结合排渗设施治理尾矿库冻土的管网系统及其施工方法与流程

本发明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及其施工方法。

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。

尽管按上述措施进行处理后，能够在一定程度上减小冻土问题，但也必然影响到矿山生产。特别是为防止深层冻土层的形成，在冻土融化后才能恢复坝前放矿的措施，这样将直接导致矿山大幅减产，甚至停产。对于冰冻期较长的地区，冻土层相对较厚，融化时间相应较长，减产或停产时间过长，经济损失往往难以承受。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种结构简单、施工方便、成本较小、可高效治理尾矿库冻土的管网系统，并提供一种施工方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种结合排渗设施治理尾矿库冻土的管网系统，该管网系统包括埋设于尾矿库内的导水管、横向排渗管及竖向联通管，所述的导水管沿不同高程设置有多条，多条导水管至少与一根横向排渗管连通；所述的横向排渗管的端头延伸出尾矿库与大气连通；所述的横向排渗管的中段通过竖向联通管与尾矿库底的排洪设施相连通。

上述本发明的管网系统中，优选的，所述的多条导水管分别与相对应的位于不同高程处的多条横向排渗管连通，以形成更多的换气通道。

上述本发明的管网系统中，优选的，所述的多条横向排渗管分别通过相对应的多条竖向联通管与所述排洪设施相连通，以保证整个管网系统能送入更多尾矿库库底的相对高温气体。

上述本发明的管网系统中，优选的，沿不同高程设置的所述多条横向排渗管通过斜向联通管相互连通，所述斜向联通管至少与一根竖向联通管相连通，以形成一个更大的气流回路通道，气体热交换面积更大，热交换更均匀。

上述本发明的管网系统中，优选的，沿不同高程设置的所述多条横向排渗管通过斜向联通管相互连通，所述斜向联通管与所述多条竖向联通管均保持连通，以便整个管网系统能通入更多尾矿库库底的相对高温气体，且形成一个更大的气流通道，气体热交换更加充分且均匀。

上述本发明的管网系统中，优选的，对应连接于同一横向排渗管的导水管和竖向联通管与该横向排渗管相交于同一点，以使气体流动阻力更小，且施工更加方便。

上述本发明的管网系统中，优选的，对应连接于同一横向排渗管的导水管和竖向联通管交汇于该横向排渗管与斜向联通管的交点处，以使气体流动阻力更小，且施工更加方便。

上述本发明的管网系统中，优选的，所述斜向联通管的材质根据所受结构荷载及通气量确定为采用PE管；所述竖向联通管的材质根据所受结构荷载及通气量确定为采用PE管或钢筋混凝土管；所述导水管、横向排渗管、斜向联通管和竖向联通管上均匀布有渗滤通气孔，以使高温气体均匀渗透到冻土层中加速冻土的消融。本发明的管网系统中导水管开孔，常规的导水管一般不开孔而排渗管则开孔，这也与本发明有较大的不同；优选的，所述斜向联通管和竖向联通管上还可采用不开孔方案，或者斜向联通管和竖向联通管的开孔率要小于横向排渗管。斜向联通管和竖向联通管上不开孔或开孔较少，有利于底部的高温气体能够尽可能多地输送到冻土层，增加气体的输送压力和渗透力，而导水管上的开孔有利于高温气体均匀渗透到冻土层中加速冻土的消融。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种管网系统的施工方法，步骤如下：

1)在尾矿库初期坝及库底的排洪设施建设完毕后，开始堆积尾矿并预埋竖向联通管；

2)当尾矿堆积标高高于初期坝坝顶标高后，预埋第一级导水管及横向排渗管，且使第一级的横向排渗管刚好铺设于冻土层内；可选择性地预埋斜向联通管；

3)随着库内尾矿堆积标高的上升，逐级增加导水管、竖向联通管、横向排渗管及斜向联通管的高程和数量；直至完成对整个管网系统的铺设。

上述管网系统的施工方法中，优选的，所述斜向联通管在尾矿库纵剖面上的投影呈直线或不规则曲线，并将各级的横向排渗管连通；所述竖向联通管与横向排渗管在尾矿库横剖面上的投影呈正交或斜交，且将横向排渗管与排洪设施连通；所述横向排渗管铺设于与水平面平行或倾斜一定角度的平面内，且横向排渗管沿平行于坝轴线的方向布设。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)在冰冻期，由于大气温度较低，而底部排洪系统内空气温度相对较高，该管网系统的存在，有利于提高表层尾矿的温度，减缓冻土形成，减小冰冻期冻土层厚度，对于某些冰冻期较短的尾矿库，甚至可消除冻土层。

