陈荣健 王伟明 刘 涛 曾霄祥3
（1.伊春鹿鸣矿业有限公司；
2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）
据统计，国内外严寒地区的尾矿库数量相对较多，但国内外学者对于严寒地区上游式湿排尾矿库冬季放矿方式的研究相对较少。唐艳华［1］结合实例分析了某严寒地区尾矿库细粒筑坝在采取一定措施后，提高了尾矿筑坝的稳定性；
沈楼燕［2］分析了高原高寒地区尾矿库设计中特有的技术难题；
刘石桥等［3］阐明了尾矿库中冻土存在状态及其对尾矿库的影响；
赵德贵等［4］进行了严寒地区尾矿库高浓度放矿方式的探索研究；
郭天勇等［5］详细论述了尾矿库存在的冻土危害及冬季放矿特点，并提出了尾矿堆积坝的冬季放矿冻结计算方法；
杨世亮等［6］对高寒高纬度地区尾矿库采用膏体放矿的方式进行了探索实践；
杨永浩［7］对冻融循环作用下的尾矿力学特性进行了试验研究；
赵媛［8］进行了严寒地区含冰层尾矿库渗流场的数值模拟分析，提出了避免冰层出现的措施；
齐吉琳等［9］对冻土性质及冻融后的力学特性进行了研究。上述研究均只是针对尾矿库坝体、膏体放矿或者冻土对尾矿库安全的影响方面进行的，对于严寒地区上游式湿排尾矿库冬季放矿方式和减少冻土影响的研究相对较少。
严寒地区尾矿库冬季运行的特点是冬季气温低、库内沉积滩及水域处于冻结状态，这一状态与非冬季运行有着显著的差异。严寒地区的尾矿库冬季运行如延续采用非冬季坝前滩面放矿方式，尾矿浆在低温作用下流动性差、甚至冻结。导致矿浆中的自由水无法离析、尾矿无法沉降；
水砂混合物被冻结后形成的冻土阻隔尾矿坝内渗流，次年解冻期冻土的解冻期长，且解冻时易产生坝体异常变形，影响尾矿库运行安全。本研究针对某严寒地区尾矿库冬季放矿方式，分别从现场调查、勘探、理论计算及破冰措施等多方面进行分析，结果表明该冬季放矿方式是可行的，为国内相同矿山尾矿库冬季放矿提供参考。
某尾矿库位于严寒地区，年平均气温为2.3℃；
1月份最冷，平均气温为-23.8℃，最低为-42.4℃；
冰冻期为11月至次年4月。该库属于山谷型尾矿库，采用上游法湿排式放矿。尾矿库设计总坝高为198 m，总库容为4.29×109m3，为二等尾矿库。该尾矿库入库尾矿量5×104t/d，堆积坝上升速度为6～8 m/a，冬季尾矿浓度为40%，尾矿比重为2.65。子坝堆筑每年进行2次，通常在汛期前完成子坝堆筑，汛期过后再堆筑下一期子坝。汛期后的子坝堆筑完成后，在坝前放矿，抬升坝前区域滩面标高，为冬季库内延伸集中放矿做准备。
尾矿库实际运行时，由于库内调洪区滩面平缓，尾矿库内滩面水边线距离滩顶太远，无法形成有效的能够容纳整个冬季运行期的入库尾矿量的冰下放矿区，故冬季运行无法采用冰下放矿。为避免冬季放矿导致坝前冻土层加厚，企业结合尾矿库实际特点，冬季进行全尾放矿，采用4根Φ300 mm放矿支管集中放矿，放矿区域位于坝前100 m以外区域。放矿过程中，随着放矿口处滩面上升，放矿口逐步向坝顶方向后退，并根据滩面尾矿上升情况适当调整放矿部位，确保滩面总体均匀上升。
为掌握该尾矿库冬季放矿时的滩面形态、主要放矿参数及堆积体内冰冻层赋存情况，特在冬季放矿期间进行了现场调查、数据监测及勘探工作。
2.1 现场调查
针对该尾矿库冬季放矿进行了现场调查及试验，现场放矿如图1所示。
由现场航拍可见，矿浆沿流道流向库内后，雪完全融化的区域为矿浆冲开或冰层很薄的区域，有矿浆水流动；
白色雪颜色稍淡的区域为尾矿浆深入冰盖层以下，并对冰上覆盖的积雪部分融化。同时监测反映库水位持续上升，表明尾矿浆已将非白色雪覆盖区域冰层融化，并进入未融化冰层以下，流向库尾回水浮船。
冬季放矿期间，对空气温度、放矿口矿浆温度、流道口部宽度和深度等进行了测量，部分数据见表1。
经过对冬季放矿情况观察分析，表明采用集中放矿可以很快形成放矿流道，矿浆沿流道向库内流动并在冰层区域深入到水下流向库尾。根据矿浆温度测算及现场观察，集中放矿矿浆具有融冰效果，只要放矿不停，矿浆不但不会冻结，还会对周边冰层进行融化。
2.2 勘探检测
为查明冬季放矿后尾矿堆积体内部存在冻土层的情况，分析在堆积坝内产生的冻土对坝体安全的影响，对堆积坝进行钻探测温。工程地质剖面如图2所示，部分钻孔井温数据如图3所示。
由工程地质剖面图可见，冰冻层主要分布于坝体上游滩面区，滩面以下20 m范围内；
堆积坝坡面区以下未见冰冻层。冰冻层为2层。根据各冰冻层分布标高推测上部冰冻层为2018年冬季形成的；
下部冰冻层为2017年冬季形成的；
2017年初及以前形成的冰冻层均已彻底消融不复存在。冰冻层平均层厚1.0～2.0 m，局部最大层厚3.9 m。该地区标准冻土深度为2.3 m，与勘探冰冻层厚度基本一致。
