尾礦庫挖潛改造設(shè)計探討

鄭 偉，于 菲

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714100)

1 前言

隨著土地資源的日益緊缺以及環(huán)境問題的日益突出，尾礦庫已成為制約礦山可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。不管采用何種尾礦堆存方式(濕堆、干堆、高堆)都需要占用大量土地資源，都會對周圍環(huán)境造成潛在的影響。目前的主要矛盾有兩個，一是礦山的大規(guī)模、高效化生產(chǎn)與客觀條件限制造成大量尾礦集中處理困難的矛盾，二是礦山資源量的不斷開發(fā)與土地資源供應(yīng)不足的矛盾。究其原因主要是隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地資源日趨緊張。尾礦庫的設(shè)計不單是技術(shù)難度的問題，而且還涉及到區(qū)域經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響、水土保持、工程地質(zhì)、社區(qū)關(guān)系、安全風(fēng)險、人文因素等一系列問題。

新建尾礦庫仍是解決礦山尾礦堆存問題的有效手段，但是新建尾礦庫還涉及到征地、移民等一系列問題，合適的庫址也越來越難找，需要的時間也很長。特別是一些礦山在擴大產(chǎn)能或者升級改造的過程中，老尾礦庫的服務(wù)年限大為縮短，新建尾礦庫的難度又很大，矛盾十分突出，因此，對現(xiàn)有尾礦庫進(jìn)行挖潛改造是十分必要并且是行之有效的措施。

2 理論基礎(chǔ)

尾礦庫挖潛改造的最終目的是延長尾礦庫的服務(wù)年限。在尾礦規(guī)模一定的情況下，尾礦庫的服務(wù)年限與尾礦庫總庫容有關(guān)?？値烊菁丛O(shè)計最終堆積壩頂標(biāo)高平面以下、庫底面以上所圍成的空間的容積(不含非尾礦構(gòu)筑的壩體體積)，是影響尾礦庫服務(wù)年限的主要因素，但由于地形特點、放礦方式、調(diào)洪要求等因素的限制，尾礦庫的總庫容無法百分之百利用，為此便提出了有效庫容的概念。

通常尾礦庫的總庫容可分為調(diào)蓄庫容及有效庫容。調(diào)蓄庫容又可分為空余庫容(最高洪水位以上的庫容)、調(diào)洪庫容(最高洪水位以下、正常蓄水位以上的庫容)、蓄水庫容(正常蓄水位以下的庫容)，是維持尾礦壩正常運行的功能性庫容。而有效庫容則是指沉積灘面以下、庫底以上用于貯存尾礦(含懸浮狀尾礦漿體)的空間容積。因此，從概念上分析，有效庫容是影響尾礦庫服務(wù)年限的核心。

通常為方便設(shè)計，總庫容與有效庫容可以通過庫容利用系數(shù)相互轉(zhuǎn)化，即有效庫容的大小等于總庫容與庫容利用系數(shù)的乘積。尾礦庫挖潛改造的核心是增加尾礦庫的有效庫容，最終目的是延長尾礦庫的服務(wù)年限。

3 主要技術(shù)手段

尾礦庫挖潛改造設(shè)計是在保證尾礦庫安全穩(wěn)定的前提下，根據(jù)現(xiàn)狀條件(地形、庫型、排放方式、堆存方式等)采取一系列工程技術(shù)手段增加現(xiàn)有尾礦庫的有效庫容。從概念上判斷，增加有效庫容可以從增加總庫容和提高庫容利用系數(shù)兩個方面實現(xiàn)，主要的技術(shù)手段有加高尾礦壩壩高、庫尾放礦、水下放礦、壩面碾壓密實、改變堆存方式等。

加高現(xiàn)狀尾礦壩是實現(xiàn)總庫容增加的最直接、最有效的手段，但是增加壩高受客觀條件的限制比較大，比如地形限制，庫區(qū)周圍山體標(biāo)高是否足夠，庫區(qū)長度是否可以滿足加高后干灘長度及調(diào)洪的要求，尾礦壩壩體的穩(wěn)定性是否受到影響等；庫尾放礦、水下放礦等則是提高庫容利用系數(shù)的主要手段，其主要受地形因素以及經(jīng)濟(jì)因素的限制，比如需要增加輸送設(shè)備、管道等的投資，增加運行成本等。但隨著征地移民成本的日益增加，庫尾放礦也越來越被生產(chǎn)單位所接受；壩面碾壓、改變堆存方式等方法主要是提高尾礦堆積壩的干容重，比如將濕式堆存改為干式堆存等，受到的限制因素也很多，擴容的效果有限。