2)冰冻期结束后，冻土层开始融化，底部排洪系统空气可提供大量热量，加快冻土层融化，同时作为排渗通道的该管网系统还可加快融化水的外排，使得矿山能够兼顾生产效益与尾矿库安全。

3)在某些条件下，如冰冻期过长、生产压力太大等原因，尾矿库未等到冻土层完全融化后再放矿，此时有可能形成深层冻土层，进而转化为永久冻土层。采用本发明后，只要具备该管网系统，底部排洪系统内的高温气体就能够长期提供热量，有利于深层冻土层的融化，避免形成永久冻土。

4)本发明充分利用尾矿库现有的排渗措施来建设该管网系统，施工方便、成本较小且效果显著，具有很高经济价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所示管网系统在尾矿库中布置的纵剖面示意图。

图2为图1中A-A处的横剖面示意图。

图3为本发明实施例2所示管网系统在尾矿库中布置的纵剖面示意图。

图4为本发明实施例3所示管网系统在尾矿库中布置的纵剖面示意图。

图例说明

1、初期坝；2、堆积坝、4、导水管；5、沉积滩、6、排洪设施；7、冻土层；10、横向排渗管；11、斜向联通管；12、竖向联通管。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

一种如图1、图2所示的结合排渗设施治理尾矿库冻土的管网系统，该管网系统包括埋设于尾矿库内的导水管4、横向排渗管10、竖向联通管12以及斜向联通管11。导水管4沿不同高程设置有多条，并分别与相对应的位于不同高程处的多条横向排渗管10连通，如图2所示，横向排渗管10的端头延伸出尾矿库与大气连通，位于不同高程处的多条横向排渗管10通过斜向联通管11相互连通，一条竖向联通管12连通最底层横向排渗管10以及尾矿库的排洪设施6。本实施例中，连接于同一横向排渗管10的导水管4和竖向联通管12交汇于该横向排渗管10与斜向联通管11的交点处。

本实施例中的管网系统的施工步骤如下：

1)在尾矿库初期坝1及库底的排洪设施6建设完毕后，开始堆积尾矿并预埋竖向联通管12；

2)当尾矿堆积标高高于初期坝1坝顶标高后，预埋第一级导水管4及横向排渗管10，且使第一级的横向排渗管10刚好铺设于冻土层7内；

3)随着库内尾矿堆积标高的上升，逐级增加导水管4、横向排渗管10及斜向联通管11的高程和数量；直至完成对整个管网系统的铺设。

本实施例管网系统的施工方法中，斜向联通管11与竖向联通管12均采用PE管，导水管4、横向排渗管10、斜向联通管11和竖向联通管12上均匀布有渗滤通气孔，横向排渗管10铺设于与水平面平行的平面内，且横向排渗管10沿平行于坝轴线的方向布设，斜向联通管11在尾矿库纵剖面上的投影呈直线，竖向联通管12与横向排渗管10在尾矿库横剖面上的投影呈正交。

本实施例中，多条横向排渗管10、多条导水管4、斜向联通管11以及竖向联通管12形成了管网系统，在冰冻期，该管网系统连通较低温度的大气与具有较高温度的底部排洪系统内空气，有利于提高表层尾矿的温度，减缓冻土形成，减小冰冻期冻土层厚度；冰冻期结束后，冻土层开始融化，底部排洪系统空气可提供大量热量，加快冻土层融化，同时该管网系统还可作为排渗通道，加快融化水的外排，使得矿山能够兼顾生产效益与尾矿库安全；此外，若尾矿库具备该管网系统，底部排洪系统内的高温气体就能够长期提供热量，有利于深层冻土层的融化，避免形成永久冻土。

实施例2

一种如图3所示的结合排渗设施治理尾矿库冻土的管网系统，该管网系统包括埋设于尾矿库内的导水管4、横向排渗管10及竖向联通管12。导水管4沿不同高程设置有多条，并分别与相对应的位于不同高程处的多条横向排渗管10连通，横向排渗管10的端头均延伸出尾矿库与大气连通，多条横向排渗管10分别通过相对应的多条竖向联通管12与尾矿库的排洪设施6相连通。本实施例中，连接于同一横向排渗管10的导水管4和竖向联通管12与该横向排渗管10相交于同一点。

