尾砂坝加高工程和加高后安全生产管理措施的研究

 

第 1 章 绪 论

 

1.1 课题背景及研究的目的和意义

地处太行山脉的河北地下资源储备丰硕，此中黑色金属尤为盛[1]。伴随黑色金属的开采，黑色金属企业选别金属后产生的残留物 “废渣”（即尾矿也称尾砂）逐渐增多[2]。尾砂一般以矿浆（液体）的形态流出选厂，当处理不及或方式不合理时，就会污染周边环境和占用大量土地资源，危害水环境，浪费宝贵土地资源。同时，尾砂也是资源的一种也不容许任意抛弃，只是目前回收技术尚不足难以提取其中的价值物。尾矿库便是一个多种构筑物的综合体为妥善应对这些难题而建[3]。尾砂处理分为尾砂湿式处理、脱水干处理和脱水及湿堆存相结合的方式。湿式尾砂处理投入成本较小，管理比较方便，通常矿山企业均采用该方式。一般湿式尾矿库包括：尾砂泵站、尾矿库、尾矿回水泵站和排水系统[4]。尾砂泵站把选厂产生的尾矿浆，经砂泵、流道输入尾矿库，尾矿库多由堤坝围截而成，为尾砂存储的场地，为回收库中的经尾砂沉淀后的清水和库区汇入地表水，修筑有排水系统。排水系统回收的清水和雨水，汇入集水设施，为使矿山企业循环利用一部分回收水，多半情形下设有回水泵站，多余的回水将排往下游河流，如排放的回水里含有害成分或者超过废水排放标准和卫生标准的情况下，则设回水处理构筑物对多余回水进行净化处理后外排[5]。其中尾矿库作为堆存尾砂的场地，堆存了大量尾砂，如不进行妥善处置，极易造成溃坝等安全事故，故尾矿库属于重大危险源，其安全性备受下游居民、各级政府重视。2008年9月8日，发生“9.8日山西襄汾新塔尾矿库特别重大溃坝事故”，尾矿库的坝体稳定性更是引起业界重视[6]。国家也相继出台相关政策文件，要求各级政府对尾矿库加强监管，各尾矿库企业加强风险防范意识，同时也严格控制尾矿库的新建数量[7]。

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1.2 尾砂坝加高现状评述和研究进展

尾矿库通常由初期坝、尾砂坝（也称后期坝）、排水（排洪）系统、排渗系统、安全监测系统和附属建筑物组成。典型构筑物说明示意图见图 1-1[11]。初期坝为整个后期坝的排渗棱体和稳定支撑，为了利于后期尾砂坝缩短渗流时间，加速形成稳定状态，通常为透水堆石坝体，渗透系数较大[12]。尾砂坝由尾砂堆积而成，选厂排出尾砂浆经输送系统进入尾矿库，通过分散排放方式减小尾矿浆流量，通过减缓尾砂坝滩面坡度降低流速等方式，使尾砂浆中的尾砂逐渐沉积在尾砂坝前部，自然形成固水分离。尾砂逐渐聚集，后期坝体逐渐超出初期坝顶形成后期坝[13]。依据规范尾矿库由堆积容积和尾砂坝高分为五个等别[14]。排水回水系统（或称为排洪系统），尾砂浆经沉积分离出来的尾砂水通过一段时间的澄清后，由排水回水系统汇集至下游集水池，统一输送回选厂循环利用。尾矿库库区遭遇降水时，汇入尾矿库的雨水也需要排水回水系统及时排走，以保证后期坝的安全超高和干滩长度，确保尾矿库的安全。排水回水系统通常由钢筋混凝土排水管、排水斜槽、排水井或者排水隧洞组成，尾矿库投入使用前与初期坝同步建造完成[15]。排渗系统，尾砂坝沉积下来的固体尾砂含水量较大，为了及时排干尾砂坝孔隙水需设置排渗设施，排渗设施通常由排渗管或者排渗盲体等透水材料组成，预埋于尾砂体内[16]。安全监测系统，为了掌握整体的运行情况，实时了解库水位、等信息，有必要建设该系统。安全监测设施包括：坝体位移观测设备、坝体内水位观测设备、库水位观测设备、库水位线观测设备等[17]。附属建筑物，为了方便尾矿库管理，需要设置值班房、管理办公室、应急救援物资仓库、照明设施和通信设施等尾矿库附属设施。

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第 2 章 适合实施加高工程的尾砂坝类型研究

 

