1、大连理工大学硕士学位论文 - I - 硕 士 学 位 论 文 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 Study on the measures to accelerate consolidation about the dam construction of high-density tailings 作 者 姓 名： 学科、 专业： 岩土与环境力学 学 号： 指 导 教 师： 教授 完 成 日 期： 年 月 日 大连理工大学 Dalian University of Technology 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 II 摘 要 使用尾矿筑坝是矿山生产中资源再利用的一种有效方式。尾矿固
2、结沉积效果直接关系到尾矿库的建设，包括 了 对干滩形成条件、子坝修筑以及坝体稳定性的影响。因此，研究如何加速尾矿固结 沉积速度，提高干滩强度，对尾矿库工程意义重大。本文以南京梅山高浓度尾矿筑坝工程为例，采用现场试验、室内土工试验、数值计算和工程实际结合的方法，对高浓度尾矿压滤筑坝以及加速尾矿沉积固结措施作了初步研究。本文 所做的主要工作和取得的 研究 成果如下 所 列 ： （ 1）通过试验对高浓度尾矿筑坝 的 可行性进行了研究，得出此尾矿压滤之后可以用于干堆筑坝的结论。在高浓度放矿条件下，对干滩 50m处尾矿的固结进行了相关计算，结果显示此放矿模式下尾矿沉积固结不完全，修筑三级子坝静力稳定性不
3、满足工程要求。 （ 2）在高浓度放矿尾矿固结不完全的 情况下，考虑到土袋特有的工程特性，通过抛土袋挤淤的方法加固干滩，并经过计算得出了挤淤断面的形状和挤入的深度。在此基础之上，对坝体的静力稳定性进行了校核，结果表明满足稳定性要求，验证了挤淤加固干滩的可行性。 （ 3）现场做了尾矿高浓度排放流槽试验和库区尾矿稀释排放试验。试验过程中保证尾矿流量一致，一段时间后，对流槽和库区相同位置的尾矿进行了采样分析。通过对颗粒组成进行分析，发现尾矿稀释之后低浓度排放的颗粒分选效果比高浓度直接排放好， 50m干滩内粗颗粒（ 粒径大于 0.075mm）的含量更高。运用 Geo-studio 软件对高浓度放矿和低浓
4、度排放 50m处尾矿的固结和坝体的稳定性进行了对比计算，结果表明：低浓度排放库区的浸润线埋深更深，尾矿固结基本完成，坝体相对安全。为尾矿库高浓度输送低浓度排放工艺的研究提供了有力的依据。 （ 4）高浓度尾矿稀释排放之后，库区 尾矿砂分布区域增大，饱和松砂在受到地震或其他振动时易发生液化。 通过振动进行预液化处理，液化之后土颗粒重组，变得密实，为后期进一步加固和筑坝做准备。利用土工动三轴试验，选取不同的振动幅值、振动频率、固结比，对尾矿砂的液化特性进行了研究。结果表明：振动幅值越大，土体液化所需 的时间越短；随着振动频率的升高，孔压的上升速率增大，土体抗液化强度降低，越容易发生液化；增大固结比，
5、土体抗液化强度提高。这为现场预液化和夯实试验研究提供了借鉴。 关键词： 尾矿 ； 固结；稳定性；稀释；动三轴 大连理工大学硕士学位论文 - III - Study on the measures to accelerate consolidation about the dam construction of high-density tailings Abstract It is an effective way of resources reuseing to use tailings for damming in mine production. The effect of consol
6、idation of tailings is directly related to the construction of the tailing reservoir, including the effects of formation conditions of dry beach, dam construction and the stability of the dam. Therefore, it is great significant in studying how to accelerate the consolidation and deposition rate of t
7、he tailings and increase the intensity of dry beach in tailings engineering. In this paper, taking the project about damming with high-density tailings in Meishan of Nanjing as an example, making a preliminary study on filtering and damming with the high-density tailings and the methods to accelerat
8、e the consolidation and deposition of the tailings, by using the method of field test, laboratory geotechnical engineering tests and numerical calculation combined with practical engineering. The main work and achievements of this paper are as follows: (1) Making the conclusion that the high-density
9、 tailings can be used to dam after filtering by studying the feasibility of damming through the filter test of high-density. Doing the calculation about the consolidation of tailings at 50m of dry beach under the condition of high-density discharge, it shows that the consolidation of the tailings is
10、 not complete with this discharge mode, the static stability of three-level sub dam does not meet the engineering requirements. (2) Under the situation that tailings not completely consolidation with the way of high-density discharge, throwing soilbags fo r compaction to strengthen of dry beach cons
11、idering the unique engineering characteristics of soilbag, getting the section shape and depth of the compaction after calculation. On the basis, the static stability of the dam is verified, the results show that the dam is safe and verify the feasibility of compaction to reinforcement of dry beach.