本实施例中的管网系统的施工步骤如下：

1)在尾矿库初期坝1及库底的排洪设施6建设完毕后，开始堆积尾矿并预埋竖向联通管12；

2)当尾矿堆积标高高于初期坝1坝顶标高后，预埋第一级导水管4及横向排渗管10，且使第一级的横向排渗管10刚好铺设于冻土层7内；

3)随着库内尾矿堆积标高的上升，逐级增加导水管4、横向排渗管10及竖向联通管12的高程和数量；直至完成对整个管网系统的铺设。

本实施例管网系统的施工方法中，竖向联通管12采用PE管，导水管4、横向排渗管10和竖向联通管12上均匀布有渗滤通气孔，横向排渗管10铺设于与水平面平行的平面内，且横向排渗管10沿平行于坝轴线的方向布设，竖向联通管12与横向排渗管10在尾矿库横剖面上的投影呈正交。

本实施例中，多条横向排渗管10、多条竖向联通管12以及多条导水管4形成了管网系统，在冰冻期，该管网系统连通较低温度的大气与具有较高温度的底部排洪系统内空气，有利于提高表层尾矿的温度，减缓冻土形成，减小冰冻期冻土层厚度；冰冻期结束后，冻土层开始融化，底部排洪系统空气可提供大量热量，加快冻土层融化，同时该管网系统还可作为排渗通道，加快融化水的外排，使得矿山能够兼顾生产效益与尾矿库安全；此外，若尾矿库具备该管网系统，底部排洪系统内的高温气体就能够长期提供热量，有利于深层冻土层的融化，避免形成永久冻土。

实施例3

一种如图4所示的结合排渗设施治理尾矿库冻土的管网系统，该管网系统包括埋设于尾矿库内的导水管4、横向排渗管10、竖向联通管12以及斜向联通管11。导水管4沿不同高程设置有多条，并分别与相对应的位于不同高程处的多条横向排渗管10连通，横向排渗管10的端头延伸出尾矿库与大气连通，多条横向排渗管10通过斜向联通管11相互连通，且多条横向排渗管10分别通过相对应的多条竖向联通管12与尾矿库的排洪设施6相连通。本实施例中，连接于同一横向排渗管10的导水管4和竖向联通管12交汇于该横向排渗管10与斜向联通管11的交点处。

本实施例中的管网系统的施工步骤如下：

1)在尾矿库初期坝1及库底的排洪设施6建设完毕后，开始堆积尾矿并预埋竖向联通管12；

2)当尾矿堆积标高高于初期坝1坝顶标高后，预埋第一级导水管4及横向排渗管10，且使第一级的横向排渗管10刚好铺设于冻土层7内；

3)随着库内尾矿堆积标高(主要指堆积坝2)的上升，逐级增加导水管4、竖向联通管12、横向排渗管10及斜向联通管11的高程和数量；直至完成对整个管网系统的铺设。

本实施例管网系统的施工方法中，斜向联通管11采用PE管，竖向联通管12采用钢筋混凝土管，导水管4、横向排渗管10、斜向联通管11和竖向联通管12上均匀布有渗滤通气孔(斜向联通管11和竖向联通管12上也可不开孔)，横向排渗管10铺设于与水平面平行的平面内，且横向排渗管10沿平行于坝轴线的方向布设，斜向联通管11在尾矿库纵剖面上的投影呈直线，竖向联通管12与横向排渗管10在尾矿库横剖面上的投影呈正交。

本实施例中，多条横向排渗管10、多条竖向联通管12、多条导水管4以及斜向联通管11形成了管网系统，在冰冻期，该管网系统连通较低温度的大气与具有较高温度的底部排洪系统内空气，有利于提高表层尾矿的温度，减缓冻土形成，减小冰冻期冻土层厚度；冰冻期结束后，冻土层开始融化，底部排洪系统空气可提供大量热量，加快冻土层融化，同时该管网系统还可作为排渗通道，加快融化水的外排，使得矿山能够兼顾生产效益与尾矿库安全；此外，若尾矿库具备该管网系统，底部排洪系统内的高温气体就能够长期提供热量，有利于深层冻土层的融化，防止沉积滩5形成矿浆冰冻块及流冰层，避免形成永久冻土。