符山鐵礦尾礦庫下游排土的安全影響分析及對策

李林生 郝進喜 孫天學

(1.五礦邯邢礦業有限公司符山鐵礦;2.五礦邯邢礦業有限公司)

尾礦庫是一個具有高勢能的重大危險源，近年來，隨著我國礦業開發步伐的加快，尾礦庫安全事故頻發，給人民的生命財產帶來了巨大損失，尾礦庫的安全狀況也越來越受到業內人士的關注。符山鐵礦床的成因類型為矽卡巖型磁鐵礦床，經過了30余a的正常開采，礦山資源已接近枯竭。為最大限度地利用礦石資源，延長礦山服務年限［1］，目前礦山主要進行殘礦回收［2］。為此，對井下開采時的大量礦渣進行了回收，堆存在尾礦庫下游區域，在尾礦庫下游形成了一個新的排土場，對原尾礦庫的邊坡穩定、防洪和回水造成一定的威脅。為確保該尾礦庫的安全穩定運行，采用瑞典圓弧法和總應力法，分析了該排土場對尾礦庫邊坡穩定、防洪和回水的影響，并提出了相應的防治對策，以消除新排土場對尾礦庫的不利因素。

1 尾礦庫現狀

符山鐵礦黑鐵峧尾礦庫位于河北省涉縣境內，該尾礦庫由華北冶金礦山建設公司設計研究院設計［3］，尾礦庫總壩高97.5 m，總庫容500 萬 m3，服務年限15 a。初期壩為堆石壩，壩底標高737.5 m，壩頂標高776.0 m，最大壩高38.5 m，頂寬5.0 m，外坡比為1∶1.5，內坡比1∶2。期間進行了2次增容設計，最終堆積標高855.0 m，總壩高為117.5 m。

現堆積壩壩頂標高 853.7 m，灘頂標高851.7 m，堆積壩平均外坡比約1∶4.0。尾礦壩壩面無滲流、沼澤化，無浸潤線出逸跡象。

采用庫尾原廢棄溜井為庫區排洪，井徑2.0 m，溜井前設漿砌石過水通道，底標高為844.0 m，標高846.0 m以下為直墻，以上為護坡，護坡坡比1∶0.2。通道中設2.0 m寬溢流擋板，過水寬度1.5 m。非汛期溢流擋板隨庫內水位升高而加高，保存庫內澄清水作回水用，汛期打開溢流擋板排洪。

2 排土場的形成及規劃

排土場位于尾礦庫下游，坡腳已經達到尾礦庫蓄水池標高。排土前蓄水池下游修建了回水管，為預制混凝土管，目前該回水管已被壓壞，尾礦回水直接從排土場底部流出?，F排土場為單臺階排土，排土場頂標高約753.0 m，最大堆置高度27 m，自然安息角約35°。

為了滿足排土要求，計劃將排土場向尾礦庫一側和東南側推進排土，頂標高約753.0 m，排土后將尾礦庫初期壩部分邊坡、蓄水池掩埋覆蓋。

3 排土對尾礦庫的影響計算分析

3.1 排土對尾礦庫邊坡穩定的影響分析

根據排土規劃，最終排土外邊界將初期壩部分壩體覆蓋，尾礦庫壩體的穩定性將發生變化，需重新復核壩體的穩定性。

3.1.1 尾礦庫的等別及工程地質條件

根據國家相關規范規定，黑鐵峧尾礦庫等別為三等，按規范要求，正常運行、洪水運行和特殊狀態下壩坡抗滑穩定最小安全系數分別為1.20、1.10和1.05。

3.1.2 計算方法

采用瑞典圓弧法和總應力法，計算尾礦庫的安全性，計算過程采用AutoBank6.1軟件。

選取尾礦庫最終排土標高753.0 m，根據《符山鐵礦黑鐵峧尾礦庫巖土工程勘察報告》，對堆積壩進行尾砂分層，計算簡圖見圖1。尾礦砂密實度按有關規程的規定進行評定［4-5］，描述如下:①尾粗砂，灰綠色，稍濕，松散孔表層;②尾中砂，褐黃—灰綠色，稍濕—濕，稍密—中密，局部在表層孔深6.5 m范圍內松散，局部含植物根系，該層分布廣泛;③尾細砂，灰綠色，稍濕—濕，稍密—中密，局部在表層孔深2.5 m范圍內松散，該層分布廣泛;④尾粉土，灰綠色，稍濕—濕，中密—密實，該層分布廣泛;⑤尾粉質黏土，灰色，一般可塑—硬塑，局部軟塑，廣泛分布在下部，部分分布在中部;⑥尾黏土，灰綠色，可塑，為單孔揭露;⑦雜填土，雜色，結構松散，主要成分為碎石及黏土，為單孔揭露。

