矿山尾矿库工程概况-矿山安全工程学

第一节　尾矿库工程概况

尾矿是以浆体形态产生和处置的破碎、磨细的岩石颗粒，通常视为矿物加工的最终产物，即选矿或有用矿物提取之后剩余的排弃物。

一、尾矿的分类

不仅各种矿石的尾矿有很大变化，就是同一种矿石也因矿体赋存性质和选矿方法不同而有很大差异，很难系统归纳。现仅根据尾矿的基本物理特性将其分为四类。

（1）软岩尾矿。主要由页岩型矿石产生的，包括细煤废碴、天然碱不溶物等。这些尾矿尽管包含一定数量的砂质颗粒，但尾矿泥的黏土性质显著地从总体上影响尾矿的物理性质和状态。

（2）硬岩尾矿。主要包括铅、锌、铜、金、银、钼、镍、钴、锡、钨、铬、钛等矿石。尾矿以砂质颗粒为主，虽然尾矿泥占很大比例，但因源于破碎的母岩而非黏土，故在总体上不能对尾矿形态起到控制性的影响。

（3）细尾矿。其含很少或不含砂质颗粒，包括磷酸盐黏土、铝土矿红泥、铁细尾矿、沥青砂尾矿中的矿泥。这些矿泥的特性对这些尾矿的形态起着支配作用，它们需要非常长的时间沉淀和固结，极为软弱，可能需要很大的库容。

（4）粗尾矿。从总体上说，这些尾矿的特性由相应粗砂颗粒所决定，就石膏尾矿而论，则由无塑性粉砂所决定。这种类型尾矿包括沥青砂的粗粒尾矿、铀矿、石膏、粗铁尾矿和磷酸盐砂尾矿。

因为同一类型尾矿具有大体相近的物理特性，因此，也可能具有大体相近的排放问题。这样，在对所要处理的一种尾矿缺少实际资料的情况下，尾矿的类型也可能提供有益的参考。此外，对于特定的选厂，磨矿工艺的变化可能产生大量的细粒尾矿，从而改变尾矿的类属，并引起新的排放问题。然而，必须承认，上述分类只反映各种尾矿类型的总体物理特性和工程行为，而在某些场合，化学特性和环境因素可能远比物理特性重要。

二、尾矿废水的分类

从综合工程意义上说，尾矿库设计不是由固体物性质决定的，而是由废水性质决定的，因此，不能单独地考虑尾矿的物理性质，还需全面了解尾矿废水的化学性质，这样才能系统地阐明尾矿库工程的风险水平。

浮选和溶浸都可能使矿石化学变性。在浮选过程中添加各种有机化学药品，如脂肪酸、油和聚合物，因为它们一般浓度较低，毒性较低，污染意义不大。然而，浮选中pH调节可能对选矿废水和无机成分产生重大影响，如果实行酸性或碱性溶浸，则加重这种影响。矿石中现有的化学-矿物成分，是决定选矿废水化学性质的最重要因素，选矿中pH调节可能从母岩中解离出许多组分，因此，pH值往往是选矿废水成分的有效指示器。现依据pH值将尾矿废水分为以下三类:

（1）中性的。简单的洗选和重选作业可造成这种条件，其pH值没有显著变化，废水中的化学成分主要限于母岩中以中性pH可溶解的那些成分，而可能使硫酸盐、氯化物、钠和钙的浓度略有提高。

（2）碱性的。废水pH值提高也可能导致硫酸盐、氯化物、钠和钙的浓度提高。虽然存在某些金属污染物，但常常不出现很高浓度的阳离子重金属的广泛活动。

（3）酸性的。降低pH值提高了许多金属污染物的平衡水平，酸性溶浸的废水可能显示出像铁、锰、镉、硒、铜、铅、锌和汞这些阳离子成分的高含量。酸性废水也显示出像硫酸盐和（或）氯化物这些阴离子浓度的提高。

此外，还有专门性废水类型。酸性和碱性溶浸铀可能解离出放射性镭（Ra-226）和钍（Th-230）。如果废水要从尾矿库中排出，则必须强行采用石灰中和和（或）氯化钡共沉淀方法使镭（Ra-226）浓度降低到较低水平。

