尾矿库排洪系统封堵技术初探

程敏+范士盼+汪涛

摘 要：本文在对排洪系统概述的基础上，结合实例对排洪系统封堵事故种类进行了详细介绍，说明了封堵重点问题堵体位置的选择和堵体的长度或厚度的计算方法，根据实际工作得出了不同情况下的封堵类型选择。

关键词：排洪系统；封堵事故；初探

一、尾矿库排洪系统概况

尾矿库是矿山企业的重要生产设施，同时又是矿山企业的重要污染源和重大危险源之一。尾矿库排洪系统在正常情况下，要确保尾矿库外排（包括回水）水质达标，在特大暴雨时，要确保尾矿库的防洪安全。因此尾矿库排洪系统的正常、安全、可靠地运行不仅与企业的正常生产关系密切，更重要的是与尾矿库下游的环境保护和生命财产安全关系重大。

尾矿库排洪系统包括库内排洪系统和库外排洪系统。

库内排洪系统主要由进水构筑物和排洪构筑物组成。进水构筑物一般为排洪井或排洪斜槽；排洪构筑物一般为排洪隧洞或排洪管。其中排洪隧洞（或排洪管）又可分为排洪主洞（或排洪主管）和排洪支洞（或排洪支管），后者分别与各期排洪井（或排洪斜槽）相接。

库外排洪系统一般在尾矿库汇水面积较大，为减轻库内的调洪压力，或实行清浊分流而专门设置。除库周设置截洪沟外，主要采取库尾设置拦洪坝-排洪隧洞（或溢洪道、排洪管）的方式将洪水截出库外。

尾矿库建成后，随着尾矿的大量排入，沉积滩面不断充填升高，滩面延长，库水位澄清距离缩短，外排（或回水）水质逐渐降低，必须及时抬高库水位，就需要用拦挡体将进水构筑物的进水口标高不断升高。如框架式排洪井的拱（或梁）挡板；窗口式排洪井的盖板（或堵板）；排洪斜槽的拱（或平）盖板。安装拦挡体不影响进水构筑物的防洪能力。

二、排洪系统封堵事故种类

（1）排洪井筒顶部封堵。湖南醴陵潘家冲铅锌矿1#尾矿库建于1964年，尾矿库排洪系统采用排洪井-排洪管型式。运行10年左右停止使用。10年后因2#尾矿库又停止使用，而3#尾矿库尚未开始建设，矿方决定重新启用1#尾矿库，拟继续加高10m以扩容，新建二期排洪系统，并对一期排洪系统进行封堵，封堵部位在排洪井筒顶部。在加高扩容快结束使用时发生垮塌，塌坑深达30m、直径60m，尾矿流失严重。经分析，事故原因为井座上部井筒拱板断裂。（2）封堵体位置不当导致尾矿堆积坝渗透管涌破坏。湖南临湘桃林铅锌矿鱼潭尾矿库1960年建成使用，选矿规模4500t/d，初期坝为土坝，坝顶标高80.0m，1994年尾矿库堆积至104m标高时，二期排洪系统开始使用，即在初期坝上游坝脚处对一期排洪管采用砂、砾石、块石进行反滤封堵，封堵长度为18m，已用粗尾砂修路堤到排洪井，拟将排洪井井座进行混凝土封堵。因恰逢暴雨，洪水进入井内，封堵体前水头达40m，封堵体安全无恙，但在初期坝顶上游坝坡被渗透管涌水流冲出约30m左右直径的塌陷坑，近千立方尾砂下泄，初期坝顶及坝坡亦局部被喷射出的水流所冲刷。

三、排洪系统封堵体位置的选择

尾矿库排洪系统封堵体位置包括上游迎水面位置和下游临空面面位置。封堵体位置应根据排洪系统在尾矿库区位置的工程地质、水文地质条件、排洪系统的结构状况、与相邻构筑物之间的关系及尾矿库运行要求综合分析确定。根据尾矿库的特点，应满足以下要求：

