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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。