如果溶浸金、银或浮选铅和钨，所使用的氰化物则是有毒成分。氰化物较不稳定，在有氧存在的情况下，很快蜕变成低毒性氰化物形式。氰化物自然蜕变的机理有酸化作用、空气中CO₂吸收和挥发作用、光分解、氧化作用和生物分解作用，这些过程最终使尾矿库废水中氰化物浓度降低，但可能需要相当长的时间，这取决于氰化物的浓度水平。

还有一种含砷毒性废水。在砷与矿石共生的场合，选矿过程使砷解离在废水中。对于含金的砷黄铁矿，一定要先通过焙烧除砷，以便有效地浸出，然后排放到适当地点，最好不排进尾矿库。

三、尾矿设施

尾矿设施是矿山生产设施的重要组成部分，尾矿设施既是兴利设施，但它同时又是一个重大的危险源，其各组成部分中以尾矿库最为重要。

（一）尾矿库的基本构成

尾矿库是选择有利地形筑坝拦截谷口或围地形成的具有一定容积，用以储存尾矿和澄清水的专用场地。尾矿库一般由尾矿堆存系统、尾矿库排洪系统、尾矿库回水系统等几部分组成:

（1）尾矿堆存系统。该系统一般包括坝上放矿管道、尾矿初期坝、尾矿后期坝、浸润线观测、位移观测以及排渗设施等。

（2）尾矿库排洪系统。该系统一般包括截洪沟、溢洪道、排水井、排水管、排水隧洞等构筑物。

（3）尾矿库回水系统。该系统大多利用库内排洪井、管将澄清水引入下游水泵站，再扬至高位水池。也有在库内水面边缘设置活动泵站直接抽取澄清水，扬至高位水池。

实际上，在尾矿处理工艺过程的选择、设计和优化过程中，必须充分考虑到尾矿库工程的经济、能源和环境等因素，重点解决矿石特性、选矿前景、可能的浸出剂、预计溶浸中的杂质、要回收的金属种类、可能的提纯工艺、可能的副产品、环境约束、能源需求量、侵蚀和总费用等问题。

（二）尾矿库的功能

尾矿设施是兴利设施，有以下功能:

（1）保护环境。选矿厂产生的尾矿不仅量大、颗粒细，且尾矿水中往往含有多种药剂，将尾矿妥善储存在尾矿库内，可防止尾矿及尚未澄清的尾矿水外溢污染环境。

（2）充分利用水资源。选矿用水量大，通常每处理1t原矿需用水4～6t，有些重力选矿甚至高达10～20t。这些水随尾矿排入尾矿库内，经过澄清和自然净化后，大部分水可重复利用，一般回水利用率达70%～90%。

（3）保护矿产资源。有些尾矿还含有大量有用矿物成分，甚至是稀有和贵重金属成分，由于种种原因，一时不需要或不能全部选净，将其暂存于尾矿库中，待将来再进行回收利用。

四、尾矿排放方式

尾矿排放方式主要包括地表排放、地下排放和深水排放三种方式。另外，目前部分矿区积极利用尾矿，变害为利，将尾矿作为散状填料或原材料。实际上这也是一种最积极的尾矿处理方式。

影响尾矿排放规划的不仅是尾矿的自然性质和场地的工程性质，还有适宜排放方法的选择。地表排放是目前最普遍使用的排放方法，仍在尾矿管理中占有重要地位。然而，随着经济条件、技术条件和管理条件的发展，必将产生更实用、更有创新性的排放方法。

（一）地表排放

按一般概念，尾矿的地表排放是采用某种类型堤坝形成拦挡、容纳尾矿和选矿废水的尾矿库，使尾矿从悬浮状态沉淀下来形成稳定的沉积层，使废水澄清再返回选矿厂使用。因尾矿排放浓度及与之相应坝型的差异，地表排放方式可有挡水坝、上升坝、环形坝和干处置。

1.挡水坝

尾矿排放用的挡水坝是在开始向尾矿库排放之前一次性地按全高构筑的坝。筑坝材料通常取用各种天然土。挡水坝包括不透水心墙、排水带、渗滤层和上游堆石。可依据普通土坝技术进行渗滤层、内部渗流控制和坡度设计，但因尾矿坝上游边坡不经受陡然的水位下降，故可采用陡于普通蓄水坝上游坡度。

