白马铁矿万年沟尾矿库安全运行实践

2015-01-16夏禄清

现代矿业 2015年9期

关键词：盲沟坝坡溃坝

夏禄清李林

(攀钢集团矿业有限公司设计研究院)

白马铁矿万年沟尾矿库安全运行实践

夏禄清李林

(攀钢集团矿业有限公司设计研究院)

攀钢白马铁矿万年沟尾矿库运行过程中出现了库区古滑坡、排洪隧硐跑浑、坝体渗水无法有效收集和排出、坝肩支沟放矿堆坝有安全隐患。为此，该矿采用了固坡、放矿及强排渗新技术，对存在的问题进行了处理，并进行了尾矿库溃坝模型试验，为该尾矿库的安全运行提供了条件。

尾矿库安全运行技术措施

1 尾矿库建设及运行情况

攀钢白马铁矿万年沟尾矿库位于四川省攀枝花市米易县黄龙乡境内，属山谷型尾矿库，2005年3月建设，2006年12月投入使用。该尾矿库初期坝为透水碾压堆石坝，初期坝高45 m，后期采用尾矿砂上游式堆筑，设计最终坝顶标高1 720 m，堆积坝高280 m，尾矿库总坝高325 m，总库容3.26亿m3[1]，是目前国内最高的尾矿库，属一等库[2]。

(1)初期坝。初期坝原设计下游边坡为1∶1.75，后考虑到堆积总高度较高，故进行了下游坡的设计变更，设有两级风化石料反压平台，单级平台宽20 m，平台标高分别为1 426，1 416 m，外边坡为1∶1.5，初期坝下游坝坡总坡比约1∶2.46。在初期坝上游约150 m处设置了积渗井和库底积渗槽，收集库区地下水，通过埋设于初期坝底的导流管排出库区。目前初期坝处于稳定状态、未出现明显变形位移和渗漏迹象。

(2)堆积坝。初期坝顶以上采用尾矿砂堆筑上游式子坝，每级子坝高2.5 m，坝外坡比1∶4，坝内坡比1∶2，每两级子坝设一级子坝平台，平台宽5 m，平均堆积边坡比为1∶5。目前，堆积坝已运行至第19道子坝，堆积标高1 535 m，总坝高140 m，堆积尾矿量约2 800万m3，尾矿库干滩长度300～400 m。为防止坝肩山坡面和坝坡面汇水对坝肩及坝面形成冲刷，各级马道坡脚及坝肩位置均设置了浆砌石排水沟。同时为防止雨水、渗流冲蚀以及大风扬尘，在坝面上铺设了0.40～0.8 m厚的含碎石黏性土层，并种植了剑麻等植被。目前堆积坝处于稳定状态、运行正常。

(3)排渗设施。在堆积坝逐渐升高过程中采用盲沟排渗，每升高10 m在滩面以内150 m处铺设一道排渗盲沟。盲沟内设5条支沟，每条支沟内敷设φ150 mm软式透水管、管周充填碎石、碎石充填体外包400 g/m2无纺布，沿垂直坝轴线方向每隔100 m 铺设与软式滤水管三通或四通相接的DN150排水钢管，将尾矿渗水排至坝坡水沟内。改善了坝体渗流状态、降低了坝坡浸润线高度(据监测，浸润线埋深20～25 m)，对坝体稳定有利。

(4)防洪设施。尾矿库采用隧硐+支硐+竖井+溢水塔方式排洪，排洪主隧硐总长3 258.26 m，沿程共设13条支硐、14座溢水塔。隧硐出口设在距离初期坝脚下游约100 m的南岸山坡，出口处设有消力池等消能设施。

尾矿库排洪是一个系统工程，对于大型尾矿库，在满足安全运行的前提下，可采取分期建设，既可以缩短建设周期，也可达到分散投资的目的，还可保证工程质量。基建期尾矿库排洪系统只建至6#溢水塔位置，1#～6#溢水塔直径均为6 m、为框架式结构，隧硐为城门硐型、设计纵向坡降为1.2%，主硐及支硐净断面均为4.8 m×5.2 m。目前6#溢水塔以后的排洪设施仍在分期建设中(续建和待建段隧硐断面为3 m×3 m)。

(5)监测设施。尾矿库设有位移、浸润线、干滩坡降及长度、库水位、在线监测、子坝标识桩、(渗水)量水堰等设施。初期坝坝顶及1 416,1 426 m两级压坡平台已设有位移观测桩，库内设置有库水位观测标尺，堆积坝1 535 m标高以下设置有位移和浸润线观测设施等，动态监测尾矿库的水位、坝体位移及浸润线等；同时在1 490 m标高以下设置有位移、浸润线在线监测设施。

