棒磨山尾矿库闭库综合治理

尚立君 袁雪涛 韩新开 王建胜

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.河北钢铁集团矿业有限公司)

棒磨山尾矿库闭库综合治理

尚立君1,2袁雪涛1韩新开1王建胜1,2

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.河北钢铁集团矿业有限公司)

棒磨山铁矿沙河沟尾矿库已停止使用，在对该尾矿库基本情况分析的基础上，对其调洪和稳定性进行了讨论，进而对其库区滩面、排洪系统、位移观测系统进行了综合闭库整治，并对其尾矿库进行复垦，取得了较好的效果。

尾矿库 闭库治理 土地复垦

尾矿库作为一种特殊的标志性工业建筑物，其运行状态既关系着矿山企业的安全运营，又关系着尾矿库周边人民和环境的安全[1]。当尾矿库达到其设计高程或者根据实际生产需求需要将其关闭时，则需要采取恰当的闭库措施来实现二次资源保护以及坝体的长期稳定[2-3]。

1 棒磨山尾矿库概况

1.1 尾矿库原设计初期坝及尾矿堆积坝

棒磨山尾矿库建有沙河沟初期坝、棒锤山初期坝和团新庄初期坝，初期坝坝顶标高均为59.5 m，坝顶宽度均为4.0 m，初期坝的最大高度分别为14.5，3.5和3.5 m，坝长分别为557.0，330.0和202.0 m，除沙河沟初期坝内外坡比为1∶2.75外，其余坡比均为1∶2.0。初期坝为均质粉土坝，目前初期坝已被废石坝掩埋。该尾矿库的尾矿堆积坝采用废石筑坝，采用采矿废石在初期坝下游将尾矿坝加高，原设计尾矿坝的最终堆积标高为75.0 m，坝顶宽度为30.0 m，设计总库容为1 448万m3。目前废石坝的实际堆积标高为76.0～80.0 m，坝顶最小宽度为5.0 m；废石坝的内外边坡约为1∶2，坝长约 3 950 m。

1.2 尾矿库排洪回水系统

尾矿库原设计有管-塔排洪回水系统，包括2.0 m内径的3座钢筋混凝土溢水塔和内径1.0 m总长810.0 m的排水管。1995年3月14日，尾矿库原设计的排水系统坍塌发生泄尾事故，将原排水系统堵塞报废。1995年4月重新设计了新的排洪回水系统，包括移动式回水泵站回水设施及在尾矿库沙河沟坝南端建有溢洪管道。2010年10月将尾矿库沙河沟坝南端兴建的溢洪管道移至尾矿库北端，目前，内径800 mm的排洪管已经施工完毕。

1.3 尾矿库滩面

根据2013年3月初实测的尾矿库现状平面图，废石坝坝顶标高76.0～80.0 m，库区水面标高约72.07 m，西南绿化区滩顶标高71.6～74.1 m，西北绿化区滩顶标高70.3～72.1 m，北侧滩顶标高72.0～76.0 m，东侧滩顶标高72.1～75.0 m，南侧滩顶标高在76.8 m以上。

2 尾矿库等别、水文、调洪分析

2.1 尾矿库等别及防洪标准

棒磨山铁矿沙河沟尾矿库等别及防洪标准，安全超高分别见表1、表2。

表1 棒磨山铁矿沙河沟尾矿库等别

表2 尾矿库防洪标准及安全超高

2.2 尾矿库水文计算

棒磨山铁矿沙河沟尾矿库汇水面积约0.92 km2，河道长0.875 km，河道平均坡度10‰。分别采用以下3种公式对该区洪峰流量进行计算：

(1)单因子公式。

(1)

式中，Qp为洪峰流量，m3/s；Cp为红枫流量模系数；F为汇水面积，km2。

(2)单因子公式。

Qp=0.072CpH24pFψJ,

(2)

式中，H24p为P频率年最大24h降雨量，mm；ψ为流域形状系数；J为河道平均坡度，‰。

(3)推理公式。

(3)

式中，Hτ为历时内的最大降雨量，mm；τ为汇流历时，h；μ为产流参数，mm/h；tc为净雨历时，h；R为次洪水径流深，mm。

式(1)～(3)的洪峰流量计算结果见表3。

表3 水文计算结果

由表3可知，由于棒磨山铁矿沙河沟尾矿库汇水面积仅为0.92 km2，《唐山市水文手册》多因子公式的使用条件为汇水面积为20～500 km2，因而该公式不适用。因此，设计采用洪峰流量较大的单因子公式的计算结果。

2.3 尾矿库调洪计算

尾矿库闭库后库区水仅有大气降水这一补给来源，并且尾矿库的调洪库容大于一次洪水总量，为了调节库区水位，必须建设新的排洪系统。在库内北部水面附近低洼区修建1条排水管，向北延伸至原排洪管位置并穿过坝体，进入原环坝排水沟。进水井顶标高72.1 m，排洪管进水口底标高71.0 m，管长136 m。任意时段的水量平衡方程式为

(4)

