棒磨山尾礦庫(kù)閉庫(kù)綜合治理

尚立君 袁雪濤 韓新開 王建勝

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司)

棒磨山尾礦庫(kù)閉庫(kù)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(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司)

棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫(kù)已停止使用，在對(duì)該尾礦庫(kù)基本情況分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其調(diào)洪和穩(wěn)定性進(jìn)行了討論，進(jìn)而對(duì)其庫(kù)區(qū)灘面、排洪系統(tǒng)、位移觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合閉庫(kù)整治，并對(duì)其尾礦庫(kù)進(jìn)行復(fù)墾，取得了較好的效果。

尾礦庫(kù) 閉庫(kù)治理 土地復(fù)墾

尾礦庫(kù)作為一種特殊的標(biāo)志性工業(yè)建筑物，其運(yùn)行狀態(tài)既關(guān)系著礦山企業(yè)的安全運(yùn)營(yíng)，又關(guān)系著尾礦庫(kù)周邊人民和環(huán)境的安全[1]。當(dāng)尾礦庫(kù)達(dá)到其設(shè)計(jì)高程或者根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求需要將其關(guān)閉時(shí)，則需要采取恰當(dāng)?shù)拈]庫(kù)措施來實(shí)現(xiàn)二次資源保護(hù)以及壩體的長(zhǎng)期穩(wěn)定[2-3]。

1 棒磨山尾礦庫(kù)概況

1.1 尾礦庫(kù)原設(shè)計(jì)初期壩及尾礦堆積壩

棒磨山尾礦庫(kù)建有沙河溝初期壩、棒錘山初期壩和團(tuán)新莊初期壩，初期壩壩頂標(biāo)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(zhǎng)分別為557.0，330.0和202.0 m，除沙河溝初期壩內(nèi)外坡比為1∶2.75外，其余坡比均為1∶2.0。初期壩為均質(zhì)粉土壩，目前初期壩已被廢石壩掩埋。該尾礦庫(kù)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(shè)計(jì)尾礦壩的最終堆積標(biāo)高為75.0 m，壩頂寬度為30.0 m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為1 448萬(wàn)m3。目前廢石壩的實(shí)際堆積標(biāo)高為76.0～80.0 m，壩頂最小寬度為5.0 m；廢石壩的內(nèi)外邊坡約為1∶2，壩長(zhǎng)約 3 950 m。

1.2 尾礦庫(kù)排洪回水系統(tǒng)

尾礦庫(kù)原設(shè)計(jì)有管-塔排洪回水系統(tǒng)，包括2.0 m內(nèi)徑的3座鋼筋混凝土溢水塔和內(nèi)徑1.0 m總長(zhǎng)810.0 m的排水管。1995年3月14日，尾礦庫(kù)原設(shè)計(jì)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(bào)廢。1995年4月重新設(shè)計(jì)了新的排洪回水系統(tǒng)，包括移動(dòng)式回水泵站回水設(shè)施及在尾礦庫(kù)沙河溝壩南端建有溢洪管道。2010年10月將尾礦庫(kù)沙河溝壩南端興建的溢洪管道移至尾礦庫(kù)北端，目前，內(nèi)徑800 mm的排洪管已經(jīng)施工完畢。

1.3 尾礦庫(kù)灘面

根據(jù)2013年3月初實(shí)測(cè)的尾礦庫(kù)現(xiàn)狀平面圖，廢石壩壩頂標(biāo)高76.0～80.0 m，庫(kù)區(qū)水面標(biāo)高約72.07 m，西南綠化區(qū)灘頂標(biāo)高71.6～74.1 m，西北綠化區(qū)灘頂標(biāo)高70.3～72.1 m，北側(cè)灘頂標(biāo)高72.0～76.0 m，東側(cè)灘頂標(biāo)高72.1～75.0 m，南側(cè)灘頂標(biāo)高在76.8 m以上。

2 尾礦庫(kù)等別、水文、調(diào)洪分析

2.1 尾礦庫(kù)等別及防洪標(biāo)準(zhǔn)

棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫(kù)等別及防洪標(biāo)準(zhǔn)，安全超高分別見表1、表2。

表1 棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫(kù)等別

表2 尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)及安全超高

2.2 尾礦庫(kù)水文計(jì)算

棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫(kù)匯水面積約0.92 km2，河道長(zhǎng)0.875 km，河道平均坡度10‰。分別采用以下3種公式對(duì)該區(qū)洪峰流量進(jìn)行計(jì)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(shù)；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(shù)；J為河道平均坡度，‰。

(3)推理公式。

(3)

式中，Hτ為歷時(shí)內(nèi)的最大降雨量，mm；τ為匯流歷時(shí)，h；μ為產(chǎn)流參數(shù)，mm/h；tc為凈雨歷時(shí)，h；R為次洪水徑流深，mm。

式(1)～(3)的洪峰流量計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水文計(jì)算結(jié)果

由表3可知，由于棒磨山鐵礦沙河溝尾礦庫(kù)匯水面積僅為0.92 km2，《唐山市水文手冊(cè)》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(shè)計(jì)采用洪峰流量較大的單因子公式的計(jì)算結(jié)果。

2.3 尾礦庫(kù)調(diào)洪計(jì)算

尾礦庫(kù)閉庫(kù)后庫(kù)區(qū)水僅有大氣降水這一補(bǔ)給來源，并且尾礦庫(kù)的調(diào)洪庫(kù)容大于一次洪水總量，為了調(diào)節(jié)庫(kù)區(qū)水位，必須建設(shè)新的排洪系統(tǒng)。在庫(kù)內(nèi)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(jìn)入原環(huán)壩排水溝。進(jìn)水井頂標(biāo)高72.1 m，排洪管進(jìn)水口底標(biāo)高71.0 m，管長(zhǎng)136 m。任意時(shí)段的水量平衡方程式為

(4)

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

根據(jù)排洪系統(tǒng)的布置，按式(4)進(jìn)行了調(diào)洪計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 尾礦庫(kù)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果

由表4可知，經(jīng)整治后的尾礦庫(kù)在遭遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，安全超高和干灘長(zhǎng)度均滿足規(guī)范要求。

3 尾礦庫(kù)堆積壩穩(wěn)定性分析

3.1 尾礦庫(kù)壩體滲流穩(wěn)定計(jì)算

針對(duì)尾礦庫(kù)的實(shí)際情況，選取3個(gè)典型剖面采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，尾礦庫(kù)在遭遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)可以將一次洪水全部存入庫(kù)中，因此在計(jì)算浸潤(rùn)線時(shí)按洪水時(shí)的最高水位確定庫(kù)區(qū)水位。3個(gè)典型剖面的浸潤(rùn)線及等勢(shì)線見圖1。

圖1 浸潤(rùn)線及等勢(shì)線

3.2 尾礦庫(kù)堆積壩穩(wěn)定性分析

3.2.1 安全系數(shù)及荷載組合

尾礦庫(kù)抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)見表5。

表5 三等尾礦庫(kù)抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

棒磨山尾礦庫(kù)荷載組合形式和壩體物理力學(xué)參數(shù)分別見表6、表7。

表6 荷載組合

3.2.2 尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性分析

采用畢肖普法對(duì)圖13個(gè)典型剖面按照正常工況、洪水工況和特殊工況分別進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表8。由表8可知，該尾礦壩運(yùn)行基本穩(wěn)定。

表7 物理力學(xué)參數(shù)

表8 礦壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4 尾礦庫(kù)閉庫(kù)安全治理措施

4.1 尾礦庫(kù)灘面治理

尾礦庫(kù)廢石堆積壩壩頂實(shí)際標(biāo)高76.0～80.0 m，庫(kù)區(qū)灘面標(biāo)高66.0～77.0 m，在庫(kù)區(qū)西北角有2處洼地，局部標(biāo)高比水面現(xiàn)狀標(biāo)高72.07 m還低，遇到降雨便會(huì)有雨水滯留。結(jié)合實(shí)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(jìn)行廢石覆蓋，覆蓋高度不低于74.0 m標(biāo)高，并平整為傾向庫(kù)內(nèi)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(kù)地勢(shì)較高處進(jìn)行挖方，挖出的土方填充至地勢(shì)較低處。