4 應(yīng)用實例

以國內(nèi)某大型鉬礦山的尾礦庫為例，通過該尾礦庫延長服務(wù)年限工程的有效實施闡述挖潛改造工程的設(shè)計內(nèi)容、流程、計算方法及特點。

4.1 尾礦庫現(xiàn)狀

國內(nèi)某鉬礦山大型尾礦庫原設(shè)計標(biāo)高為1 300m，總壩高164.5m，總庫容16 930萬m3，服務(wù)年限為32年。尾礦庫匯水面積10.2km2，庫長約7.25km。該尾礦庫初期壩為透水堆石壩，壩高41m，壩頂長115m，頂寬4.0m，上游坡比為1∶1.7，下游坡比為1∶2。尾礦堆積壩采用上游式筑壩工藝，分子壩堆筑，子壩高度3.0～4.5m，子壩頂寬3.5m，外坡比為1∶1.5，堆積壩整體外坡比為1∶5。

隨著礦山規(guī)模的不斷擴大，尾礦堆存壓力不斷加大，尾礦庫的服務(wù)年限大為縮短?，F(xiàn)有尾礦庫剩余庫容只能滿足擴產(chǎn)后2年的服務(wù)年限，而新建尾礦庫由于征地及移民的影響進(jìn)展緩慢，新老尾礦庫時間上無法順利銜接，礦山隨時面臨停產(chǎn)。

4.2 技術(shù)手段

該尾礦庫延長服務(wù)年限主要通過加高尾礦壩和庫尾放礦兩個技術(shù)手段實現(xiàn)。加高尾礦壩是在充分論證的前提下，在保證壩體穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)有筑壩工藝，依照地形條件繼續(xù)堆筑子壩，堆積壩最終壩頂標(biāo)高由原設(shè)計的1 300m增加至1 330m，同時在東梁埡口處修建副壩，保證尾礦庫整體平衡。庫尾放礦則是提高庫容利用系數(shù)的一種方法，即在不影響調(diào)洪庫容與空余庫容以及尾礦庫回水的前提下，在尾礦庫庫尾進(jìn)行充填放礦，鑒于目前庫尾放礦還處在探索階段，將庫尾放礦的重點放在水下放礦。通過水下充填尾礦，減緩壩體上升速度以及減小庫內(nèi)存水量，對于壩體穩(wěn)定也十分有利。

通過尾礦壩加高可以增加尾礦庫的總庫容，通過實施庫尾放礦可以提高尾礦庫的庫容利用系數(shù)，二者相結(jié)合則增加了尾礦庫的有效庫容，達(dá)到延長尾礦庫服務(wù)年限的目的。

需要說明的是主壩加高及庫尾放礦都存在著較大的風(fēng)險，因此前期的基礎(chǔ)工作必須扎實可靠，為挖潛改造設(shè)計提供堅實的基礎(chǔ)。前期的主要工作包括對現(xiàn)狀尾礦壩壩體進(jìn)行工程地質(zhì)勘察及工程測繪，明確現(xiàn)狀壩體分層情況以及尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)，明確干灘坡度及尾礦沉積狀況、水下泥灘坡度、水下地形等，對現(xiàn)狀壩體的穩(wěn)定性(滲流穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性)進(jìn)行復(fù)核，并在此基礎(chǔ)上，需要對加高后的尾礦壩壩體穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測，核實加高后現(xiàn)有尾礦構(gòu)筑物運行的安全性、尾礦庫的防洪能力以及回水的可靠性，明確尾礦壩加高以及庫尾放礦是否可行?？傊痈咴O(shè)計必須有可靠的實測數(shù)據(jù)以及科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝С帧?/p>

4.2.1 主壩加高設(shè)計

目前主壩采用上游式筑壩工藝，采用推土機、裝載機裝運沉積灘的尾礦堆筑子壩，運行多年來較為平穩(wěn)。尾礦粒度>-0.074mm占60%左右，比較適合用上游式筑壩工藝。加高30m后，尾礦壩主壩總壩高為194.5m，現(xiàn)有初期壩壩高為40.5m，初期壩壩高與總壩高比值為0.208，滿足《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的“上游式尾礦堆積壩的初期透水堆石壩壩高與總壩高之比值不宜小于0.125”的要求。

