郑 伟，刘金勇

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.江西铜业股份有限公司德兴铜矿，江西 德兴 334224)

一种冶炼渣筑坝性质的研究

郑 伟1，刘金勇2

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.江西铜业股份有限公司德兴铜矿，江西 德兴 334224)

以广西某冶炼厂的渣为背景，通过对该冶炼渣的物理力学性质以及水理特性的分析，探讨其用于筑坝的可能性，并提出了具体的筑坝方案以及工程措施，具有普遍的现实意义。

冶炼渣； 筑坝方案； 力学性质

1 前言

随着堆筑工艺技术的进步以及环保要求的提高，筑坝材料也在不断更新，各种固体废弃物(尾矿、赤泥)也相继用于筑坝。较为常见的有尾矿坝、赤泥坝等，这对于解决日益稀缺的土地资源和不断增长的废弃物堆存空间需求之间的矛盾是有利的。对于冶炼渣而言，由于冶炼工艺以及原生矿物的不同，渣的性质也千差万别，而且颗粒极细、固结性差、强度低，通常被认为是不适宜筑坝的。

目前冶炼渣最为常见的处置方式是陆地堆存，根据合适的地形采用土石料一次性建坝，建立类似水库式的堆渣场。传统意义上认为冶炼渣不能用于筑坝主要是针对水力冲填法而言的，冶炼渣颗粒细，无法依靠水流的作用产生分级，使粗颗粒近处沉淀形成坝体。但是随着脱水技术的进步以及堆存工艺的提高，干式堆存、膏体堆存等更为安全、高效的堆存方式被应用到生产实际中，这就使得利用冶炼渣碾压式筑坝成为了可能。

固体废弃物的处置越来越受到各方面的重视，排海、综合回收利用等手段还在不断地探索中，利用冶炼渣堆坝，尽量减少土地浪费是目前最具有现实意义的做法。本文就通过对一种冶炼渣各方面性质的分析类比，论证其筑坝的可行性。

2 问题的提出

广西某镍业公司生产4种冶炼渣：浸出渣、堆浸渣、钙镁渣、石灰渣。根据环评报告，4种渣皆属于一般工业废弃物Ⅰ类。项目存在的主要问题是堆渣量大，很难找到合适堆存地址。项目所在地属于桂东南丘陵区，地貌类型以平原为主，兼有谷地、盆地、岗地、丘陵等，绝对海拔都不高，周围以农田为主，居民住户星罗棋布，河流分布。

结合实际情况，参考当地安监部门的建议，设计采用干堆技术处理冶炼渣，降低安全隐患，减小对下游居民生活、生产的影响。因此，对于干堆冶炼渣，能否参照均质土坝或者粘土心墙对干渣本身进行碾压堆筑是本文探讨的主要问题。

理论上讲任何土料只要不含有大量有机混合物和水溶性盐类都可以用来筑坝，各种土料筑坝的适用条件都是经济问题，即采取辅助工程措施所付出的代价。冶炼渣的特点是颗粒细、孔隙比大、含水率高、固结慢，一般不用于筑坝，但如果把冶炼渣也看做是一种特殊的“土”，在经济上可以接受的范围内，采取一定的工程措施后利用冶炼渣筑坝，达到节约土地资源的效果，其社会效益是不可估量的。下文将分别从常规物理力学性质、水理性质以及特殊性三方面对冶炼渣的性质进行阐述分析。