本章为了能够明了地研究适合实施加高工程的尾砂坝类型，引入河北省秦皇岛市青龙满族自治县红兴矿业有限责任公司尾矿库实例，对该尾矿库现状加高条件进行充分分析，论证该其是否适合实施加高工程，研究适合实施加高工程的尾砂坝类型。

 

2.1 尾矿库现状情况

青龙县红兴矿业有限责任公司尾矿库位于河北省青龙满族自治县八道河乡头道沟村，距青龙县城约 25km，有简易公路通往库区，交通较便利。根据现场踏勘，该尾矿库西、南侧为山体，北侧为宽约为 100m 的碎石平台。东侧紧邻河道，此段河道最窄处 21m，最宽处 72m。红兴铁矿办公场地及选厂均位于山坡上，最低高程高出河岸 5.0m。自该尾矿库南端顺河而下，下游河道南侧 140m~890m 处修建了拦洪坝，拦洪坝顶宽约 1.5m，底宽 4.0m，浆砌石结构，结构完好，高出河道约 3.0m，对下游 560m~1.3km 范围内河道南侧的公厂村起到了防护作用。公厂村地表高程高出河岸约 2m。此段河道最窄处宽约 40m，较宽。下游河道北侧 610m~750m 处也修建了拦洪坝，结构与南侧相同，结构完好，高出河道约 2.0m，对下游 630m~760m 范围内河道北侧的公厂铁矿起到了防护作用。公厂村和公厂铁矿均为建设尾矿库前已有设施，除此外下游 2km 范围内无其他居民、生产和生活设施。该尾矿库所在地下游无重要设施，地质条件单一，尾矿库地下不储备矿产资源；周围无铁路、水库等重要工程。

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2.2 尾砂坝加高条件的分析论证

根据 2.1 节尾矿库的现状情况描述，结合有关资料，对该尾砂坝的库区周边环境、地形和地质条件、坝体稳定性、尾矿库整体安全性和实施加高工程经济合理性进行分析，论证该尾砂坝是否适合实施加高工程。红兴铁矿 2013 年 4 月，委托青龙满族自治县盛源测绘有限公司进行了尾矿库下游 2km 周边环境图测绘[25]。通过走访调查，结合上述测绘图纸进行库区周边环境分析。该尾砂坝西、南侧为山体，北侧为宽约为 100m 的碎石平台。东侧紧邻河道，此段河道最窄处 21m，最宽处 72m。自尾矿库南端顺河而下，下游 560m~1.3km 范围内河道南侧为公厂村；下游 630m~760m 范围内河道北侧为公厂铁矿。公厂村和公厂铁矿均有拦洪坝防护，拦洪坝顶宽约1.5m，底宽4.0m，浆砌石结构，结构完好，且高出河岸至少2.0m，此段河道最窄处也有40m宽，河道较宽。公厂村地表高程高出河岸约 2m。铁矿办公场地及选厂均位于山坡上，最低高程高出河岸 5.0m。此段河道较宽，岸堤较高，尾矿库一旦溃坝，尾砂也能通过河道顺利流走，对公厂村和公厂铁矿影响较小。除此外下游 2km 范围内无其他住户、生活和生产设施。周边环境条件满足《河北省安全生产监督管理局关于明确尾矿库扩建相关政策的通知》的要求。从周边环境来分析，尾砂坝可以实施加高措施。

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第 3 章 尾砂坝加高工程的研究........16

3.1 排土场及现状尾砂坝的治理.........16

3.1.1 排土场治理..........16

3.1.2 现状尾砂坝治理.........16

3.2 加高筑坝工艺设计....17

3.3 库容及服务年限........20

3.4 排洪系统......21

3.5 尾砂坝稳定计算........32

3.5.1 尾砂坝的渗流分析.....32

3.5.2 稳定性分析..........38

3.5 本章小结......42

第 4 章 加高后尾砂坝安全管理措施的研究.........43

4.1 影响加高后尾砂坝安全的因素分析....43

4.2 安全观测设施和附属建筑物.........44

4.3 安全管理制度.....47

4.4 其他安全管理措施....49

4.5 本章小结......49

 

第 4 章 加高后尾砂坝安全管理措施的研究

 