尾矿库现状见图1。

图1 万年沟尾矿库现状卫星图片

2 尾矿库安全运行技术

目前，万年沟尾矿库已进入正式运行的第10年。10 a中，采取了多项创新技术，对尾矿库安全运行全过程进行了人工调控，尾矿库未出现大的安全问题。

2.1 库区古滑坡固坡技术

万年沟库区掩埋范围内有2处中～浅层土质古滑坡，而且在尾矿库运行初期就开始掩埋，若尾矿库尾水浸泡古滑体(滑带力学指标降低)而不采取对策，古滑坡下滑将造成瞬间冲击，危及尾矿库的安全。为此，在古滑体表面铺设了土工布和草垫，使滑坡体遇水不致过快崩解；另外在古滑体一侧滩面排放尾矿，提前形成干滩，确保了古滑体的稳定。目前2处古滑坡已基本被尾矿砂掩埋，未影响尾矿库的安全。

2.2 排洪隧硐跑浑治理技术

2009年2月，尾矿库南侧山体中的1#、2#支硐间排洪主隧硐多处硐壁泄水孔突然跑浑、水压力剧增，且伴有一处底板渗冒尾矿浆。经分析后认定：尾矿库南侧山坡属节理裂隙较发育岩体，在尾矿库面逐渐上升的过程中，尾矿水软化了节理裂隙面上的充填物，尾矿库静水压力也逐渐增高，当其累积到一定程度后，直接击穿并导通了山坡面至该段排洪主隧硐间的节理裂隙，造成跑浑。之后立即组织施工队伍，紧贴尾矿库南侧山坡面向库水面下挤压装满粉质黏土的编织袋，跑浑现象逐步消失、泄水孔水压力恢复正常。

2.3 坝坡双向槽孔管排渗技术

现阶段坝坡排渗采用5条软式透水管+碎石反滤层组成的盲沟，收集渗水并由排水钢管导流至坝面。由于坝前干滩坡降较大，排水钢管的埋设不仅开挖量较大，而且坡降难以有效保证，有时难免出现坡降不足甚至负坡降现象，导致第9层盲沟不出水。为此，拟将第10层(1 540 m标高)及以上排渗系统改为“双向槽孔管排渗法”及“反向预埋排渗设施”排渗。双向槽孔排渗管[3]原理简单、施工方便、造价低、滤水面积大、滤水效果好。

2.4 最终坝肩支沟的提前放矿及强排渗技术

尾矿库现状堆积坝顶距库面北侧止防沟沟口约300 m，随着堆积坝的上升、坝顶轴线逐渐向上游推进(目前坝体上升速度约15 m/a、坝顶向上游水平推进速度约75 m/a)，干滩即将越过止防沟口，止防沟内无法循环的尾水将越来越高，沟内积水长期不能排走，尾矿库北侧干滩将越来越短，浸润线将被迫抬高，尾矿固结非常困难，严重危及坝坡的稳定；另外，考虑到将来尾矿库坝体将逐渐推进至止防沟内，并在沟内最终形成高约120 m的坝坡，如现阶段大量细粒级尾矿在止防沟内沉积，导致将来筑坝难度增大和坝坡的不稳定。目前正在着手一阶段放矿管线系统施工，尽早启动止防沟尾1 560 m处的沟内放矿，达到止防沟内滩面与尾矿库堆积坝前滩面同步上升的目的。

止防沟内最终堆坝长度约1 300 m，且堆积坝前缘直接压覆于山坡面上，而山坡面相对于尾矿库透水堆石坝上游坡面更隔水。为保证将来沟内堆坝体浸润线降低、避免出现堆积坝坡大面积出渗，在止防沟放矿管线系统施工的同时，提前于止防沟内压覆坝坡脚线以下山坡面适当标高，布设并施工了一条长1 475.7 m的排渗盲沟(见图2)，确保将来坝坡的安全运行。

图2 止防沟山坡面提前布设强排渗盲沟平面(剖面)示意

2.5 尾矿库溃坝模型试验简介

为掌握该尾矿库溃坝对下游的淹没范围和影响程度，针对尾矿库工程设计及运营管理，编制了该尾矿库安全与环境风险应急预案，特委托清华大学水木(北京)工程技术研究院于2014年10月完成了《白马铁矿万年沟尾矿库溃坝模型试验》[4]。该试验模型在尾矿库和下游沟谷、设施几何相似(水平比尺1∶240、垂直比尺1∶180)的同时，依据尾矿库实际堆存中尾砂，在不同库段的粒度组成、不同堆高的压实与固结度、不同坝段的饱水条件等做到了材料相似，并针对1 720,1 660,1 600 m 3个不同堆积坝高的不同坝体部位展开溃坝模型试验，获取了溃坝时溃口形状的变化、距坝址不同部位的水位和洪水到达时间及尾砂冲刷(坍塌量)、淹埋深度、淹没范围等数据，经综合分析评判后，最终提出了加强监测、优化管理、分步建设疏排设施和人为干预溃坝等措施与建议。该试验的实物模型可长期保留，作为以后尾矿库环保、安全、闭库等方面的技术支撑实体。