尚立君 袁雪濤 韓新開 王建勝

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院；2.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司)

棒磨山尾礦庫閉庫綜合治理

尚立君1,2袁雪濤1韓新開1王建勝1,2

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院；2.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司)

棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫已停止使用，在對該尾礦庫基本情況分析的基礎上，對其調洪和穩(wěn)定性進行了討論，進而對其庫區(qū)灘面、排洪系統(tǒng)、位移觀測系統(tǒng)進行了綜合閉庫整治，并對其尾礦庫進行復墾，取得了較好的效果。

尾礦庫 閉庫治理 土地復墾

尾礦庫作為一種特殊的標志性工業(yè)建筑物，其運行狀態(tài)既關系著礦山企業(yè)的安全運營，又關系著尾礦庫周邊人民和環(huán)境的安全[1]。當尾礦庫達到其設計高程或者根據實際生產需求需要將其關閉時，則需要采取恰當的閉庫措施來實現二次資源保護以及壩體的長期穩(wěn)定[2-3]。

1 棒磨山尾礦庫概況

1.1 尾礦庫原設計初期壩及尾礦堆積壩

棒磨山尾礦庫建有沙河溝初期壩、棒錘山初期壩和團新莊初期壩，初期壩壩頂標高均為59.5 m，壩頂寬度均為4.0 m，初期壩的最大高度分別為14.5，3.5和3.5 m，壩長分別為557.0，330.0和202.0 m，除沙河溝初期壩內外坡比為1∶2.75外，其余坡比均為1∶2.0。初期壩為均質粉土壩，目前初期壩已被廢石壩掩埋。該尾礦庫的尾礦堆積壩采用廢石筑壩，采用采礦廢石在初期壩下游將尾礦壩加高，原設計尾礦壩的最終堆積標高為75.0 m，壩頂寬度為30.0 m，設計總庫容為1 448萬m3。目前廢石壩的實際堆積標高為76.0～80.0 m，壩頂最小寬度為5.0 m；廢石壩的內外邊坡約為1∶2，壩長約 3 950 m。

1.2 尾礦庫排洪回水系統(tǒng)

尾礦庫原設計有管-塔排洪回水系統(tǒng)，包括2.0 m內徑的3座鋼筋混凝土溢水塔和內徑1.0 m總長810.0 m的排水管。1995年3月14日，尾礦庫原設計的排水系統(tǒng)坍塌發(fā)生泄尾事故，將原排水系統(tǒng)堵塞報廢。1995年4月重新設計了新的排洪回水系統(tǒng)，包括移動式回水泵站回水設施及在尾礦庫沙河溝壩南端建有溢洪管道。2010年10月將尾礦庫沙河溝壩南端興建的溢洪管道移至尾礦庫北端，目前，內徑800 mm的排洪管已經施工完畢。

1.3 尾礦庫灘面

根據2013年3月初實測的尾礦庫現狀平面圖，廢石壩壩頂標高76.0～80.0 m，庫區(qū)水面標高約72.07 m，西南綠化區(qū)灘頂標高71.6～74.1 m，西北綠化區(qū)灘頂標高70.3～72.1 m，北側灘頂標高72.0～76.0 m，東側灘頂標高72.1～75.0 m，南側灘頂標高在76.8 m以上。

2 尾礦庫等別、水文、調洪分析

2.1 尾礦庫等別及防洪標準

棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫等別及防洪標準，安全超高分別見表1、表2。

表1 棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫等別

表2 尾礦庫防洪標準及安全超高

2.2 尾礦庫水文計算

棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫匯水面積約0.92 km2，河道長0.875 km，河道平均坡度10‰。分別采用以下3種公式對該區(qū)洪峰流量進行計算：

(1)單因子公式。

(1)

式中，Qp為洪峰流量，m3/s；Cp為紅楓流量模系數；F為匯水面積，km2。

(2)單因子公式。

Qp=0.072CpH24pFψJ,

(2)

式中，H24p為P頻率年最大24h降雨量，mm；ψ為流域形狀系數；J為河道平均坡度，‰。

(3)推理公式。

(3)

式中，Hτ為歷時內的最大降雨量，mm；τ為匯流歷時，h；μ為產流參數，mm/h；tc為凈雨歷時，h；R為次洪水徑流深，mm。

式(1)～(3)的洪峰流量計算結果見表3。

表3 水文計算結果

由表3可知，由于棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫匯水面積僅為0.92 km2，《唐山市水文手冊》多因子公式的使用條件為匯水面積為20～500 km2，因而該公式不適用。因此，設計采用洪峰流量較大的單因子公式的計算結果。

2.3 尾礦庫調洪計算

尾礦庫閉庫后庫區(qū)水僅有大氣降水這一補給來源，并且尾礦庫的調洪庫容大于一次洪水總量，為了調節(jié)庫區(qū)水位，必須建設新的排洪系統(tǒng)。在庫內北部水面附近低洼區(qū)修建1條排水管，向北延伸至原排洪管位置并穿過壩體，進入原環(huán)壩排水溝。進水井頂標高72.1 m，排洪管進水口底標高71.0 m，管長136 m。任意時段的水量平衡方程式為

(4)

