排滲設(shè)施部分失效下的尾礦庫放礦滲流分析

滿健銘，沈振中，林 杰，楊 超

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

尾礦庫的長期運行過程中，由于受到物理、化學(xué)、生物因素的影響，排滲設(shè)施經(jīng)常出現(xiàn)因淤堵而失效的現(xiàn)象。當(dāng)排滲設(shè)施失效時，若不采取相應(yīng)的措施，壩體內(nèi)部排水不充分，將會發(fā)生滲流破壞現(xiàn)象，最終導(dǎo)致潰壩的發(fā)生。事實證明，如果尾礦庫潰壩，可能會產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果，對下游人民的生命財產(chǎn)安全、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境等造成不可估量的破壞。

許多學(xué)者將排滲設(shè)施失效作為尾礦庫潰壩的誘因進(jìn)行分析，總結(jié)出相應(yīng)的經(jīng)驗，并提出治理措施[1-4]。楊春和等[5]從多方面對鉛鋅尾礦庫的排滲系統(tǒng)淤堵失效機理進(jìn)行了試驗研究，在上游式尾礦庫中，不同高程的排滲設(shè)施是根據(jù)堆積高度先后布設(shè)的，這就使得排滲系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)部分失效的情況。梅聰?shù)萚6]在分析尾礦庫滲流場時，對排滲系統(tǒng)部分失效的情況進(jìn)行了一定的研究，但并沒有考慮放礦對尾礦庫滲流場的影響。放礦是整個礦山生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，尾礦庫的滲流場會因礦漿中的水入滲而發(fā)生改變。因此，有必要在排滲系統(tǒng)部分失效條件下，對尾礦庫放礦時的滲流場進(jìn)行研究分析，這對礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

針對這一問題，本文以某鉬礦尾礦庫為例，應(yīng)用滲流有限元分析理論，建立尾礦庫準(zhǔn)三維模型，研究特定條件下放礦量對尾礦庫滲流場的影響，分析其影響規(guī)律，為尾礦庫的建設(shè)運行、礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

河南省某鉬礦尾礦庫工程，采用上游法筑壩，設(shè)計堆積標(biāo)高為1 319 m，堆積高度為199 m，平均堆積邊坡1∶5.0，總庫容4 019.1×104m3，為二等庫。為降低堆積壩體浸潤線，在初期壩頂以上每隔8 m高程設(shè)置壩體排水席墊排滲層。根據(jù)工程地勘資料及設(shè)計資料，結(jié)合上游法筑壩沉積規(guī)律，將堆積壩壩體分為五個區(qū)域[7]，壩體剖面見圖1，由下往上依次為①尾黏土、②尾粉質(zhì)黏土、③尾粉土、④尾粉砂、⑤尾細(xì)砂。

圖1 尾礦庫材料分區(qū)Fig.1 The material partition of tailings pond

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

采用飽和-非飽和滲流理論來計算尾礦庫滲流場。取設(shè)計最大剖面為控制斷面，壩軸線向長度為100 m，建立準(zhǔn)三維有限元模型，將尾礦庫初期壩和堆積壩以及壩基相對透水地層作為計算范圍。采用控制斷面超單元自動剖分法[8]，生成超單元網(wǎng)格，進(jìn)而進(jìn)行加密剖分。加密后計算模型結(jié)點數(shù)為21 042個，單元總數(shù)為17 055個。有限元計算模型見圖2。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB50863-2013)規(guī)定，級別為二等的上游式尾礦庫堆積壩最小干灘長度為100 m，出于安全運行考慮，計算取干灘長度為150 m，對應(yīng)的庫頂水位為1 316.75 m?？紤]放礦入滲的尾礦庫滲流計算，邊界類型分為已知水頭邊界、不透水邊界、出滲邊界和放礦入滲邊界四類。已知水頭邊界包括上游水位淹沒的堆積壩壩面、河道等；不透水邊界為滲流計算模型截取邊界面；出滲邊界包括堆積壩下游壩面、初期壩下游壩面；放礦入滲邊界為堆積壩壩頂至集水池水位之間的上游壩面。

2.2 計算參數(shù)

排滲設(shè)施即排滲席墊部分失效的最直觀體現(xiàn)為滲透系數(shù)的降低。根據(jù)排水席墊的規(guī)格、工程經(jīng)驗及現(xiàn)場試驗對排水席墊的滲透系數(shù)進(jìn)行取值。通過降低排滲設(shè)施的滲透系數(shù)，模擬工程中由于淤堵而導(dǎo)致的排滲設(shè)施失效問題，將排水席墊滲透系數(shù)降低為原滲透系數(shù)的0.8倍與0.5倍，分別命名為排滲席墊Ⅱ與排滲席墊Ⅲ。參考工程地勘資料、相近工程資料并查閱文獻(xiàn)，確定用于計算的各材料滲透系數(shù)、給水度及儲水系數(shù)，如表1 和表2 所示。

表1 尾礦庫材料滲透系數(shù)

