岩溶区某尾矿库加高扩容工程稳定性研究

2018-07-27朱远乐唐绍辉刘发清

金属矿山 2018年7期

朱远乐唐绍辉陈星刘发清

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，长沙，410012）

尾矿库作为矿山工程采、选、尾三大控制性工程之一，是矿山事故发生高频区域［1］。目前很多尾矿库处于服务期满，后期面临是否扩容以及如何进行加高扩容的问题。一般矿山企业会从两个方面权衡而选择进行加高扩容：一是当前新建库的审批程序和要求越来越严格，且由于地形条件、下游情况、征地、环保等问题无法新建尾矿库；二是新建库的工程基建投资一般约占矿山工程建设总投资的10%以上（库址条件较好者），占选矿厂投资的20%左右，库址条件不好的甚至超过选矿厂投资，故在原库址基础上进行加高扩容以利用原有安全设施设施可节省一定工程费用，同时施工工期较短，有利于企业可持续的生产［2-4］。

随着经济的发展，目前大多数尾矿库周边环境、或地质条件较为复杂，在尾矿库加高扩容工程中已面临周边诸多已建工程。林国洪［5］以某铜矿为例分析了深部地下采矿与尾矿库运行之间的相互影响；陈星［6］等利用数值模拟的方法开展了尾矿库运行期溃坝对下游的淹没和公路的撞击研究；由于尾矿库下部有采矿活动，康永红［7］等采用用有限差分程序FLAC3D模拟地下矿体开采对地表尾矿库的影响。

在岩溶区对尾矿库进行加高扩容存在一个最主要的问题为加高扩容后岩溶区上覆荷载加大，岩溶塌陷常导致漏矿。宋志［8］分析了岩溶区尾矿坍陷的原因，提出了一种通过构建岩溶塌陷应急处理档案的管理模式；贺跃光［9］对某一岩溶区尾矿库可能发生的灾害进行了评价，并通过对尾矿库坝体稳定性的安全监测阈值的设定来判别岩溶对尾矿库的影响；眭素刚［10］运用FLAC3D数值模拟方法分析了在尾砂堆载沉积过程中，下覆岩溶区的稳定性，对尾矿库建设的可行性进行了论证。本研究以湖南省某铜矿所属尾矿库为例，分析在岩溶区进行加高扩容的可能性。

1 尾矿库加高扩容概况

湖南省某铜矿所属尾矿库为山谷型尾矿库，尾矿库初期坝采用透水堆石坝，坝顶标高+270.0 m，坝高16.0 m，顶宽4.0 m，上游坡比1∶2.5，下游1∶2，于+260.0 m标高设2.0 m宽的马道，初期坝库容为13×104m3。堆积坝采用上游式尾砂筑坝，堆积坝平均坡比1∶5，子坝内坡1∶3，外坡1∶4，表层粘土护坡，最终堆积标高+296.0 m，总坝高42.0 m，总库容159.22×104m3，有效库容 127.38×104m3，尾矿库为四等库。

经多年运行已服务至后期，目前尾矿库运行至标高+289.0 m，坝高35.0 m，库容97.15×104m3，为满足矿山发展和尾矿库安全运行进行上游法加高扩容设计。

扩容方案：+289 m标高以上再采用上游法尾矿堆坝，平均堆积边坡1：4，最终堆积坝顶标高+304.0 m，总坝高48.0 m，总库容189.72×104m3，加高扩容后尾矿库为三等库。新建一座碾压废石副坝，副坝坝顶标高+304.0 m，坝高8.0 m，坝顶宽3.0 m，坝轴线长150.0 m，内外坡比1∶2.0。新建排水井—排水涵洞作为该库的排洪系统，排水井内径4.5 m，排水井采用框架式结构，井高8.0 m，排水管采用钢筋混凝土圆拱直墙型，宽2.m，直墙高1.5 m，圆拱半径1.25 m，长约140.0 m。在堆积坝+270 m、+277 m、+289.0 m标高分别增设水平排渗管，其中集渗段长10 m，排渗段长50 m，水平间距10 m。