挡水坝适宜于蓄水要求高的尾矿库，例如暴雨径流流入量大的尾矿库，或者因选矿工艺的制约限制尾矿废水再循环的场合，或者尾矿沉淀需要大的贮水容积和蒸发面积的场合，或者为控制尾矿废水污染当地水系的场合。

挡水坝因建库地势不同可分为山谷坝和环形坝。山谷坝是在山谷排泄区起始段、跨过山谷筑坝，通常坝内设不透水心墙，库底铺不透水垫层。环形坝结构与山谷坝类似，外周坝设不透水心墙，库底铺不透水垫层。环形坝建在平坦地段，因此在地形上不像山谷坝那样受地形约束，比较灵活，适于靠近采场和选矿厂选址，以便于利用废石筑坝和降低尾矿运送成本。但因坝长，需要大量筑坝材料，同时也增大了风蚀的可能性和坝体破坏的风险。

从工程角度看，挡水坝适用于任意类型和级配的尾矿，适用于任意排放方法，抗震性能较好，坝体一次筑就，无升高速度的限制，防渗性能要求较高，因此，筑坝成本较高。

2.上升坝

地表尾矿库使用最普遍的是上升坝，它与挡水坝不同，是在尾矿库整个服务期间分期构筑的坝。首先构筑初期坝，初期坝坝高设计一般考虑尾矿库使用头2～3年的尾矿产量以及适当的洪水流入量。继后按照预定的尾矿上升高程、库中允许洪水蓄积量齐步并升。上升坝采用来源广的建筑材料，包括天然土、露天和地下开采的废石、水力沉积或旋流尾矿砂。

上升坝主要有以下优点:

（1）由于在尾矿库整个服务期间分配建设费用，初期工程费用低，只是初期坝构筑所必要的成本。在较长时间内间隔支出将使贴现的总成本降低并取得较大的现金流量收益。

（2）由于不必在筑坝初期一次性备齐筑坝材料，在筑坝材料的选择上可有很大的灵活性。如果在采选期间，坝体上升与其生产率同步，则采矿废石或尾矿砂可以提供理想的筑坝材料。在不能取得适合的天然土的某些场合，则可能必须利用矿山废石筑坝，更何况，即便有适合的天然土可用，废石也要处置，在运输距离不过长的情况下，除了发生一定数额的压密费用外，材料是“免费”提供的。(www.chuimin.cn)

上升坝依据坝体上升过程中坝顶线相对于初期坝位置的移动方向，可分为上游坝、下游坝和中心线坝三类。

3.环形坝

尾矿坝设计不同于普通水坝，核心在于它们贮存介质和功能的不同。仅尾矿坝而言，又侧重于在尾矿浆体浓度、状态和排放方式上区别尾矿库功能和确定坝型，包括高浓度中央排放和半干性喷洒排放。

4.干处置

尾矿以固体形式干处理就是在尾矿沉淀之前，通过带式过滤机把水从中排出，形成干尾矿，从而减少尾矿废水的渗漏。

带式过滤在法国和南非已广泛应用，后成为欧洲某些铀矿选矿流程的组成部分。带式过滤工作原理简单，随着尾矿在合成橡胶支托的过滤编织带上移动，采用真空装置从尾矿中汲取液体，使尾矿含水量从约50%降低到20%～30%，处理成“干饼”状堆放。对尾矿带式过滤的经济效果、可行性存在很大争议。

由于尾矿基本上呈固体形式处置，所以土地恢复可与尾矿处置同时进行，有很大优点。但固体尾矿20%～30%含水量可近乎使原位孔隙率下尾矿饱和，与普通浆体排放的尾矿库相比，渗漏量的减少在很大程度上取决于基础材料的渗透性，在没有垫层或低渗透的基础材料情况下，饱和尾矿的渗漏仍会很大。

（二）地下排放

虽然地表尾矿库是最广泛应用的尾矿排放方法，但近期以来，地下采矿已采用尾矿砂胶结充填空区以支护岩层，减少了尾矿的地表处理量。近些年来，由于地表排放的成本和环境管理规程压力的增大，日趋把地下排放视作正规的排放方案。特别是所排放尾矿属惰性、无潜在危险的场合，地下排放更有突出优点。因此而产生单纯以处置尾矿为目的的地下排放，包括地下矿山充填、露天矿坑排放和专门掘坑排放。

