我国尾矿堆存技术现状和固化干堆实践

我国尾矿堆存技术现状和固化干堆实践

作者：张召述等：昆明理工大学化学工程学院

[摘要]尾矿库是一个高势能的人造泥石流危险源，溃坝引发的灾害危害程度仅次于地震、霍乱、洪水和核爆炸，位列第18位。近年来，我国尾矿库溃坝事故频繁发生，造成了恶劣的社会影响、严重的伤亡事故、环境污染以及重大财产损失。

一、尾矿库安全现状与监管措施

尾矿库是一个高势能的人造泥石流危险源，溃坝引发的灾害危害程度仅次于地震、霍乱、洪水和核爆炸，位列第18位。近年来，我国尾矿库溃坝事故频繁发生，造成了恶劣的社会影响、严重的伤亡事故、环境污染以及重大财产损失。

2000年10月广西南丹大厂镇宏图选矿厂尾矿库坍塌，死亡28人，上百座房屋被毁。2006年4月陕西镇安县发生黄金尾矿溃坝，死亡17人，数十间房屋被毁。2007年5月山西省繁峙县宝山矿业公司尾矿库溃坝，直接损失4 500多万元，间接损失数亿元。同年11月辽宁海城尾矿库发生溃堤事故，死亡16人。2008年9月山西襄汾县新塔矿业公司尾矿库溃坝，造成死亡277人、受伤34人。2010年9月紫金矿业锡尾矿库溃坝，死亡22人。

据国家安监总局统计数据显示，截至2009年底，全国12 655座尾矿库中危库、险库和病库占16.75%，四、五等小型库占尾矿库总数的95.4%，普遍存在浸润线过高、调洪库容不够、坝体裂缝严重、安全观测设施不健全等重大安全隐患，防范突发事件的能力较低。尾矿库安全已成为政府、企业和公众共同关注的焦点。

滑坡、岸坡坍塌、地震液化、洪水漫坝、坝坡失稳、渗流破坏、管理失位被认为是引起尾矿库溃坝的主要因素。因此，坝体安全分析、评价、监测和新型堆存技术的开发一直是本领域的研究热点：工程方面：一般将尾矿坝视为边坡，根据筑坝材料的土工力学参数，采用边坡理论对其稳定性进行分析，确定坡度、坝高、堆存工艺;在常规的边坡稳定性分析方法如刚体极限平衡法、模拟试验法、数值分析法基础上进一步发展了拟静力法、Newmark滑块分析法、振动台模型试验法以及动力有限元法等新理论;通过这些研究，找出了影响尾矿库安全的主要因素，提出了通过控制浸润线、干摊长度、堆坝坡度、堆积坝密实度、排洪系统、堆存体抗剪强度、坝高、库水位、回水系统等工程措施可有效改善尾矿坝的安全性。

监管方面：把事故原因与现代监测监控技术相结合建立了尾矿库溃坝灾害监测预警系统，在很多大型尾矿库实现了主要安全指标的在线监测和越界预警。

设计方面：目前普遍按照国家安全生产监督管理总局《尾矿库安全技术规程》的要求，采用瑞典圆弧法计算尾矿坝稳定的安全系数，并作为尾矿坝稳定性的主要评价依据。

管理方面：国家安全生产监督管理总局令第6号《尾矿库安全监督管理规定》为各级政府部门实施安全监管提供了法律依据。

基于湿法堆存技术存在难以解决的溃坝风险，而资源化利用又不能完全代替尾矿堆存，我国尾矿利用率不足10%，因此，尾矿干堆、井下排放、充填和膏体堆存技术已经在国内外的很多矿山获得应用。实践证明：

干堆与水力充填法相比，安全性得到显著改善，尾矿库利用系数提高，但存在投资大、运行成本高、有地域适应性的不足。研究低成本的脱水工艺、高效的输送方式和解决膏体的二次泥化以及表面干粉扬尘问题是实现干堆技术可持续发展的关键。

尾矿井下排放的实质是把地上尾矿库变成了地下尾矿库，表面上解决了尾矿库的安全问题，但由于尾矿是以一种高水固比的物料充填至采空区，围岩承受强大的内水压力，渗透水势必使围岩或地下结构体的稳定性发生变化，会导致采空区垮冒甚至波及地表建筑物的安全，会造成地下水污染，有可能诱发更大规模的地质和环境灾害。

