選礦尾礦庫隱患治理實(shí)踐

劉明，楊益強(qiáng)

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司礦山事業(yè)部）

1 前言

金屬礦山選礦生產(chǎn)過程中尾礦庫的主要用途是堆存礦石選別后產(chǎn)生的尾礦。尾礦庫在建設(shè)時(shí)，首先要修建一定高度的初期壩，在尾礦堆積到一定高度時(shí)，再依次修建若干個(gè)子壩，直到設(shè)計(jì)庫容所需達(dá)到的高度。初期壩在尾礦庫運(yùn)行過程中至關(guān)重要，它直接關(guān)系到尾礦庫的安全運(yùn)行，其穩(wěn)定性狀態(tài)是尾礦庫管理中的重中之重。目前，國內(nèi)尾礦庫初期壩一般多采用透水壩的形式，這主要是為了有利于尾礦的排水、固結(jié)。

某選礦廠位于西天山伊連哈比爾尕山東段山脊南側(cè)，巴音布魯克山間盆地東北部，屬于高山區(qū)地貌。海拔高度為2800～2900m，年平均氣溫僅為-4.4 C。地勢(shì)略有起伏，地形為西南低北東高。與選礦廠相鄰尾礦庫的初期壩最大壩高22.0m，初期壩以上用尾礦加高。尾礦庫最終堆積標(biāo)高2852.0m，尾礦堆積壩總高度為54.0m，總庫容925.3萬m3，按充填系數(shù)0.85計(jì)算，總有效庫容約為789.4萬m3，尾礦庫為四等別，尾礦庫可服務(wù)年限約17.4年。該尾礦庫投入運(yùn)行不久，在東西壩之間山體出現(xiàn)較為嚴(yán)重的塌落現(xiàn)象，形成較大范圍滑坡，山體表面出現(xiàn)裂縫，尾礦庫的安全運(yùn)行存在風(fēng)險(xiǎn)。為次，對(duì)該選礦廠尾礦庫隱患進(jìn)行治理。

2 尾礦庫隱患及其分析

2.1 尾礦庫工程簡(jiǎn)介

尾礦庫初期壩采用庫區(qū)內(nèi)取土石料筑壩。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，該區(qū)域表層為沖填土，其下為角礫層，設(shè)計(jì)采用角礫作為筑壩材料。初期壩壩頂標(biāo)高為2820.0m，壩底標(biāo)高2798.0m，初期壩高22.0m，壩長452.0m。初期壩上游坡采用1:2.0，下游坡采用1:2.5，壩頂寬6.0m。在初期壩下游坡2805.0m標(biāo)高處設(shè)一條寬2.0m的馬道。為防止壩體漏礦，設(shè)計(jì)在初期壩上游坡鋪設(shè)加筋土工布反濾層，反濾層外設(shè)砂礫石及干砌塊石保護(hù)層。初期壩坐落在②層角礫上。

2.2 尾礦庫隱患監(jiān)測(cè)

該選廠尾礦庫屬山谷型，溝口設(shè)初期壩。根據(jù)地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的初期壩壩體由東、西兩部分組成，東、西壩之間利用原始山體作為一部分壩體（圖1所示）。2016年5月10日該尾礦投入運(yùn)行，5月13日，東西壩之間山體出現(xiàn)較為嚴(yán)重的塌落現(xiàn)象，形成較大范圍滑坡，滑坡范圍約3000m2（圖2.b），山體表面出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度50～300mm。2016年8月，東部初期壩壩頂表面出現(xiàn)部分縱向裂縫，裂縫寬度5～70mm，裂縫最大深度為1500mm（圖2.a）。與此同時(shí)，壩體靠近中間山體的壩肩部分有沉降位移現(xiàn)象出現(xiàn)，從觀測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，其中C3點(diǎn)垂直壩體方向向南位移176mm（X軸方向），標(biāo)高方向沉降229mm（Z軸方向）,并伴隨有較大水量溢出。隱患發(fā)生后，選廠立刻停止了向壩區(qū)內(nèi)的排尾作業(yè)，并設(shè)立了觀測(cè)點(diǎn)，由專人負(fù)責(zé)定時(shí)測(cè)量。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，在停止向庫區(qū)排放尾礦后，壩體各觀測(cè)點(diǎn)位移在經(jīng)歷了一段時(shí)間的變化后逐步趨于穩(wěn)定。

