罗先进,杨小全

(贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)

赤泥的处置是氧化铝、氢氧化铝生产工艺的重要组成部分,从20世纪90年代以来,我国铝行业设计院与各氧化铝生产企业共同努力,对赤泥干法堆存技术做了大量工作,从工程实践到理论研究积累了许多成功的经验,获得了显著的社会效益和经济效益。赤泥干法堆存与传统湿法堆存工艺相比,仅土地利用效率就提高了30%～40%,同时堆场的溃坝和渗漏风险大幅降低。据不完全统计,全国已建成干法赤泥堆场几十余座,在赤泥综合利用尚未实现消化大部分赤泥的情况下,干法堆存已成为赤泥堆存技术的主要发展方向。

在2014年之前,国内尚无赤泥堆场的设计规范,赤泥堆场基本上是参照尾矿库的标准进行设计。随着对赤泥性质认知的深入,发现其与尾矿有着较大的差异,需要有针对性的设计标准和规范,来指导设计和运行管理。2014年国标《干法赤泥堆场设计规范》发布,国内干法赤泥堆场的设计按此执行,其审批、验收、取证及运行管理均参照《尾矿库安全监督管理规定》(国家安全生产监督管理局令第38号)和《非煤矿矿山企业安全生产许可证实施办法》(国家安全生产监督管理局令第20号)进行。据我们理解,最新两个文件《关于印发防范化解尾矿库安全风险工作方案的通知》(应急〔2020〕15号)和《遏制尾矿库 “头顶库”重特大事故工作方案》(安监总管一〔2016〕54号)不适用于干法赤泥堆场。另通过我们的了解,国内的干法赤泥堆场大多数下游1 km范围内存在村庄、厂区或者高速公路等情况,目前均是参照尾矿库管理,并未纳入头顶库管理范畴。

1 干法赤泥堆场概况

贵州某氧化铝厂采用拜耳法生产工艺,采用干法工艺对产生的赤泥进行堆存处置,堆场类似于“平地型”,总占地面积约0.8 km2,实际最大堆存面积0.5 km2,四周垭口筑初期坝1～7#,往上整体再以上游式筑坝工艺继续堆存,始终保持“四周高、中间低”运行模式,堆存规划分为二期实施,总库容约为2600万m3,总坝高75 m,属于三等赤泥堆场。堆场共分为4个堆存小区,中间“十”字形交叉坝分隔,每个区各设置1座排水竖井,收集场内垂直降雨,每级子坝顶形成环场道路,1#初期坝外坡面设入场上坝道路,赤泥滤饼经入场道路、环场道路、中间分隔坝运送至堆场内。

赤泥堆场在氧化铝厂区东北方向,堆场下游500 m范围内无集中居民点,1#初期坝下游为回水池、回水泵房,距离400 m为氧化铝仓及包装堆栈,2#初期坝下游500 m为原料均化库,3#副坝下游300 m为高速公路匝道,4#副坝下游300 m为高速公路匝道,500 m处为高速公路主线,5#、6#和7#副坝下游均为农田。参照尾矿库管理要求,从坝脚起至下游尾矿流经路径1.0 km范围不能有居民或重要设施,但赤泥有其特殊性,干法赤泥堆场不完全等同于尾矿库。

2 干法赤泥基本性质

2.1 赤泥定义及化学成分

赤泥为“用含铝的矿物原料制取氧化铝或氢氧化铝后所产生的废渣”,是化学冶炼产生的工业废渣,化学成分主要为SiO2、Al3O2、Fe2O3、CaO,其具体数值与生产所用铝土矿的原始成分密切相关,本研究针对的贵州某氧化铝厂,采用国内一水硬铝石型铝土矿生产。

2.2 赤泥的性能研究

为了更清楚的掌握赤泥的性能,对压滤后的赤泥滤饼进行了大量的试验研究。主要包括颗粒粒径、含水率、渗透性、抗剪强度等基本性质试验;自然固结及击实试验;赤泥浸泡试验;赤泥淋洗试验等。

(1)颗粒粒径

赤泥的颗粒组成主要为粉粒组和粘粒组,其中粉粒组平均含量为40.793%,粘粒组(包括胶粒)平均含量为22.397%,接近粘质粉土或者粉质粘土的颗粒组成,不均匀系数平均值为66.7,曲率系数平均值为3.39,均匀性差,颗粒级配较好。

(2)物理力学指标

新鲜赤泥滤饼的性质类似于粉质粘土,含水率高,空隙比大,接近饱和状态。其粘聚力平均值为25.8 kPa,摩擦角为23.6°,颗粒粒径细,力学性质好。击实试验表明,最优含水率41%,最大干密度1.33。现场赤泥虚铺厚度0.5～1.0 m,经过10天的自然晾晒,便可达到最佳含水率附近。