3 物理力学特性分析

目前镍业公司生产4种冶炼渣：浸出渣、堆浸渣、钙镁渣、石灰渣，共计2 400t/d，其中以浸出渣为主，本文则以浸出渣为例说明。

为研究浸出渣的堆坝性质，掌握其力学特性，对其分别进行了常规土力学实验、粒析实验、三轴实验等。实验结果见表1、表2和表3。

表1 浸出渣粒度组成

表2 浸出渣物理参数

表3 浸出渣力学参数

从粒度分析结果来看，该渣颗粒极细(比赤泥还要细)，-0.074mm(-200目)的颗粒含量占91.7%，粘粒含量(<0.005mm)为34.9%，胶粒含量(<0.002mm)含量31.3%。从常规土力学实验结果来看，该冶炼渣天然含水量高、孔隙比大、塑性指数大、液限高、塑限高、干容重低，属于典型的高压缩介质；击实后冶炼渣的各项物理指标较原状渣好些，干容重有所提高，但是孔隙比仍然较大。击实后压缩性指标有所改善，压缩系数略大于0.1MPa-1，属于中等偏低的压缩性介质。从三轴实验结果来看，对于原状渣样，除了不固结不排水剪工况下的内摩擦角偏小以外，其余两种工况(固结不排水剪、固结排水剪)下的力学指标相对较好，内摩擦角接近粉砂而且有很大的粘聚力。对于击实后渣样指标则更好。

4 水理特性分析

从上述的物理指标来看，该冶炼渣颗粒极细、孔隙比大，从物理性质上可以将其看做粘粒含量很高的粘土，比表面积大，亲水性强。如果考虑碾压筑坝其水理特性也是一个很突出的问题，比如膨胀性、收缩性等都是很重要的参数，对于冶炼渣胀缩性质的分析可以参照膨胀土的相关判别标准，实验结果见表4。

对于土膨胀性的判别，国内外也没有统一的标准。决定其膨胀性的因素是多方面的，有内在因素(如土体结构特征与矿物成分)，也有外部条件(地理环境以及气候等)，反映土水理性质的指标也较多，包括直接反映其胀缩性的指标(自由膨胀率、膨胀力、线缩率等)，间接反映胀缩性的相关物理力学指标(塑性指数、胶粒含量)，各指标间的相关性也比较复杂，因此必须结合试样的自身特点与实际情况综合判断。

表4 浸出渣水理特性参数

国外对于土膨胀性判别比较成熟的有南非、印度、美国及前苏联，但是其判别标准、指标选取也很不统一。总体上讲都是从塑性指数、胶粒含量、膨胀率、液限、线缩率这几个基本指标来综合判断。目前我国对于膨胀土的规定也很不统一，建筑部门采用自由膨胀率判断，但该指标受实验影响大，人为干扰因素多，单一的以自由膨胀率作为判断依据其可靠性是存在问题的，只能用作初步判断。铁路部门以自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量3个指标来综合判断，但是后两个指标测试困难，而且也不太适合本工程；公路部门也没有给出明确的标准，过去的规范是以自由膨胀率、胶粒含量、胀缩总率3个指标综合判断，目前中交第二公路勘察设计研究院又提出了一个适合我国各地膨胀土工程性质的试行标准，即以自由膨胀率、塑性指数、标准吸湿含水量3个参数作为控制指标。但是对于标准吸湿含水量这个指标的详细解释以及试验标准还没有普及，很多实验单位并没有这个指标的测试项目。

从上述分析中不难看出，不同部门对于膨胀的判别标准、膨胀指标的选取都有各自的特点，也有一定的局限性。对于本设计，目的是判断冶炼渣的胀缩性质，并不是判断其是否为膨胀土，因此本设计采用各部门比较通用的自由膨胀率、塑性指数、胶粒含量、收缩指标来综合判断。以浸出渣样为例：自由膨胀率7%，塑性指数18.6，胶粒含量31.3%，收缩指标中体缩率20.88%，线缩率7.07(详见表4)。综合判断，自由膨胀率与胶粒含量都在非膨胀土的范围内，塑性指数偏大，但也在弱膨胀土的控制范围内，总体上该冶炼渣的膨胀性并不显著，也没有体现出所谓的快速崩解性，从这点上看，采取一定措施是可以考虑用于筑坝的。

值得注意的是冶炼渣的收缩性指标均偏大，包括体缩率、线缩率等，从现有堆场的实际情况来看，这种细粒冶炼渣在外部荷载强制脱水后可能出现干裂的情况。但考虑到实验使用风干重塑样完成，并不能完全反应出原状样的特点，而且对于这种颗粒细、不宜排水的冶炼渣，即使采用机械辅助翻晒、碾压等措施，也很难大幅度降低含水量，因此不大可能出现大面积的干缩现象。但是实验结果确实反映的这些特性，如果考虑用该冶炼渣筑坝还需要做一些辅助措施。