圖1 尾礦庫平面示意圖

圖2 尾礦庫隱患照片

2.3 原因分析

針對(duì)尾礦壩出現(xiàn)的問題，選廠組織國內(nèi)巖土、尾礦庫設(shè)計(jì)及建設(shè)方面的專家進(jìn)行調(diào)查和論證，對(duì)尾礦壩隱患的成因、影響程度進(jìn)行分析。

根據(jù)尾礦庫初期壩及中間山體出現(xiàn)的問題，結(jié)合地勘數(shù)據(jù)等技術(shù)資料，通過反復(fù)論證分析，確定造成壩體開裂和中間山體滑坡的主要原因分別有幾個(gè)方面。

2.3.1初期壩壩頂產(chǎn)生裂縫的原因

（1）壩基角礫層局部含多年島狀凍土，這些凍土在遇水融化后產(chǎn)生融沉；或壩體直接接觸水面從而使筑壩土石料遇水崩解，造成土石料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低，壓縮性增大，從而產(chǎn)生塑性變形，由于局部的變形，造成壩體局部不均勻沉降。

（2）由于選礦試生產(chǎn)過程中尾礦排礦濃度較低，造成壩前形成的沉積干灘長度不夠，壩內(nèi)水面直接接觸初期壩壩面，造成壩體內(nèi)細(xì)顆粒沙土流失，這是壩體產(chǎn)生裂縫的原因之一。

（3）由于東西初期壩中間山體部分區(qū)域出現(xiàn)滑坡，滑坡體帶動(dòng)?xùn)|西壩壩肩位移產(chǎn)生裂縫，C3點(diǎn)發(fā)生的較嚴(yán)重的位移就是由此原因造成。

2.3.2東西壩中間山體滑坡原因

（1）原主滑坡區(qū)域出現(xiàn)滑坡時(shí)已在西側(cè)山體處出現(xiàn)部分張拉裂隙，雖然沒有滑動(dòng)，但山體結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，在結(jié)構(gòu)面處易產(chǎn)生滑動(dòng)。此時(shí)一旦有水進(jìn)入，很容易發(fā)生滑坡。

（2）隨著尾礦的排入，尾礦庫庫內(nèi)水位抬高，滲水由山體縫隙進(jìn)入滑坡區(qū)域，使結(jié)構(gòu)面土體浸水飽和、強(qiáng)度降低、流動(dòng)性增大。

（3）尾礦庫東、西初期壩中間山體的原地形坡度約為1∶3～1∶4（約14°～18°）地勢(shì)平緩，山體土料粉土含量較高，土質(zhì)較為松散。在施工尾礦庫導(dǎo)水管溝槽的過程中，山體的坡腳由于開挖形成臨空面，致使南側(cè)坡面出現(xiàn)局部塌落。尾礦庫放礦時(shí)，由于初期干灘長度較短，庫區(qū)內(nèi)的水進(jìn)入山體形成繞壩滲流，加大了山體地下水的滲流量，土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低。在庫內(nèi)蓄水、地下水匯集的持續(xù)作用下，塌落范圍逐步擴(kuò)大，形成較大范圍滑坡。

3 治理方案

（1）為保證庫區(qū)內(nèi)水面不會(huì)直接接觸壩面，需在東壩迎水面形成頂寬不小于15m的尾砂干灘，并且在東壩庫內(nèi)中間山體坡面接觸處鋪設(shè)長度不小于100m的土工膜防滲，以減少滲入山體的水量。

