某尾矿库上游法加高扩容方案研究

李跃强 李瑞鸿

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)



某尾矿库上游法加高扩容方案研究

李跃强 李瑞鸿

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

目前，我国许多尾矿库已处于尾矿存储的极限和服务年限的中后期，为了维持矿山企业的连续正常运行，相关人员都在积极寻求尾矿存储的最佳方案。在某现役尾矿库坝体的基础上进行上游法加高扩容设计，对原排水系统的安全性进行论证，并新建排水系统及增设排渗设施，对加高后的防洪能力、坝体稳定性进行计算分析。结果表明，尾矿库加高扩容后满足安全运行要求，有效保证了矿山的安全稳定生产。

尾矿库 上游法 加高扩容 排渗 稳定性分析

随着矿山尾矿排放量的不断增加及土地资源的日益紧缺，许多矿山企业都面临着尾矿库扩容的问题。尾矿库扩容有多种方案可供选择，主要是对尾矿坝坝体自身加高扩容或利用坝前空间扩容。基于此，目前我国尾矿库的扩容方式有上游法加高扩容、中线法扩容及尾砂干堆扩容等[1-5]。针对某尾矿库目前使用情况，提出利用上游法加高扩容延长尾矿库服务年限的改造方案，并对设计中需要考虑的主要因素进行了分析和论述，以验证方案的可行性。

1 某尾矿库现状

某尾矿库建于2008年，距选矿厂区约1.0 km，为典型的山谷型尾矿库。初期坝为壤土均质土坝，初期坝下游坡脚设有棱体排水，坝高25.7 m，坝顶宽4 m，坝顶标高为1 087.6 m，最终堆积坝顶标高为1 119 m，总坝高为57.1 m，属四等库。尾矿库排洪回水系统采用钢筋混凝土排水涵管。目前该尾矿库尾砂已堆至1 114.8 m标高，距设计最终堆积标高还差4.2 m。为实现资源利用最大化，减少土地资源浪费和环境污染，减少危险源的数量，充分利用该尾矿库现有地形条件进行加高扩容，既能满足企业连续生产的要求，又符合环境及社会的要求。

2 加高扩容存在的问题及解决对策

该尾矿库原排洪和回水设施为排水涵管，内力计算时取埋深56 m，尾矿库加高扩容后原排水涵管最大埋深约90 m，经计算复核，原排水涵管承载能力不满足要求，若加高后继续使用有破坏的可能性，为保证尾矿库的安全运行，尾矿库达到原设计标高1 119 m后，将原有排水涵管进行封堵填实，新建排水系统。

由于初期坝为土坝，渗透性较差，为降低堆积坝内浸润线高度，设计在堆积坝内设置垂直排渗设施。为加快尾矿坝加高过程中尾砂排水固结，降低坝体内浸润线埋深，设计在加高坝体内平行坝轴线设置水平排渗设施。

3 加高扩容工程方案分析

3.1 扩容方案

结合尾矿库现状，对其进行上游法加高扩容工程设计。受地形条件限制，当尾矿库堆积到原设计标高1 119 m后，在尾矿库滩面内设置尾砂平台和堆积子坝，采用上游法放矿筑坝工艺，将尾矿坝最终堆积标高加高至1 158 m，届时总坝高达96.1 m，总库容达1 597.73万m3，尾矿库升为三等库[6]。尾矿库加高扩容后的纵断面见图1。

3.2 排水系统改造

3.2.1 新排水系统

为了满足尾矿库加高后的泄流要求，根据该库的地形条件，确定新排洪系统采用排水涵管与隧洞结合。在尾矿库东侧支沟和西侧支沟分别修建排水涵管，在西侧支沟西侧和2个支沟之间山体修建排水隧洞，排水涵管沿库区沟底由南向北设置，通过转流井与隧洞连接，隧洞出口连接消力池。

3.2.2 辅助排水系统

为防止雨水冲刷坝肩，在尾矿坝两侧坝肩与山坡结合处设置排水沟。为防止雨水冲刷造成坝面拉沟，在堆积坝坝坡1119，1130，1140和1 150 m 标高平台平行坝轴线方向设置横向坝面排水沟，垂直坝轴线方向设置间距为50 m的坝面纵向排水沟。

