吳坑里尾礦庫加高擴容工程安全性研究

朱遠樂

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

尾礦庫作為礦山工程采、選、尾3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2個方面權衡而選擇進行加高擴容：一是當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。故在原庫址基礎上進行加高擴容，以利用原有安全設施，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)地安全生產(chǎn)［2-4］。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，目前大多數(shù)尾礦庫由于周邊環(huán)境復雜、服役期長、自身先天設計不足等原因，嚴重制約了尾礦庫加高擴容工程的建設，因此在尾礦庫加高擴容工程中，對尾礦庫的安全性分析顯得尤為必要。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，呂志濤［7］等以綦江鐵礦尾礦庫為例，分析其加高擴容和浸潤線的抬升對壩體安全性的影響。本研究以某金礦所屬尾礦庫為例，分析尾礦庫加高擴容工程對庫區(qū)底部巷道的影響，為尾礦庫的加高擴容設計及尾礦庫今后的正常運行提供對策措施。

1 尾礦庫設計及現(xiàn)狀概況

吳坑里尾礦庫為湖南某金礦所屬尾礦庫，尾礦庫設計最終堆積標高為+560.0 m，設計總壩高100.0 m，設計總庫容238.48萬m3，設計為三等庫。初期壩為碾壓式透水堆石壩，壩頂高程+500.0 m，設計壩高40 m，壩軸線長84 m，壩頂寬4 m，上下游邊坡坡比為1∶2.0。后期采用粗尾砂筑子壩，設計堆積壩平均堆積坡比為1∶4.0。設計防洪系統(tǒng)采用庫內(nèi)排水井—排水支洞、庫外野居坑溝攔洪壩—排水井—隧水支洞的型式進行聯(lián)合防洪。

經(jīng)多年運行已服務至后期，目前尾礦庫運行至標高+551.2 m，尾砂堆壩高度為51.20 m，尾礦庫總壩高為91.20 m，庫容76.5萬m3，尾礦庫為三等庫。在堆積壩壩坡面設置了34級馬道，馬道寬2.0～3.5 m，每級馬道高差約1.3 m，堆積壩外坡面已采用山皮土覆蓋及植草保護，堆積壩外坡每5.0 m高差布置有排滲管。尾礦庫縱向長約400 m，據(jù)實測，沉積灘坡度約為1.3%，水面以下沉積灘坡度極小，尾礦庫采用壩前均勻式放礦?，F(xiàn)庫內(nèi)使用的是6#排水井，7#排水井已施工完畢。各排水井均通過排水支隧洞與主隧洞相接，排水井及其支洞特征如表1所示。

庫外左沖溝排洪系統(tǒng)為攔洪壩—8#排水井—排水隧洞組成；庫外右沖溝排洪系統(tǒng)為攔洪壩—9#排水井—排水隧洞組成；庫外野居坑排洪系統(tǒng)為攔洪壩—排水隧洞，該排水隧洞與排水主隧洞相接，排水支洞進口為圓拱直墻，寬3.0 m，直墻高1.0 m，拱高1.0 m，往里3.5 m后陡然變陡，進口段坡度大約為45°排水支洞長256.1 m，平均坡度為24°。

2 尾礦庫加高擴容概況

吳坑里尾礦庫已服務至后期，為滿足礦山發(fā)展和尾礦庫安全運行，需進行上游法加高擴容設計。經(jīng)加高擴容后，尾礦庫加高至+570.0 m標高后，總壩高110.0 m，總庫容286.6萬m3。根據(jù)規(guī)范，尾礦庫仍屬三等庫。

+560.0 m標高以下仍按原設計進行尾砂堆壩，+560.0～+570.0 m標高繼續(xù)采用上游法尾砂筑壩，尾砂堆積壩平均堆積邊坡不得陡于1∶4.0。排礦前在灘頂修建尾砂子壩，子壩高1.0 m，頂寬1.5 m，上游邊坡1∶1.0，下游邊坡1∶2.0。

排洪系統(tǒng)：將主隧洞斷面擴大至b×h=4.8 m×4.8 m；另將主隧洞進行掛網(wǎng)噴混凝土支護，以降低其糙率，提高隧洞過流量。主隧洞混凝土襯砌厚度為100 mm。噴混凝土支護后其最小斷面b×h=4.6 m×4.6 m。

