李躍強(qiáng) 李瑞鴻

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

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某尾礦庫上游法加高擴(kuò)容方案研究

李躍強(qiáng) 李瑞鴻

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

目前，我國許多尾礦庫已處于尾礦存儲(chǔ)的極限和服務(wù)年限的中后期，為了維持礦山企業(yè)的連續(xù)正常運(yùn)行，相關(guān)人員都在積極尋求尾礦存儲(chǔ)的最佳方案。在某現(xiàn)役尾礦庫壩體的基礎(chǔ)上進(jìn)行上游法加高擴(kuò)容設(shè)計(jì)，對(duì)原排水系統(tǒng)的安全性進(jìn)行論證，并新建排水系統(tǒng)及增設(shè)排滲設(shè)施，對(duì)加高后的防洪能力、壩體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明，尾礦庫加高擴(kuò)容后滿足安全運(yùn)行要求，有效保證了礦山的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

尾礦庫 上游法 加高擴(kuò)容 排滲 穩(wěn)定性分析

隨著礦山尾礦排放量的不斷增加及土地資源的日益緊缺，許多礦山企業(yè)都面臨著尾礦庫擴(kuò)容的問題。尾礦庫擴(kuò)容有多種方案可供選擇，主要是對(duì)尾礦壩壩體自身加高擴(kuò)容或利用壩前空間擴(kuò)容?；诖?，目前我國尾礦庫的擴(kuò)容方式有上游法加高擴(kuò)容、中線法擴(kuò)容及尾砂干堆擴(kuò)容等[1-5]。針對(duì)某尾礦庫目前使用情況，提出利用上游法加高擴(kuò)容延長尾礦庫服務(wù)年限的改造方案，并對(duì)設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素進(jìn)行了分析和論述，以驗(yàn)證方案的可行性。

1 某尾礦庫現(xiàn)狀

某尾礦庫建于2008年，距選礦廠區(qū)約1.0 km，為典型的山谷型尾礦庫。初期壩為壤土均質(zhì)土壩，初期壩下游坡腳設(shè)有棱體排水，壩高25.7 m，壩頂寬4 m，壩頂標(biāo)高為1 087.6 m，最終堆積壩頂標(biāo)高為1 119 m，總壩高為57.1 m，屬四等庫。尾礦庫排洪回水系統(tǒng)采用鋼筋混凝土排水涵管。目前該尾礦庫尾砂已堆至1 114.8 m標(biāo)高，距設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高還差4.2 m。為實(shí)現(xiàn)資源利用最大化，減少土地資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，減少危險(xiǎn)源的數(shù)量，充分利用該尾礦庫現(xiàn)有地形條件進(jìn)行加高擴(kuò)容，既能滿足企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的要求，又符合環(huán)境及社會(huì)的要求。

2 加高擴(kuò)容存在的問題及解決對(duì)策

該尾礦庫原排洪和回水設(shè)施為排水涵管，內(nèi)力計(jì)算時(shí)取埋深56 m，尾礦庫加高擴(kuò)容后原排水涵管最大埋深約90 m，經(jīng)計(jì)算復(fù)核，原排水涵管承載能力不滿足要求，若加高后繼續(xù)使用有破壞的可能性，為保證尾礦庫的安全運(yùn)行，尾礦庫達(dá)到原設(shè)計(jì)標(biāo)高1 119 m后，將原有排水涵管進(jìn)行封堵填實(shí)，新建排水系統(tǒng)。

由于初期壩為土壩，滲透性較差，為降低堆積壩內(nèi)浸潤線高度，設(shè)計(jì)在堆積壩內(nèi)設(shè)置垂直排滲設(shè)施。為加快尾礦壩加高過程中尾砂排水固結(jié)，降低壩體內(nèi)浸潤線埋深，設(shè)計(jì)在加高壩體內(nèi)平行壩軸線設(shè)置水平排滲設(shè)施。

3 加高擴(kuò)容工程方案分析

3.1 擴(kuò)容方案

結(jié)合尾礦庫現(xiàn)狀，對(duì)其進(jìn)行上游法加高擴(kuò)容工程設(shè)計(jì)。受地形條件限制，當(dāng)尾礦庫堆積到原設(shè)計(jì)標(biāo)高1 119 m后，在尾礦庫灘面內(nèi)設(shè)置尾砂平臺(tái)和堆積子壩，采用上游法放礦筑壩工藝，將尾礦壩最終堆積標(biāo)高加高至1 158 m，屆時(shí)總壩高達(dá)96.1 m，總庫容達(dá)1 597.73萬m3，尾礦庫升為三等庫[6]。尾礦庫加高擴(kuò)容后的縱斷面見圖1。

3.2 排水系統(tǒng)改造

3.2.1 新排水系統(tǒng)

為了滿足尾礦庫加高后的泄流要求，根據(jù)該庫的地形條件，確定新排洪系統(tǒng)采用排水涵管與隧洞結(jié)合。在尾礦庫東側(cè)支溝和西側(cè)支溝分別修建排水涵管，在西側(cè)支溝西側(cè)和2個(gè)支溝之間山體修建排水隧洞，排水涵管沿庫區(qū)溝底由南向北設(shè)置，通過轉(zhuǎn)流井與隧洞連接，隧洞出口連接消力池。