12、 (3) Doing the tests of sluice with high-density discharge and low-density discharge after dilution in the reservoir in the field. Ensuring the flow of the tailings is consistent during the test process, after a period of time, sampling and analysising the tailings at the same position of sluice and
13、 reservoir. Through the analysis of the particle composition, it indicates that the effece of particle separation with low-density diacharge of the tailings after dilution is better 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 IV than the high-density discharge directly, the higher content of coarse particles(diameter greater
14、 than 0.0075mm) in the area less than fifty meters of the dry beach. Calculating the consolidation of the tailings at 50m and the stability of the dam with high-density and low-density discharge, the results show that the seepage line of the reservoir buried deeper, the consolidation is basically co
15、mpleted of the tailings and the dam is relatively safe. Providing a strong basis about the study on the method of high-density transportation and low-density discharge of the tailings reservoir. (4) Low-density discharge of the tailings after dilution, the regional distribution of the tailings sand
16、is increases, the saturated loose sand is prone to liquefy under the earthquake or other virbration. Trying to make it liquefy in advanced, then the soil particles rearrange and become compacted after liquefaction, it is good for further strengthening and damming. Selecting different vibration ampli
17、tude, virbration frequency and consolidation ratio to do the dynamic triaxial tests to study the liquefaction characteristics of the tailings sand. The tests results show that: the vibration amplitude is bigger, the time of liquefaction is shorter, the dynamic strength of tailings sand increases wit
18、h the decreases of frequency, the growth rate of the dynamic pore water pressure increases with the increases of frequency. In addition, the dynamic strength of tailings sand increases with the increases of consolidation ratio. It provides reference for the experimental research on liquefaction in a