事實(shí)上,在基于迭代優(yōu)化的高度特征求解過程[13]中,大多數(shù)的高度弧都不相交。本文認(rèn)為高度弧的最臨近位置為目標(biāo)的空間位置,所以重建的過程就是求解該位置對(duì)應(yīng)的高度角。

（2）在排干東壩庫區(qū)水的條件下，對(duì)東壩西側(cè)壩肩的沉降變形進(jìn)行調(diào)查和臨時(shí)處理，同時(shí)揭露導(dǎo)滲盲溝的出水點(diǎn)并將其引至下游坡腳外。

（3）為了提高中間山體的穩(wěn)定性，對(duì)中間山體進(jìn)行削坡減載及坡腳的堆載反壓工作，并做好反濾保護(hù)。同時(shí)，在中間山體兩側(cè)與壩體接觸處加設(shè)排水反濾體，從而保證細(xì)顆粒沙土不隨滲水流失。

（4）為防止外部水量（下雨、融雪等）從裂縫處大量進(jìn)入壩體，對(duì)初期壩已開裂部位采用粘性土填塞、滅尖、密實(shí)。

4 治理措施的實(shí)施

4.1 解決礦庫干灘長度的措施

針對(duì)尾礦庫干灘長度不足的問題，選礦廠將庫區(qū)內(nèi)尾砂通過汽車倒運(yùn)到初期壩前，人為形成了一部分干灘，緩解了尾礦排放過程中水對(duì)初期壩壩體的沖擊。同時(shí)，優(yōu)化尾礦排礦操作工藝，將排礦濃度有原來的30%提高到約45%，以滿足形成干灘的工藝條件。

4.2 對(duì)山坡的防滲處理

采用土工膜對(duì)山坡進(jìn)行防滲處理。土工膜采用兩布一膜成品，膜兩側(cè)的土工布采用耐久性強(qiáng)的純滌綸材料，斷裂強(qiáng)力≥14kN/m，土工布總單位面積質(zhì)量＞800g／m2以上。中間膜材采用環(huán)保用HDPC膜，膜材厚度≥l.5mm。滲透系數(shù)≤l×l0-7cm/s。土工膜鋪設(shè)過程中的搭接采用熱熔焊接，焊縫搭接寬度約100±20mm，熔焊溫度設(shè)定420±20℃，熔焊速度設(shè)定2m/min。土工膜使用覆蓋層進(jìn)行保護(hù)，防止暴露照射提前老化。本工程采用土工膜上部覆土保護(hù)，覆土厚度不小于300mm。

4.3 對(duì)壩體滲水點(diǎn)的處理

采用導(dǎo)流方式對(duì)初期壩東壩體滲水點(diǎn)進(jìn)行處理；東壩導(dǎo)滲盲溝從出水點(diǎn)引至下游坡腳。在壩面上從出水點(diǎn)至壩腳開挖深度為600mm、寬度不小于2.5m的盲溝，底部滿鋪6m寬的土工布，盲溝內(nèi)置直徑200mm鋼制花濾管，濾管外包土工布，盲溝內(nèi)填滿卵石至壩面下200mm，卵石表面再滿鋪土工布，土工布上再覆蓋厚度不小于200mm的卵石保護(hù)層至壩面平，觀測(cè)5天后如有沉降，再補(bǔ)鋪卵石至壩面平，最后恢復(fù)壩面上的塊石至原狀。為防止土石進(jìn)入濾管內(nèi)，出水處管頭用菱形鋼網(wǎng)封頭，再外包土工布。

導(dǎo)流盲溝施工完畢后，在壩腳處新設(shè)1.2m深、1m厚、3m寬的碎石過濾體，通過導(dǎo)流管將滲水導(dǎo)出。導(dǎo)流管設(shè)置如圖3所示。