（1）封堵体下游排洪系统结构安全不因尾矿堆积坝加高扩容、超过原设计荷载范围而导致破坏。反之，原设计排洪系统结构最大尾矿埋深位置是封堵体的结构安全的下游边界；（2）不因封堵体上游侧可能承受的最大水压力形成渗流高压区，不仅导致尾矿堆积坝下游坝坡浸润线升高，局部出现沼泽化，而且有可能导致坝坡渗透破坏事故。因此应按尾砂允许渗透坡降分析封堵体处尾矿堆积坝坡的渗透稳定安全性来确定上游侧的边界；（3）排洪隧洞一般采用洞壁排渗孔降低洞周渗透压力，以减少隧洞衬砌厚度。封堵体前渗流高压区将对封堵体下游侧支隧洞甚至主隧洞衬砌（或围岩稳固性）产生威胁。

由于尾矿堆积坝坡较缓，为便于算管涌破坏逸出点标高和渗径长度均可用封堵体进水面的竖直线与坝坡面的交点来确定（见图一）。

封堵体前尾矿堆积坝最大平均水力坡降可用下式表示：

实际封堵长度应大于该封堵体界限长度，并满足封堵体自身安全长度。

四、封堵体长度（或厚度）的计算

（1）梁板型封堵体。梁板型封堵体应按《水工混凝土结构设计规范》进行。可采用整板现浇或预制块安装。当用于井座顶时，井座顶应当有足够的支承长度；当用于隧洞或管道内时，应预留槽孔。主要用于井座顶的封堵。（2）抗剪型封堵体。封堵体迎水面总压力由封堵体与周边（隧洞衬砌、岩壁、管壁）的有效接触面积抗剪强度来承担。水利部、电力部各有《水工隧洞设计规范》封堵体长度的计算方法。（3）重力型封堵体。重力型封堵体长度远大于抗剪型封堵体长度，故不宜推荐。（4）反滤型封堵体。反滤型封堵体还可分为透水型和防渗型二类；为防止尾砂随渗水带出和使封堵体迎水面的压力均匀地作用到封堵体上，必须采用反滤型封堵。（5）膏体封堵体。在满足充填压力坡降的前提下，还可掺入一定比例的粗尾砂。体积含水率达95～97%，凝固速度快，具有低标号混凝土的抗渗性，强度增长快，其抗压强度已经超过煤矿对充填材料的强度要求。在冶金矿山井下充填也得到应用，凝固时间在20分钟左右。凝固前10分钟泵送性能好，自然流动坡降在1～2%左右，无毒无腐蚀性，缺点是遇阳光和通风后会发生开裂现象，适用于全尾砂充填井下充填护壁和尾矿库排洪系统封堵，价格适宜。（6）其他型式的封堵体。① 井座封堵：直接在井座内进行封堵，可采用刚性封堵，也可进行防渗反滤封堵。由于井座侧壁开有孔洞，刚性封堵在部分无侧限时有可能挤压破坏，散粒体封堵更应按其主动土压力来设计侧向封堵体长度。② 锥形、拱形封堵：锥形封堵实际上也是拱形封堵，将正压力转化为侧压力，由井壁、管壁或洞壁来支撑。

五、几点结论

（1）尾矿库排洪系统封堵应进行技术经济比较，综合分析封堵位置合理性；（2）梁板式在井座顶封堵较为适宜；（3）当块石粒径大于1/5洞（管）径时，不能考虑在洞（管）壁形成主动土压力的侧向摩阻力；或全是混凝土浇筑但因没有凿毛处理，混凝土收缩后易形成滑动面，仅按自重产生的摩擦力抗滑，则封堵体长度过长，不适宜采用；（4）抗剪型封堵体宜在排洪井井径较大或在排洪支洞（管）内施工较适宜时采用；（5）宜采用防渗型反滤型封堵，工程投资较省、施工方便，但施工管理难度较大，建议通过试验进一步验证力学模型和提供物理力学指标；（6）尾矿库加高扩容对原排洪系统封堵时，因结构安全和尾矿堆积坝渗透稳定安全要求封堵体较长时宜采用高水材料封堵。

参考文献：

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[2] 束永保，李仲学尾矿库溃坝灾害事故树分析[J] 黄金 2010（6）

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