19、dvanced and reinforce in the field. Key Words： tailings; consolidation; stability; dilution; dynamic triaxial 大连理工大学硕士学位论文 - V - 目 录 摘 要 . II Abstract .III 1 绪论 .- 1 - 1.1 尾矿处理介绍 .- 1 - 1.2 尾矿库安全现状及溃坝分析 .- 2 - 1.2.1 尾矿库安全现状 .- 2 - 1.2.2 尾矿库溃坝分析 .- 3 - 1.3 尾矿筑坝研究简介 .- 5 - 1.4 本文的研究意义和主要内容 .- 7 - 1.4.
20、1 研究意义 .- 7 - 1.4.2 研究内容 .- 8 - 2 高浓度尾矿压滤筑坝研究 .- 9 - 2.1 研究背景 .- 9 - 2.2 干堆法简介 .- 10 - 2.3 高浓度尾矿压滤试验研究 .- 11 - 2.4 高浓度放矿条件下子坝静力稳定性校核 .- 14 - 2.4.1 高浓度放矿干滩固结计算 .- 14 - 2.4.2 高浓度放矿静力稳定性计算 .- 17 - 2.5 挤淤加固干滩 .- 20 - 2.5.1 土袋施工工程特性 .- 21 - 2.5.2 抛土袋挤淤 .- 22 - 2.6 挤淤干滩修筑三级子坝稳定性校核 .- 29 - 2.6.1 挤淤后三级子坝的稳定
21、性 .- 29 - 2.6.2 加 高到三级子坝时整体的稳定性 .- 31 - 2.7 小结 .- 32 - 3 高浓度尾矿稀释排放加速干滩固结沉积 .- 33 - 3.1 原、新放矿工艺 的不同 .- 33 - 3.1.1 原放矿工艺 .- 33 - 3.1.2 新放矿工艺 .- 34 - 3.2 原、新工艺对比试验 .- 35 - 3.2.1 高浓度排放流槽试验 .- 36 - 高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 VI 3.2.2 流槽试验与库区取样结果对比 .- 37 - 3.3 高、低浓度尾矿固结模拟对比 . 错误 !未定义书签。 3.3.1 模型建立和材料参数选取 . 错误 !未定义
22、书签。 3.3.2 计算结果分析 .- 40 - 3.4 稳定性校核 .- 41 - 3.4.1 模型建立和材料参数选取 .- 41 - 3.4.2 渗流水位线的计算 .- 42 - 3.4.3 静力稳定性计算 .- 43 - 3.5 小结 .- 44 - 4 稀释尾矿砂动力特性研究 .- 46 - 4.1 概述 .- 46 - 4.2 动力特性试验研究进展 .- 46 - 4.3 尾矿砂动三轴试验 .- 47 - 4.3.1 试验仪器 .- 47 - 4.3.2 试验土料及相关参数 .- 49 - 4.3.3 试验过程 .- 49 - 4.4 尾矿砂动三轴试验结果分析 .- 50 - 4.4
23、.1 固结比为 1.25 的液化强度分析 .- 50 - 4.4.2 固结比为 1.5 的液化强度分析 .- 51 - 4.5 不同固结应力比结果比较 .- 52 - 4.6 孔压的变化情况 .- 55 - 4.7 小结 .- 56 - 5 结论与展望 .- 57 - 5.1 结论 .- 57 - 5.2 展望 .- 58 - 参 考 文 献 .- 59 - 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 .- 64 - 致 谢 .- 65 - 大连理工大学学位论文版权使用授权书 . 66 - 1 - 1 绪论 1.1 尾矿处理介绍 随着我国工业化进程的不断推进，对矿产资源的开采和利用已经达到了前所未有的高
24、度，尤其是制造业和能源产业对矿产的需求 量 更是巨大。我国自古以来地大物博，自然资源丰 富，在开采利用矿产资源的同时，需要考虑解决的问题就是选矿过程中的产物尾矿的处理。虽然尾矿是有用目标组分含量最低的选矿产物，但是尾矿中仍然含有选矿药剂和少量的矿， T.N.Gzogyan 等 1 就比较详细的介绍了在 铁 尾矿处理过程中铁的损失。而且由于尾矿量巨大，若随意放置会造成 比较 严重的 环境 影响 和 一定程度 上 资源 的 浪费。 A Alnour等 2 研究了矿样中所含有的放射性元素对选矿工人的辐射影响并给出了相应的解决方法，文献 3中通过模拟分析了尾矿中重金属污染的三个主要方面， 因此 尾 矿
25、的处理必须严格遵守相关规定。 纵观国内外尾矿处理 的 方法 ,主要 可以分为以下几种 9-4 ：（ 1） 以 传统方式修筑尾矿坝，尾矿 通过 浆体形式排放至库区储存，预留一定干滩长度，并做好防渗和排水等工作。随着技术的不断进步和发展，逐渐有了尾矿地表膏体堆存和干堆尾矿坝技术。 无论 是浆体还是非浆体排放，均是比较简易的地表 式 堆存。（ 2）地表堆存并没有完全解决安全和环境污染问题，国外像美国、澳大利亚等率先采用尾矿回填，即选矿之后，把矿渣再填充到采矿区，这样可以充分利用空间，不占用土地， 同时 减少 了 矿区的 人为 地质 灾害的发生 。（ 3）矿产资源属 于不可再生资源，而尾矿中还含有一定