+560.0～+570.0 m標高堆積壩排滲層采取土工席墊的排滲方式，從堆積壩+560.0 m標高起，在庫內(nèi)埋設土工席墊排滲。

土工席墊排滲結(jié)構由集滲層和排水管組成。在距離灘頂100 m位置平行于灘頂埋設土工席墊排滲層，每隔5 m布設1層。集滲層采用厚度為10 mm的土工席墊，平行于堆積壩灘頂布置。集滲層具體結(jié)構：土工布（400 g/m2）－土工席墊（厚10 mm）－土工布（400 g/m2）。最終通過2根DN100 mm的PVC管引至堆積壩排水溝［8-9］。

3 加高方案合理性與壩體穩(wěn)定性分析

吳坑里尾礦庫原設計尾砂最終堆積標高+560.0 m，遠景規(guī)劃使用至+580.0 m標高。尾礦庫所在沖溝地形呈手掌形，兩側(cè)山坡標高位于+551.0～+665.0 m，該尾礦庫尚有加高擴容余地。結(jié)合吳坑里尾礦庫實際情況，提出加高至+570.0 m和+580.0 m標高2個加高方案。

（1）加高至+570.0 m標高擴容方案。從原設計最終尾砂堆積標高+560.0 m加高至+570.0 m，尾砂堆積平均邊坡為1∶4，該方案加高高度為10 m。此時尾礦庫庫長距離僅350 m，扣除安全超高、防洪高度后其尾礦水澄清距離僅50 m左右，基本滿足尾礦水澄清要求。吳坑里尾礦庫加高至+570.0 m時，總壩高110.0 m，總庫容286.6萬m3，屬三等庫。加高（+560.0～+570.0 m標高）可新增總庫容約為61.56萬m3，有效庫容為49.25萬m3，可為選廠繼續(xù)服務2.75 a。

（2）加高至+580.0 m標高擴容方案。從原設計最終尾砂堆積標高+560.0 m加高至+580.0 m，尾砂堆積平均邊坡為1∶4.0，該方案加高高度為20 m。此時尾礦庫庫長距離僅310 m，扣除安全超高、防洪高度后其尾礦水澄清距離僅10 m左右，難以滿足尾礦水澄清要求。吳坑里尾礦庫加高至+580.0 m時，總壩高120.0 m，總庫容361.92萬m3，屬三等庫。本次加高（+560.0～+580.0 m標高）可新增總庫容約為136.88萬m3，有效庫容為109.50萬m3，可為選廠繼續(xù)服務6.1 a。

尾礦庫加高至+570.0 m標高和加高至+580.0 m標高費用均比較低，堆存單位尾砂費用比新建尾礦庫費用低，加高擴容后均屬三等庫。該尾礦庫加高至+570.0 m標高時，總壩高已達110.0 m，屬高壩，尾礦水澄清距離基本滿足要求；尾礦庫加高至+580.0 m時，尾礦庫總壩高將達120.0 m，尾礦庫澄清距離難以滿足要求，環(huán)保壓力較大。該尾礦庫加高至+570.0 m標高時，湖南新龍礦業(yè)有限責任公司新尾礦庫可建成投入運行，可滿足生產(chǎn)接替要求。評價從安全、環(huán)保及礦方對服務年限要求方面考慮，認為可研推薦的加高至+570.0 m標高尾礦壩加高方案合理。

對加高至最終堆積標高+570.0 m時的尾礦壩穩(wěn)定性進行計算，最終堆積標高+570.0 m時壩體穩(wěn)定性計算模型簡圖如圖1所示，計算結(jié)果如圖2所示。

經(jīng)分析加高至最終堆積標高+570.0 m時正常工況、洪水工況和特殊工況下的壩體穩(wěn)定性均能滿足規(guī)程規(guī)范要求。

壩址安全性分析。尾礦壩壩址范圍及周邊無不良地質(zhì)構造，場地是穩(wěn)定的，尾礦壩堆積壩下段采取了有效降排滲和加固措施后，壩體浸潤線降低，且隨固結(jié)時間增長尾礦固結(jié)程度較高，壩體變形位移量較小，尾礦壩壩址安全能夠滿足設計、標準的要求，具備繼續(xù)加高堆積的條件。

尾礦庫尾砂-200目占63.5%，有足夠的粗尾砂用來筑壩，同時增加了有效堆存庫容。經(jīng)計算，采取尾砂筑壩的方式所形成的尾礦壩壩體滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定均滿足要求，壩型、壩體結(jié)構選擇合理。

