尾矿干化填埋场设计

尾矿干化填埋场设计

庄维健  悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司  江苏苏州

 

【摘要】本尾矿干化填埋场是具有脱水干化功能的填埋场，进料时为高含水量尾矿浆，经过足够长时间的自然渗漏和日照蒸发，最终填埋的是干化尾矿。由于完全借助大自然力量脱水干化，故填埋场造价低廉。另外，该填埋场还可改良山区地形地貌，创造出免受洪水、泥石流灾害困扰，适用于人类居住的高台平原。本填埋场适用于平缓地形，不适用陡坡地形。

【关键词】 尾矿  填埋场  仓体渗漏  日照蒸发  

1、前述：

本填埋场为群仓紧密排列，整体呈矩形状。填埋场分两期实施，第一期是分仓进料期，每天进料1个筒仓，依次向所有筒仓进料后，再逐个升高仓体，重复进行第二轮进料，直至将所有筒仓填满，实施期限是整个填埋场的使用年限。第二期是整合成型期，包括有：筒仓顶部干尾矿填充相邻筒仓间空隙；自下而上拆除筒仓仓体并回收；填埋场顶面整形并覆土；沿填埋场外缘建格宾石笼挡墙，最终使填埋场整体成型。第二期需要安排较多人力和机械，尽量缩短工期，大约在10~15天即可完成。

2、实施例：

某选矿厂日排浓度为20%尾矿浆1000吨，填埋场10年共进料尾矿浆365万吨（为表述简单，每吨均按1立方米计），共填埋干尾矿（80%浓度）91.25万吨。主要设计参数及估算表如下：

 

 

 

 

3、填埋场构造

填埋场平面及端部断面见下图：

 

 

 

填埋场共计94个筒仓，各筒仓填满干尾矿高程为11.1米。在整合成型后填埋场顶部为平坡大平台。全场覆土厚0.5米，覆土后平台高程为11.3米。大平台四周为40%边坡（1:2.5）接2米高格宾石笼挡墙。

 

4、仓体结构和尾矿脱水途径

仓体以钢筋网片为骨架，每节高度为1.4米，圈合成圆形成筒仓体。仓体内侧钢筋网片上附着透水土工布，形成透水筒仓体，示意图如下：

 

 

 

进入筒仓尾矿浆的脱水途径有2个：一个是从透水仓体侧渗漏出仓体外，还有一个是日照蒸发。

本例筒仓直径为33.52米，每节仓体高度为1.4米。按每天进料尾矿浆1000立方米，则在仓体内的进料高度为1.13米，全场共94个筒仓，依次轮流装一遍，需要历时94天。

当最后一个筒仓装满，第1个筒仓已经历了93天的仓体渗漏和日照蒸发，估计尾矿浓度可达70%，也就是仓内进料高度由原1.13米下降至约0.32米。

由于未达到设置隔水层的理想间距0.5~0.7米，故可以在升高一节仓体后，再开始第二轮进料。又经过93天后，第1个筒仓内已经全部是70%浓度的尾矿，仓内尾矿高度为0.32X2=0.64米。

这时可以设置隔水层：铺大棚膜和横向软式透水管，而后在隔水层上进料。

如此重复循环操作，每两轮进料后设置一个隔水层，直到全部筒仓装满至达到设计高程。

设置隔水层后，隔水层以下尾矿终止了日照蒸发，但仓体侧向排水还在继续，且随着来自上部的重压，效果也越明显，所以最终尾矿浓度还会提高，估计可达80%。

需要说明的是：在上述示例中所采用的数据，仅仅是为了清晰描述作业流程所做的假定，真实数据还应在工程实践中获得。

隔水层可阻止水分向下渗透，使其转横向向透水仓体渗透，形成分层侧向渗漏，以提高脱水效率。另外，隔水层采用的大棚膜还是很好的加筋材料，可阻断尾矿堆体中可能形成的滑动破裂面，从而使尾矿堆体对仓体产生的侧压力大幅度减小。

   5、仓体结构受力分析

筒仓仓体是由若干钢筋网片拼接围合而成。其中水平向环形钢筋是受拉构件，主要承受来自垃圾堆积后对仓体内壁产生的侧压力。而竖向钢筋则是受压构件，主要承受来自上部仓体产生的重力。
      在尾矿堆体中分层设置大棚膜隔水层就形成了加筋土，其对仓体产生的侧压力会大大减少。其实加筋土并不神秘，比如在农村建造的土坯墙就早有应用，在土中掺和纤维物质（如荨麻、秸秆等）形成加筋土，就不容易坍塌。在公路挡土墙设计，以及软土路基加固中也常常用到加筋土。

