結合排滲設施治理尾礦庫凍土的管網系統及其施工方法與流程
2023-10-06 05:30:54 2
本發明屬於礦山尾礦庫領域，尤其涉及一種用於治理尾礦庫凍土的管網系統及其施工方法。
背景技術：
凍土是指零攝氏度以下，並含有冰的各種巖石和土壤。凍土涉及土、水、冰的物理性質耦合，同時涉及大氣、凍土層及下部巖土體的熱傳導問題。
尾礦庫的凍土現象與自然界的凍土現象在本質上是一致的，都有凍結和融化過程，都可分為永久性凍土和季節性凍土，但也存在顯著的差異性：1)自然界的地面基本是固定的，而尾礦堆積壩灘面是不斷上升的，冰面上升與灘面上升同步進行，其上升速度有的低於季節性凍土深度，有的遠超過季節性凍土深度；2)尾礦漿在灘面上排放時，自身溫度4℃～10℃，呈飽和狀態，在灘面流動時分級沉積，邊滲透邊泌水，進入冰凍層後進一步在冰下沉積。
一般來說，季節凍土層除青藏高原外，春暖後在無覆蓋的條件下當年內都會融化。對尾礦庫而言，無覆蓋的條件難以保持，因為尾礦庫一般冬季採取冰層下放礦，堆積尾礦形成凍土，而春暖解凍以後，恢復壩前分散放礦。在凍土層未完全融化前進行分散放礦，相當於在尚未融化的凍土層上加了尾礦覆蓋層。這時一般氣溫較低，被覆蓋的凍土層的低溫難以傳導，只能保持原有的凍結狀態，隨著尾礦排放繼續上升，加大凍土層的埋置深度成為深層冰凍層。深層冰凍層在平面沿某方向連續分布，垂直方向受季節影響為間斷分布，埋置深度數米至數十米。沿水邊線方向可以是連續的，也可以為不連續的。在垂直水邊線方向的寬度，各個尾礦庫會有所不同，與尾礦粒度、沉積灘縱坡、浸潤線水位及坡降等因素有關。深層冰凍層受外界溫度影響較小，尾礦覆蓋導致低溫難以傳導出來，所以一般都維持冰凍狀態。深層冰凍層堅硬，土顆粒被冰層膠結，但遇熱融化。
尾礦庫深層凍土層的主要危害表現在以下幾個方面：
1)導致尾礦壩浸潤線升高：對於浸潤線較高的尾礦庫，如果初期壩頂附近浸潤線較高或逸出，可能形成堅硬凍土。由于堅硬凍土透水性差接近不透水，堆積壩滲流水被堅硬凍土阻隔，不能繼續外滲形成壅水，導致壩坡浸潤線上升。深層冰凍層位於堆積壩內，相當於不透水的隔水層，其上部來的滲流水流至此層時，受此冰凍層的阻隔，無法繼續下滲，被迫轉為水平滲流，直至此冰凍層下遊側邊緣才能下滲，這就大幅度提高了堆積壩浸潤線水位。
2)降低排滲設施的降水效果：由於深層冰凍層隔水作用，不論是垂直排滲或水平排滲，還是前期預埋或後增設的排滲，都因為受水平冰凍層隔水的作用，很難形成垂直降水漏鬥，大幅度降低排滲設施的降水效果。
3)降低壩體的穩定性：浸潤線埋深是影響尾礦壩壩坡穩定的重要因素，浸潤線提高必然降低壩體邊坡的穩定性。尤其是深層冰凍層在壩坡附近時，可導致壩坡長期滲水沼澤化，凍土解凍可能出現流冰甚至局部滑移。如果壩體浸潤線在初期壩頂逸出，可能形成堅硬凍土，春暖來臨時，上部鬆散凍土融化快，冰晶析水導致上部來水量大，而此時初期壩頂堅硬凍土融化慢且基本不透水，導致凍土上遊水位上升快，滲透坡降增大，容易造成流土等滲流破壞，甚至導致壩體失穩。隨著尾礦堆積標高的上升，庫內深層冰凍層在長期高壓、地熱作用下，可能會出現融化，融化的冰凍層強度急劇降低，在距臨空面厚度較小的條件下可能因此而導致壩體失穩。