式中，Q1、Q2為時段始、終尾礦庫的來洪量，m3；q1、q2為時段始、終尾礦庫的泄洪量，m3；V1、V2為時段始、終尾礦庫的蓄洪量，m3。

根據排洪系統(tǒng)的布置，按式(4)進行了調洪計算，結果見表4。

表4 尾礦庫調洪計算結果

由表4可知，經整治后的尾礦庫在遭遇設計洪水時，安全超高和干灘長度均滿足規(guī)范要求。

3 尾礦庫堆積壩穩(wěn)定性分析

3.1 尾礦庫壩體滲流穩(wěn)定計算

針對尾礦庫的實際情況，選取3個典型剖面采用有限元法進行計算，尾礦庫在遭遇設計洪水時可以將一次洪水全部存入庫中，因此在計算浸潤線時按洪水時的最高水位確定庫區(qū)水位。3個典型剖面的浸潤線及等勢線見圖1。

圖1 浸潤線及等勢線

3.2 尾礦庫堆積壩穩(wěn)定性分析

3.2.1 安全系數及荷載組合

尾礦庫抗滑穩(wěn)定最小安全系數見表5。

表5 三等尾礦庫抗滑穩(wěn)定最小安全系數

棒磨山尾礦庫荷載組合形式和壩體物理力學參數分別見表6、表7。

表6 荷載組合

3.2.2 尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析

采用畢肖普法對圖13個典型剖面按照正常工況、洪水工況和特殊工況分別進行模擬計算，結果見表8。由表8可知，該尾礦壩運行基本穩(wěn)定。

表7 物理力學參數

表8 礦壩穩(wěn)定計算結果

4 尾礦庫閉庫安全治理措施

4.1 尾礦庫灘面治理

尾礦庫廢石堆積壩壩頂實際標高76.0～80.0 m，庫區(qū)灘面標高66.0～77.0 m，在庫區(qū)西北角有2處洼地，局部標高比水面現狀標高72.07 m還低，遇到降雨便會有雨水滯留。結合實際需求，將位于水邊線周邊的子堤與尾礦壩間的西北角區(qū)域進行廢石覆蓋，覆蓋高度不低于74.0 m標高，并平整為傾向庫內水域的正坡。其他區(qū)域采用局部平整灘面的方案，即將尾礦庫地勢較高處進行挖方，挖出的土方填充至地勢較低處。

4.2 排洪回水設施改造

尾礦庫現有內徑800 mm的排洪管，按照尾礦庫現有的排洪管布置，使用排洪管排洪時水邊線接近廢石堆積壩壩根，尾礦庫的干灘長度無法滿足“不小于70 m”的規(guī)范要求，另外其進水口的頂標高為73.43 m，在現狀水位標高的基礎上還得將水位升高1.43 m才能起到排水的作用，因此無法使用現有的排洪系統(tǒng)進行排洪。新建的排洪管采用內徑800 mm預制混凝土管(平口或承插口)，在進口端設置一進水井，內徑2.0 m，高1.6 m，底標高70.5 m，排洪管的進水口標高71.0 m，坡度1.56%。排水管出口接原壩面排水溝，并最終進入原環(huán)壩排水溝。改造排洪設施的工程量有：預制混凝土管136 m，進水井C20混凝土2 m3，排水管墊層94 m3，挖方450 m3，填方274 m3。新建排洪管坐落于尾礦庫灘面上，需要進行基礎加固，基礎深2.0 m、寬3.0 m范圍內采用置換法將原砂泥用碎石代替，并振沖夯實，基礎處理工程量為540 m3。

4.3 增設浸潤線及位移觀測設施

壩體浸潤線及位移觀測設施對尾礦庫實施定期觀測是尾礦庫閉庫后管理工作的一項重要內容，通過觀測及時了解尾礦庫的安全穩(wěn)定現狀，發(fā)現異常情況及時分析處理，確保尾礦庫安全?？紤]到棒磨山尾礦庫是采用廢石筑壩，浸潤線埋深較深，可以不設置浸潤線觀測系統(tǒng)。棒磨山尾礦庫的位移觀測系統(tǒng)已經運行多年，原測點僅有2個，增設6個位移觀測點可滿足要求。

4.4 尾礦庫閉庫綠化及環(huán)境保護

(1)尾礦庫復墾綠化及廢水治理。目前棒磨山尾礦庫綠化工作已經取得初步成效，但綠化尚未實現庫區(qū)全覆蓋；閉庫后尾礦庫停止放礦，庫內存放的尾礦是磁選尾礦，沒有有毒有害的物質析出，汛期排洪僅為庫內的雨水，不存在尾礦廢水污染的問題。

(2)尾礦粉塵的治理。目前尾礦庫壩外坡已經綠化，閉庫后尾礦庫通過沖積灘灘面的覆蓋、綠化，已經沒有裸露的尾礦砂。沖積灘面已部分被綠色植物覆蓋，粉塵污染基本得到有效治理。

5 結 語

對棒磨山尾礦庫閉庫的綜合治理措施進行了詳細探討，該尾礦庫經綜合整治后，礦區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境得到了改善，取得了一定的生態(tài)、經濟效益。

[1] 沈樓燕，魏作安.探討尾礦庫閉庫的一些問題[J]. 金屬礦山，2002(6)：47-48.

[2] 梁 戰(zhàn)，程慧高，汪曉霖，等.某尾礦庫安全分析及治理對策[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(6)：34-35．

[3] 廖智強，李澤杰.某鐵礦尾礦庫閉庫工程初步設計研究[J].西部探礦工程，2011(5)：211-213．

2015-01-15)

尚立君(1974—)，男，高級工程師，063009 河北省唐山市路南區(qū)新華西道46號。