（三）深水排放

世界上大部分尾矿沉积在陆地上，尾矿库废弃后再进行土地恢复，但人们总是关注尾矿库污染物向环境、地下水和水源地渗流的长期效果。另一种方法是把尾矿泵入深湖或近海，但因环境生态问题的争议而一直未普及应用。深湖和近海排放的主要特点是尾矿上面的水位形成一个理想的输氧障，从而抑制硫化物的生成酸反应；减少了细菌出现，有助于防止氧化；节省了昂贵的尾矿库建设费用；如果这种排放在环境上允许，深湖或近海排放少占土地，具有美化环境的优点。

五、尾矿库址选择因素

尾矿库址选择是影响尾矿库设计最重要的因素。每个可能的备选库址都有一定的优点和缺点，必须与采选作业一起考虑加以选择。选矿工艺类型直接决定尾矿库区的类型，因而影响尾矿库址选择。尾矿库系统设计目标是采用当前最先进的科学技术封储尾矿，以使未来的污染物释放率最小，最好在不需监察和维护条件下满足长期储积尾矿的需要。但在尾矿库选择和设计中，最麻烦、最困难的是尾矿中特殊矿物和化学特性可能造成的潜在环境问题。

尾矿库址选择最常用的方法是筛选，即把若干个约束因素加到数个适当的可能的库址地逐渐剔除，最终确定出最佳的尾矿库址。这些约束因素如表7-1所示。

应当指出，在不同设计阶段，这些因素在确定库址中的作用可能不同。在开始阶段，相对于选矿厂的距离、地形和水文因素是最重要的因素，而在后期阶段，地质和地下水因素可能起决定性作用。经详细地质和水文地质研究之后，若发现不利的地质条件或地下水条件，则可能必须重新评价选址问题，甚至否定前面的选址决定。尾矿库选址还必须结合尾矿排放规划中的其他许多因素，如当地岩土材料的适用性、尾矿的特殊性质等综合考虑。

六、尾矿库的布置形式及特点

尾矿库的布置是尾矿库选址过程的组成部分。因为，任一特定尾矿库场地的适用性都必须在充分论证它对特定布置方案的适应性情况下才能确认下来。从某种程度上说，尾矿布置方案有无限多种，但它必须与各种地形背景相适应，而且与所用坝类型无关，适合于特定尾矿、废水性质及库区特定条件的任意坝类型。

表7-1　尾矿库址的约束因素

尾矿库的布置形式主要有环型、跨谷型、山坡型、谷底型四种。

1.环型

在没有天然凹地的平坦地区，最适合采用环型尾矿库。这种布置方案相对于其库容量而言，其所用筑坝材料数量较大。由于尾矿库全封闭，所以消除了来自外部的地表径流量，汇水仅是尾矿库表面直接降雨量。环型尾矿库一般按规则几何图形布置，因此便于采用任意类型垫层。

2.跨谷型

跨谷尾矿库是由尾矿坝跨过谷地两侧拦截成尾矿库，布置形式近乎于普通蓄水坝，可分为单一尾矿库和多级尾矿库，因适用性广泛而为世界各国所普遍接受。跨谷型尾矿库尽可能靠近流域上游布置，以减少洪水流入量。在采用多级型尾矿库时，最上级尾矿库因容积有限而负担洪水压力大，需要精心控制地表水。通常采用山坡引水沟汇集正常条件下径流量，但因谷地坡度较陡，可以环库布设大型截洪沟，最好采用蓄积、溢洪或在库上游用控水坝分隔方法处理水径流。

3.山坡型

山坡型尾矿库的库区三面采用尾矿坝封隔，因此，所需筑坝材料量一般比跨谷型布置多。在适于跨谷型布置但不切割排泄水系的场合，例如山前冲积平原上，或者在切割排泄水系会使汇水面积过大的场合，可以采用山坡型尾矿库。最适宜的山坡坡度是小于10%，坡度较陡时，筑坝材料量相对于储积尾矿量增加过大，并且，如果采用多级坝，上级坝体积占下级库容的比例很大。