表2 尾礦庫基本材料給水度及儲水系數(shù)

不考慮地形的影響，放礦視為均勻放礦，且假定礦漿在整個壩面上均勻擴散。計算壩頂長度為100 m，約為總壩頂長度的10%，采用均化方法，將放礦流量按計算壩頂長度所占比例折算成計算放礦流量，而后換算成水量，最后得到放礦強度。設(shè)計放礦規(guī)模為2 395.03 m3/h，放礦濃度為30%～35%，這里取33%?？紤]到在礦山企業(yè)生產(chǎn)過程中，存在為滿足生產(chǎn)需求而加大放礦量，并在較長一段時間內(nèi)持續(xù)放礦的情況，分析取六組不同的放礦流量，放礦歷時為持續(xù)放礦30 d，并分別記錄t=1、2、3、6、12、18、30 d時滲流場，計算工況如表3所示。

表3 放礦工況

3 結(jié)果分析

采用滲流有限元法及截止負(fù)壓法計算[9]，并繪制堆積壩剖面位勢及浸潤線分布圖。三類排水席墊排滲效果對比如圖3所示。從圖3中可以很直觀的看出，隨著排水席墊的失效，壩體內(nèi)部浸潤線不斷升高。排滲席墊Ⅲ的計算結(jié)果中，浸潤線埋深已不能滿足滲流控制要求，此時需要采取強制排滲措施來保證尾礦庫安全，故下文對放礦因素的分析中，只對滿足要求的兩組參數(shù)進(jìn)行分析。

圖3 排滲效果對比Fig.3 The comparison of drainage effect

放礦過程中，由于下部尾礦砂滲透系數(shù)相對較小，具有阻水效果，礦漿中的水先集中在上層透水性較好的尾礦砂中，持續(xù)放礦一段時間后，才完全下滲。隨著放礦時間的持續(xù)，壩體浸潤線不斷抬升，主要影響區(qū)域位于堆積壩壩頂。

選取兩種排滲席墊在不同放礦歷時時刻下的浸潤線，繪制設(shè)計放礦工況下浸潤線變化趨勢圖(僅截取如圖4所示主要影響區(qū)域)。

圖4 放礦主要影響區(qū)域Fig.4 The major affected area by drawing-ore

圖5 浸潤線不同時刻變化Fig.5 The change of phreatic line at different times

由圖5可知，采用排滲席墊Ⅰ堆積壩設(shè)計的放礦流量為2 395.03 m3/h時，持續(xù)放礦10 d左右，浸潤線的埋深仍能滿足滲流控制要求，相同條件下，采用排滲席墊Ⅱ，持續(xù)放礦7 d左右已無法滿足。同一放礦口，正常情況下，放礦時間不宜超過10 d，而在排滲席墊排滲效果降低時，放礦時間不宜超過7 d。為保證安全，應(yīng)采用多個放礦口交替放礦。

取t=6 d時，各工況堆積壩三個高度浸潤線埋深對比見表4至表6。當(dāng)放礦流量為3 395.03 m3/h時，持續(xù)放礦6 d，1 315 m處浸潤線埋深過淺，不滿足尾礦庫安全運行的滲流控制要求。越靠近放礦口，滲流場受到放礦強度的影響越大，堆積壩上部區(qū)域的浸潤線首先出現(xiàn)不滿足要求的情況。加大放礦量時應(yīng)加強堆積壩上部的監(jiān)測。

表4 標(biāo)高1 255 m處浸潤線埋深

表5 標(biāo)高1 285 m處浸潤線埋深

表6 標(biāo)高1 315 m處浸潤線埋深

排滲席墊Ⅱ在6個放礦工況中，放礦強度越大，浸潤線抬升得越快，到達(dá)滲流控制浸潤線高度的時間也越短。而工況5與工況6中，浸潤線埋深幾乎沒有變化，這是由于放礦強度超過入滲強度，礦漿中的水部分滲入堆積壩內(nèi)，另一部分直接匯入庫中，此時放礦強度對壩體內(nèi)部滲流影響較小，主要影響尾礦庫干灘長度，應(yīng)注意監(jiān)測，以保證尾礦庫安全運行。

4 結(jié)論

1)排滲席墊滲透系數(shù)降為0.8倍，仍然能滿足尾礦庫的安全需求，但需要加強監(jiān)測；降為0.5倍，不滿足滲流控制要求，需采取強制排滲措施來保證尾礦庫安全。

2)排滲席墊滲透系數(shù)降為0.8倍，設(shè)計放礦強度下持續(xù)放礦7 d左右，已不能滿足滲流控制要求，加大放礦強度不應(yīng)超過5 d，放礦時應(yīng)采用多個放礦口交替放礦。

3)越靠近放礦口，滲流場受到放礦強度的影響越大，加大放礦量時應(yīng)加強堆積壩上部的監(jiān)測。放礦強度超過入滲強度時，礦漿中的水部分滲入堆積壩內(nèi)，另一部分直接匯入庫中，導(dǎo)致干灘長度減小。