4 尾礦庫加高擴容防洪安全性分析

尾礦庫總壩高110.0 m，總庫容286.6萬m3，為三等庫，按500 a一遇（P=0.2%）洪水設防。

主洪峰流量Qm、匯流時間τ采用以下式進行計算：

式中，F(xiàn)為江水面積，km2；L為流域長度，km；m為匯流參數(shù)；Rt為時段流深，mm；t為時間，h；j為流域坡降。

對尾礦庫洪水進行分區(qū)計算，將整個尾礦庫庫區(qū)分為左側(cè)沖溝區(qū)、右側(cè)沖溝區(qū)、野居坑區(qū)、庫內(nèi)4個區(qū)域，其中前3個統(tǒng)稱為庫外區(qū)。尾礦庫庫區(qū)4個區(qū)域內(nèi)的水文計算結(jié)果見表2所示。

4.1 庫內(nèi)防洪安全分析

尾礦庫平均沉積灘坡度按1.0%考慮，尾礦庫運行至本次加高擴容設計的最終標高+570.0 m（防洪高度取2.5 m）時調(diào)洪庫容曲線如圖3所示。

4.2 左側(cè)沖溝防洪安全分析

對庫內(nèi)防洪系統(tǒng)進行調(diào)洪演算，調(diào)洪演算結(jié)果見表3所示。尾礦庫終期安全超高和干灘長度均滿足規(guī)范要求，庫內(nèi)防洪系統(tǒng)防洪安全滿足規(guī)程、規(guī)范的要求。

對庫外左側(cè)沖溝進行防洪安全分析，其豎井泄流能力按照環(huán)形溢流堰考慮，庫尾攔洪壩前豎井泄流能力按堰流公式進行計算，即

式中，m為流量系數(shù)；R為堰頂半徑，m；H0為堰上水頭m。

最低進水口標高為+574.05 m，攔洪壩壩頂標高+577.89 m，攔洪壩頂與最低進水口高差為3.84 m，扣除安全超高0.81 m，防洪高度3.03 m。

左沖溝排洪系統(tǒng)調(diào)洪水深3.03 m時最大泄流量為102.42 m3/s，大于設計頻率最大洪峰流量99.70 m3/s，當發(fā)生設計頻率洪水最大洪峰流量99.70 m3/s時，攔洪壩前水深為2.96 m，攔洪壩安全超高為0.88 m，大于相關規(guī)程規(guī)范防洪要求。

對左側(cè)沖溝排水隧洞的泄流能力進行復核，左側(cè)沖溝排水隧洞的泄流能力按照壓力流計算如下。

式中，Q為下泄流量，m3/s；ω為隧洞出口處的斷面面積，ω取8.03 m2；H為上游水面至隧洞出口底板的高程差，m；h為隧洞出口處的洞高，h取3.0 m。

當豎井內(nèi)水位標高為+569.39 m（豎井進水口標高+574.05 m）時，左側(cè)支溝排水隧洞泄流量達到99.70 m3/s，能夠及時排出洪水。

4.3 右側(cè)沖溝防洪安全分析

對右側(cè)沖溝進行防洪安全分析，其豎井泄流能力按照環(huán)形溢流堰考慮，最低進水口標高為+571.44 m。攔洪壩壩頂標高+578.12 m，攔洪壩頂與最低進水口高差為6.68 m，扣除安全超高0.805 m，防洪高度5.875 m。

不考慮右側(cè)沖溝的調(diào)蓄能力，設計按排水系統(tǒng)最大泄流能力大于設計洪峰流量考慮。右側(cè)支溝洪峰流量為19.40 m3/s，豎井部位最大進水水頭為1.05 m。

擋水壩前超高為6.68-1.05-0.805=4.825 m，因此右側(cè)沖溝排洪系統(tǒng)的防洪能力可以滿足相關規(guī)程規(guī)范防洪要求。

對右側(cè)沖溝內(nèi)排水隧洞的泄流能力進行復核，右側(cè)沖溝排水隧洞的泄流能力按明渠均勻流計算如下。

式中，Q為下泄流量，m3/s；A為過流斷面面積，m2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；I為隧洞坡度，%；N為糙率，取0.033。

當排出最大洪峰流量Q=19.40 m3/s時，排水支洞內(nèi)的水深為1.10 m，小于隧洞的斷面尺寸，故右側(cè)支溝排水隧洞的泄流能力能夠滿足要求。

4.4 野居坑沖溝防洪安全分析

對野居坑沖溝進行防洪安全分析，泄流能力按照明口隧洞考慮，最低進水口標高為+593.58 m攔洪壩壩頂標高為+600.76 m，攔洪壩頂與最低進水口高差為7.18 m，扣除安全超高0.795 m，防洪高度6.38 m。