圖1 邊坡穩定計算簡圖

3.1.3 計算條件

排土標高753.0 m;初期壩外壩腳標高737.5 m;壩頂標高853.7 m。

3.1.4 計算指標

尾礦材料以及地基的物理力學指標參考行業相關規范和類似工程經驗選取，見表1。

表1 尾礦材料物理力學指標

3.1.5 浸潤線

根據AutoBank6.1軟件計算浸潤線，結果見圖2、圖3。

圖2 正常運行滲流計算結果示意

圖3 洪水運行滲流計算結果示意

3.1.6 穩定性分析結果

黑鐵峧尾礦庫壩體填土標高在753.0 m時，正常運行、洪水運行和特殊工況下運行的抗滑穩定計算結果見表2，穩定計算結果見圖4、圖5和圖6。

表2 穩定分析計算結果

圖4 正常運行穩定計算結果示意

圖5 洪水運行穩定計算結果示意

圖6 特殊運行穩定計算結果示意

計算結果表明，尾礦庫下游排土后，在正常、洪水和特殊運行工況下，壩體抗滑穩定安全系數均能滿足規范規定的要求。

3.2 排土對尾礦庫防洪和回水的影響

該尾礦庫的排洪口位于初期壩北側的支溝內，標高約757 m，高于排土場的頂標高753.0 m，排土不會對尾礦庫的排洪產生不利影響。但是排土場位于排洪下游，尾礦庫排洪會沖刷排土場，對排土場的穩定性產生不利影響，需將洪水引到排土場下游。

目前符山鐵礦自行修建的回水管已被廢石壓壞，尾礦回水直接從排土場底部流出，沖刷排土場基礎，對排土場的穩定性產生不利影響，需新建回水系統。

繼續排土會將初期壩兩側部分壩肩排水溝和集水池掩埋，壩體坡面匯水會沖刷排土場，需在排土場與初期壩的交接部位設置排水溝。

4 防治對策

(1)如果尾礦庫下游排土細顆粒較多，會影響尾礦庫的滲透性，勢必會抬升浸潤線埋深，對尾礦壩的邊坡穩定產生不利影響。建議尾礦壩下游排土材料小于2 cm的顆粒含量不大于10%，以保證排土體的滲透性。

(2)為了防止洪水沖刷排土場，在排洪系統出口修建排洪溝，將洪水引至排土場下游。根據現場地形，建議排洪溝修建在排土場西側，排洪溝凈斷面尺寸1.2 m×1.5 m，漿砌石側壁和底板厚均為0.5 m，漿砌石水泥砂漿強度等級M7.5。

(3)為了防止回水沖刷排土場基礎，在集水池處向下游重新鋪設回水管，建議采用高分子管，直徑0.5 m，與庫內回水系統直接連接。

(4)為了防止壩體坡面匯水沖刷排土場，建議在排土場與初期壩的交接部位設置排水溝，將壩面匯水通過新設置的排水溝導向排土場下游。

5 結語

黑鐵峧尾礦庫的等級類別為三等，該尾礦庫的下游由于長期堆存礦渣，形成了新的排土場，為掌握其對尾礦庫壩體穩定性、防洪和回水的影響，采用瑞典圓弧法和總應力法進行了計算。結果表明，在正常、洪水和特殊工況下，壩體抗滑穩定安全系數均能滿足規范規定的要求，對尾礦庫的防洪和回水不會產生不利影響。為減小尾礦庫下游排土對尾礦庫的影響，提出了相應的防治對策，可以完全消除排土對尾礦庫下游的不利影響。

［1］ 李林生，郝進喜，孫天學.符山鐵礦覆蓋層散體中超貧礦石回收利用研究［J］.現代礦業，2014(10):6-9.

［2］ 范才兵.符山鐵礦殘礦回收的實踐與前景［J］.金屬礦山，2005(9):227-230.

［3］ 褚軍凱，霍俊發，張碧蹤.符山鐵礦民采空區治理技術研究［J］.金屬礦山，2011(5):12-17.

［4］ 王建松，楊 龍，等.符山鐵礦黑鐵峧尾礦庫巖土工程勘察報告［R］.邯鄲:五礦邯邢礦業邯鄲地質勘查有限公司，2009.

［5］ 國家安全生產監督管理總局.AQ 2006—2005 尾礦庫安全技術規程［S］.北京:煤炭工業出版社，2006.