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“航天科工杯”第三届中央企业青年创新奖评选

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细粒尾矿模袋法堆坝安全技术及工程示范
公司:北京矿冶研究总院 类别:A.科技创新成果

1、主要技术内容

       (1)细粒尾矿模袋法堆坝增强坝体稳定性机理研究:从堆坝工艺入手,分析细粒尾矿模袋体挤压固结排水机理、散体成为整体的机理、增强坝壳厚度机理、改变坝体滑动破坏方式机理、加筋措施加固坝体机理、排渗措施降低坝体浸润线的机理;综合全面分析模袋法堆坝对坝体稳定性的贡献。

    (2)细粒尾矿模袋体室内力学试验研究:研究灌入模袋体内的固结尾砂的力学特性、单独模袋体的力学特性、模袋体层间接触力学性能等,成果可为局部分析模袋体对坝体稳定性的贡献大小,并为模袋法尾矿坝坝体稳定性分析提供参数依据。

    细粒尾矿模袋体大尺度室外堆坝试验:研究实际工程应用的大尺度模袋体堆坝工艺,优化实施步骤;各尾矿砂灌袋固结效果,确定可适用于模袋法堆坝的细粒尾砂粒径范围;大尺寸模袋灌袋后其内尾砂的力学强度变化。

    (3)细粒尾矿模袋法堆坝坝体稳定性计算方法研究:基于常规竖直条分法及力学数值计算手段推求适合模袋法稳定性分析的计算方法。包括改进竖直条分法、模袋压坡极限平衡法、水平条分极限平衡法;通过对比分析,研究各方法在模袋法坝体稳定性分析中的适用性。

    (4)模袋法堆坝技术在大平掌尾矿库应用及实施效果:将技术应用于大平掌尾矿库后期坝体加高,开展具体堆坝工艺的分步有序实施;同时,将试验获取的力学参数指标及理论推求的模袋法堆坝的稳定性计算方法,应用于大平掌尾矿坝;将理论分析与具体堆坝工艺的结合、印证。

    (5)细粒尾矿模袋法堆坝增强坝体稳定性量化评估研究:计算不同模袋堆坝尺寸下(不同堆高、堆坝外坡比、堆坝内坡比)模袋法堆坝稳定性安全系数,通过与常规上游法堆坝方式进行对比分析,得出各工况对增强坝体稳定性的贡献;研究不同模袋法堆坝方式坝体稳定性提高的量化指标和相关规律性。

2、技术经济指标

    (1)模袋体力学性能指标:模袋体内尾砂抗剪力学参数较自然沉积滩面尾砂提高10%以上;固结模袋体的单轴抗压强度达29.5MPa;模袋体层间摩擦系数为粘聚力40KPa,内摩擦角28度。

    (2)适用于细粒尾砂粒径指标:本技术可满足入库细粒尾砂-200目含量在80%-90%的尾矿坝上游法堆坝要求;并可进一步拓展中线法及下游法堆坝所需尾砂的粒径分级。

    (3)基于下宽上窄模袋法堆坝方式的计算表明,通过优化模袋体堆坝尺寸,坝体整体稳定性安全系数提高30%以上。

    (4)模袋法堆坝技术的应用,解决了云南思茅山水铜业有限公司尾矿库与选厂生产能力不匹配的难题,创造了良好的社会效益,和显著的经济效益。

3、应用推广及效益情况

    该成果首先在云南思茅山水铜业有限公司大平掌尾矿库成功使用,通过成果的实施,使该库由险库转变为正常库,坝体安全性得到明显提高,作为矿山唯一使用的尾矿库,保证尾矿库的安全运行,具有显著的经济和社会效益。将所积累的模袋法堆坝技术应用及理论研究成果进行系统归纳总结,提出成套模袋法堆坝关键技术,制定技术推广思路,便于模袋法堆坝技术在偏细粒尾矿堆坝领域中应用和推广。该技术在国内非煤矿山尾矿库堆坝中的应用前景非常广阔。

