[实用新型]用于治理尾矿库中冻土的管网系统

说明书

技术领域

本实用新型属于矿山尾矿库领域，尤其涉及一种用于治理尾矿库冻土的管网系统。

背景技术

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。冻土涉及土、水、冰的物理性质耦合，同时涉及大气、冻土层及下部岩土体的热传导问题。

尾矿库的冻土现象与自然界的冻土现象在本质上是一致的，都有冻结和融化过程，都可分为永久性冻土和季节性冻土，但也存在显著的差异性：1)自然界的地面基本是固定的，而尾矿堆积坝滩面是不断上升的，冰面上升与滩面上升同步进行，其上升速度有的低于季节性冻土深度，有的远超过季节性冻土深度；2)尾矿浆在滩面上排放时，自身温度4℃～10℃，呈饱和状态，在滩面流动时分级沉积，边渗透边泌水，进入冰冻层后进一步在冰下沉积。

一般来说，季节冻土层除青藏高原外，春暖后在无覆盖的条件下当年内都会融化。对尾矿库而言，无覆盖的条件难以保持，因为尾矿库一般冬季采取冰层下放矿，堆积尾矿形成冻土，而春暖解冻以后，恢复坝前分散放矿。在冻土层未完全融化前进行分散放矿，相当于在尚未融化的冻土层上加了尾矿覆盖层。这时一般气温较低，被覆盖的冻土层的低温难以传导，只能保持原有的冻结状态，随着尾矿排放继续上升，加大冻土层的埋置深度成为深层冰冻层。深层冰冻层在平面沿某方向连续分布，垂直方向受季节影响为间断分布，埋置深度数米至数十米。沿水边线方向可以是连续的，也可以为不连续的。在垂直水边线方向的宽度，各个尾矿库会有所不同，与尾矿粒度、沉积滩纵坡、浸润线水位及坡降等因素有关。深层冰冻层受外界温度影响较小，尾矿覆盖导致低温难以传导出来，所以一般都维持冰冻状态。深层冰冻层坚硬，土颗粒被冰层胶结，但遇热融化。

尾矿库深层冻土层的主要危害表现在以下几个方面：

1)导致尾矿坝浸润线升高：对于浸润线较高的尾矿库，如果初期坝顶附近浸润线较高或逸出，可能形成坚硬冻土。由于坚硬冻土透水性差接近不透水，堆积坝渗流水被坚硬冻土阻隔，不能继续外渗形成壅水，导致坝坡浸润线上升。深层冰冻层位于堆积坝内，相当于不透水的隔水层，其上部来的渗流水流至此层时，受此冰冻层的阻隔，无法继续下渗，被迫转为水平渗流，直至此冰冻层下游侧边缘才能下渗，这就大幅度提高了堆积坝浸润线水位。

2)降低排渗设施的降水效果：由于深层冰冻层隔水作用，不论是垂直排渗或水平排渗，还是前期预埋或后增设的排渗，都因为受水平冰冻层隔水的作用，很难形成垂直降水漏斗，大幅度降低排渗设施的降水效果。

3)降低坝体的稳定性：浸润线埋深是影响尾矿坝坝坡稳定的重要因素，浸润线提高必然降低坝体边坡的稳定性。尤其是深层冰冻层在坝坡附近时，可导致坝坡长期渗水沼泽化，冻土解冻可能出现流冰甚至局部滑移。如果坝体浸润线在初期坝顶逸出，可能形成坚硬冻土，春暖来临时，上部松散冻土融化快，冰晶析水导致上部来水量大，而此时初期坝顶坚硬冻土融化慢且基本不透水，导致冻土上游水位上升快，渗透坡降增大，容易造成流土等渗流破坏，甚至导致坝体失稳。随着尾矿堆积标高的上升，库内深层冰冻层在长期高压、地热作用下，可能会出现融化，融化的冰冻层强度急剧降低，在距临空面厚度较小的条件下可能因此而导致坝体失稳。

4)冻土对尾矿库构筑物的影响：土体在冻结时由于土中水冻结成冰，与周围迁移来的水冻结产生体积膨胀，土体冻胀会使排水管隆起、脱节甚至裂缝，排水管两侧冻胀不均匀时可使管线弯曲、偏斜。土体冻胀不均匀可导致溢流塔偏斜甚至倒塌。冻土在融化时强度降低，会产生大的沉降变形，如果构筑物基础在冻土层内，构筑物产生沉降变形，产生不均匀沉降会导致构筑物倾斜、裂缝甚至破坏。

对于以上尾矿库深层冻土层的主要危害，现有一般的应对措施主要包括：

1)冰冻期低水位运行：为了减轻冻土的危害，冰冻期前尾矿库应进行低水位运行。低水位运行有三大好处：一是能使坝体浸润线水位低，冰冻时松散冻土范围大；二是坚硬冻土远离坝坡，如果形成深层冰冻层，对坝体渗流和稳定影响小；三是扩大冬季冰下放矿的库容。

2)冰冻期采取冰下放矿：为防止沉积滩形成矿浆冰冻块及流冰层，冬季高寒地区尾矿库采用水下放矿和冰下放矿。冰下放矿也应当进行多口放矿，以免一处尾矿堆满以堵塞管口，必要时还应在冰冻表层打孔放矿。

3)冻土融化后才恢复坝前放矿：为防止冻土层特别是坚硬冰冻层被排放尾矿覆盖形成深层冰冻层，每年春暖冻土开始融化时，不要急于恢复坝前放矿，应待坚硬冻土全部融化后再恢复坝前放矿。沉积滩短的尾矿库更应当如此，以防深层冻土层危害。