尾砂坝是随着尾砂的排入持续升高的，尾砂筑坝在整个尾砂坝的服务年限内连续发生，因此对尾矿坝采取全面的安全管理措施是非常必要的，这对于实施加高工程的尾砂坝更是尤为重要。安全管理措施的研究可从影响尾砂坝安全的因素着手，分析出关键因素，接着研究相应管理措施，同时保证管理措施能有效落实。这样才能使尾砂坝的加高得以顺利实施。本章节继续引入红兴铁矿尾砂坝进行具体内容研究。

 

4.1 影响加高后尾砂坝安全的因素分析

通过第 3.4 节的研究，可知影响尾矿库防洪能力的因素有：a.排洪系统的完好性。排洪系统是否通畅，能否满足排洪要求，及时排空洪水，都将直接影响尾矿库的防洪能力；b.尾矿库库水位。尾矿库的库水位直接影响调洪库容的大小，汛期如未按设计腾出调洪库容，将会导致洪水位迅速升高，排洪系统压力增大，可能发生洪水漫顶现象；c.干滩长度、安全超高和沉积滩坡度。这三者相互影响，在干滩长度相同情况下，安全超高较小，就意味着沉积滩坡度缓，影响尾矿库的防洪能力；当安全超高相同的情况下，干滩长度短，也意味着沉积滩坡度较陡；在沉积滩坡度相同的情况下，安全超高小，也意味着安全超高小，对尾矿库防洪不利。通过第 3.5 节的研究，可知影响尾砂坝稳定性的因素有[42]：a.库区的工程地质条件。进行加高尾矿坝时，需对工程地质条件进行分析[43]。b.尾砂的性质，尾砂透水性能影响着浸润线的埋深，不同性质的尾砂，凝聚力和摩擦角也不同[44]。c.尾矿坝的外坡比，当堆积坝外坡比小时，容易造成局部失稳。d.浸润线的埋深[45]。可以通过计算实例进行说明。在实例尾砂库总坝高为 36m 情况下，如库水位取规范要求的最小干滩长度 50m对应的库水位，浸润线埋深模拟提升至规范要求最小埋深 4.0m，采用 AutoBank 软件，对尾矿库 1-1 剖面和 3-3 剖面进行模拟计算，其他计算参数不变。计算结果如图4-1。计算表明，此时尾砂坝 1-1 剖面的安全系数降至 1.251，3-3 剖面的安全系数降至 1.296，安全系数减小比较明显，且滑动面毕竟较大，影响程度较广。为此浸润线也被称为尾矿库的“生命线”[46]。

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结 论

 

本文引入青龙满族自治县红兴矿业有限责任公司尾矿库作为实例，通过对该尾砂坝的加高条件论证，加高工程研究和影响加高后尾砂坝安全因素分析，得出了以下结论：

（1）通过研究分析认为适合实施加高工程的尾砂坝类型应具备以下条件：a.周边环境简单；b.库区地形比现有尾砂坝高且有闭合空间，能形成较大库容；c.库区地质条件和水文条件简单，场地应适合工程的实施；d.进行了现状坝体稳定性分析，分析结果认为具备加高可能性；e.进行了安全现状评价，认为能够通过工程措施解决存在的问题；f.加高工程要具备经济性，能为尾矿库延长较多的服务年限。

（2）通过研究认为尾砂坝加高工程需包含以下内容：a.尾砂坝现状问题的处理措施；b.尾砂坝加高筑坝工艺设计；c.排洪系统处理措施；d.复核加高工程实施后，尾砂坝的完全稳定性。

（3）通过分析认为加高尾砂坝安全管理措施应包括以下内容：a.完备的安全观测设施；b.配套附属建筑物齐全；c.建立全面安全管理制度；d.编制应急救援预案，定期组织演练；e.必要的水土保持措施和环境保护措施。

（4）因实例尾砂坝只能代表湿式堆存方法的山谷型尾砂坝，具有一定的代表局限性，分析结果也不能涵盖所有尾砂坝类型。采用其他方式堆存筑坝的尾砂坝类别加高条件的论证分析，还有待进一步的研究。同时，每个尾矿库现场条件均不同，尾砂坝加高工程的实施内容和安全管理措施也相应有所变化，需要结合实际情况对每个尾矿库进行分别对待。

（5）尾砂坝通过加高虽然能暂时缓解矿山企业尾砂无处堆存的困境，可以使现有尾矿库利用率达到最大化，节约土地资源；但是不能从根本上消除尾砂堆存难题。随着科技的进步，尾砂的综合利用将是未来研究的重点，如对尾砂进行再选，制作建筑用砂，回填采坑等。

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参考文献（略）