(3)浸泡试验

现场在自然固结赤泥进行试坑浸泡试验,浸泡24小时,结果显示仅表面之下1～2 m的范围含水率有所增强,强度指标下降至75%左右,碾压后赤泥渗透系数能够达到1x10-7cm/s。

(4)赤泥淋洗试验

现场通过对固结区赤泥进行淋洗试验,发现淋洗液在初期的pH值约9.0,但随着降雨持续延长,赤泥中碱被带走,淋洗液的碱含量降低,pH值逐渐减小,随降雨持续,最后pH值趋于稳定约8.0,且雨水悬浮物很低(根据回水池的检测约80 mg/L)。因赤泥的粘结性能好,雨水冲刷基本上不带走赤泥。

根据国内大型赤泥堆场赤泥性能的试验研究,因矿石的特性及冶炼工艺的差别,导致赤泥的性能指标上有所差异,但是整体而言均是渗透系数小、黏聚力高、强度高。

2.3 赤泥与尾矿的区别

赤泥和尾矿从定义上、产生的工艺上,是两种截然不同的产物,赤泥是化学冶炼的产物,而尾矿是物理过程的产物。赤泥的颗粒粒径、渗透系数与尾粉质黏土类似。从物理力学性能指标上比较,其强度指标远远高于同颗粒粒径的尾矿,所以赤泥不同于尾矿,是两种不同类型的物质。

目前国内赤泥堆场均采用滤饼干法堆存技术,赤泥的堆积方式为:压滤脱水晾晒后,层层碾压堆积形成。根据各干法赤泥堆场的运行情况,坝体内不存在浸润线,且堆场内正常情况下无积水,安全环保风险很低。而国内绝大多数尾矿库均是直接湿法浆液排放,库内长期积水,存在浸润线,尾矿经过自然沉积形成堆积状态。因此,干法赤泥堆场与尾矿库在堆存物料、堆积过程、堆存状态上有着较大的区别,所以干法赤泥堆场不完全等同于尾矿库。

表1 赤泥与尾矿的对比分析表

3 干法赤泥堆场本质安全分析

3.1 坝坡稳定性分析

根据堆场现状勘察参数进行各坝体的稳定性分析,选用各垭口处最大(最不利)断面作为计算断面,采用瑞典圆弧条分法,考虑了正常运行、洪水运行、特殊运行等3种工况,各工况计算参数选取:正常工况按现状勘察参数正常取值;洪水工况根据赤泥浸泡试验结论,对表层2.0 m厚赤泥的参数进行强度折减;特殊工况在洪水工况基础上再叠加7度地震的影响。共进行了6个坝体断面的稳定计算。

从分析的结果可知,堆场各垭口处最大堆积体在各工况下的稳定安全系数均满足规范要求,且安全富裕量大,本堆场为三等堆场,其边坡稳定系数达到了二等堆场的安全系数要求,甚至已超过了一等堆场的安全系数要求,坝体失稳(滑坡)风险非常低。

3.2 排洪系统排水能力及结构可靠性分析

(1)排水能力分析

赤泥堆场防洪标准按三等设计,按二等进行校核,洪水重现期取1000年一遇。

堆场共设置4座钢筋砼竖井,直径2～4 m,各排水竖井上每隔0.8 m设置有4个φ400的排水口,窗口式竖井按自由泄流公式计算进水能力,当水位高度达到2.8 m时,竖井泄流能力已大于洪峰流量,水位将不再上涨,因此在竖井周围设置深3.0 m的调洪池,竖井便可满足直排洪峰需要,不会出现洪水漫顶风险。

(2)排洪系统的结构可靠性分析

排洪系统采用井-管式方案,堆场底部DN1600-1800的排洪管均为现浇钢筋砼管(C30砼),为加强排洪管道的安全性,管内还加衬了DN1600、DN1800钢管,经结构强度复核,排洪竖井及管道均满足赤泥堆至最终880 m标高时的荷载要求。通过多年的巡检和观测,目前的排洪竖井及管道运行状态良好,未发现有开裂、变形、及堵塞现象。

所以,经过排洪系统排水能力及结构强度的复核,可以确定堆场的排洪系统排洪能力满足条件、安全可靠性高,不会出现排洪系统失效或堵塞的风险。

通过上述坝体边坡稳定性分析及排洪系统的可靠性分析,可以得出如下结论:赤泥堆场采用技术成熟的压滤滤饼干堆方案,分期干赤泥筑子坝,坝体安全富裕度高;排洪系统安全可靠,排洪能力满足高标准要求;加之企业的严格管理和运行,确保了该堆场的稳定性和防洪安全。