尾礦壩主壩加高仍然采用上游式筑壩工藝，低濃度排放，并輔助以相應(yīng)的排滲設(shè)施，保證壩體穩(wěn)定。加高范圍從1 300m至1 330m，共加高30m，分10級子壩加高，尾礦壩最終設(shè)堆積標(biāo)高為1 330m，總壩高194.5m。每級子壩高度3m，外坡1∶1.5，最終堆積壩總外坡坡比控制在1∶5。經(jīng)計算，按照最不利工況考慮，全部尾礦都進(jìn)入尾礦庫堆存，尾礦壩上升速度為3m/a。

主壩壩體排滲系統(tǒng)采用輻射井及水平排滲管排滲。在現(xiàn)有15口輻射井的基礎(chǔ)上，增加8口輻射井，最終形成23口輻射井共同工作的工況。主壩壩面排水系統(tǒng)包括子壩壩腳縱、橫向排水溝以及壩肩排水溝。壩腳縱向排水溝沿各子壩壩軸線通長布置，矩形斷面，素混凝土襯砌，從每道子壩縱向中點處開始坡向壩肩兩側(cè)，坡度0.5%。兩側(cè)壩肩排水溝采用梯形斷面，壩肩排水溝沿地形鋪設(shè)，鋪設(shè)坡度不得小于1%，不足地段適當(dāng)挖深。在1 300m東、西兩側(cè)平臺處以及現(xiàn)有1 290m壩軸線裁彎取直形成的平臺補充橫向排水溝，與壩腳縱向排水溝垂直布置，間距20m，規(guī)格同縱向排水溝，最終形成平面排水網(wǎng)，保證壩體的穩(wěn)定運行。

主壩監(jiān)測系統(tǒng)包括人工監(jiān)測系統(tǒng)(位移與變形觀測、浸潤線觀測)及在線監(jiān)測系統(tǒng)(位移、浸潤線實時監(jiān)測、干灘監(jiān)測、庫水位監(jiān)測、降雨量監(jiān)測等)。

4.2.2 副壩加高設(shè)計

副壩加高的思路是利用現(xiàn)有條件盡可能少地擾動現(xiàn)有山體，在保證東梁山體自身穩(wěn)定的前提下進(jìn)行加高設(shè)計。為將副壩對東梁山體的影響降到最低，副壩設(shè)計采取的主要技術(shù)手段為調(diào)整壩軸線方向，上游式筑壩工藝加高，基礎(chǔ)灌漿處理3個部分，這3種技術(shù)手段都是保證東梁山體穩(wěn)定的有效措施。

副壩壩軸線調(diào)整主要是為了減少副壩個數(shù)，減輕副壩施工及運行對于東梁山體的影響。最終當(dāng)尾礦堆積標(biāo)高達(dá)到1 330m時，整個尾礦主、副壩壩頂連為一體，不但減小了工程量，而且副壩壩軸線呈凹形，對于副壩壩體自身穩(wěn)定也有利。此外，副壩壩軸線旋轉(zhuǎn)對于保證排洪澄清距離也有好處。

東梁山體的基礎(chǔ)灌漿包括固結(jié)灌漿以及帷幕灌漿，固結(jié)灌漿的作用是加固山體，為修建副壩提供堅實的基礎(chǔ)；帷幕灌漿的主要作用有兩個，一是減輕尾礦壩對下游的滲漏污染，二是延長滲徑，降低東梁山體內(nèi)部的浸潤線，也是減輕副壩修建后由于浸潤線上升對于東梁現(xiàn)狀山體的影響。

副壩加高考慮到盡量維持東梁山體現(xiàn)狀，不采用硬性筑壩的方式直接在東梁山體頂部加載，而是采用上游式筑壩工藝加高壩體，利用子壩不斷向庫內(nèi)延伸。固結(jié)灌漿后應(yīng)馬上在埡口公路處進(jìn)行分散放礦，放礦從現(xiàn)有埡口路面開始，至平均高程1 286m時結(jié)束。尾礦堆壩從1 285m起，分15級子壩堆筑，子壩頂寬3m，高3m，平臺寬度5.5m，子壩外坡為1∶1.5，堆積壩總外坡控制在1∶4。

副壩壩面排水系統(tǒng)包括壩腳縱向排水溝、壩肩排水溝以及平臺集水井。副壩子壩壩腳縱向排水溝及壩肩排水溝規(guī)格同主壩，在副壩1 285m平臺處設(shè)置輻射井，兼顧壩基排滲以及收集部分壩面匯水的功能。集水井內(nèi)設(shè)置水泵電力提升，將滲水揚送至庫內(nèi)。副壩監(jiān)測系統(tǒng)與主壩一致。