不考慮野居坑支溝的調(diào)蓄能力，按排水系統(tǒng)最大泄流能力大于設計洪峰流量考慮。野居坑支溝洪峰流量為19.26 m3/s，隧洞內(nèi)水深h=1.21 m，小于隧洞的斷面尺寸，攔洪壩安全超高為5.97，滿足相關規(guī)程規(guī)范的防洪要求。野居坑支溝內(nèi)的攔洪壩和排水隧洞均滿足防洪要求。

4.5 主隧洞方案比選與防洪安全分析

隧洞處理采用3種方案進行比較，分別為方案一（擴大隧洞斷面）、方案二（鋼筋混凝土襯砌）、方案三（擴大隧洞斷面+噴混凝土襯砌）。

方案一：將主隧洞斷面擴大至b×h=5.5 m×5.5 m，隧洞擴大時需采用光面爆破，盡量降低隧洞糙率。擴大段為7#井支洞與主隧洞相接處起至隧洞出口襯砌段。

方案二：將主隧洞局部斷面較小處擴大至b×h=4.2 m×4.2 m；另將主隧洞進行鋼筋混凝土襯砌，以降低其糙率，提高隧洞過流量。主隧洞鋼筋混凝土襯砌厚度為200 mm。其中7#井支洞與主隧洞相接處起至野居坑支洞與主隧洞相接處，此段混凝土支護后其最小斷面b×h=3.9 m×3.9 m；野居坑支洞與主隧洞相接處至隧洞出口段，此段混凝土支護后其最小斷面b×h=3.8 m×3.8 m。

方案三：將主隧洞斷面擴大至b×h=4.8 m×4.8 m；另將主隧洞進行掛網(wǎng)噴混凝土支護，以降低其糙率，提高隧洞過流量。主隧洞噴混凝土襯砌厚度為100 mm。噴混凝土支護后其最小斷面b×h=4.6 m×4.6 m。擴邦噴混凝土段范圍為7#井支洞與主隧洞相接處起至隧洞出口段。

對比分析給出的3種隧洞治理方案：方案二工程施工難度大、工期長、投資高，方案一和方案三均施工簡單、投資低，但方案三擴邦方量少，且隧洞采用噴混凝土支護，安全性比方案一好，認為采用方案三“擴大隧洞斷面+噴混凝土襯砌”方案合理。

按照明渠均勻流計算主排水隧洞的過流能力，噴混凝土襯砌段糙率取0.022，鋼筋混凝土襯砌段取0.015。主隧洞泄流量設計按各沖溝和庫內(nèi)最大泄流量疊加考慮。主隧洞泄流量計算如表4所示。

主隧洞泄流量設計按各沖溝和庫內(nèi)最大泄流量疊加考慮，主隧洞未襯砌段最小斷面尺寸b×h=4.8 m×4.8 m；鋼筋混凝土襯砌段斷面尺寸為b×h=4.6 m×4.6 m。（未襯砌段和襯砌段過流能力復核時，其過流斷面面積取不大于85%全斷面面積和凈空高度不小于0.4 m時的過流斷面面積），主隧洞過流能力復核如表5所示。

從上述計算可知主隧洞襯砌段與未襯砌段的泄流能力均可滿足相關規(guī)程規(guī)范防洪要求。

5 結(jié)論

（1）通過對尾礦庫加高擴容方案的對比分析，選用的尾礦壩加高方案合理，尾礦壩壩址安全能夠滿足設計、標準的要求，具備繼續(xù)加高堆積的條件。

（2）采取尾砂筑壩的方式所形成的尾礦壩壩體滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定均滿足要求，壩型、壩體結(jié)構選擇合理。

（3）采用的排洪方式、排洪構筑物結(jié)構型式及排水設施布置位置等符合相關規(guī)程、規(guī)范要求，采用的的主排洪隧洞方案合理，主排洪隧洞的防洪安全滿足要求。

（4）庫內(nèi)防洪系統(tǒng)運行至最終標高的干灘長度和安全超高均滿足規(guī)程的要求，防洪安全滿足要求，庫外各支溝的防洪泄流能力均能夠滿足500 a一遇洪水的要求。