CN102444135A - 一种采矿废石土与固化尾矿的联合混排技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采矿废石土与固化尾矿的联合混排技术，系统地对排土场所在地区自然地理和基底岩层的埋藏特征、水文地质条件、开采工艺、排土物料及基底的物理力学性质进行调查，分析验算排土场相关参数；然后进行排土场基底承载力分析，根据极限平衡原理分别计算排土场地基的沉降量和地基的底鼓；将固化尾矿（7）设计成底部窄、上部宽的梯形结构体，按照一定间距布置在排土场各平台体内，形成采矿废石土和固化尾矿联合混排的排土场；对采矿废石土和固化尾矿联合混排形成的排土场进行弹塑性有限元分析、地下水渗流场分析以及混排排土场的稳定性及可靠性分析，最终对混排排土场的排土工艺及排土参数优化。本发明将采矿废弃物与固化尾矿联合混排，消除了尾矿库存在的安全隐患，解决了尾矿库建设征地难的困境，既能矿山的正常生产，又节约了尾矿库基建费、尾矿堆存长距离输送费及运营费。
Description
技术领域
本发明涉及矿山固体废弃物的堆排技术，尤其是涉及采矿废石土、尾矿的混排技术，即在排土场中排弃采矿废石土的同时将固化的尾矿填埋于其中，同时能够保证排土场安全的技术。适用于各类矿山用于堆排废石、表土、混合岩土、尾矿。
背景技术
矿山固体废物堆场一般包括排土场、尾矿库。排土场又称废石场，是指矿山采矿排土物料集中排放的场所，一般包括腐植表土、风化岩土、坚硬岩石以及混合岩土，有时也包括可能回收的表外矿、贫矿等。尾矿库堆存的是选矿加工过程中产生的细粒固体废物——尾矿。排土场、尾矿库是维持矿山正常生产的必要设施。通常，坑采矿(井下矿)每开采1t矿石会产生废石2～3t，露天矿每开采1t矿石要剥离废石6～8t。采矿废石、围岩以及选矿尾矿等矿山固体废弃物排放量大，矿产资源开发利用过程中产生的尾矿已成为最大的工业固体废弃物，约占总量的80％。1949～2007年，矿山共堆存的固体废弃物达355.5l亿t，其中尾矿80亿t、废石200亿t、煤矸石51.5l亿t、洗矸和煤泥24亿t。大量固体废物排放占用了大量宝贵的土地资源，造成生态环境恶化，并成为矿山的安全隐患，成为矿山发展的严重制约因素。
尾矿库的基建投资一般约占矿山建设总投资的10％以上，占选矿厂投资的20％左右，有的几乎接近甚至超过选矿厂投资。尾矿设施的运行成本也较高，有些矿山尾矿设施运行成本占选矿厂生产成本的30％以上。近年来,由于征购土地和搬迁农户越发困难,建设尾矿库的费用更高。特别是一些受当地地形条件、规划等的限制，很难找到合适的尾矿库库址，使得矿山企业不得不考虑在排土场中堆存滤干固化后的尾矿。
但由于矿山排土场的物源主要是采矿和矿山建设中弃土、石、渣，是属于典型的松散介质，因而其物理力学性质明显不同于原状物质，容重减少，粘聚力和内摩擦角变小，抗冲击能力减弱，松散体遇水容易起动，造成的侵蚀量大。而尾矿颗粒又非常细，固化尾矿与采矿废石土联合混排，易在排土场中形成软弱带，在汛期易形成泥石流甚至引起排土场的大范围滑坡。因此采矿废石土与固化尾矿在排土场中联合混排在国内，甚至于世界上还很少见。排土场一旦失稳会严重影响露天采场和排土场的正常生产，危及人员和设备的安全。
本发明根据排土场基底的地形、地质和构造特点、地表水流特征、大气降水量及降水强度等，系统地研究地层、岩性等工程地质条件、水文地质，试验分析岩体强度，对排土场基底承载力采用模糊-随机法确定；对采矿废石土和固化尾矿混排形成的排土场边坡采用有限元渗流场分析、稳定性和可靠性分析，同时运用数值模拟的方法验算各种排土工艺和排土场参数条件下的排土场稳定性，以确定合理的排土工艺和排土场参数。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中的存在的缺失，而提供一种既能够更加充分地利用排土场的既有场地，又能节约尾矿库高昂的基建费、征地费及运营费的采矿废石土与固化尾矿的联合混排技术。