4.谷底型

谷底型尾矿库兼顾跨谷型布置与山坡型布置的特点，非常适用于用跨谷型布置汇水面积太大而用山坡型布置坡度太陡的场合。因为是两面筑坝，所需筑坝材料量亦介于跨谷型布置和山坡型布置之间。谷底型尾矿库往往采用多级形式，随着谷底升高，一个压一个地“叠堆”尾矿库，最终达到较大的总库容。

因为谷底型尾矿库多位于较窄的山谷地，往往需要越过原河槽布置，因此，必须绕库设置引水渠道，以疏导最高洪峰流量。如果没有足够的空间布置渠道，则需以很高的代价在山谷坡面岩石中开挖较大宽度的渠道。当然，开挖的石料可用作初期坝材料。此外，为防止在预计洪水条件下外坝面发生高速渗流，需要在坝体逐渐升高过程中连续地抛石维护坝下游面，这样，谷底型布置可能不适用于中心线或下游升高方法。

七、尾矿库排洪

（一）尾矿库排洪系统

尾矿库排洪系统通常由进水构筑物和排水构筑物组成。进水构筑物有排水井和排水斜槽等，排水构筑物有排水管、隧洞、溢洪道等形式。进水构筑物最大的特点是随着尾矿坝堆积高度的升高，向库后延长及抬升，不断调整进水口高程或进水平面位置，保证库内的澄清距离，不让尾砂从排洪系统泄漏。当尾矿库使用至中、后期，进水构筑物的大部分被尾砂掩埋，上覆堆积尾砂少则几十米，多则上百米。若排洪系统一旦出现故障或洪水排泄不顺畅，则对尾矿库造成的危害非常大，甚至会产生灾害性的恶果。主要体现在以下几个方面:

（1）漫坝溃坝。尾矿库排洪系统出现故障，洪水无法正常排泄，库内水位会急剧抬高，造成洪水从尾矿堆积坝坝顶溢出。由于尾矿堆积坝坝顶不能过流，因而导致溃坝，给库区下游人民生命财产带来灾难。

（2）尾矿积坝坝坡滑坡失稳。排洪系统排泄不顺畅，特别是在汛期，库内水位居高不下，尾矿堆积坝内浸润线会不断升高，水甚至从坝坡表面溢出，产生渗透破坏，导致尾矿堆积坝坍塌失稳。

（3）泄漏尾砂。排洪构筑物局部结构存在问题，如现浇排水管分缝处施工不良、预制排水管搭接不良、排水井挡板封堵不严、排水斜槽盖板局部损坏等，将会导致从排洪系统漏水漏砂，污染下游环境。随着时间的推移，泄漏情况日益恶化，可能会导致排洪系统淤塞或坍塌，出现溃坝等危急情况。

（二）排洪系统的型式

（1）排洪系统从结构类型上区分，有井-管（洞）式排洪系统、斜槽-管（洞）式排洪系统、斜槽式排洪系统及溢洪道、截洪沟排水，如图7-1、图7-2所示。

（2）从建筑材料区分，有金属、浆砌石及钢筋混凝土等结构型式。

（3）从工作条件和受力情况来看，有圆形、拱形、方形、马蹄形等断面型式，其中方形施工方便，但受力条件不好，其他型式施工复杂、技术要求高，但受力条件较好。

（4）从水流条件看，尾矿库规模较小，且排洪量要求不是很大时，取无压流态较好，因为如采用有压流，管、槽接头处止水处理要求严格，往往处理不好而引起漏水、淘刷基础及带走尾砂，对下游造成污染。尤其坝下埋管，基础淘刷后会导致坝体失事。

排洪系统的排水能力根据洪水计算和调洪演算确定，并必须保证在尾矿库全部使用期内都能顺利排水。井-管（洞）式排洪系统相邻两井的设置应有1m左右的重叠高度，以确保连续排水。不管何种型式的排洪系统，其构筑物断面形式均需要进行水力计算，以确定能满足排洪的需要。

图7-1　井-管（洞）式排洪系统

1.初期坝；2.堆积坝；3.排水管；4.第一个排水井；5.后续排水井；6.尾矿沉积滩；7.消力池；H₁.安全超高；H₂.调洪高度；H₃.蓄水高度；Δh.井筒重叠高度；l.澄清距离；l₁.沉积滩干滩长度

图7-2　斜槽-管（洞）式排洪系统

1.斜槽；2.结合池；3.连接管；4.隧道