式中，Q1、Q2为时段始、终尾矿库的来洪量，m3；q1、q2为时段始、终尾矿库的泄洪量，m3；V1、V2为时段始、终尾矿库的蓄洪量，m3。

根据排洪系统的布置，按式(4)进行了调洪计算，结果见表4。

表4 尾矿库调洪计算结果

由表4可知，经整治后的尾矿库在遭遇设计洪水时，安全超高和干滩长度均满足规范要求。

3 尾矿库堆积坝稳定性分析

3.1 尾矿库坝体渗流稳定计算

针对尾矿库的实际情况，选取3个典型剖面采用有限元法进行计算，尾矿库在遭遇设计洪水时可以将一次洪水全部存入库中，因此在计算浸润线时按洪水时的最高水位确定库区水位。3个典型剖面的浸润线及等势线见图1。

图1 浸润线及等势线

3.2 尾矿库堆积坝稳定性分析

3.2.1 安全系数及荷载组合

尾矿库抗滑稳定最小安全系数见表5。

表5 三等尾矿库抗滑稳定最小安全系数

棒磨山尾矿库荷载组合形式和坝体物理力学参数分别见表6、表7。

表6 荷载组合

3.2.2 尾矿库坝体稳定性分析

采用毕肖普法对图13个典型剖面按照正常工况、洪水工况和特殊工况分别进行模拟计算，结果见表8。由表8可知，该尾矿坝运行基本稳定。

表7 物理力学参数

表8 矿坝稳定计算结果

4 尾矿库闭库安全治理措施

4.1 尾矿库滩面治理

尾矿库废石堆积坝坝顶实际标高76.0～80.0 m，库区滩面标高66.0～77.0 m，在库区西北角有2处洼地，局部标高比水面现状标高72.07 m还低，遇到降雨便会有雨水滞留。结合实际需求，将位于水边线周边的子堤与尾矿坝间的西北角区域进行废石覆盖，覆盖高度不低于74.0 m标高，并平整为倾向库内水域的正坡。其他区域采用局部平整滩面的方案，即将尾矿库地势较高处进行挖方，挖出的土方填充至地势较低处。

4.2 排洪回水设施改造

尾矿库现有内径800 mm的排洪管，按照尾矿库现有的排洪管布置，使用排洪管排洪时水边线接近废石堆积坝坝根，尾矿库的干滩长度无法满足“不小于70 m”的规范要求，另外其进水口的顶标高为73.43 m，在现状水位标高的基础上还得将水位升高1.43 m才能起到排水的作用，因此无法使用现有的排洪系统进行排洪。新建的排洪管采用内径800 mm预制混凝土管(平口或承插口)，在进口端设置一进水井，内径2.0 m，高1.6 m，底标高70.5 m，排洪管的进水口标高71.0 m，坡度1.56%。排水管出口接原坝面排水沟，并最终进入原环坝排水沟。改造排洪设施的工程量有：预制混凝土管136 m，进水井C20混凝土2 m3，排水管垫层94 m3，挖方450 m3，填方274 m3。新建排洪管坐落于尾矿库滩面上，需要进行基础加固，基础深2.0 m、宽3.0 m范围内采用置换法将原砂泥用碎石代替，并振冲夯实，基础处理工程量为540 m3。

4.3 增设浸润线及位移观测设施

坝体浸润线及位移观测设施对尾矿库实施定期观测是尾矿库闭库后管理工作的一项重要内容，通过观测及时了解尾矿库的安全稳定现状，发现异常情况及时分析处理，确保尾矿库安全。考虑到棒磨山尾矿库是采用废石筑坝，浸润线埋深较深，可以不设置浸润线观测系统。棒磨山尾矿库的位移观测系统已经运行多年，原测点仅有2个，增设6个位移观测点可满足要求。

4.4 尾矿库闭库绿化及环境保护

(1)尾矿库复垦绿化及废水治理。目前棒磨山尾矿库绿化工作已经取得初步成效，但绿化尚未实现库区全覆盖；闭库后尾矿库停止放矿，库内存放的尾矿是磁选尾矿，没有有毒有害的物质析出，汛期排洪仅为库内的雨水，不存在尾矿废水污染的问题。

(2)尾矿粉尘的治理。目前尾矿库坝外坡已经绿化，闭库后尾矿库通过冲积滩滩面的覆盖、绿化，已经没有裸露的尾矿砂。冲积滩面已部分被绿色植物覆盖，粉尘污染基本得到有效治理。

5 结 语

对棒磨山尾矿库闭库的综合治理措施进行了详细探讨，该尾矿库经综合整治后，矿区及周边的生态环境得到了改善，取得了一定的生态、经济效益。

[1] 沈楼燕，魏作安.探讨尾矿库闭库的一些问题[J]. 金属矿山，2002(6)：47-48.

[2] 梁 战，程慧高，汪晓霖，等.某尾矿库安全分析及治理对策[J]. 工业安全与环保，2007，33(6)：34-35．

[3] 廖智强，李泽杰.某铁矿尾矿库闭库工程初步设计研究[J].西部探矿工程，2011(5)：211-213．

2015-01-15)

尚立君(1974—)，男，高级工程师，063009 河北省唐山市路南区新华西道46号。