26、量的矿或其他有用元素，所以对尾矿的回收再选和提取有用物质的技术也逐渐得到亲睐，并获得了一定的经济效益 , L. R. Hossner 等 10论述了矿山活动带来的环境问题，并分析了可以从尾矿中回收的主要金属元素 , S. I. Evdokimov 等 11 也做了从尾矿中提炼金属的 相关 研究。（ 4）尾矿也可以作为新型建筑材料，例如可作为回填土或用于道路的铺垫材料等。尽管拥有诸多技术和方法，张如筠 4 指出我国 在 尾矿处理 方面 还存在不少问题，如尾矿的再利用效率 较 低；尾矿处理技术和设备还不完备，尚需进一 步发展和研发；尾矿处理相关法规政策有待完善，且尾矿综合利用观念 相对 薄弱；缺少
27、系统的尾矿数据统计，经验不足等。这些 都 需要国家和企业在生产过程中不断的去探索和完善，从而使尾矿处理逐渐系统化、规范化。 我国地貌 、地形 复杂多变，矿产所处地区多为山区或者丘陵地带，人烟稀少和天然凹陷地形优势为修筑尾矿库并进行尾矿矿浆湿排提供了良好的自然条件。为了更好的利用场高浓度尾矿筑坝加速固结沉积措施研究 - 2 - 地条件，最大程度上节约尾矿处理成本，在众多尾矿处理方式中，矿山附近修建尾矿库以浆体储存尾矿已经成为我国矿山企业尾矿处理最主要的一种方式。 1.2 尾矿库安全现状及 溃坝分析 1.2.1 尾矿库安全现状 传统意义上讲 ，尾矿库 就是 用 来 堆放 各类 矿山 或其他 工程在
28、 进行矿石 等 分选 后排出 的尾矿或其他 废弃物 的 场地 ， 一般 是 利用 修 筑 子 坝 来进行 拦截 和 围地 所 构成 的 12 ， 尾矿库储存 也是国内外矿山运营中最常用的尾矿堆存方式。尾矿库 是矿山生产中不可 缺少 的重要组成 设施 13 ，把尾矿统一规范的储存起来，在维持 正常 生产的同时，作为一种高边坡， 却 存在着潜在的安全隐患。尾矿库在服役期间，库区含有一定的水，同时随着矿产的开采，尾矿坝会随着尾矿 排放 量的增大而不断加高，尾 矿库区面积扩大，若遇到地震或洪水，很可能会造成溃坝和尾矿泄露的危险。尾矿库溃坝会导致滑坡或 泥石流，处于库区下游的居民和地区将会遭受巨大的生命
29、 财产损失以及严重的环境污染 14 。尾矿库事故所带来的 严重 危害和 社会 影响 在世界 各 类 重大事故中 名列前茅 ， 稍逊 于核辐射等 毁灭性的的灾害 ，比航空 、航天 失事等其它灾害 更 加 严重 15 。历史上 我国 也发生过 几起 重大 的 尾矿库 溃坝 事件，例如08 年山西襄汾 地区暴发 的特大尾矿库溃坝事故，造成 了 重大 人民生命、财产 损失和极其不良的社会影响 16 。近些年来，我国 不同规模的 尾矿库事故 也 时有发生，在付出 了 惨痛代价之 后， 社会 逐渐意识到其带来的危害的严重性和安全治理的紧迫性。 我国现有的尾矿库数量众多，并且每年都有不少 新建尾矿库，这也给
30、管理和整治工作带来不小的麻烦。根据不完全统计 数据表明 ， 直 到 2008 年底，我国 经过调 查 并 记录 在 案 的尾矿库数量 就 达 12655 座 14 17 ， 还有一定数量的 新建尾矿库 没有收录在内 ，尾矿库的安全状况如图 1.114 所示 。 从图中 可以 清晰的看出， 存在安全问题的尾矿库 所占 比例占 达到 了38.7%， 足显 我国 尾矿库 安全 防治 工程的严峻 形势。 若 按库容规模大小 进行分类 ，其中三级及以下安全级别 相对较低 的尾矿库占据了很大比例 15 16 ，较低的安全级别和不完备的管理措施也导致了事故 较为 频繁 的 发生。 门永生等 15 和谢旭阳等
31、 16 论述 了我国尾矿库的 一些 主要 特征 以及 目前 存在的 一些 问题：（ 1）筑坝方式采取上游式占绝大多数，这种方法 虽然 具有操作简单，对地形适用性较强的优点，但是 这种方法导致 库区 侵润线偏高，渗流 条件不好 ，且坝体稳定性相对较差。（ 2）用来修筑子坝的尾矿料颗粒细 ，渗透性 差 ，不易固结沉积，地震来临较易发生液化破大连理工大学硕士学位论文 - 3 - 坏，对坝体稳定性造成不利影响。（ 3）由于 尾矿库设计 技术 的 不足和局限 ，与 欧美其他 国家 比较而言 ， 我国 在坝体稳定 性 、防洪 和 抗震等方面还存在 一定 的 差距， 相关 技术有待进一步的 提高 。（ 4）
32、我国地处环太平洋地震带，这 给 尾矿库的安全 建设和 运营带来了巨大的潜在威胁，需要做好抗震方面 设计，尽量降低地震的影响， 然而有 相当比例的尾矿库无正规设计。（ 5）小规模的尾矿库占据了 90%以上，其中不乏未经登记和 无 安全认证的违规尾矿库，存在 极 大 的 安全隐患。（ 6） 由 我国国情决定， 尾矿库事故带来的危害和社会影响严重。（ 7） 我国 尾矿库安全 水平 还 有待提高 ，管理技术 和经验 不足。尾矿库 相关 统计、检测、审核、管理等方面尚不完善。 研究 开发尾矿库 安全 信息 调 查 体系 ， 开启 尾矿库数据库 采集工作 就显得相当的重要 18 。鉴于我国尾矿库安全 所 面临的严峻形势，需要解决的问题还有很多， 要求从源头出发，探究尾矿库溃坝的原因，从而找到改善直至根除尾矿库安全隐患的方法。 我国尾矿库完全度分布图61312653032774501000200030004000500060007000