为实现本发明的上述目的，本发明一种采矿废石土与固化尾矿的联合混排技术通过以下技术方案来实现：
1）影响排土场稳定性的因素调查与计算：系统地对排土场所在地区自然地理和基底岩层的埋藏特征、水文地质条件、开采工艺、排土物料及基底的物理力学性质进行调查，分析验算排土场相关参数；然后进行排土场基底承载力分析，根据极限平衡原理分别计算排土场地基的沉降量和地基的底鼓。
2）采矿废石土与固化尾矿联合混排排土场排土工艺和参数确定：
①将固化尾矿设计成底部窄、上部宽的梯形结构体，按照一定间距布置在排土场各平台体内，形成采矿废石土和固化尾矿联合混排的排土场；
②对采矿废石土和固化尾矿联合混排形成的排土场进行弹塑性有限元分析：建立混排排土场的三维有限元模型，模型中对排土物料和固化尾矿堆置区域进行分区，分别设置计算参数；分析混排排土场在各种工况下的应力状态、变形特征及其变化规律；
所用的建模软件为有限元软件，计算采用的是适用于岩土工程的软件，对排土场进行位移及应力分析。
③地下水渗流场分析：建立排土场三维渗流场模型计算出结点水头，并用计算机输出水位线；
所用的渗流计算软件是岩土工程专用软件。
④混排排土场的稳定性及可靠性分析：根据排土场的岩土结构特征，采用简化Bishop法进行稳定性分析，并用蒙特卡罗（Monte-carlo）模拟法进行可靠性分析；
⑤混排排土场的排土工艺及排土参数优化：通过上述计算和分析，不断进行排土工艺和排土参数调整，再进行计算和分析，以期得到最优的排土工艺和排土参数，在保证安全的情况下尽可能节约投资。
3）其他工程措施：在排土场各平台边坡底部设有截水沟；在固化尾矿底部设置排水盲沟，在排水盲沟内埋设排渗花管，各平台体内埋设的排渗花管出口与导渗管相连，导渗管的出口与截水沟相连。
上述弹塑性有限元分析是对混排排土场建立三维有限元模型，利用弹塑性理论分析其在各种工况下的应力状态、变形特征及其变化规律。
上述极限平衡法是排土场边坡稳定性分析的基本手段之一，极限平衡分析的方法很多，有瑞典法、简化Bishop法、和余推力法等。这些方法因滑坡形式不同以及采用的假设条件不同而又有所差异，但他们的基础均为极限平衡原理。
上述蒙特卡罗（Monte-carlo）模拟法是一种依据统计抽样理论，利用电子计算机研究随机变量的数值计算方法，是可靠度计算相对精确的方法。
本发明一种采矿废石土与固化尾矿的联合混排技术通过以上技术方案具有以下积极效果：
（1）解决了采矿废石土与固化尾矿在排土场联合混排可能产生的安全隐患，确保了矿山的正常生产以及人员和设备的安全；
（2）节约巨额的尾矿库基建费、征地费、尾矿堆存长距离输送费及运营费，直接经济效益显著；
（3）首次提出采矿废石土与固化尾矿在排土场联合混排技术，能为国内外同行起借鉴作用，同时该成果直接转化为生产力，将产生巨大社会效益。
附图说明
图1 为本发明一种采矿废石土与固化尾矿在排土场联合混排排土场的纵向投影图；
图2为固化尾矿堆置细部图。
附图标记为：1－排土场平台边坡；2－排土场基底线；3－排水盲沟；4－排渗花管；5－导渗管；6－截水沟；7—固化尾矿。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种采矿废石土与固化尾矿的联合混排技术作进一步详细描述。
图1所示的本发明本发明一种采矿废石土与固化尾矿在排土场联合混排排土场的纵向投影图并结合图2所示的固化尾矿堆置细部图看出，将固化尾矿7设计成底部窄、上部宽的梯形结构体，按照一定间距布置在排土场各平台体内；在排土场各平台边坡1底部设有截水沟6；在固化尾矿7的底部设置排水盲沟3，在排水盲沟3内埋设排渗花管4，各平台体内埋设的排渗花管4的出口与导渗管5相连，导渗管5的出口与截水沟6相连。