尽管在土中加筋后可以减少侧压力，但侧压力还是客观存在的，其作用在仓体内壁究竟有多大，最方便的途径就是直接通过观察环形钢筋的拉伸变形来观察和判断。

    凡学过《材料力学》课程的，一定对钢筋的拉伸实验不陌生，如下图所示：

 

 

 

 

上图是Q235低碳钢筋的拉伸应力应变图。图中A点是钢筋的弹性极限，D点是钢筋的强度极限，E点是钢筋的断裂点。
    当钢筋拉伸达到A点时，其变形率为0.1%；
    当钢筋拉伸达到D点时，其变形率为16%；
    过D点后，无需再增加拉力，钢筋会继续延伸，直到延伸率达到约26%时断裂。
    有了上述知识就可以通过现场观察，确保环形钢筋的伸长变形在安全范围。具体操作如下：
    通常在距地面约1.5米处仓体受侧压力最大，可以选择此处环形钢筋观察其拉伸变形。
    当垃圾进料高度超过1.5米后，处在高度1.5米的环形钢筋开始受到侧压力的作用逐渐绷紧，采用钢卷尺沿环形钢筋标定10米长度并做好标记。
    继续进料并观察标定长度的延伸，当延伸达到0.01米时，可知环形钢筋已经达到弹性极限。不过10米长度才延伸了1厘米，肉眼观察并不明显。
    如果钢筋的延伸率达到1%，即10米钢筋延伸了10厘米，经钢尺丈量就能明显观察到了。
    如果钢筋的延伸率达到16%，即10米钢筋延伸了1.6米，就意味着达到了强度极限，钢筋会继续延伸并断裂，当然这是绝对不允许出现的。
    在实际应用中，建议确定允许变形率在2%以内，即标定10米长度允许延伸0.2米，这种变形既可确保结构安全，还能很容易观察到。
      仓体在叠加上升过程中，还需要在适当位置设置水平沉降缝，以防止仓内尾矿堆料在沉降过程中携带仓体下沉，使下层仓体发生竖向褶皱变形。沉降缝的设置方法是：向上叠加的仓体直径应略小于下部仓体直径，使上部仓体底部可安放在尾矿填料作业面上（如仓体纵剖面示意图所示）。但此时，在下部仓体中新进料的尾矿浆是完全呈液态的，不可能安放上升仓体。解决的方法是：将上升仓体底部横向钢筋与下部仓体顶横向钢筋进行适度绑扎，让上下仓体重叠约5厘米，沿仓体圆周每间隔约1~2米绑扎一道绳索。这样既悬吊固定了上升仓体，又满足了上下仓体间适度重叠。当沉降缝附近尾矿达到预期浓度后，再解开悬吊绳索，使沉降缝发挥作用。

6、场地平整和排水

首先应清除填埋场地内所有杂物，特别是尖锐物，如树根、玻璃渣等。还要根据竖向设计图修整场地，并且碾压密实。

场地内设置0.5%的排水坡度，场地中间最高，向场地外排水，在挡墙底部铺设截水沟。截水沟可采用塑料排水沟，网上可订购。

 

 

 

场地修整完成并碾压密实后，全场满铺厚2毫米HDPE膜。HDPE膜周边均与截水沟沟盖搭接，使场区内排水均流入截水沟。

在截水沟平面位置4个角，以及各边长中点砌筑集水井，集水井上部接入截水沟，集水井下部接入排水管，排水管连通8个集水井，并引水至蓄水池，用作选矿厂回水利用。

沿填埋场外缘设计的格宾石笼挡墙可部分先实施，目的是采用压住HDPE膜边缘，盖住截水沟，以及给填埋场区划出范围。

因场地设置了排水坡度，故安放第一节仓体时应注意垫平，如本例仓体直径约33.5米，则在最低点应垫高0.168米。

7、填埋场整合成型

当全部筒仓干尾矿都达到设计高度，就可以进入第二期整合成型工程，步骤依次如下：

除挡墙后底层仓体（高1.4米）保留外，其余筒仓最底层一节仓体钢筋网片全部拆除并回收。

在筒仓四周均分布有6根竖向软式透水管，见“仓体隔水层平面示意图”，竖向软式透水管顶端包扎后伸入覆土层内，中部与各隔水层横向软式透水管搭接，底端搭接在场底HDPE膜上。

 

 

 

在所有相邻筒仓空隙处，包括挡墙墙后空隙处，铺硬质透水管平面分布（见上图）和填充碎石，碎石厚度0.5米，使填埋场底部形成网状多通道透水层，接受来自填埋场顶部，经竖向软式透水管引导下落的雨水。因碎石透水层底部是设置了0.5%坡度的HDPE膜，故下落的雨水会流向场地周边的截水沟，由集水井收集后再经排水管流入场外蓄水池。