3.2.2 輔助排水系統(tǒng)

為防止雨水沖刷壩肩，在尾礦壩兩側(cè)壩肩與山坡結(jié)合處設(shè)置排水溝。為防止雨水沖刷造成壩面拉溝，在堆積壩壩坡1119，1130，1140和1 150 m 標(biāo)高平臺(tái)平行壩軸線方向設(shè)置橫向壩面排水溝，垂直壩軸線方向設(shè)置間距為50 m的壩面縱向排水溝。

圖1 尾礦庫加高擴(kuò)容后的縱斷面

3.3 排滲設(shè)施增設(shè)

3.3.1 垂直排滲設(shè)施

垂直排滲設(shè)施由碎石排滲墻和排滲管組成，排滲墻頂標(biāo)高為1 095 m，每組排滲墻長3 m，寬0.5 m，深20 m，外部采用一層500 g/m2土工布作為反濾層。排滲墻共設(shè)15組，每組凈間距為12 m，每組排滲墻底端接一根φ0.2 mPE塑料排滲管，滲水通過排滲管導(dǎo)入壩面排水溝，降低壩體浸潤線。

3.3.2 水平排滲設(shè)施

在1 119，1 130，1 140和1 150 m標(biāo)高平行壩軸線分別設(shè)置2條排滲盲溝，并在垂直壩軸線方向每隔30 m均勻布置dn110 mmPE管，將排滲盲溝的水排入壩面排水溝，降低堆積壩浸潤線。排滲盲溝寬2 m，高1.5 m，采用50～200 mm級(jí)配卵石，外包一層400 g/m2土工布作為反濾層，并在排滲盲溝頂部覆蓋1 m厚粒級(jí)不小于1 mm尾砂。

3.4 防洪能力分析

3.4.1 洪水計(jì)算

該尾礦庫實(shí)施加高擴(kuò)容后，尾礦庫由四等提高至三等，中后期防洪標(biāo)準(zhǔn)由原設(shè)計(jì)的200 a一遇提高至500 a一遇。壩體升高使尾礦庫庫區(qū)上游匯水面積由1.386 1 km2減小至1.161～1.063 km2。依據(jù)《河北省某市水文水資源手冊(cè)》進(jìn)行洪水計(jì)算，各典型壩段的洪水計(jì)算成果見表1。

表1 各典型壩段洪水計(jì)算成果

3.4.2 調(diào)洪演算

隨著尾礦堆積壩壩高及庫容的變化，尾礦庫的調(diào)洪能力及一次洪水的排空時(shí)間都有變化，按新建排水設(shè)施選取典型壩段(1 119，1 130，1 140，1 158 m 標(biāo)高)進(jìn)行調(diào)洪演算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各典型壩段調(diào)洪演算計(jì)算結(jié)果

由表2可知，尾礦庫運(yùn)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(shí)間不超過72 h，滿足規(guī)范要求。因此，該尾礦庫排洪系統(tǒng)改造方案合理可行。

3.5 壩體穩(wěn)定性分析

尾礦壩滲流穩(wěn)定性計(jì)算采用河海大學(xué)的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)AutoBank6.1，對(duì)最終狀態(tài)(1 158 m 標(biāo)高)的最危險(xiǎn)斷面進(jìn)行分析，尾礦材料的物理力學(xué)計(jì)算指標(biāo)依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告選取，分別對(duì)正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行及特殊運(yùn)行3種工況計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，壩體正常運(yùn)行工況、洪水運(yùn)行工況和特殊運(yùn)行工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

3.6 加高擴(kuò)容效益分析

尾礦庫由原設(shè)計(jì)最終標(biāo)高1 119 m加高至標(biāo)高1 158 m后，可新增庫容約1 130.87萬m3，有效利用系數(shù)按0.75計(jì)算，新增有效庫容為848.15萬m3，按照企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)能力計(jì)算，可延長服務(wù)年限約3.2 a，滿足了企業(yè)正常生產(chǎn)的需要。相較另選新庫址，加高擴(kuò)容可最大限度利用現(xiàn)役尾礦庫條件，減少基建投資，減少危險(xiǎn)源及環(huán)境污染源。

4 結(jié)論與建議

(1)尾礦庫采用上游法加高擴(kuò)容方案，筑壩工藝和放礦方式等保持不變，可以充分利用現(xiàn)有設(shè)備。

(2)尾礦庫進(jìn)行加高擴(kuò)容時(shí)，應(yīng)對(duì)排水設(shè)施的安全情況和排洪能力進(jìn)行論證，不滿足要求時(shí)要進(jìn)行改造，必要時(shí)增設(shè)排滲設(shè)施，以確保尾礦庫安全。

(3)隨著壩體的加高，尤其到中后期，上游式尾礦庫幾乎都存在不同程度的病害，如浸潤線逸出、滲流破壞等，企業(yè)需要對(duì)尾礦庫加強(qiáng)安全管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的治理措施。

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[5] 羅志雄,李培良.尾礦庫擴(kuò)容方案探討與實(shí)踐[J].金屬材料與冶金工程,2012(40):47-50.

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2016-07-26)

李躍強(qiáng)(1982—)，男，工程師，066004 河北省秦皇島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)龍海道71號(hào)。