巖溶區(qū)某尾礦庫加高擴容工程穩(wěn)定性研究

朱遠樂 唐紹輝 陳 星 劉發(fā)清

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，長沙，410012）

尾礦庫作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發(fā)生高頻區(qū)域［1］。目前很多尾礦庫處于服務(wù)期滿，后期面臨是否擴容以及如何進行加高擴容的問題。一般礦山企業(yè)會從兩個方面權(quán)衡而選擇進行加高擴容：一是當(dāng)前新建庫的審批程序和要求越來越嚴格，且由于地形條件、下游情況、征地、環(huán)保等問題無法新建尾礦庫；二是新建庫的工程基建投資一般約占礦山工程建設(shè)總投資的10%以上（庫址條件較好者），占選礦廠投資的20%左右，庫址條件不好的甚至超過選礦廠投資，故在原庫址基礎(chǔ)上進行加高擴容以利用原有安全設(shè)施設(shè)施可節(jié)省一定工程費用，同時施工工期較短，有利于企業(yè)可持續(xù)的生產(chǎn)［2-4］。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，目前大多數(shù)尾礦庫周邊環(huán)境、或地質(zhì)條件較為復(fù)雜，在尾礦庫加高擴容工程中已面臨周邊諸多已建工程。林國洪［5］以某銅礦為例分析了深部地下采礦與尾礦庫運行之間的相互影響；陳星［6］等利用數(shù)值模擬的方法開展了尾礦庫運行期潰壩對下游的淹沒和公路的撞擊研究；由于尾礦庫下部有采礦活動，康永紅［7］等采用用有限差分程序FLAC3D模擬地下礦體開采對地表尾礦庫的影響。

在巖溶區(qū)對尾礦庫進行加高擴容存在一個最主要的問題為加高擴容后巖溶區(qū)上覆荷載加大，巖溶塌陷常導(dǎo)致漏礦。宋志［8］分析了巖溶區(qū)尾礦坍陷的原因，提出了一種通過構(gòu)建巖溶塌陷應(yīng)急處理檔案的管理模式；賀躍光［9］對某一巖溶區(qū)尾礦庫可能發(fā)生的災(zāi)害進行了評價，并通過對尾礦庫壩體穩(wěn)定性的安全監(jiān)測閾值的設(shè)定來判別巖溶對尾礦庫的影響；眭素剛［10］運用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析了在尾砂堆載沉積過程中，下覆巖溶區(qū)的穩(wěn)定性，對尾礦庫建設(shè)的可行性進行了論證。本研究以湖南省某銅礦所屬尾礦庫為例，分析在巖溶區(qū)進行加高擴容的可能性。

1 尾礦庫加高擴容概況

湖南省某銅礦所屬尾礦庫為山谷型尾礦庫，尾礦庫初期壩采用透水堆石壩，壩頂標高+270.0 m，壩高16.0 m，頂寬4.0 m，上游坡比1∶2.5，下游1∶2，于+260.0 m標高設(shè)2.0 m寬的馬道，初期壩庫容為13×104m3。堆積壩采用上游式尾砂筑壩，堆積壩平均坡比1∶5，子壩內(nèi)坡1∶3，外坡1∶4，表層粘土護坡，最終堆積標高+296.0 m，總壩高42.0 m，總庫容159.22×104m3，有效庫容 127.38×104m3，尾礦庫為四等庫。

經(jīng)多年運行已服務(wù)至后期，目前尾礦庫運行至標高+289.0 m，壩高35.0 m，庫容97.15×104m3，為滿足礦山發(fā)展和尾礦庫安全運行進行上游法加高擴容設(shè)計。