2 库区工程地质条件及岩溶发育特征

尾矿库库区地层较单一，岩性简单，只有第四系和石炭系下统大塘阶梓门桥组石灰岩及石炭系下统大塘阶测水组页岩地层。场区内大部分为第四系的人工堆积及坡残积层覆盖，下覆基岩主要为石灰岩与砂页岩。尾矿区地层为一向北西倾斜的单斜构造，岩层倾角45°左右，库尾至库中部推测有一北西至南东向的F16断层，该断层层面倾向北东，倾角为76°左右，该断层未发现有近期活动现象。场区除存在以上断层，未发现其他断裂构造。

尾矿库区场地内可能存在的岩溶发育地段及影响范围采用物探高密度电阻率法进行测量。高密度电阻率法是一种阵列式电法勘探方法，野外测量时将电极（几十至上百根）置于测点上即采用高密度布点，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现对数据的快速和自动采集，进行二维地电断面测量，其特点是一次性布置好测线电极，可以进行多种装置的测量。其测量方式主要选用温纳等比装置即仪器的1α装置，同时配套偶极—偶极（即2β装置），测量点距10 m。使用该仪器野外工作的示意图2所示。

尾矿库场地岩溶物探高密度电阻率法检测工作共完成7条测线剖面，各条测线的平面位置情况如图1所示。7条剖面总长合计3 450 m，有效测点数总计352个。每条测线剖面反演解释断面成果图的特征描述见表1。

经过对每条测线剖面的原始观测数据进行数据转换、数据分析、坏点删除和地改修正等预处理后，采用二维高密度电法专业软件——2DRES进行反演分析和断面成果图输出，输出成果图如2～4所示。

库区岩溶测量结果：库区岩层以中～厚层状隐晶质石灰岩为主，岩溶不发育，未见大的溶洞及落水洞，但地表基岩中见有溶沟、溶蚀裂隙等岩溶形态，溶孔一般沿风化裂隙和层面发育。

（1）溶沟：库区范围内局部见到，溶沟多表现为沟脊相间的沟槽形态，一般发育于中～厚层结晶石灰岩中，裸露于地表，为顺坡向，由地表水长期冲蚀而形成，长数米，宽0.04～0.10 m，沟深0.03～0.08 m，为雨水向沟中汇集的通道。构造裂隙对溶沟的发育有一定的控制作用。

（2）溶蚀裂隙：尾矿库的底部原始地貌为冲沟沟谷，场地底部未出现陷落现象，岩石埋藏深。库底主要由含砾粉质粘土组成，未揭露到土洞。环库区检测到1个岩溶漏斗（3#岩溶发育区）和3个中低阻软弱层，地表位置都在砂滩面之上。岩溶漏斗发育区在地表开口，地面漏斗的直径约为6 m，往深部发展，在地面以下约6 m处变为直径约30 cm的岩溶管道。经地球物探测试，该岩溶漏斗主要向较深部发展，规模不大，由岩溶管道与埋藏深度在15 m岩溶发育区相连，岩溶发育区宽度约5 m，高度约5 m，推测主要填充物为土石混合物，其顶板埋深15 m。中低阻软弱夹层1（1#、2#岩溶发育区）埋深在15 m以下，中低阻软弱层2（4#岩溶发育区）和中低阻破碎层3（5#岩溶发育区）埋深均在40 m以下。

3 岩溶区与加高扩容相互影响分析

根据对库区岩溶发育区的测量，其最小埋深15.0 m，对该岩溶顶板进行强度验算，现状条件下尾矿库库区未出现岩溶塌陷，尾矿库库区基础稳定性较好，考虑到尾矿库后期运行尾砂将增高6.0 m，作用在岩溶发育区的荷载增加，设计在西南角布置排洪系统，需复核尾矿库后期运行时库区岩溶发育区的稳定性。

