李瑞鴻 袁子有 李躍強

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

某大型鐵礦尾礦庫一次性筑壩技術

李瑞鴻 袁子有 李躍強

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

分析了一次性筑壩技術的適宜范圍，以承德地區(qū)某大型鐵礦尾礦庫一次性筑壩技術設計為例，對其設計要點進行了探討，并將一次性筑壩技術與傳統(tǒng)上游式尾礦筑壩法進行比較，結(jié)果表明一次性筑壩方案技術上是可行的，經(jīng)濟上更合理，值得推廣。

尾礦庫 一次性筑壩技術 上游式筑壩法

目前我國普遍采用的是上游式尾礦筑壩方式，壩體的安全穩(wěn)定性受尾礦顆粒級配、尾礦排放濃度及流動沉積規(guī)律等因素的影響，安全性較低。多年的運行實踐經(jīng)驗表明，上游式尾礦筑壩法對于解決礦山尾礦問題有局限性。近年來監(jiān)管部門正在積極引導各地區(qū)和尾礦庫企業(yè)應用在線監(jiān)測、尾礦充填和干式排尾等先進適用的新技術[1-5]。國家五部門聯(lián)合下發(fā)的《關于進一步加強尾礦庫監(jiān)督管理工作的指導意見》(安監(jiān)總管[2012]32號)中明確提出，新建四、五等尾礦庫應當優(yōu)先采用一次性筑壩方式。有關文獻[6]對中、小型尾礦庫一次性筑壩，從壩型選擇、筑壩材料、排洪、排滲防滲、尾礦排放方式等方面進行了探討，分析了其設計要求。本文通過某大型鐵礦尾礦庫采用一次性筑壩技術的設計實例，對上游式筑壩法和一次性筑壩技術進行了比較，分析兩種筑壩方式的優(yōu)缺點，最終確定采用一次性筑壩方案。并提出了大型尾礦庫一次性筑壩技術設計要點，為該技術的推廣起到一定的促進作用。

1 一次性筑壩技術的適宜范圍

近年來由于越來越嚴格的安全和環(huán)保要求，尾礦庫一次性筑壩技術越來越受到關注。尾礦庫一次性筑壩技術，指的是在基建期一次性將攔擋壩修建至最終設計標高，建成永久性壩體，在生產(chǎn)過程中直接將尾礦排入庫內(nèi)，不再用尾砂分級堆筑子壩。對于大型尾礦庫工程，通常壩體高，筑壩工程量大，可根據(jù)尾礦排放堆積速率分期修筑攔擋壩。一次性筑壩是所有筑壩方式中抗震穩(wěn)定性最好的，缺點是筑壩材料用量最多。

一次性筑壩方式主要適用于以下幾種情況：①山谷型尾礦庫溝谷長度較長，兩側(cè)山體有足夠的長度且筑壩材料充裕；②平地型尾礦庫和傍山型尾礦庫，不能滿足最小干灘長度及澄清距離要求的；③尾礦粒度細，不能利用尾砂堆筑子壩，優(yōu)先采用一次性筑壩方式；④在高寒地區(qū)氣溫低，冬季放礦時不利于尾砂排水固結(jié)，容易形成永凍層，同時受嚴寒氣候的影響，大量礦漿凍結(jié)于庫內(nèi)，待春天氣溫回升時融化，可能引發(fā)春汛，給尾礦壩造成一定的安全隱患，優(yōu)先采用一次性筑壩方式；⑤由于礦山自身地形條件的限制，沒有適宜的場地用作排土場，建設尾礦庫需同時考慮排土場建設，可采用一次性筑壩方式。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某鐵礦為露天開采礦山，選礦廠原礦處理規(guī)模為150萬t/a，排尾量130萬t/a。全尾礦顆粒較粗，小于0.074 mm的尾砂僅占總質(zhì)量的7.0%，脫水性能良好。

擬建尾礦庫地處燕山中低山區(qū)的一處溝谷內(nèi)，三面環(huán)山，為一典型的山谷型尾礦庫。從地貌上看，該庫溝谷呈“Y”字型布置，近于西東走向，斷面呈“V”字型。溝谷狹長，主溝長約1 500 m，溝底寬度20～40 m。該區(qū)為典型的大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同季，冬長夏短，冬季寒冷干燥，春季驟冷驟熱，夏季盛行偏南風，氣候溫和，雨水集中，時有暴雨及冰雹。夏季氣溫最高39 ℃，冬季最低氣溫-27 ℃，年平均氣溫8.6 ℃左右，年平均降水量553 mm。水源地距選礦廠較近，水質(zhì)、水量能夠滿足生產(chǎn)和生活用水的要求。擬建尾礦庫下游有部分居民居住，無工礦企業(yè)，無高壓線及其他重要設施。企業(yè)與該處村民已達成搬遷協(xié)議，居民搬遷后該區(qū)域適宜用作尾礦庫庫址。