4)凍土對尾礦庫構築物的影響：土體在凍結時由於土中水凍結成冰，與周圍遷移來的水凍結產生體積膨脹，土體凍脹會使排水管隆起、脫節甚至裂縫，排水管兩側凍脹不均勻時可使管線彎曲、偏斜。土體凍脹不均勻可導致溢流塔偏斜甚至倒塌。凍土在融化時強度降低，會產生大的沉降變形，如果構築物基礎在凍土層內，構築物產生沉降變形，產生不均勻沉降會導致構築物傾斜、裂縫甚至破壞。
對於以上尾礦庫深層凍土層的主要危害，現有一般的應對措施主要包括：
1)冰凍期低水位運行：為了減輕凍土的危害，冰凍期前尾礦庫應進行低水位運行。低水位運行有三大好處：一是能使壩體浸潤線水位低，冰凍時鬆散凍土範圍大；二是堅硬凍土遠離壩坡，如果形成深層冰凍層，對壩體滲流和穩定影響小；三是擴大冬季冰下放礦的庫容。
2)冰凍期採取冰下放礦：為防止沉積灘形成礦漿冰凍塊及流冰層，冬季高寒地區尾礦庫採用水下放礦和冰下放礦。冰下放礦也應當進行多口放礦，以免一處尾礦堆滿以堵塞管口，必要時還應在冰凍表層打孔放礦。
3)凍土融化後才恢復壩前放礦：為防止凍土層特別是堅硬冰凍層被排放尾礦覆蓋形成深層冰凍層，每年春暖凍土開始融化時，不要急於恢復壩前放礦，應待堅硬凍土全部融化後再恢復壩前放礦。沉積灘短的尾礦庫更應當如此，以防深層凍土層危害。
儘管按上述措施進行處理後，能夠在一定程度上減小凍土問題，但也必然影響到礦山生產。特別是為防止深層凍土層的形成，在凍土融化後才能恢復壩前放礦的措施，這樣將直接導致礦山大幅減產，甚至停產。對於冰凍期較長的地區，凍土層相對較厚，融化時間相應較長，減產或停產時間過長，經濟損失往往難以承受。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種結構簡單、施工方便、成本較小、可高效治理尾礦庫凍土的管網系統，並提供一種施工方法。為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：
一種結合排滲設施治理尾礦庫凍土的管網系統，該管網系統包括埋設於尾礦庫內的導水管、橫向排滲管及豎向聯通管，所述的導水管沿不同高程設置有多條，多條導水管至少與一根橫向排滲管連通；所述的橫向排滲管的端頭延伸出尾礦庫與大氣連通；所述的橫向排滲管的中段通過豎向聯通管與尾礦庫底的排洪設施相連通。
上述本發明的管網系統中，優選的，所述的多條導水管分別與相對應的位於不同高程處的多條橫向排滲管連通，以形成更多的換氣通道。
上述本發明的管網系統中，優選的，所述的多條橫向排滲管分別通過相對應的多條豎向聯通管與所述排洪設施相連通，以保證整個管網系統能送入更多尾礦庫庫底的相對高溫氣體。
上述本發明的管網系統中，優選的，沿不同高程設置的所述多條橫向排滲管通過斜向聯通管相互連通，所述斜向聯通管至少與一根豎向聯通管相連通，以形成一個更大的氣流迴路通道，氣體熱交換面積更大，熱交換更均勻。
上述本發明的管網系統中，優選的，沿不同高程設置的所述多條橫向排滲管通過斜向聯通管相互連通，所述斜向聯通管與所述多條豎向聯通管均保持連通，以便整個管網系統能通入更多尾礦庫庫底的相對高溫氣體，且形成一個更大的氣流通道，氣體熱交換更加充分且均勻。
上述本發明的管網系統中，優選的，對應連接於同一橫向排滲管的導水管和豎向聯通管與該橫向排滲管相交於同一點，以使氣體流動阻力更小，且施工更加方便。
上述本發明的管網系統中，優選的，對應連接於同一橫向排滲管的導水管和豎向聯通管交匯於該橫向排滲管與斜向聯通管的交點處，以使氣體流動阻力更小，且施工更加方便。