对岩溶发育区稳定性复核分析选取了2个典型剖面，1#典型剖面计算模型如图5所示，计算所选力学参数由工勘提供，计算中将尾砂、岩溶软弱夹层、围岩这些不同的力学属性的介质视为各向同性的弹塑性连续介质。屈服条件采用摩尔-库仑屈服准则：

式中规定压应力为正；σ1、σ3为第一、第三主应力；c、ϕ分别为矿岩的黏聚力和内摩擦角。

经计算尾矿库后期尾砂堆积加载6 m后，尾矿库库区岩溶发育区位移分布如图6、图7所示。

（1）1#、2#岩溶发育区离尾砂表面较近，尾矿库后期尾砂增高后，两区域竖直向位移为8.8 cm，2区域周围围岩和岩溶发育区内的位移量相当。

（2）3#岩溶发育区竖直向位移量为5.5～8.5 cm，3#岩溶发育区竖直向两侧围岩竖直向位移量4～8 cm，在竖直向位移量呈梯度的减小。

（4）4#岩溶发育区竖直向位移量为6～8.9 cm，4#岩溶发育区两侧围岩竖直向位移量6.0～8.9 cm。

（5）5#岩溶发育区最大竖直向位移发生在岩溶顶部处，约为9.8 cm，岩溶发育区两侧围岩竖直向位移量为7.0～9.0 cm，在竖直向位移量呈梯度的减小。

（6）尾砂堆积后尾砂沉积量约为8.9～10.0 cm，尾砂与岩溶发育区沉降贯通，但在岩溶发育区底部位移量较小，位移沉降没有扩大的趋势，且岩溶发育区周围位移分布比较均匀，对周围岩体影响较小，经计算后期增高尾砂6 m后，尾矿库库区岩溶发育区水平位移不超过1 cm，即影响岩溶发育区稳定性主要是来自于竖直向的位移。

尾矿库后期增高尾砂6 m后，各岩溶发育区位移相对较小，且对周围围岩影响较小，岩溶顶板强度能满足要求，不会出现岩溶塌陷现象，对新建排洪系统影响较小，排水井可布置于库区西南角。

采用瑞典圆弧法对最终尾砂堆积标高条件下，正常工况和洪水工况2种工况尾矿坝的稳定性进行了计算，计算结果如下图8、图9所示。

通过分析尾砂加载作用对底部岩溶区的影响可知，最终堆积标高+304.0 m的尾矿坝在正常工况、洪水工况下的坝体稳定安全系数分别为1.266、1.176，均能满足规范要求，即岩溶区对尾矿库加高扩容工程坝体稳定性的影响在规程、规范要求范围内。

4 岩溶发育区治理

为防止发生渗漏塌陷等安全事故，对已揭露的岩溶漏斗进行封堵，对已查明的岩溶发育区采取防渗处理。

（1）岩溶漏斗封堵。对已探明的岩溶漏斗进行封堵，封堵措施如下：将岩溶漏斗6.0 m以上的覆盖层开挖清除，再继续开挖2.0 m，将揭露出的岩溶管道采用块石填堵，块石粒径为0.5倍孔径，填平后采用灌浆密实，留设DN100钢管通气口至地表，在此基础上采用厚0.5 m钢筋混凝土盖板封堵，盖板周边采用混凝土密实，然后采用块石回填至原底面标高，铺设0.3 m砂砾石、800 g/m2复合土工膜，最后回填0.3 m山体土，以保护土工膜不受破坏。具体封堵措施见图10所示。

（2）岩溶发育区防渗。根据库区存在岩溶特征和岩溶区与加高扩容相互影响分析，继续堆存尾砂对场地的稳定性无影响，为防止尾矿水在此区域发生渗漏，对最终堆积标高+304.0 m的尾砂淹没范围进行防渗处理，对剩余6 m的堆存高度淹没区进行防渗处理，环库长约850 m，平均坡度按1∶2考虑，防渗面积约10 200 m2，施工工序如下：将环库毛石平整，铺设0.3 m砂砾石+800 g/m2复合土工膜，并回填0.3 m山体土，以保护土工膜不受破坏。