高寒地区尾矿库冻土分布及冻融规律研究_陈荣健.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-08-23基金项目 河北省自然科学基金重点项目(编号:A2020210008)。作者简介 陈荣健(1972),男,高级工程师。通信作者 张诏飞(1987),男,高级工程师。高寒地区尾矿库冻土分布及冻融规律研究陈荣健1 张诏飞2 席 伟2 闻 磊3(1.伊春鹿鸣矿业有限公司,黑龙江 伊春 152500;2.中铁资源集团勘察设计有限公司,河北 廊坊 065000;3.石家庄铁道大学工程力学系,河北 石家庄 050000)摘 要以小兴安岭地区某尾矿库为例,采用库区滩面调查、钻探、井温测试等方法,查明了库区冻土的发育特征和分布范围。通过对获取的冻土分布范围信息进行汇总分析,并结合放矿方式、地温监测等数据,分析冻土的形成和消融规律,研究冻土的形成、发育边界范围和冬季滩面冰冻层的发育程度。研究发现,在持续放矿过程中形成的保温层,保证了冻土的消融环境,库区渗流也加快了冻土的消融过程;采取合适的放矿方式和除冰措施,能有效减少冻土发育的下游边界范围;库面上升速度将影响冻土的消融环境,在 68 m/a 上升速度条件下,库内冻土基本在发育形成后 3 a 时间内消融完成;如库面上升速度增加,冻土消融的条件变差,库区可能出现常年不融化的冰冻层。关键词 高寒区 尾矿库 冻土 冻融规律 中图分类号TD926.4 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-209-08DOI 10.19614/ki.jsks.202302029Study on Distribution of Frozen Soil and Freeze-Thaw Law of Tailing Pond in Alpine RegionCHEN Rongjian1 ZHANG Zhaofei2 XI Wei2 WEN Lei3(1.Yichun Luming Mining Co.,Ltd.,Yichun 152500,China;2.China Railway Resources Group Survey and Design Co.,Ltd.,Langfang 065000,China;3.Department of Engineering Mechanics,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050000,China)Abstract Taking a tailings pond in Xiaoxinganling area as an example,the development characteristics and distribution range of frozen soil in the reservoir area are ascertained by means of beach surface investigation,drilling and well temperature test.By summarizing and analyzing the obtained information on the distribution range of frozen soil,and combining with the ore drawing mode,ground temperature monitoring and other data,the formation and ablation laws of frozen soil are analyzed,and the formation of frozen soil,the development boundary range and the development degree of frozen layer on the beach in winter are studied.It is found that the thermal insulation layer formed in the continuous ore drawing process ensures the melting envi-ronment of frozen soil,and the seepage in the reservoir area also accelerates the melting process of frozen soil;Adopting appro-priate ore drawing methods and deicing measures can effectively reduce the downstream boundary range of frozen soil develop-ment;The rising speed of the reservoir surface will affect the melting environment of the frozen soil.Under the condition of 6-8 m/a rising speed,the frozen soil in the reservoir will basically be melted within 3 a after its formation;If the rising speed of the reservoir surface increases,the thawing conditions of the frozen soil become worse,and the frozen layer may appear in the reser-voir area.Keywords alpine district,the tailings pond,permafrost,law of freezing and thawing冻土是指具有负温或零温度并含有冰的土(岩),在我国高海拔、高纬度等寒冷地区广泛分布1。