通过对排土场所在地区自然地理和基底岩层的埋藏特征、水文地质条件、矿山开采工艺、排土物料及基底的物理力学性质等进行调查，分析验算排土场相关参数；设计几种混排排土工艺和排土参数，分别进行边坡1弹塑性有限元分析和三维渗流场分析，确定最优的排土工艺和排土参数，综合考虑排土场安全和工程费用；混排排土场稳定性校核和可靠度分析；采矿废石土与固化尾矿在排土场联合混排设计与施工。
采矿废石与固化尾矿在排土场联合混排的设计与施工可以分为三个阶段：
第一阶段影响排土场稳定性的因素调查：系统地对排土场所在地区自然地理和基底岩层的埋藏特征、水文地质条件、开采工艺、排土物料及基底的物理力学性质等进行调查，分析验算排土场相关参数。然后进行排土场基底承载力分析：根据极限平衡原理分别计算排土场地基的沉降量和地基的底鼓。
第二阶段在排土场基底承载力满足的基础上，对混排排土场边坡进行弹塑性有限元分析和三维渗流场分析，确定最优的混排排土工艺和排土参数，并综合考虑排土场安全和工程费用，必要时采取排渗措施。对最终混排方案进行稳定性校核和可靠度分析；完善监测与安全检查方式、内容及制度的建立；应急预案的制定。
第三阶段进行采矿废石与固化尾矿在排土场联合混排的设计与施工。
本发明提供的技术已在我国某大型有色矿山成功的实现了采矿废石与固化尾矿在排土场联合混排的工程实践。该工程实例由废石由废石堆置区、固化尾矿堆置区、排渗系统、排土场位移监测系统四大部分（系统）组成。该实例于1999年开始实施，至2011年3月完成堆存废石土与固化尾矿量13630×104t。据工程验证勘察检测，混排排土场沉降量趋及边坡位移量满足规范要求，处于稳定状态。该项目成功实施后取得了显著的经济社会效益。
(1) 解决了采矿废石与固化尾矿在排土场联合混排可能产生的安全隐患，确保了矿山的正常生产以及人员和设备的安全；
(2) 节约尾矿库基建费、征地费、尾矿堆存长距离输送费及运营费约4.5亿元，直接经济效益显著；
(3)实现了采矿废石与固化尾矿在排土场联合混排技术的开创性成果；
(4)据调查统计，我国现有较大规模排土场2000多座，尾矿库的基建投资和运营成本约占矿山总投资的20%左右，某有色矿山采矿废石土与固化尾矿在排土场联合混排的成功，为类似金属非金属矿山工程提供了实例，具有广泛地推广应用前景。
Claims (1)
1.一种采矿废石土与固化尾矿的联合混排技术，其特征在于通过以下技术方案来实现：
1）影响排土场稳定性的因素调查与计算：系统地对排土场所在地区自然地理和基底岩层的埋藏特征、水文地质条件、开采工艺、排土物料及基底的物理力学性质进行调查，分析验算排土场相关参数；然后进行排土场基底承载力分析，根据极限平衡原理分别计算排土场地基的沉降量和地基的底鼓；
2）采矿废石土与固化尾矿联合混排排土场排土工艺和参数确定：
①将固化尾矿（7）设计成底部窄、上部宽的梯形结构体，按照一定间距布置在排土场各平台体内，形成采矿废石土和固化尾矿联合混排的排土场；
②对采矿废石土和固化尾矿联合混排形成的排土场进行弹塑性有限元分析：建立混排排土场的三维有限元模型，模型中对排土物料和固化尾矿堆置区域进行分区，分别设置计算参数；分析混排排土场在各种工况下的应力状态、变形特征及其变化规律；
③地下水渗流场分析：建立排土场三维渗流场模型计算出结点水头，并用计算机输出水位线；
④混排排土场的稳定性及可靠性分析：根据排土场的岩土结构特征，采用简化Bishop法进行稳定性分析，并用蒙特卡罗（Monte-carlo）模拟法进行可靠性分析；
⑤混排排土场的排土工艺及排土参数优化：通过上述计算和分析，不断进行排土工艺和排土参数调整，再进行计算和分析，以期得到最优的排土工艺和排土参数，在保证安全的情况下尽可能节约投资；
3）其他工程措施：在排土场各平台边坡（1）底部设有截水沟（6）；在固化尾矿（7）底部设置排水盲沟（3），在排水盲沟（3）内埋设排渗花管（4），各平台体内埋设的排渗花管（4）的出口与导渗管（5）相连，导渗管（5）的出口与截水沟（6）相连。
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