上述本發明的管網系統中，優選的，所述斜向聯通管的材質根據所受結構荷載及通氣量確定為採用PE管；所述豎向聯通管的材質根據所受結構荷載及通氣量確定為採用PE管或鋼筋混凝土管；所述導水管、橫向排滲管、斜向聯通管和豎向聯通管上均勻布有滲濾通氣孔，以使高溫氣體均勻滲透到凍土層中加速凍土的消融。本發明的管網系統中導水管開孔，常規的導水管一般不開孔而排滲管則開孔，這也與本發明有較大的不同；優選的，所述斜向聯通管和豎向聯通管上還可採用不開孔方案，或者斜向聯通管和豎向聯通管的開孔率要小於橫向排滲管。斜向聯通管和豎向聯通管上不開孔或開孔較少，有利於底部的高溫氣體能夠儘可能多地輸送到凍土層，增加氣體的輸送壓力和滲透力，而導水管上的開孔有利於高溫氣體均勻滲透到凍土層中加速凍土的消融。
作為一個總的技術構思，本發明還提供了一種管網系統的施工方法，步驟如下：
1)在尾礦庫初期壩及庫底的排洪設施建設完畢後，開始堆積尾礦並預埋豎向聯通管；
2)當尾礦堆積標高高於初期壩壩頂標高后，預埋第一級導水管及橫向排滲管，且使第一級的橫向排滲管剛好鋪設於凍土層內；可選擇性地預埋斜向聯通管；
3)隨著庫內尾礦堆積標高的上升，逐級增加導水管、豎向聯通管、橫向排滲管及斜向聯通管的高程和數量；直至完成對整個管網系統的鋪設。
上述管網系統的施工方法中，優選的，所述斜向聯通管在尾礦庫縱剖面上的投影呈直線或不規則曲線，並將各級的橫向排滲管連通；所述豎向聯通管與橫向排滲管在尾礦庫橫剖面上的投影呈正交或斜交，且將橫向排滲管與排洪設施連通；所述橫向排滲管鋪設於與水平面平行或傾斜一定角度的平面內，且橫向排滲管沿平行於壩軸線的方向布設。
與現有技術相比，本發明的優點在於：
1)在冰凍期，由於大氣溫度較低，而底部排洪系統內空氣溫度相對較高，該管網系統的存在，有利於提高表層尾礦的溫度，減緩凍土形成，減小冰凍期凍土層厚度，對於某些冰凍期較短的尾礦庫，甚至可消除凍土層。
2)冰凍期結束後，凍土層開始融化，底部排洪系統空氣可提供大量熱量，加快凍土層融化，同時作為排滲通道的該管網系統還可加快融化水的外排，使得礦山能夠兼顧生產效益與尾礦庫安全。
3)在某些條件下，如冰凍期過長、生產壓力太大等原因，尾礦庫未等到凍土層完全融化後再放礦，此時有可能形成深層凍土層，進而轉化為永久凍土層。採用本發明後，只要具備該管網系統，底部排洪系統內的高溫氣體就能夠長期提供熱量，有利於深層凍土層的融化，避免形成永久凍土。
4)本發明充分利用尾礦庫現有的排滲措施來建設該管網系統，施工方便、成本較小且效果顯著，具有很高經濟價值。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例1所示管網系統在尾礦庫中布置的縱剖面示意圖。
圖2為圖1中A-A處的橫剖面示意圖。
圖3為本發明實施例2所示管網系統在尾礦庫中布置的縱剖面示意圖。
圖4為本發明實施例3所示管網系統在尾礦庫中布置的縱剖面示意圖。
圖例說明
1、初期壩；2、堆積壩、4、導水管；5、沉積灘、6、排洪設施；7、凍土層；10、橫向排滲管；11、斜向聯通管；12、豎向聯通管。
具體實施方式
為了便於理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發明作更全面、細緻地描述，但本發明的保護範圍並不限於以下具體的實施例。