 


  • 成果主要内容
  • 成果获奖情况
  • 完成人
  • 经济社会效益
  • 主要知识产权情况
  • 项目评价
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  • 1)总体思路。

    模袋法在水利等行业应用已经有50余年历史,其固结速度快的特点适用于细粒尾矿堆坝,将这一技术引入非煤矿山尾矿库领域,非常具有创新性和实践性。但相对于传统堆坝方式,技术本身缺乏系统的理论基础和应用研究。在推广和发展过程中还存在着较多亟需解决的问题:技术适用范围如何、传统稳定性分析方法是否适用于模袋法堆坝技术、模袋法堆坝对坝体稳定性提高指标如何以及不同坝型条件下的工艺参数如何确定等。基于这些问题,项目从最开始的模袋法堆坝工艺介绍到增强坝体稳定性机理分析;从局部模袋体力学试验到室外大尺度灌袋堆坝试验;从大平掌尾矿库工程实例稳定性计算分析到具有广泛推广性的多因素稳定性量化评估;从科学理论研究到实际项目运用、从技术成果的全面整理到工业应用推广,最终形成一整套适用于偏细粒尾矿模袋法堆坝的关键技术及应用推广技术方案是本项目的总体思路。

    2)创新点。

    本项目通过一系列的理论分析、试验研究、计算分析及工程应用研究,形成“细粒尾矿模袋堆坝、强度指标测定、稳定性作用机理与计算、坝型优化与安全控制”等特色鲜明的技术创新点:

    针对我国当前因选矿工艺进步而导致的尾矿粒度变细、尾矿堆坝困难的现实,成功研究了尾矿模袋法堆坝成套技术,该技术具有尾砂固结快、固结后强度高、边施工边生产等特点,是细颗粒尾矿的一种先进堆坝手段;

    通过开展充灌模袋固结后的尾矿力学性能试验及模袋体强度性能试验研究,揭示及验证了模袋法堆坝破坏--失稳演化的作用机理;为利用模袋堆坝技术实现细粒径尾矿固结堆坝、并增强坝体安全性提供了理论依据;

    针对模袋法尾矿堆坝的工艺特点,提出了水平条分极限平衡稳定性分析方法,并通过工程应用证实了其有效性,为模袋法堆坝稳定性分析提供一种有效手段;  

              提出了模袋堆坝的多种坝型及相关工艺措施,扩大了模袋法堆坝技术的适用范围,为模袋法堆坝技术的推广应用奠定了更好基础。

    3)实施效果。

    ①细粒尾矿模袋法堆坝技术解决了云南思茅山水铜业有限公司大平掌尾矿库的细粒尾矿堆坝上升速度快、干滩长度短、沉积滩坡度缓、安全超高小、坝内浸润线高、坝体稳定性差等系列问题,为国内首个应用模袋法技术成功解决细粒尾矿堆坝困难的工程示范。作为一种新的堆坝技术,为解决国内外细粒尾矿的堆存问题指明了一条新的思路。该技术的鲜明特点在于:创造性地解决细粒尾矿-200目在80%~90%区间尾砂进行上游法堆坝的一系列关键问题,突破了传统筑坝方式关于尾砂粒径分级的限制。并且,基于“快速固结排水、散体成整体、增加坝壳厚度、改变滑动方式”等鲜明特色于一身的细粒尾矿模袋法堆坝技术,通过创新应用不同的堆坝工艺,同时也实现了堆坝方式的灵活多样化,最终提高坝体稳定性至一定新水平。一定程度上讲,模袋法堆坝技术实现了细粒尾矿传统堆坝方式的变革