2.2 筑壩方案選擇

根據(jù)尾礦性質(zhì)、地形和地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及尾礦壩筑壩常用方法，初選上游式筑壩和一次性筑壩兩種方案，通過比較確定最優(yōu)方案。

2.2.1 方案Ⅰ(上游式尾礦筑壩)

該尾礦庫距企業(yè)采場較近，采場在生產(chǎn)期間有大量的剝離廢石，設計初期壩為透水堆石壩，利用采場篩選的剝離廢石筑壩。初期壩壩高30.0 m，壩頂標高720.0 m，堆積壩外邊坡平均坡比為1:4，尾礦最終堆積標高800.0 m，總壩高110.0 m，計算總庫容1 316.0萬m3，該尾礦庫等級為二等。庫容利用系數(shù)按0.75計算，服務年限約11.4 a。尾礦庫主要設施包括：初期壩、排水系統(tǒng)、排滲設施及安全監(jiān)測設施等。其中，排水系統(tǒng)由排水井、排水管、排水隧硐、轉(zhuǎn)流井、消力池及排水溝等組成。方案Ⅰ平面布置圖和初期壩斷面圖分別見圖1和圖2。

圖1 尾礦庫平面布置

2.2.2 方案Ⅱ(一次性筑壩)

設計攔擋壩為透水堆石壩，利用采場剝離廢石筑壩，不設堆積壩。攔擋壩最終壩頂標高800.0 m，總壩高為110.0 m，計算總庫容為1 670.7萬m3，尾礦庫設計等級為二等，庫容利用系數(shù)按0.9計算，服務年限約17.4 a。尾礦庫主要設施包括：攔擋壩、排水系統(tǒng)、排滲設施及安全監(jiān)測設施等。方案Ⅱ排水系統(tǒng)組成同方案Ⅰ，只是排水隧洞出口所接排水管和消力池的位置稍作了調(diào)整?？紤]地形變化，在排水管中間設置了一座轉(zhuǎn)流井，攔擋壩外壩坡未設置壩面排水溝。

圖2 初期壩斷面(單位:m)

方案Ⅱ平面布置圖和攔擋壩斷面圖分別見圖3和圖4。

圖3 尾礦庫平面布置

2.3 筑壩方案分析比較

2.3.1 技術指標

對兩種不同筑壩方案的尾礦設施技術指標進行比較，結(jié)果見表1。

表1 兩種方案技術指標對比

注：方案Ⅱ攔擋壩堆石量按第一期考慮。

由表1可以看出，方案Ⅱ與方案Ⅰ比較：總庫容多27%，總服務年限延長了6 a；攔擋壩一期筑壩工程量是方案Ⅰ的2倍多，但考慮到企業(yè)有足夠的采場廢石可用于筑壩，彌補了一次性筑壩材料用量多的缺點；解決了采場剝離圍巖的排棄問題，減小了礦山配套的排土場規(guī)模。

圖4 攔擋壩斷面(單位：m)

2.3.2 防洪安全

(1)方案Ⅰ：該尾礦庫為二等庫，在計算過程中根據(jù)各使用期等級不同，防洪標準相應取上限。庫區(qū)最大匯水面積0.745 km2，隨著尾礦壩的升高，庫區(qū)匯水面積、防洪標準都發(fā)生變化，選取典型壩段進行洪水計算及調(diào)洪演算。計算結(jié)果表明，尾礦庫運行期間調(diào)洪能力可滿足規(guī)范要求，且排空一次24 h洪水的時間不超過72 h，滿足規(guī)范要求。