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钻孔内部温度监测表明，冰冻层附近的温度约0℃，位于堆积坝面区钻孔（ZK3-2）内温度随深度逐渐升高，近原始地表区域堆积体温度约10℃，靠近堆积体上表面区域堆积体温度主要受到外部气温影响较大。对位于库区滩面钻孔（ZK2-3、ZK4-3和ZK5-2）内部温度数据分析，存在冰冻层的钻孔，在冰冻层分布区温度为0℃，非冰冻层分布区温度在0℃以上，且随孔深增加而升高。近原始地表区域堆积体温度明显高于上部尾矿堆积体温度。
由上述分析可知，尾矿堆积体在整个冰冻期最大冻土厚度2～3 m。尾矿库堆积体内分布的冻层均为近2～3 a形成的，且处于持续融化状态；
被尾矿覆盖3 a以上的冰冻层均已彻底融化。堆积坝内温度随深度增加而升高，近底部原始地表区域温度稳定在10℃左右。冰冻层区域温度约0℃，非冰冻层区域温度均高于0℃，且随着未冻土层厚度增加而升高，靠近底部原始地表温度最高、且稳定。上述分析表明，该尾矿库冬季放矿方式不会导致堆积体内产生永久冻土层。
3.1 矿浆流温降距离计算
冬季极端低温情况下，当矿浆流动距离增加，其滩面覆盖区域扩大、流速减慢，矿浆温度随流动距离增加逐渐降低至0℃，继续流动时，温度继续降低，最终在滩面上冻结或进入冰层以下水域。矿浆温度由其在放矿口处的温度逐渐降低至0℃时的流动距离称为温降距离，可按式（1）计算。
式中，l为矿浆流自放矿口处的温度降低至0℃时的流动距离，m；
Cu为矿浆容积热容量，J/（m3·℃）；
θ1为放矿管口矿浆温度，℃；
u为滩面矿浆流流速，m/s；
h为矿浆流的深度，m；
λ为矿浆导热系数，W/（m·℃）；
θs为放矿时空气温度，℃。
结合现场调查及勘探结果，该尾矿库冬季空气温度分别按-30和-40℃计，放矿管口矿浆温度为6℃，矿浆流速按0.15 m/s，矿浆导热系数为1.275 W/（m·℃），矿浆容积热容量按4 300 000 J/（m3·℃）计，则矿浆自放矿管流出后温度降低至0℃时的流动距离计算结果如表2所示。
3.2 矿浆流冻结距离计算
矿浆流温度降低至0℃后，当继续流动直至出现冻结时的距离称为冻结距离，可按式（2）和式（3）计算。
式中，l"为矿浆流自放矿口处至出现冻结时的流动距离，m；
Q为矿浆流的相变热，kJ/m3；
λf为冰的导热系数，本文取2.22 W/（m·℃）；
L为水的结晶或融化潜热，一般工程热工计算中取334.56 kJ/kg；
ρd为矿浆干密度，本文取1.136 kg/m3；
W为尾矿含水量，以小数计，本文取值0.666；
W u为冻结尾矿中的未冻水含量，以小数计，依据勘察资料取值0.016。
计算不同矿浆深度下该尾矿库流动矿浆的冻结距离，结果如表3所示。
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3.3 结果分析
由上述温降距离和冻结距离计算结果可知，尾矿库冬季放矿在满足矿浆流深度不低于0.05 m时，矿浆冻结距离明显大于温降距离，表明流动的矿浆在温度降低至0℃后依然会继续向前流动，最短冻结距离为521.6 m。
该尾矿库现阶段运行标高下，正常运行干滩长度约400 m，冬季放矿管位于人工干滩区上游，故放矿口至冰盖层距离不超过400 m。冬季放矿采用库内全尾集中放矿方式，矿浆自放矿口流出后初期会沿沟道向库内流动，之后沟道内尾矿沉积后矿浆会在沟道两侧漫溢流动，但矿浆扩散后流动宽度明显小于非冰冻期坝前分散放矿时的流动宽度。因此，流动的矿浆进入冰盖层前是不会冻结的。
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冬季放矿期结束后，恢复坝前放矿前，为降低坝前干滩区表层冰冻层对坝体渗流及稳定性影响，在沉积滩面采用挖掘机开挖多条大断面横向沟及链式开沟机开凿破冰沟，实现冰冻层上下贯通，加快滩面冰冻层融化。
（1）从现场调查、勘探、理论计算及破冰措施等多方面分析，验证了某严寒地区湿排尾矿库冬季采用库内远离坝前滩面集中排尾的放矿方式是可行的，为严寒地区湿排尾矿库提供了具有操作性强和可推广应用的冬季放矿方式。
（2）上游式湿排尾矿库冬季采用库内远离坝前滩面集中排尾的放矿方式，不会增加整个冬季放矿期坝前最小干滩长度范围内冻层厚度，且库内上游滩面冰冻层在流动矿浆作用下不会增加其冻层厚度，且具有一定的融冰作用。矿浆沿滩面流道在冻结前能够在水边线处进入冰面以下，达到了冰下放矿的效果；
冬季放矿期在滩面上沉积的尾矿将在3 a以内彻底融化，不会形成永久冻土层。
（3）受企业正常生产运行影响，现场冬季放矿调查及监测工作开展时间相对较短，掌握的冬季放矿参数稍显不足；
冰冻层探测仅为勘察期间的数据，缺少地温长期的观测数据。今后研究需要重点针对持续跟踪冬季放矿滩面形态、放矿参数监测及设置永久性地温观测孔等方面进行，以便能够充分论证该冬季放矿方式的适用条件及进一步优化空间，为今后推广应用提供重要支撑。