在碎石透水层上满铺透水土工布，将仓顶干尾矿填充进筒仓间空隙，夯压密实。干尾矿填充至倒数第2层仓体底部后，拆除该倒数第2层仓体钢筋网片，而后继续将仓顶干尾矿输送进筒仓间空隙，并夯压密实，干尾矿填充至倒数第3层仓体底部后，再拆除该倒数第3层仓体钢筋网片…….，如此重复操作，直至除挡墙后一节仓体钢筋网片保留外，其余仓体的钢筋网片全部拆除回收。

仓顶向空隙输送的干尾矿时，要注意观察仓顶尾矿作业面高程。按本例，筒仓内尾矿满仓时高程为11.1米，设计填埋场覆土后顶面高程为11.3米，故仓顶可供填充空隙尾矿层厚度仅为：11.1-11.3+0.5（覆土厚）=0.3米。当仓顶干尾矿不够填充空隙时，应从填埋场边坡处筒仓取料，因为在1：2.5边坡处，会有大量尾矿多余。

或许有人会问：既然预知在填埋场边坡处尾矿会有多余，为什么不能将边坡处筒仓的满仓设计高度定低一些，并将其它筒仓设计满仓高度定高一些，这样就可以缩短运距，减少运输花费？

的确如此，这会使整合成型更省力。但这也带来一个问题：在对全部筒仓轮流进料一遍要耗时94天。而当边坡处筒仓先填满后，剩余筒仓就只有68个，也就是说轮换一遍进料只需68天。而本技术的干化脱水核心要点，就是必须保证要有足够长时间给与仓体渗漏和日照蒸发，这样才能获得理想的干化效果。

两权相害取其轻，确保干化质量当然更重要。所以要保证每个筒仓都能获得同样长时间的仓体渗漏和日照蒸发，那就只能将全部筒仓的设计满仓高度一致。

填埋场外缘格宾石笼挡墙可以同步实施。墙背设置一层透水土工布，以阻止墙后尾矿和土颗粒进入格宾石笼。其实该挡墙并不承受侧向压力，仅仅是起到保护填埋场外缘的作用，因为挡墙后一节（高1.4米）仓体钢筋网片并未除。

8、填埋场的内部排水

尽管在填埋场整合成型后仓体已经拆除，但保留在原仓体内设置的众多隔水层仍在起作用。填埋场顶部受到的降雨下渗，但受隔水层阻挡，不能渗透到原筒仓尾矿堆体内，只能在隔水层上横向渗透至原相邻筒仓空隙处，而后渗透进竖向软式透水管，下落至填埋场底部碎石透水层，最后经HDPE膜排水坡度排出填埋场外。

在填埋场顶部平坡范围内，均匀分布着众多竖向软式透水管，已经在尾矿堆体内建立了顺畅的竖向排水通道，因此在填埋场顶面，以及尾矿堆体内都不可能再集聚雨水，自然也不可能出现浸润线，所以整个填埋场是可以确保稳定和安全的。

9、优越性

   首先，安全性好是最大优越性。一是因为填埋场内部具有均匀且密集的竖向排水系统，因此任何外来水都不可能在尾矿堆体中滞留聚集；二是因填埋堆体内均匀分布有众多大棚膜隔水层，所以整个填埋堆体都是加筋土，因此具有极好的稳定性。

   第二是造价低廉，没有基础设施投资，运营费也不高。

   第三是不会造成水污染，由于填埋场底部满铺HDPE膜，且填埋场周围设有截水沟，所以在场区内流淌的尾矿水，既不会污染地下水，也不会污染土壤。

   第四是：若有可能，可为目前仍具有安全隐患的尾矿库建立安全屏障。这种可能就是，选址在现状尾矿库下游建长条形填埋场，使填埋场形成一道可阻拦泥石流下泄的超级大坝，从此就可确保下游人民生命财产安全。

第五是填埋场土地不仅可以恢复利用，还能大幅度提高防洪标准。由于填埋场顶面是一个大平台，如果表面覆土层有足够厚度的话，就可以恢复农耕、建公园、建房子，几乎可以不受限制，并且再也不用担心受洪水、泥石流威胁。

或者可以这样认为：尾矿可以改变地质地貌，造出新土地，为人类提供更优质生存环境。

10、结尾

该筒仓还能储存砂石材料，特别是能够替代造价昂贵的钢筋混凝土筒仓储存原煤，节约场地，消除粉尘污染。

本技术比较简单，不涉及高科技，无神秘感，有成熟的理论和相近似实践，比如加筋土挡墙，因而其可行性和可操作性是显而易见的。