5 特殊性质分析

对于目前其它比较成熟的常用于筑坝的固体废物，比如尾矿，通常还是可以类比砂料等筑坝材料应用，因为从整个工艺流程来讲，尾矿是由原生矿物经过运输、破碎等一系列物理变化的产物，现利用尾矿筑坝也比较普遍。而就冶炼渣而言，通常是经过高温高压或者萃取提炼等一系列化学反应，其力学性质有一定的变化。因为影响土性质的最主要因素就是土中的水，经过高温高压后土粒矿物内部的结晶水很有可能析出，从而很有可能影响土的各种性质。从对浸出渣的实验结果分析中就不难看出两个明显不符合常规的认识。一是浸出渣滤饼的天然含水量大于液限却呈固态状，如果单从样品表面判断，渣样应该处于硬塑状态，经过一段时间的揉搓，表面有渗水析出。但实验结果表明其含水率却高达60%～70%，接近或高于液限却仍然呈块状固体，可以通过汽车运输至渣场堆存。另一个不符合天然土的特点就是这种高液限、高粘粒含量、高孔隙比、高压缩性的物料其力学性质应该接近淤泥，但从实验结果来看，其力学指标还相对较好，不但内摩擦角接近粉砂而且还有很大的粘聚力(见表3)。至于造成这种不符合常规性质的原因究竟是由于试验操作方法、人为因素造成的，还是该冶炼渣内确实含有某些化学胶凝成分有待于做进一步研究。

6 冶炼渣筑坝实例

从上述分析中不难看出，该冶炼渣既有类似高液限土的诸多性质，也有不符合天然土料的特有性质。总体上讲，天然含水量高、孔隙比大、液限和塑限高，压缩性大，力学指标相对较好，膨胀压力小、膨胀性不显著，收缩性大。至于固态含水量高于液限这种不符合常规的性质也是需要充分考虑的，需要在实践中摸索，慢慢积累经验。

设计考虑初期坝采用当地天然土石料堆筑均质土坝，坝顶宽5m，最大坝高23m，坝顶长320m，上游坡度1∶2.5，下游坡度1∶2，上下游均设置一个2m宽的马道，下游坡脚采用堆石棱体排水。后期考虑用冶炼渣堆积子坝，子坝坝高3m，共分3层堆筑总高9m，内、外坡坡度均为1∶3，子坝坝顶宽5m，最终总坝高32m。

考虑到冶炼渣收缩性大的特点，还需要采用相应措施尽量降低其影响，子坝坝坡需要用50cm厚当地土石料覆盖，子坝坝顶还需要铺设干砌块石。在实际运行过程中还可以试验采用掺入石灰等方法来改良该冶炼渣的性质。在冶炼渣堆存过程中也要时刻关注其物理性质的变化，随时总结经验，以做到万无一失。

7 结语

通过对冶炼渣物理力学性质的分析，特别是其水理特性的研究，将该冶炼渣看做是一种特殊性质的“土”作为筑坝材料，并应用于生产实际。本文给出了具体的筑坝方案以及相应的工程措施，虽然随冶炼工艺以及矿石性质的不同冶炼渣的筑坝特性不可一概而论，但是文中采用的分析方法还是具有普遍的借鉴意义。

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Study on the damming characteristics of a smelting slag

Based on a slag of smelting plant in Guangxi province, the physical and mechanical property of the slag was analyzed. The damming practicability by using this slag was studied, and the detailed damming scheme and engineering measures were proposed, which has general significance.

smelting slag; damming scheme; mechanical property

TD926.4+1

A

郑 伟(1981-)，男，山西大同人，高级工程师、主要从事金属矿山配套小型水利工程、尾矿库、垃圾填埋场、冶炼渣场以及浆体管道输送等工程的咨询及设计工作。