4 干法赤泥堆场对周边安全影响控制区域分析

(1)坝体失稳对周边环境影响的分析

根据该堆场的特点:堆场表面平时无积水,堆积体内不形成稳定浸润线、坝体区域全碾压,各坝体的稳定安全系数富裕量大。因此,该干法赤泥堆场不存在溃坝的可能。

该堆场现场新鲜滤饼实测的自然安息角约40°,而目前堆场各堆积边坡坡度约20°～25°,小于自然安息角,所以,发生滑坡的可能性也很小。

根据《贵州省尾矿库安全管理办法》(省政府114号令)第五条要求,在赤泥堆场安全设施设计审查时,结合坝高划定并审批了堆场周边的安全控制区域为172 m,该划定的安全控制距离为特殊情况下坝体失稳的最大影响距离。

滑移距离计算公式:

式中:H——堆积坝高,m;

Ф——碾压赤泥内摩擦角,取23.5°;

L——滑移距离,m。

又根据赤泥堆场周边环境调查,堆场1#初期坝下游为回水池、回水泵房,2#初期坝下游500 m为原料均化库,3#副坝下游300 m为高速公路匝道,4#副坝下游500 m处为高速公路主干道,因此,在审批划定的172 m安全控制区域内无重要设施,高速公路和厂区均在安全控制区域之外。

综上可知,该干法赤泥堆场坝体安全富裕度高,赤泥力学性质好,不存在坝体溃坝的风险,即使发生坝体失稳,其影响范围很小,对周边环境的安全影响可控。

表3 堆积体滑移距离测算统计表

(2)降雨形成泥石流的可能性分析

该赤泥堆场类似于“平地型”,周边汇水面积很小,主要的降雨集中在堆场表面。从调洪计算分析可以看出,赤泥堆场排洪系统已满足二等库(1000年一遇)洪水标准,洪水漫顶的风险很低,即使按该区域极端暴雨情况(最大可能降雨)分析,竖井和管道的排洪能力也能满足要求,不会发生洪水漫顶的情况,不会形成泥石流对周边环境造成破坏。

根据赤泥的模拟降雨淋洗试验结果,在不同降雨量条件下,随着降雨持续时间延长,淋洗液开始pH值较大,随后逐渐变小,最后趋于稳定,且雨水悬浮物很低(根据回水池的检测约80 mg/L)。因赤泥的粘结性能好,雨水冲刷基本上不带走赤泥,不具备形成泥石流的条件。

堆场内部的降雨不出现漫顶,降雨主要是对赤泥堆积坝体边坡(面积较堆场小很多)的冲刷。目前的堆积坝边坡均采用防渗膜铺盖、且各堆积坝坝顶均设置有排水沟收集雨水进入回水池,能有效的控制降雨对堆场边坡的影响。

表4 极端暴雨情况(最大可能降雨)排洪能力复核表

综上可知,该干法赤泥堆场无论从漫顶可能性、还是从冲刷带走赤泥的可能性,均不具备形成泥石流的条件,不会对下游环境造成破坏。从堆场这么多年的运行情况来看,也充分证实了这点。

5 结 语

(1)赤泥具有渗透系数小、胶结性好、强度高等特性,决定了其不同于尾矿,干法赤泥堆场与尾矿库在堆存物料、堆积过程、堆存状态上有着较大区别,所以干法赤泥堆场不完全等同于尾矿库。

(2)通过堆场历次安全现状评价,以及堆积边坡的稳定性分析和排洪系统的排水能力与结构强度的复核,堆积坝边坡稳定系数富余量大,虽为三等堆场,且安全系数满足一等堆场的要求;排洪系统排水能力超过二等堆场的防洪标准,即使遇到极端情况(最大可能降雨),其排水能力依然满足不漫顶,并能在72小时内排出库外,排水系统的结构强度满足堆积荷载要求;堆场运行管理严格按照设计和相关规范要求进行,坝体及排洪系统的监测和排查并未发现损坏、堵塞等现象,所以,该堆场的本质安全度较高,发生滑坡和泥石流的可能性很小,对周边环境安全的影响非常小。

(3)堆场下游1 km范围内无村寨居民,周边高速公路及厂区距离堆场边界约500 m,根据《贵州省尾矿库安全管理办法》(省政府114号令)第五条要求,在赤泥堆场安全设施设计审查时,结合坝高划定并审批了堆场周边的安全控制区域为172 m,该划定的安全控制距离为特殊情况下坝体失稳的最大影响距离,所以,该赤泥堆场对下游环境的安全风险可控。

(4)国内干法赤泥堆场的周边环境,大多数堆场下游1 km内存在村庄、厂区或者高速公路等情况。因赤泥是氧化铝冶炼工业废渣,其力学性能远优于同粒径类型的尾矿;同时赤泥经过压滤脱水、自然晾晒、再层层碾压形成堆积体,其安全性高,所以,目前国内干法赤泥堆场均是参照尾矿库管理,并未纳入“头顶库”管理范畴。