图1 尾矿库加高扩容后的纵断面

3.3 排渗设施增设

3.3.1 垂直排渗设施

垂直排渗设施由碎石排渗墙和排渗管组成，排渗墙顶标高为1 095 m，每组排渗墙长3 m，宽0.5 m，深20 m，外部采用一层500 g/m2土工布作为反滤层。排渗墙共设15组，每组净间距为12 m，每组排渗墙底端接一根φ0.2 mPE塑料排渗管，渗水通过排渗管导入坝面排水沟，降低坝体浸润线。

3.3.2 水平排渗设施

在1 119，1 130，1 140和1 150 m标高平行坝轴线分别设置2条排渗盲沟，并在垂直坝轴线方向每隔30 m均匀布置dn110 mmPE管，将排渗盲沟的水排入坝面排水沟，降低堆积坝浸润线。排渗盲沟宽2 m，高1.5 m，采用50～200 mm级配卵石，外包一层400 g/m2土工布作为反滤层，并在排渗盲沟顶部覆盖1 m厚粒级不小于1 mm尾砂。

3.4 防洪能力分析

3.4.1 洪水计算

该尾矿库实施加高扩容后，尾矿库由四等提高至三等，中后期防洪标准由原设计的200 a一遇提高至500 a一遇。坝体升高使尾矿库库区上游汇水面积由1.386 1 km2减小至1.161～1.063 km2。依据《河北省某市水文水资源手册》进行洪水计算，各典型坝段的洪水计算成果见表1。

表1 各典型坝段洪水计算成果

3.4.2 调洪演算

随着尾矿堆积坝坝高及库容的变化，尾矿库的调洪能力及一次洪水的排空时间都有变化，按新建排水设施选取典型坝段(1 119，1 130，1 140，1 158 m 标高)进行调洪演算，计算结果见表2。

表2 各典型坝段调洪演算计算结果

由表2可知，尾矿库运行期间，调洪能力可满足规范要求，且排空一次24 h洪水的时间不超过72 h，满足规范要求。因此，该尾矿库排洪系统改造方案合理可行。

3.5 坝体稳定性分析

尾矿坝渗流稳定性计算采用河海大学的水工结构有限元分析系统AutoBank6.1，对最终状态(1 158 m 标高)的最危险断面进行分析，尾矿材料的物理力学计算指标依据岩土工程勘察报告选取，分别对正常运行、洪水运行及特殊运行3种工况计算，计算结果见表3。

表3 稳定性计算结果

计算结果表明，坝体正常运行工况、洪水运行工况和特殊运行工况下，抗滑稳定安全系数均能满足规范要求。

3.6 加高扩容效益分析

尾矿库由原设计最终标高1 119 m加高至标高1 158 m后，可新增库容约1 130.87万m3，有效利用系数按0.75计算，新增有效库容为848.15万m3，按照企业现有的生产能力计算，可延长服务年限约3.2 a，满足了企业正常生产的需要。相较另选新库址，加高扩容可最大限度利用现役尾矿库条件，减少基建投资，减少危险源及环境污染源。

4 结论与建议

(1)尾矿库采用上游法加高扩容方案，筑坝工艺和放矿方式等保持不变，可以充分利用现有设备。

(2)尾矿库进行加高扩容时，应对排水设施的安全情况和排洪能力进行论证，不满足要求时要进行改造，必要时增设排渗设施，以确保尾矿库安全。

(3)随着坝体的加高，尤其到中后期，上游式尾矿库几乎都存在不同程度的病害，如浸润线逸出、渗流破坏等，企业需要对尾矿库加强安全管理，及时发现问题并采取相应的治理措施。

[1] 汪云满,宋月明,徐志宏.上游法尾矿坝加高扩容的加固处理措施[J].矿业快报,2002(18):13-15.

[2] 李培良.上游法尾矿库沉积规律及扩容研究[D].北京：北京科技大学,2006.

[3] 王柏纯,曲忠德.采用中线法筑坝工艺实现尾矿库大幅扩容[J].矿业快报,2002(17):18-20.

[4] 张海娟.某金矿尾矿库加高扩容的可行性研究[J].湖南有色金属,2007,23(4):55-59.

[5] 罗志雄,李培良.尾矿库扩容方案探讨与实践[J].金属材料与冶金工程,2012(40):47-50.

[6] 中国有色金属工业协会.GB 50863—2013尾矿设施设计规范[S].北京：中国计划出版社,2013.

2016-07-26)

李跃强(1982—)，男，工程师，066004 河北省秦皇岛市经济技术开发区龙海道71号。