擴容方案：+289 m標高以上再采用上游法尾礦堆壩，平均堆積邊坡1：4，最終堆積壩頂標高+304.0 m，總壩高48.0 m，總庫容189.72×104m3，加高擴容后尾礦庫為三等庫。新建一座碾壓廢石副壩，副壩壩頂標高+304.0 m，壩高8.0 m，壩頂寬3.0 m，壩軸線長150.0 m，內(nèi)外坡比1∶2.0。新建排水井—排水涵洞作為該庫的排洪系統(tǒng)，排水井內(nèi)徑4.5 m，排水井采用框架式結(jié)構(gòu)，井高8.0 m，排水管采用鋼筋混凝土圓拱直墻型，寬2.m，直墻高1.5 m，圓拱半徑1.25 m，長約140.0 m。在堆積壩+270 m、+277 m、+289.0 m標高分別增設(shè)水平排滲管，其中集滲段長10 m，排滲段長50 m，水平間距10 m。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件及巖溶發(fā)育特征

尾礦庫庫區(qū)地層較單一，巖性簡單，只有第四系和石炭系下統(tǒng)大塘階梓門橋組石灰?guī)r及石炭系下統(tǒng)大塘階測水組頁巖地層。場區(qū)內(nèi)大部分為第四系的人工堆積及坡殘積層覆蓋，下覆基巖主要為石灰?guī)r與砂頁巖。尾礦區(qū)地層為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，巖層傾角45°左右，庫尾至庫中部推測有一北西至南東向的F16斷層，該斷層層面傾向北東，傾角為76°左右，該斷層未發(fā)現(xiàn)有近期活動現(xiàn)象。場區(qū)除存在以上斷層，未發(fā)現(xiàn)其他斷裂構(gòu)造。

尾礦庫區(qū)場地內(nèi)可能存在的巖溶發(fā)育地段及影響范圍采用物探高密度電阻率法進行測量。高密度電阻率法是一種陣列式電法勘探方法，野外測量時將電極（幾十至上百根）置于測點上即采用高密度布點，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速和自動采集，進行二維地電斷面測量，其特點是一次性布置好測線電極，可以進行多種裝置的測量。其測量方式主要選用溫納等比裝置即儀器的1α裝置，同時配套偶極—偶極（即2β裝置），測量點距10 m。使用該儀器野外工作的示意圖2所示。

尾礦庫場地巖溶物探高密度電阻率法檢測工作共完成7條測線剖面，各條測線的平面位置情況如圖1所示。7條剖面總長合計3 450 m，有效測點數(shù)總計352個。每條測線剖面反演解釋斷面成果圖的特征描述見表1。

經(jīng)過對每條測線剖面的原始觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、壞點刪除和地改修正等預(yù)處理后，采用二維高密度電法專業(yè)軟件——2DRES進行反演分析和斷面成果圖輸出，輸出成果圖如2～4所示。

庫區(qū)巖溶測量結(jié)果：庫區(qū)巖層以中～厚層狀隱晶質(zhì)石灰?guī)r為主，巖溶不發(fā)育，未見大的溶洞及落水洞，但地表基巖中見有溶溝、溶蝕裂隙等巖溶形態(tài)，溶孔一般沿風(fēng)化裂隙和層面發(fā)育。

（1）溶溝：庫區(qū)范圍內(nèi)局部見到，溶溝多表現(xiàn)為溝脊相間的溝槽形態(tài)，一般發(fā)育于中～厚層結(jié)晶石灰?guī)r中，裸露于地表，為順坡向，由地表水長期沖蝕而形成，長數(shù)米，寬0.04～0.10 m，溝深0.03～0.08 m，為雨水向溝中匯集的通道。構(gòu)造裂隙對溶溝的發(fā)育有一定的控制作用。

