已排干，且泥浆的平均孔隙比为0.8，尾矿泥浆孔隙比较小、密度较大、承载力较大，且尾矿泥浆属于细砂且粘粒接近20%。对该尾矿库递次按下述工艺步骤进行：
[0049] ①本尾矿泥浆为细砂且粘粒接近20%，采用三点振冲挤密工艺对已堆存尾矿泥浆进行排水增密施工，利用三个型号为ZCQ-30、电机功率为30kW的振冲器产生高频振动并引起泥浆共振使松散的土体重新排列，实现砂、水分离，砂土颗粒密实堆积，达到排水增密的效果。通过上述排水增密施工后，已堆存尾矿泥浆排水挤密后孔隙比降到0.4，形成较高密实度的固态自立尾矿基层c，同时腾出25%的存储量。
[0050] ②在固态自立尾矿基层c的表面上进行分片区分层有组织管理新出尾矿泥浆g，固态自立尾矿基层c的表面划分为11个片区e，每个片区e的平面大小为7.3公顷，堆存高度为0.5m，平面形状为不规则形状，每一片区的容积为存储3天排放的尾矿泥浆；各片区e由基层c尾矿泥垒成土堆作为隔体f相互分隔开，土堆高度设置为0.6m。
[0051] ③将新出尾矿泥浆g注满片区e后先静置2天，待自然沉积排水完成后，采用振动挤密排水工艺将自然沉积后的尾矿泥浆排水挤密，利用频率100Hz的表面振捣器多次反复振动泥浆，使泥浆在振动波作用下砂、水分离，砂土重新排列并密实堆积，最终形成高密实度的固态自立尾矿泥。
[0052] ④当每层的尾矿泥浆排水挤密完成后，便进行下一层的尾矿泥浆分片区管理堆存。如此逐层固态堆存尾矿泥至尾矿设计标高后，即可形成高密实度的固态自立尾矿堆存体。
[0053] 实施例四
[0054] 某满库容赤泥库，库顶面面积200公顷，尾矿坝坝高20m，现有尾矿泥浆日排放量3
为1万m，采用本发明提供的方法增加尾矿库存储量。具体方法如下：
[0055] 本满库容尾矿库满库容泥浆经长时间自由沉积后，泥浆孔隙比为为0.9，尾矿赤泥泥浆属于粉质粘土。对该尾矿库递次按下述工艺步骤进行：
[0056] ①在尾矿泥浆中设置直径为0.5的竖向砂井作为竖向排水通道，泥浆面层铺设50cm的砂石垫层作为横向排水通道联通竖向排水通道，先采用夯锤直径1.5m，夯击能1500KN·m的夯机对库内尾矿泥浆进行第一遍锤击，夯击点间距控制在3m，每点夯机6击；
第一遍锤击完成后，采用夯锤直径1.5m，夯击能2500KN·m夯机对尾矿库中心500×500区域进行第二遍锤击，夯击点间距控制在2m，每点夯机5击；完成上述两次夯击后，使用型号YZ20H-1，振频30Hz振动压路机振动碾压夯击后的尾矿土，通过上述三步的击密排水工艺，使尾矿泥浆排水固结、体积压缩、腾出大体积库容。通过上述排水固结后尾矿泥浆空隙比降到0.4，已堆存尾矿泥浆排水固结后成为高密实度的固态自立尾矿基层c，腾出26%的存储量。
[0057] ②在固态自立尾矿基层c的表面上进行分片区分层有组织管理新出尾矿泥浆g，固态自立尾矿基层c的表面划分为50个片区e，每个片区e的平面大小为4公顷，堆存高度为0.5m，平面形状为矩形，每一片区的容积为存储2天排放的尾矿泥浆；各片区e以土堆作为隔体f相互分隔开，土堆高度设置为0.5m，强度需满足尾矿泥浆侧向力的作用。
[0058] ③将新出尾矿泥浆g注满片区，注满后静置1天，待自然沉积排水完成后，采用固化工艺将自然沉积后的尾矿泥浆固化。利用石灰和
粉煤灰作为固化剂，固化剂总掺量为加入的尾矿泥浆质量的10%，使用路拌机将固化剂与尾矿泥浆拌合均匀，直至泥浆最终形成固态自立的固化尾矿泥。当每层的尾矿泥浆固化完成后，即可进行下一层尾矿泥浆的分片区固化堆存。如此逐层固态堆存尾矿泥至尾矿设计标高后，即可形成高密实度的固态自立尾矿堆存体。