需要特別說明的是，當某一元件被描述為「固定於、固接於、連接於或連通於」另一元件上時，它可以是直接固定、固接、連接或連通在另一元件上，也可以是通過其他中間連接件間接固定、固接、連接或連通在另一元件上。
除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，並不是旨在限制本發明的保護範圍。
除非另有特別說明，本發明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現有方法製備得到。
實施例1
一種如圖1、圖2所示的結合排滲設施治理尾礦庫凍土的管網系統，該管網系統包括埋設於尾礦庫內的導水管4、橫向排滲管10、豎向聯通管12以及斜向聯通管11。導水管4沿不同高程設置有多條，並分別與相對應的位於不同高程處的多條橫向排滲管10連通，如圖2所示，橫向排滲管10的端頭延伸出尾礦庫與大氣連通，位於不同高程處的多條橫向排滲管10通過斜向聯通管11相互連通，一條豎向聯通管12連通最底層橫向排滲管10以及尾礦庫的排洪設施6。本實施例中，連接於同一橫向排滲管10的導水管4和豎向聯通管12交匯於該橫向排滲管10與斜向聯通管11的交點處。
本實施例中的管網系統的施工步驟如下：
1)在尾礦庫初期壩1及庫底的排洪設施6建設完畢後，開始堆積尾礦並預埋豎向聯通管12；
2)當尾礦堆積標高高於初期壩1壩頂標高后，預埋第一級導水管4及橫向排滲管10，且使第一級的橫向排滲管10剛好鋪設於凍土層7內；
3)隨著庫內尾礦堆積標高的上升，逐級增加導水管4、橫向排滲管10及斜向聯通管11的高程和數量；直至完成對整個管網系統的鋪設。
本實施例管網系統的施工方法中，斜向聯通管11與豎向聯通管12均採用PE管，導水管4、橫向排滲管10、斜向聯通管11和豎向聯通管12上均勻布有滲濾通氣孔，橫向排滲管10鋪設於與水平面平行的平面內，且橫向排滲管10沿平行於壩軸線的方向布設，斜向聯通管11在尾礦庫縱剖面上的投影呈直線，豎向聯通管12與橫向排滲管10在尾礦庫橫剖面上的投影呈正交。
本實施例中，多條橫向排滲管10、多條導水管4、斜向聯通管11以及豎向聯通管12形成了管網系統，在冰凍期，該管網系統連通較低溫度的大氣與具有較高溫度的底部排洪系統內空氣，有利於提高表層尾礦的溫度，減緩凍土形成，減小冰凍期凍土層厚度；冰凍期結束後，凍土層開始融化，底部排洪系統空氣可提供大量熱量，加快凍土層融化，同時該管網系統還可作為排滲通道，加快融化水的外排，使得礦山能夠兼顧生產效益與尾礦庫安全；此外，若尾礦庫具備該管網系統，底部排洪系統內的高溫氣體就能夠長期提供熱量，有利於深層凍土層的融化，避免形成永久凍土。
實施例2
一種如圖3所示的結合排滲設施治理尾礦庫凍土的管網系統，該管網系統包括埋設於尾礦庫內的導水管4、橫向排滲管10及豎向聯通管12。導水管4沿不同高程設置有多條，並分別與相對應的位於不同高程處的多條橫向排滲管10連通，橫向排滲管10的端頭均延伸出尾礦庫與大氣連通，多條橫向排滲管10分別通過相對應的多條豎向聯通管12與尾礦庫的排洪設施6相連通。本實施例中，連接於同一橫向排滲管10的導水管4和豎向聯通管12與該橫向排滲管10相交於同一點。
本實施例中的管網系統的施工步驟如下：
1)在尾礦庫初期壩1及庫底的排洪設施6建設完畢後，開始堆積尾礦並預埋豎向聯通管12；
2)當尾礦堆積標高高於初期壩1壩頂標高后，預埋第一級導水管4及橫向排滲管10，且使第一級的橫向排滲管10剛好鋪設於凍土層7內；