(2)方案Ⅱ：計算方法同方案Ⅰ，計算結(jié)果表明,方案Ⅱ的排水系統(tǒng)設計方案是合理可行的。另外，一次性筑壩尾礦庫可利用攔擋壩體進行短時間擋水，一般小型洪水可攔蓄在庫內(nèi)，超標洪水可通過排洪系統(tǒng)泄洪。由于不受干灘長度限制，相比傳統(tǒng)上游式濕式排放尾礦庫，一次性筑壩尾礦庫將攔擋壩壩頂標高與尾礦灘面標高之間的空間作為調(diào)洪區(qū)域，調(diào)節(jié)能力較大，但隨尾礦排放量的增加調(diào)洪庫容呈減少的趨勢。因此只要留有足夠的安全超高，一次性筑壩的防洪安全性會更可靠。

2.3.3 壩體穩(wěn)定性

2.3.3.1 尾礦壩穩(wěn)定性計算

該尾礦庫等別為二等，尾礦壩重要性級別為二級，根據(jù)《尾礦設施設計規(guī)范》(GB 50863—2013)[7]的規(guī)定，應進行場地危險性分析，分析結(jié)果確定其設防烈度。

(1)方案Ⅰ：根據(jù)《尾礦庫安全技術規(guī)程》(AQ 2006—2005)[8]的規(guī)定，1、2級山谷型尾礦壩的滲流應按三維計算或由模擬試驗確定。壩體三維滲流場分析結(jié)果表明，各典型壩段在正常工況、洪水工況和特殊運行工況下浸潤線埋深均較大，無壩坡出逸現(xiàn)象。

對尾礦庫最終堆積標高800 m時的正常運行工況、洪水運行工況和特殊運行工況進行二維滲流計算。采用瑞典圓弧法和總應力法，利用河海大學開發(fā)的AutoBank軟件，根據(jù)尾礦沉積規(guī)律對尾礦壩進行概化分層，選取尾礦物理力學指標。計算結(jié)果與三維滲流計算基本一致，在各種工況下浸潤線埋深普遍較深，滿足規(guī)范要求。利用滲流計算結(jié)果進行壩體穩(wěn)定性分析，正常運行、洪水運行工況和特殊運行工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.969、1.819和1.679，滿足規(guī)范要求。

(2)方案Ⅱ：計算方法同方案Ⅰ，利用二維滲流計算結(jié)果進行壩體穩(wěn)定分析，正常運行、洪水運行工況和特殊運行工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.896、1.896和1.824，滿足規(guī)范要求。

結(jié)果表明，在選取相同的物理力學指標的情況下，兩種筑壩方式下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且有較大的安全儲備，在洪水和特殊運行工況下，方案Ⅱ的安全系數(shù)要高于方案Ⅰ。

2.3.3.2 尾礦壩動應力抗震計算

根據(jù)《尾礦設施設計規(guī)范》(GB 50863—2013)[7]的規(guī)定，考慮到該尾礦壩為二級壩，應進行專門的動力抗震計算，即在有限元基礎上進行地震液化分析、地震穩(wěn)定分析和地震永久變形分析。該項目未進行相關工作，在后續(xù)研究工作中會繼續(xù)深入，根據(jù)委托的專門從事抗震的研究院或高等院校的研究成果，對壩體的穩(wěn)定性分析結(jié)果進一步完善。

2.3.4 可比投資

方案Ⅰ和方案Ⅱ在基建期所需的工程投資及投資構(gòu)成見表2所示。

表2 按工程類別劃分投資 萬元

方案初期壩(攔擋壩)排水系統(tǒng)排滲設施監(jiān)測設施庫區(qū)綠化合計Ⅰ667.031056.5287.1714.40156.961982.08Ⅱ1521.25873.50134.2115.30188.002732.26

注：方案Ⅱ攔擋壩投資按第一期考慮。

由表2可以看出，方案Ⅱ基建期費用是方案Ⅰ的近1.4倍，究其原因，主要是方案Ⅱ攔擋壩工程量較方案Ⅰ初期壩工程量有大幅增加。由于方案Ⅱ考慮了分期筑壩，同時攔擋壩的建設可以解決采場剝離圍巖的堆存，減小礦山配套的排土場規(guī)模，因此可節(jié)約很大一筆投資。

該工程投資費用除基建費用外，還包括運行管理費用、閉庫費用及復墾價值等費用。

(1)運行管理費用。方案Ⅱ尾礦庫沒有后期尾砂筑壩的費用，崗位編制的勞動定員較少，運行費用相對較低；方案Ⅱ不采用尾礦筑壩，只要保證初期壩的施工質(zhì)量，基本可以避免堆積壩的日常災害，安全管理比方案Ⅰ簡單、方便，管理費用與方案Ⅰ基本相同。