    ②细粒尾矿模袋法堆坝技术研究吸收了模袋法在水利、交通等行业的定性应用研究成果,其在细粒尾矿中应用研究的特殊性在于:在细粒尾矿中应用属首次,其适用性研究及应用效果空白化;并且当在作为重大危险源的细粒尾矿尾矿堆坝中应用时,相关研究成果也必须实现由“定性分析”到“定量研究”的转化。

        ③基于以上成果,在查阅和分析国内外相关文献的基础上,采用“理论分析”+“细观实验”+“小尺度模型试验”+“大尺度堆坝试验”+“稳定性方法推导”+“力学数值分析”相结合的手段全面展开。从最基础的模袋法堆坝机理研究,到室内细观模袋体试验分析,再到现场大、小尺度模袋法堆坝试验验证;从模袋法稳定性评估方法研究,到具体工程分析,再到多因素多堆坝工艺下的堆坝稳定性量化评估等,“定性分析”与“定量研究”相结合,“局部模袋体”与“整体尾矿坝”兼顾,“典型工程应用研究”与“量化评估推广”,最终形成了一整套具备推广意义的细粒尾矿模袋法堆坝安全稳定关键技术研究成果。全面推广应用后可实现细粒尾矿堆坝方式的有效变革,并可促进整个细粒尾矿矿山行业尾矿堆存处置安全、矿山企业持续增效。


  • 北京矿冶研究总院科技进步一等奖
  • 姓名单位所在地职务技术职称年龄
    周汉民 北京矿冶研究总院 北京 副所长 教授级高级工程师 39
    刘晓非 北京矿冶研究总院 高级工程师 33
    崔旋 北京矿冶研究总院 北京 主任 高级工程师 30
    郄永波 北京矿冶研究总院 工程师 33
    甘海阔 北京矿冶研究总院 工程师 29
    王新岩 北京矿冶研究总院 工程师 31
    韩亚兵 北京矿冶研究总院 工程师 31
  • 直接经济效益:7061.76 万元
    间接经济效益:40600.0 万元
    经济效益计算依据
    该项目至2014年1月结束,已在大平掌尾矿库形成了“模袋法堆坝技术、联合排渗技术、坝体加筋技术、模袋法堆坝条件下的安全监测技术”形成鲜明特色的安全、高效、可行的细粒尾矿堆坝方案,实现了模袋法在云南思茅山水铜业有限公司的成功应用,取得了明显的经济效益,生产规模由一个选厂生产,变为二个选厂生产。2011年、2012年、2013年每年分别取得了57900万元、57400万元及45000万元的产值,每年分别产生了14600万元、14100万元及11900万元的利润和税收,经济效益总计40600万元。 该项目技术从2010年至2016年共计完成合同额7061.76万元,详情见附件中项目收入明细表。
    社会效益
    模袋法尾矿堆坝技术在云南思茅山水铜业有限公司大平掌尾矿库安全措施专项工程中的成功应用,在尾矿库安全堆坝、矿山安全设施安全运行方面取得显著的社会效益;首先,细粒尾矿堆坝,模袋法尾矿堆坝技术成功解决了尾矿粒度偏细时产生的坝体固结速度慢无法满足正常生产的难题,确保了细粒尾矿矿山企业的生产运行;其次,通过模袋法等一系列关键技术的实施应用,成功摘除了大平掌尾矿库重大安全隐患的帽子,为地方安全和发展作出了突出贡献;再次,模袋法堆坝技术的成功应用,为国内矿山上游式模袋法堆坝开创了先河,工程示范作用显著,为该技术在全国范围内大力推广提供了应用基础。
    曾获得奖励和表彰
    北京矿冶研究总院科技进步一等奖
  • 授权项目名称知识产权类别国(区)别授权号
    一种应用模袋的中线式尾矿筑坝法 发明专利 中国 ZL201510325229.7
    一种细粒尾矿模袋分级充灌系统 实用新型专利 中国 ZL201620245184.2
    一种全尾矿加药充灌模袋的堆坝装置 实用新型专利 中国 201621012286.6
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