4.2 排洪回水設(shè)施改造

尾礦庫(kù)現(xiàn)有內(nèi)徑800 mm的排洪管，按照尾礦庫(kù)現(xiàn)有的排洪管布置，使用排洪管排洪時(shí)水邊線接近廢石堆積壩壩根，尾礦庫(kù)的干灘長(zhǎng)度無(wú)法滿足“不小于70 m”的規(guī)范要求，另外其進(jìn)水口的頂標(biāo)高為73.43 m，在現(xiàn)狀水位標(biāo)高的基礎(chǔ)上還得將水位升高1.43 m才能起到排水的作用，因此無(wú)法使用現(xiàn)有的排洪系統(tǒng)進(jìn)行排洪。新建的排洪管采用內(nèi)徑800 mm預(yù)制混凝土管(平口或承插口)，在進(jìn)口端設(shè)置一進(jìn)水井，內(nèi)徑2.0 m，高1.6 m，底標(biāo)高70.5 m，排洪管的進(jìn)水口標(biāo)高71.0 m，坡度1.56%。排水管出口接原壩面排水溝，并最終進(jìn)入原環(huán)壩排水溝。改造排洪設(shè)施的工程量有：預(yù)制混凝土管136 m，進(jìn)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(kù)灘面上，需要進(jìn)行基礎(chǔ)加固，基礎(chǔ)深2.0 m、寬3.0 m范圍內(nèi)采用置換法將原砂泥用碎石代替，并振沖夯實(shí)，基礎(chǔ)處理工程量為540 m3。

4.3 增設(shè)浸潤(rùn)線及位移觀測(cè)設(shè)施

壩體浸潤(rùn)線及位移觀測(cè)設(shè)施對(duì)尾礦庫(kù)實(shí)施定期觀測(cè)是尾礦庫(kù)閉庫(kù)后管理工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通過觀測(cè)及時(shí)了解尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)分析處理，確保尾礦庫(kù)安全。考慮到棒磨山尾礦庫(kù)是采用廢石筑壩，浸潤(rùn)線埋深較深，可以不設(shè)置浸潤(rùn)線觀測(cè)系統(tǒng)。棒磨山尾礦庫(kù)的位移觀測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行多年，原測(cè)點(diǎn)僅有2個(gè)，增設(shè)6個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)可滿足要求。

4.4 尾礦庫(kù)閉庫(kù)綠化及環(huán)境保護(hù)

(1)尾礦庫(kù)復(fù)墾綠化及廢水治理。目前棒磨山尾礦庫(kù)綠化工作已經(jīng)取得初步成效，但綠化尚未實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)全覆蓋；閉庫(kù)后尾礦庫(kù)停止放礦，庫(kù)內(nèi)存放的尾礦是磁選尾礦，沒有有毒有害的物質(zhì)析出，汛期排洪僅為庫(kù)內(nèi)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(kù)壩外坡已經(jīng)綠化，閉庫(kù)后尾礦庫(kù)通過沖積灘灘面的覆蓋、綠化，已經(jīng)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(jié) 語(yǔ)

對(duì)棒磨山尾礦庫(kù)閉庫(kù)的綜合治理措施進(jìn)行了詳細(xì)探討，該尾礦庫(kù)經(jīng)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(jīng)濟(jì)效益。

[1] 沈樓燕，魏作安.探討尾礦庫(kù)閉庫(kù)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(kù)安全分析及治理對(duì)策[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(6)：34-35．

[3] 廖智強(qiáng)，李澤杰.某鐵礦尾礦庫(kù)閉庫(kù)工程初步設(shè)計(jì)研究[J].西部探礦工程，2011(5)：211-213．

2015-01-15)

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