(2)方案Ⅱ閉庫費用要低于方案Ⅰ。原因在于：方案Ⅱ不存在后期堆積壩，閉庫時沒有堆積壩整治費用，同時灘面整治也較方案Ⅰ容易實施。

(3)復墾價值。方案Ⅱ閉庫后可恢復耕地面積高于方案Ⅰ，地形條件越好，閉庫后的復墾價值越高。

3 一次性筑壩技術設計要點

對于中、小型尾礦庫采用一次性筑壩，與黃土高原用于水土保持的淤地壩類似，可按照水利水電工程有關設計規(guī)范設計[6]。對于大型尾礦庫，結(jié)合該工程的經(jīng)驗，設計注意事項說明如下。

(1)攔擋壩。攔擋壩壩型的選擇與筑壩材料來源、選礦廢水的性質(zhì)等因素有關。對于山谷型尾礦庫，如溝谷縱深較長，兩側(cè)山體有足夠的高度且筑壩材料充足，宜采用一次性筑壩方式；對于平地型和傍山型尾礦庫，如不能滿足最小干灘長度及澄清距離要求的，應采用一次性筑壩方式；一次性筑壩材料土石皆可，但高壩宜采用透水堆石壩，可結(jié)合排土場進行，若選礦廢水有污染，最好采用不透水壩型，如碾壓式土壩。為了節(jié)省前期投資，同時使選礦廠盡早投產(chǎn)，攔擋壩一般考慮分期建設。施工中需注意壩體的基礎處理，壩體堆筑過程中要嚴格控制堆筑質(zhì)量達到設計要求。

(2)放礦方式。選礦廠排出的尾礦漿通過泵站和管道輸送至尾礦庫，再與攔擋壩壩頂上鋪設的放礦主管道連接，放礦主管道上每隔8～10m設置一個放礦支管，利用水力沖積放礦。放礦時，為保護攔擋壩上游坡及反濾層免受尾礦漿沖刷，一般采用導流槽或軟管將礦漿引至遠離壩頂處排放，并采用多管小流量的放礦方式，以利盡快形成灘面。

(3)排水系統(tǒng)。一次性筑壩尾礦庫庫內(nèi)排水系統(tǒng)優(yōu)先采用排水井—排水管—排水隧洞方式，有條件的可在最終壩頂設置溢洪道，避免發(fā)生超標準洪水造成洪水漫頂。

(4)防滲和排滲設施。一次性筑壩尾礦庫如采用透水堆石壩，無需設置排滲設施，若采用不透水壩型，必須設置有一套完備的排滲設施，加快尾礦堆積體的排水固結(jié)，使庫區(qū)尾礦滲透水及時排至庫外，最大限度地降低壩體浸潤線。若選礦廢水有污染，攔擋壩最好采用不透水壩型，根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，采用庫底鋪設土工膜防滲或下游布設截滲墻防滲，以免污染地下水，同時為降低攔擋壩內(nèi)的浸潤線高度，可在攔擋壩下游設置排滲棱體。

(5)安全監(jiān)測設施。一次性筑壩尾礦庫需在攔擋壩上布設位移觀測設施，如攔擋壩為透水堆石壩無需設置浸潤線觀測設施，如為不透水壩型，同樣需要設置。此外，還應設置完善的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

尾礦庫設計除了遵循一般設計規(guī)范規(guī)程外，還需充分考慮其特殊性，如尾礦細顆粒筑壩、庫區(qū)永凍層、冰凌春汛等對尾礦庫造成的不利影響，有時還需兼顧排土場建設，一次性筑壩技術是解決這類問題的有效技術措施。通過某大型尾礦庫上游式尾礦筑壩和一次性筑壩兩種方案對比，確定采用一次性筑壩方案，并從攔擋壩、放礦方式、排水系統(tǒng)、防滲和排滲設施、安全監(jiān)測設施等方面對其設計要點進行了探討。無論在防洪能力還是日常生產(chǎn)管理上，大型尾礦庫采用一次性筑壩技術都有其特有的優(yōu)勢，同時還解決了采場剝離廢石的堆存問題，因此是一種值得推廣的筑壩技術。

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[8] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ2006—2005 尾礦庫安全技術規(guī)程[S].北京,煤炭工業(yè)出版社,2005.

2014-11-06)

李瑞鴻(1982—)，女，碩士，工程師，066006 河北省秦皇島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)龍海道71號。