充填是采矿过程中的一个工艺环节，既能解决采矿工艺问题，又能部分解决尾矿的排放问题，是减少尾矿堆存量的较好方法，但该技术与采矿工艺有关，尾矿库依然是必不可少的设施。

介于很多黏土型尾矿，比如氧化铝选尾矿难沉降、难堆存的问题，采用水泥-石灰-粉煤灰等为胶结材，把尾矿浆体变成膏体进行堆存，降低了尾矿的流动性，但因膏体体积疏松，几乎不泌水，不减少库容，堆存过程有二次泥化和表面干化扬尘的问题。

上述关于尾矿库安全分析与评价、监测和监管措施以及干堆法无疑大大提高了我国尾矿库的安全性，但没能从根本上消除具有中国特色的上游筑坝法存在的溃坝隐患。

二、尾矿库溃坝原因和面临的新问题

我国90%以上的尾矿库采用上游法筑坝工艺，这种尾矿库的主要灾害形式是溃坝引发的泥石流，事故频率显著高于其他形式尾矿库，其主要原因是坝体稳定性差、沉积密度低、浸润线偏高、渗流难以控制。究其本质，则可归结为“水是造成溃坝和形成泥石流灾害的祸源”，在足够的水力作用下，现行尾矿坝是以尾矿、黏土和砂土为主的筑坝材料的，将发生三种形式的破坏：①从坝岸开始，岸坡饱和含水，颗粒间的支撑骨架溃散，坝体被不断剥蚀，坝顶宽度减薄并最终形成缺口,水携带泥沙从缺口喷涌而出,不断冲击、浸蚀坝体，使缺口深度和宽度加大，泥沙混合物流量继续加大，演变成泥石流灾害。②从渗流开始，尾矿堆存体长期处于流塑态，水在坝体堆积体颗粒之间不断向外渗透，当渗透水渗出坝体后，压力释放，使坝内外同一平面渗透压增大，渗透速度加快，带动尾矿颗粒向水流方向移动，先形成砂漏，再逐步扩大、连通形成管涌，导致坝体坍塌而溃坝。③从坝体开始，当洪水漫坝或在雨水连续作用下，坝坡外缘被不断冲刷，先形成大小不一的浅表性沟壑，并不断扩大和汇集，流速加快，泥砂增多，冲刷和切割作用加速坝体消失，当坝坡承载力小于库内泥浆的侧压力时，坝体崩塌，库内尾矿浆倾泻而下，在瞬间形成泥石流。因此，在以往的研究和工程措施中，因水而产生的“渗流、管涌、浸润、漫坝、液化”是最重要的技术控制参数，“浸润线”被认为是尾矿库安全的“生命线”。

我国是一个矿业生产大国，在相当长时间内，矿业仍将保持旺盛的发展势头，随着选矿技术的进步，尾矿量逐年增加，尾矿颗粒越来越细，沉降速度越来越慢，造成浸润线升高、含水率增大、抗剪强度低，致使坝体和堆存体稳定性降低，这种现象将随着选矿工艺中多金属资源的综合回收利用和尾矿资源的二次回采而更加普遍，为尾矿库安全增加了新的难度，所面临的泥石流灾害隐患更加严重，在此背景下，曾普遍采用的湿法堆存将面临更大的安全风险;与此同时，由于尾矿颗粒更细，泥化现象越来越严重，尾矿脱水、压滤的难度越来越大，也给干堆、充填带来了新的问题。因此，结合选矿工艺的发展趋势，同步解决细粒尾矿安全堆存问题既是安全上的需要，也是矿业可持续发展的需要。

三、尾矿固化干堆的效果

基于上述分析，可以认为尾矿库溃坝的本质在于两方面：一是堆存体本身是泥石流的根源;二是坝体不坚固。解决其中那个问题都能避免重大尾矿库灾害的发生，全都解决，则可一劳永逸地实现尾矿库安全。

从堆存体角度：尾矿浆从进入到尾矿库后，若能快速发生沉降泌水，水通过回水设施回用，沉降体继续固化胶结，最终形成具有一定承载力、水稳性、不能流动的固体，就能降低堆存体对坝体的压力，可从根本上消除泥石流源。这样，即使坝体出现滑坡或崩塌，也不会造成大面积的灾害。