4.2.3 庫尾放礦

為確保尾礦庫安全，庫尾放礦的重點放在水下放礦，根據(jù)現(xiàn)有泵站設(shè)備能力以及實際地形情況，設(shè)計將庫尾放礦充填區(qū)域布置在尾礦庫的中后部，包括支溝充填區(qū)、管線延伸放礦區(qū)以及浮船延伸放礦區(qū)。由于泵站內(nèi)渣漿泵揚程有限，設(shè)計庫尾放礦主要從庫區(qū)西側(cè)開始，逐漸向庫區(qū)北側(cè)及東側(cè)延伸，延伸區(qū)域管線布置盡量平順，減少局部阻力損失，增加庫尾可利用放礦庫容。放礦順序為首先支溝放礦，然后利用管線向庫區(qū)北側(cè)、東側(cè)水域延伸放礦。支溝充填區(qū)域布置在庫區(qū)西側(cè)，主要充填庫區(qū)西北側(cè)的幾個大型支溝，形成一定區(qū)域的干灘。管線延伸區(qū)域主要布置在庫區(qū)北側(cè)，在支溝充填區(qū)形成一定區(qū)域的干灘后，管線沿干灘向庫區(qū)北側(cè)延伸繼續(xù)充填水下區(qū)域。為防止庫尾放礦形成的灘面過長過高，利用浮船將管線延伸至庫區(qū)東側(cè)水域進(jìn)行水下放礦。

4.3 實施效果

尾礦庫有效庫容的增加通過加高尾礦壩和庫尾放礦兩個技術(shù)手段實現(xiàn)。通過加高尾礦壩可以增加尾礦庫的總庫容，通過實施庫尾放礦可以提高尾礦庫的庫容利用系數(shù)，這兩部分新增庫容計算方法及計算結(jié)果如下。

(1)增加的總有效庫容分為兩部分，第一是通過加高尾礦壩增加的有效庫容，第二是通過庫尾放礦增加的有效庫容。

(2)通過加高尾礦壩增加的有效庫容計算方法：第一步，根據(jù)庫容曲線求出相應(yīng)壩高時的總庫容；第二步，通過實測資料反推現(xiàn)狀尾礦庫庫容利用系數(shù)；第三步，總庫容乘以庫容利用系數(shù)求得相對應(yīng)壩頂標(biāo)高的有效庫容。

本案例從庫容曲線上看，原尾礦庫為1.693億m3，加高30m后，總庫容為2.5億m3，新增總庫容為8 070萬m3，現(xiàn)狀尾礦庫庫容利用系數(shù)為0.76，加高尾礦壩新增有效庫容6 133.2萬m3。

(3)庫尾放礦工程增加的有效庫容計算較為復(fù)雜：第四步，根據(jù)實測沉積灘坡度求出加高后壩高所對應(yīng)的調(diào)洪庫容以及空余庫容，用總庫容扣除調(diào)洪庫容、空余庫容以及有效庫容就可以得出相應(yīng)壩高時的水下總庫容；第五步，水下總庫容扣除回水庫容、死庫容、庫尾難以實施水下充填的庫容以及保證排洪、回水所必要的澄清距離后可以得出水下可以利用的庫容。經(jīng)計算，實施庫尾放礦工程增加的有效庫容為2 250萬m3。

(4)加高壩體及庫尾放礦兩項措施實施后新增總有效庫容為8 383.2萬m3，延長服務(wù)年限工程實施后總庫容為2.5億m3，尾礦庫有效庫容為2.125億m3，實施庫尾放礦后尾礦庫庫容利用系數(shù)可提高到0.85。

(5)工程項目總投資為20 073.5萬元，直接工程費為13 659.09萬元，服務(wù)年限內(nèi)共處置尾礦量12 602.04萬t，僅考慮直接工程費的建設(shè)成本為1.08元/t，考慮征地等費用的建設(shè)成本為1.6元/t。

5 結(jié)語

從計算結(jié)果來看，在充分論證、科學(xué)規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行尾礦庫挖潛改造工程的成本遠(yuǎn)低于新建尾礦庫的成本，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。這不僅符合企業(yè)自身利益的要求，也符合國家經(jīng)濟(jì)政策的要求。同時，對現(xiàn)有尾礦庫挖潛改造的社會效益也十分顯著，節(jié)約土地資源，不新增污染點。

綜上，以增加尾礦庫的有效庫容為核心，以延長尾礦庫的服務(wù)年限為目的的尾礦庫挖潛改造設(shè)計具有十分重要的意義，不但符合國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，體現(xiàn)出國家對礦山生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展政策的要求，同時節(jié)約土地資源、保護(hù)環(huán)境、節(jié)能降耗，能夠最大程度地發(fā)揮工程的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

[1] 尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1978.