3)隨著庫內尾礦堆積標高的上升，逐級增加導水管4、橫向排滲管10及豎向聯通管12的高程和數量；直至完成對整個管網系統的鋪設。
本實施例管網系統的施工方法中，豎向聯通管12採用PE管，導水管4、橫向排滲管10和豎向聯通管12上均勻布有滲濾通氣孔，橫向排滲管10鋪設於與水平面平行的平面內，且橫向排滲管10沿平行於壩軸線的方向布設，豎向聯通管12與橫向排滲管10在尾礦庫橫剖面上的投影呈正交。
本實施例中，多條橫向排滲管10、多條豎向聯通管12以及多條導水管4形成了管網系統，在冰凍期，該管網系統連通較低溫度的大氣與具有較高溫度的底部排洪系統內空氣，有利於提高表層尾礦的溫度，減緩凍土形成，減小冰凍期凍土層厚度；冰凍期結束後，凍土層開始融化，底部排洪系統空氣可提供大量熱量，加快凍土層融化，同時該管網系統還可作為排滲通道，加快融化水的外排，使得礦山能夠兼顧生產效益與尾礦庫安全；此外，若尾礦庫具備該管網系統，底部排洪系統內的高溫氣體就能夠長期提供熱量，有利於深層凍土層的融化，避免形成永久凍土。
實施例3
一種如圖4所示的結合排滲設施治理尾礦庫凍土的管網系統，該管網系統包括埋設於尾礦庫內的導水管4、橫向排滲管10、豎向聯通管12以及斜向聯通管11。導水管4沿不同高程設置有多條，並分別與相對應的位於不同高程處的多條橫向排滲管10連通，橫向排滲管10的端頭延伸出尾礦庫與大氣連通，多條橫向排滲管10通過斜向聯通管11相互連通，且多條橫向排滲管10分別通過相對應的多條豎向聯通管12與尾礦庫的排洪設施6相連通。本實施例中，連接於同一橫向排滲管10的導水管4和豎向聯通管12交匯於該橫向排滲管10與斜向聯通管11的交點處。
本實施例中的管網系統的施工步驟如下：
1)在尾礦庫初期壩1及庫底的排洪設施6建設完畢後，開始堆積尾礦並預埋豎向聯通管12；
2)當尾礦堆積標高高於初期壩1壩頂標高后，預埋第一級導水管4及橫向排滲管10，且使第一級的橫向排滲管10剛好鋪設於凍土層7內；
3)隨著庫內尾礦堆積標高(主要指堆積壩2)的上升，逐級增加導水管4、豎向聯通管12、橫向排滲管10及斜向聯通管11的高程和數量；直至完成對整個管網系統的鋪設。
本實施例管網系統的施工方法中，斜向聯通管11採用PE管，豎向聯通管12採用鋼筋混凝土管，導水管4、橫向排滲管10、斜向聯通管11和豎向聯通管12上均勻布有滲濾通氣孔(斜向聯通管11和豎向聯通管12上也可不開孔)，橫向排滲管10鋪設於與水平面平行的平面內，且橫向排滲管10沿平行於壩軸線的方向布設，斜向聯通管11在尾礦庫縱剖面上的投影呈直線，豎向聯通管12與橫向排滲管10在尾礦庫橫剖面上的投影呈正交。
本實施例中，多條橫向排滲管10、多條豎向聯通管12、多條導水管4以及斜向聯通管11形成了管網系統，在冰凍期，該管網系統連通較低溫度的大氣與具有較高溫度的底部排洪系統內空氣，有利於提高表層尾礦的溫度，減緩凍土形成，減小冰凍期凍土層厚度；冰凍期結束後，凍土層開始融化，底部排洪系統空氣可提供大量熱量，加快凍土層融化，同時該管網系統還可作為排滲通道，加快融化水的外排，使得礦山能夠兼顧生產效益與尾礦庫安全；此外，若尾礦庫具備該管網系統，底部排洪系統內的高溫氣體就能夠長期提供熱量，有利於深層凍土層的融化，防止沉積灘5形成礦漿冰凍塊及流冰層，避免形成永久凍土。