（2）溶蝕裂隙：尾礦庫的底部原始地貌為沖溝溝谷，場地底部未出現(xiàn)陷落現(xiàn)象，巖石埋藏深。庫底主要由含礫粉質(zhì)粘土組成，未揭露到土洞。環(huán)庫區(qū)檢測到1個巖溶漏斗（3#巖溶發(fā)育區(qū)）和3個中低阻軟弱層，地表位置都在砂灘面之上。巖溶漏斗發(fā)育區(qū)在地表開口，地面漏斗的直徑約為6 m，往深部發(fā)展，在地面以下約6 m處變?yōu)橹睆郊s30 cm的巖溶管道。經(jīng)地球物探測試，該巖溶漏斗主要向較深部發(fā)展，規(guī)模不大，由巖溶管道與埋藏深度在15 m巖溶發(fā)育區(qū)相連，巖溶發(fā)育區(qū)寬度約5 m，高度約5 m，推測主要填充物為土石混合物，其頂板埋深15 m。中低阻軟弱夾層1（1#、2#巖溶發(fā)育區(qū)）埋深在15 m以下，中低阻軟弱層2（4#巖溶發(fā)育區(qū)）和中低阻破碎層3（5#巖溶發(fā)育區(qū)）埋深均在40 m以下。

3 巖溶區(qū)與加高擴容相互影響分析

根據(jù)對庫區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)的測量，其最小埋深15.0 m，對該巖溶頂板進行強度驗算，現(xiàn)狀條件下尾礦庫庫區(qū)未出現(xiàn)巖溶塌陷，尾礦庫庫區(qū)基礎(chǔ)穩(wěn)定性較好，考慮到尾礦庫后期運行尾砂將增高6.0 m，作用在巖溶發(fā)育區(qū)的荷載增加，設(shè)計在西南角布置排洪系統(tǒng)，需復(fù)核尾礦庫后期運行時庫區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)的穩(wěn)定性。

對巖溶發(fā)育區(qū)穩(wěn)定性復(fù)核分析選取了2個典型剖面，1#典型剖面計算模型如圖5所示，計算所選力學(xué)參數(shù)由工勘提供，計算中將尾砂、巖溶軟弱夾層、圍巖這些不同的力學(xué)屬性的介質(zhì)視為各向同性的彈塑性連續(xù)介質(zhì)。屈服條件采用摩爾-庫侖屈服準則：

式中規(guī)定壓應(yīng)力為正；σ1、σ3為第一、第三主應(yīng)力；c、?分別為礦巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

經(jīng)計算尾礦庫后期尾砂堆積加載6 m后，尾礦庫庫區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)位移分布如圖6、圖7所示。

（1）1#、2#巖溶發(fā)育區(qū)離尾砂表面較近，尾礦庫后期尾砂增高后，兩區(qū)域豎直向位移為8.8 cm，2區(qū)域周圍圍巖和巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi)的位移量相當(dāng)。

（2）3#巖溶發(fā)育區(qū)豎直向位移量為5.5～8.5 cm，3#巖溶發(fā)育區(qū)豎直向兩側(cè)圍巖豎直向位移量4～8 cm，在豎直向位移量呈梯度的減小。

（4）4#巖溶發(fā)育區(qū)豎直向位移量為6～8.9 cm，4#巖溶發(fā)育區(qū)兩側(cè)圍巖豎直向位移量6.0～8.9 cm。

（5）5#巖溶發(fā)育區(qū)最大豎直向位移發(fā)生在巖溶頂部處，約為9.8 cm，巖溶發(fā)育區(qū)兩側(cè)圍巖豎直向位移量為7.0～9.0 cm，在豎直向位移量呈梯度的減小。

（6）尾砂堆積后尾砂沉積量約為8.9～10.0 cm，尾砂與巖溶發(fā)育區(qū)沉降貫通，但在巖溶發(fā)育區(qū)底部位移量較小，位移沉降沒有擴大的趨勢，且?guī)r溶發(fā)育區(qū)周圍位移分布比較均勻，對周圍巖體影響較小，經(jīng)計算后期增高尾砂6 m后，尾礦庫庫區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)水平位移不超過1 cm，即影響巖溶發(fā)育區(qū)穩(wěn)定性主要是來自于豎直向的位移。