圖3 導(dǎo)流施工示意圖

4.4 增設(shè)反濾體

4.5 削坡壓載方式的應(yīng)用

對(duì)中間山體出現(xiàn)的滑坡采用削坡壓載的方式進(jìn)行處理。

（1）下部堆載反壓.壓坡體頂標(biāo)高為2798m，頂寬15m，下游坡為1∶2。壓坡體經(jīng)碾壓后的廢石孔隙率不大于30%。

（2）上部減載削坡及換填。在初期壩頂下游排水溝外2820.0m標(biāo)高處設(shè)置寬約10.0m的平臺(tái)，然后在下游方向按平均坡度為1:3進(jìn)行削坡，2810m標(biāo)高以下已形成滑坡的滑動(dòng)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行挖除和換填石料，石料可取自砂石料場(chǎng)廢料堆。

（3）治理地表水。為將滲水有序?qū)С?，在各平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)置排水溝。在兩側(cè)岸坡位置修建排水溝將水導(dǎo)至下游（圖4）。

圖4 削坡壓載施工示意圖

5 治理效果

5.1 尾礦庫隱患治理后穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

為確保尾礦庫安全運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壩體發(fā)生位移變化，對(duì)選廠尾礦庫隱患治理后，進(jìn)行了長期的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

依據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)程》(JGJ/T8-97-1998），對(duì)尾礦庫壩體的水平位移及垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備采用萊卡全站儀，型號(hào)TS09PLUS；精度為角度1″、距離1.5mm。

變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置：分別在初期壩壩頂2820m平臺(tái)設(shè)置C1～C5五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，西側(cè)壩體2805m平臺(tái)設(shè)置A1～A8八個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中間山體削坡治理后的四個(gè)平臺(tái)分別各設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1-B8，總共在壩面不同位置設(shè)置21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位（圖5）。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

監(jiān)測(cè)方法：在相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域分別設(shè)置控制點(diǎn)XC09-1、XC09-5，以第一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，后面每次檢測(cè)采用同一個(gè)點(diǎn)XC09-1作為測(cè)站點(diǎn)，XC09-5為后視點(diǎn)。后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與上期數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況。在監(jiān)測(cè)過程中，每次監(jiān)測(cè)采用固定的儀器設(shè)備，固定的觀測(cè)路線，盡量保證觀測(cè)人員、跑尺人員固定。

監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析：2017年2月至2018年11月，總共進(jìn)行了55次監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)累計(jì)位移變化量數(shù)據(jù)、位移速率。

通過對(duì)每期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較分析得出：（1）因部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)修壩前未提前預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁位，現(xiàn)預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁位較困難，埋點(diǎn)精度較低，造成累計(jì)監(jiān)測(cè)誤差較大；（2）B5、B6、A6、A7 點(diǎn)因新建2820m排洪溝施工，大型設(shè)備作業(yè)造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移沉降；（3）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均存在不同程度位移，但其差值在可控范圍之內(nèi)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，變化速率均勻。

5.2 尾礦庫隱患治理后運(yùn)行穩(wěn)定

治理措施實(shí)施后，2016年9月25日選礦廠恢復(fù)正常生產(chǎn)，經(jīng)過持續(xù)的外表觀測(cè)和位移測(cè)量，表明壩體及中間山體在尾礦庫正常排礦工程中保持了良好的穩(wěn)定狀態(tài)。截止2018年11月30日，選礦廠已安全生產(chǎn)兩年多，生產(chǎn)排放尾礦120萬t。生產(chǎn)實(shí)踐表明，治理措施實(shí)施后有效解決了選廠尾礦庫初期壩及東西壩中間山體出現(xiàn)的一系列問題，消除了尾礦庫的隱患，為選礦正常生產(chǎn)提供了保障。

6 結(jié)束語

尾礦庫是選礦廠生產(chǎn)過程中的核心設(shè)施，但同時(shí)也是一個(gè)具有高勢(shì)能、潛在泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)源。由于同時(shí)受到自然環(huán)境和人為因素的影響，尾礦庫在生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在不同程度的安全及環(huán)保隱患，如果對(duì)隱患不能及時(shí)處理，會(huì)引發(fā)安全和環(huán)境事故。通過對(duì)尾礦壩隱患的成功治理，積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，也可以為其他礦山企業(yè)處理類似問題提供借鑒。