受冻土分布影响,高寒区尾矿库在尾矿力学性质、库区渗流、坝体稳定等方面具有鲜明的特点2-6。因此,进行高寒尾矿库冻土方向的研究具有重要的实际意义。在冻土对尾矿库的影响方面,学者们进行了相关探讨。赵媛7建立了河北某含冰尾矿库的三维数值模型,进行渗流稳定分析,得出冻土分布对库区渗流场形成的影响规律;杨永浩8采用试验方法,对冻融循环条件下尾矿的物理力学性质进行研究,得到冻结尾矿的破坏形式和渗透性能变化规律;刘友能等9对冻融前后的尾矿土分别进行常规三轴固结不排水剪切试验,得到了反复冻融条件下尾矿土的强度弱化902规律;沈楼燕10从冻土的角度出发,结合堆坝、库容等问题,探讨了高寒地区尾矿库设计工作应当注意的问题。另一方面,库区冻土的形成和变化为动态过程,随气候条件、放矿活动、筑坝条件的变化而改变。郭天勇等11详细论述了库区冻土及冬季放矿的特点和危害,并针对库内冻土可能引起的渗流、坝体变形等问题,提出了尾矿堆积坝冬季放矿冻结计算方法;刘石桥等12从冻土的概念出发,论述了冻土在尾矿库的形成过程中对尾矿库的危害,并提出了一些防治措施;冯晓莉等13研究了三江源地区气象观测站的逐日冻土深度、平均气温、降雨量等数据,揭示了地区季节性冻土的冻融时间、冻结深度时空分布特征等与气候变化的关系。可见,目前的冻土研究多关注于冻土的形成条件以及冻土对尾矿库的危害程度评价,对于冻土在库区的分布特征及冻融变化规律的研究则较少。本研究以小兴安岭地区某尾矿库为例,采用钻探、井温测试等方法,揭示了库区冻土的分布、冻融变化与季节变化、放矿筑坝等之间的关系,为尾矿库的渗流分析、稳定性评价及放矿筑坝优化设计等提供了依据,可为高寒地区尾矿库冻土研究提供参考。1 工程实例1.1 尾矿库概况尾矿库位于小兴安岭地区,北纬 47.35,冬季寒冷漫长,夏季湿热短暂,年平均气温仅为 2.3,库内封冰期在每年的 9 月下旬,翌年 3 月上旬为解冰期,冰层逐渐融化。1 月份最冷,平均气温-23.8,最低气温-42.6。尾矿库为山谷型尾矿库,由中部山脊分为 1#库和 2#库,采用湿排法和上游法放矿筑坝,二库初期坝均为透水堆石坝,坝顶标高均为 440 m,当坝顶标高达到 460 m 时,二库合成一库。设计总坝高为 198 m,总库容为 4.29108 m3,为二等尾矿库。尾矿堆积坝采取上游式筑坝,每期子坝高 3.0 m,年上升高度 68 m。尾矿库排放量(尾矿)1 500 万 t/a,入库尾矿细度-200 目约 60%。放矿方式分为 3 个典型阶段:2017 年以前为全尾放矿期;20172018 年为旋流器放矿初期,采用 FX350 旋流器进行放矿筑坝(坝顶标高 456.0 m、滩顶标高 451.0 m 及以上),底流管在坝前处放矿、溢流管在库内 70 m 以外进行放矿;2019年以后为新型放矿筑坝期,在非冰冻期应采用旋流器分级分区放矿筑坝工艺,在冰冻期放矿筑坝采用全尾库内集中放矿方式,尾矿经输送上坝后经支管延伸至坝前一定距离放矿,放矿时采用支管后退式操作方式。1.2 尾矿库勘察2020 年年初,堆积坝坝顶高程 473.0 m,总坝高70 m,已达到设计总坝高的 1/3 以上,矿方安排了尾矿坝的稳定性评价工作。为提供基础地质数据,同时为查明库区尾矿沉积和冻土分布规律,对堆积坝体和库内重点区域开展了勘探工作,勘探点布置见图 1。图 1 勘探点平面布置Fig.1 Layout plan of exploration points012总第 560 期 金 属 矿 山 2023 年第 2 期 勘探方法以库区滩面调查和钻探为主,同时采用井温测试法(假井温)验证钻探揭露的冻土发育情况,在钻孔终孔后安装薄壁 PVC 管,放置 24 h 后,采用温敏电阻式传感器测试钻孔内不同深度内的温度。正常条件下,井温曲线应为连续分布的平滑曲线,受冻土造成的低温影响,平滑曲线在对应深度内形状变化,以此作为判断冻土发育的标志,和钻探揭露的冻土发育深度相互验证。图 2 为无冻土发育钻孔(图 2(a)和有冻土发育钻孔(图 2(b)井温测试曲线对比,可以看到,在冻土段落井温曲线发生了显著的变形。图 2 井温测试曲线对比Fig.2 Comparison of well temperature test curves2 库区冻土发育和分布特征2.1 冻土发育特征库内封冰期在每年的 9 月下旬,翌年 3 月上旬为解冰期,冰层逐渐融化。勘察揭露的滩面冰层最大厚度为 4.0 m。因解冰期平均气温仍较低,冰层融化速度缓慢,且冰层多与浮泥混合分布,平缓滩面下库水流速平缓,库内未见流动的浮冰。冰层融化过程中体积减小,释放出部分库容的同时,造成库区孔隙水压力上升,一方面升高了库区和堆积坝体内的浸润线,另一方面造成尾矿库回水量增大,要求排洪系统具备更高的承压能力和排洪能力11-12。从滩面调查(图 3(a)和钻探揭露(图 3(b)的情况来看,库区冻土的成分主要为尾粉砂,肉眼可见分凝冰、冰层与冻土层呈千层饼状互层排列分布,这种分布特征与冬季间歇性放矿直接相关,放矿期间滩面溢流的尾矿浆温度较高,不易结冰,在后期沉积过程中形成冻土层;非放矿期间,库区水面温度较低,冻结形成条带状冰层。冰条带厚度在 2030 mm 之间,按照含冰特征,应定名为富冰冻土饱冰冻土。冻土岩芯坚硬,土颗粒被冰层胶结,属于坚硬冻土,遇热融化14。图 3 冻土发育形态Fig.3 Development form of frozen soil2.2 冻土分布特征根据勘察结果,库区共分布 3 层冻土,其分布范围与历史水面大致相近。分布特征见表 1,分布范围见图 4 和图 5。表 1 冻土层分布特征Table 1 Distribution characteristics of frozen soil layer 冻土层库