尾礦庫后期增高尾砂6 m后，各巖溶發(fā)育區(qū)位移相對較小，且對周圍圍巖影響較小，巖溶頂板強度能滿足要求，不會出現(xiàn)巖溶塌陷現(xiàn)象，對新建排洪系統(tǒng)影響較小，排水井可布置于庫區(qū)西南角。

采用瑞典圓弧法對最終尾砂堆積標高條件下，正常工況和洪水工況2種工況尾礦壩的穩(wěn)定性進行了計算，計算結(jié)果如下圖8、圖9所示。

通過分析尾砂加載作用對底部巖溶區(qū)的影響可知，最終堆積標高+304.0 m的尾礦壩在正常工況、洪水工況下的壩體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.266、1.176，均能滿足規(guī)范要求，即巖溶區(qū)對尾礦庫加高擴容工程壩體穩(wěn)定性的影響在規(guī)程、規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4 巖溶發(fā)育區(qū)治理

為防止發(fā)生滲漏塌陷等安全事故，對已揭露的巖溶漏斗進行封堵，對已查明的巖溶發(fā)育區(qū)采取防滲處理。

（1）巖溶漏斗封堵。對已探明的巖溶漏斗進行封堵，封堵措施如下：將巖溶漏斗6.0 m以上的覆蓋層開挖清除，再繼續(xù)開挖2.0 m，將揭露出的巖溶管道采用塊石填堵，塊石粒徑為0.5倍孔徑，填平后采用灌漿密實，留設(shè)DN100鋼管通氣口至地表，在此基礎(chǔ)上采用厚0.5 m鋼筋混凝土蓋板封堵，蓋板周邊采用混凝土密實，然后采用塊石回填至原底面標高，鋪設(shè)0.3 m砂礫石、800 g/m2復(fù)合土工膜，最后回填0.3 m山體土，以保護土工膜不受破壞。具體封堵措施見圖10所示。

（2）巖溶發(fā)育區(qū)防滲。根據(jù)庫區(qū)存在巖溶特征和巖溶區(qū)與加高擴容相互影響分析，繼續(xù)堆存尾砂對場地的穩(wěn)定性無影響，為防止尾礦水在此區(qū)域發(fā)生滲漏，對最終堆積標高+304.0 m的尾砂淹沒范圍進行防滲處理，對剩余6 m的堆存高度淹沒區(qū)進行防滲處理，環(huán)庫長約850 m，平均坡度按1∶2考慮，防滲面積約10 200 m2，施工工序如下：將環(huán)庫毛石平整，鋪設(shè)0.3 m砂礫石+800 g/m2復(fù)合土工膜，并回填0.3 m山體土，以保護土工膜不受破壞。

5 結(jié)論

（1）采用物探高密度電阻率法對尾礦庫區(qū)場地內(nèi)可能存在的巖溶發(fā)育地段及影響范圍進行了測量，庫區(qū)巖層以中～厚層狀隱晶質(zhì)石灰?guī)r為主，巖溶不發(fā)育，但地表基巖中見有溶溝、溶蝕裂隙等巖溶形態(tài)，溶孔一般沿風(fēng)化裂隙和層面發(fā)育。

（2）尾礦庫后期增高尾砂6 m后，各巖溶發(fā)育區(qū)位移相對較小，對巖溶發(fā)育區(qū)周圍圍巖影響較小，巖溶頂板強度能滿足要求，不會出現(xiàn)巖溶塌陷現(xiàn)象，對新建排洪系統(tǒng)影響較小，排水井布置于尾礦庫庫區(qū)西南角可行。

（3）巖溶區(qū)對尾礦庫加高擴容工程壩體穩(wěn)定性的影響在規(guī)程、規(guī)范要求范圍內(nèi)，本次尾礦庫加高擴容方案可行。

（4）為防止發(fā)生滲漏塌陷等安全事故，對已揭露的巖溶漏斗和已查明的巖溶發(fā)育區(qū)分別進行封堵和防滲處理，并提出了具體措施。