白馬鐵礦萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)安全運(yùn)行實(shí)踐

夏祿清 李 林

(攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司設(shè)計(jì)研究院)

白馬鐵礦萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)安全運(yùn)行實(shí)踐

夏祿清 李 林

(攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司設(shè)計(jì)研究院)

攀鋼白馬鐵礦萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了庫(kù)區(qū)古滑坡、排洪隧硐跑渾、壩體滲水無(wú)法有效收集和排出、壩肩支溝放礦堆壩有安全隱患。為此，該礦采用了固坡、放礦及強(qiáng)排滲新技術(shù)，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了處理，并進(jìn)行了尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)，為該尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行提供了條件。

尾礦庫(kù) 安全運(yùn)行 技術(shù)措施

1 尾礦庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行情況

攀鋼白馬鐵礦萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)位于四川省攀枝花市米易縣黃龍鄉(xiāng)境內(nèi)，屬山谷型尾礦庫(kù)，2005年3月建設(shè)，2006年12月投入使用。該尾礦庫(kù)初期壩為透水碾壓堆石壩，初期壩高45 m，后期采用尾礦砂上游式堆筑，設(shè)計(jì)最終壩頂標(biāo)高1 720 m，堆積壩高280 m，尾礦庫(kù)總壩高325 m，總庫(kù)容3.26億m3[1]，是目前國(guó)內(nèi)最高的尾礦庫(kù)，屬一等庫(kù)[2]。

(1)初期壩。初期壩原設(shè)計(jì)下游邊坡為1∶1.75，后考慮到堆積總高度較高，故進(jìn)行了下游坡的設(shè)計(jì)變更，設(shè)有兩級(jí)風(fēng)化石料反壓平臺(tái)，單級(jí)平臺(tái)寬20 m，平臺(tái)標(biāo)高分別為1 426，1 416 m，外邊坡為1∶1.5，初期壩下游壩坡總坡比約1∶2.46。在初期壩上游約150 m處設(shè)置了積滲井和庫(kù)底積滲槽，收集庫(kù)區(qū)地下水，通過(guò)埋設(shè)于初期壩底的導(dǎo)流管排出庫(kù)區(qū)。目前初期壩處于穩(wěn)定狀態(tài)、未出現(xiàn)明顯變形位移和滲漏跡象。

(2)堆積壩。初期壩頂以上采用尾礦砂堆筑上游式子壩，每級(jí)子壩高2.5 m，壩外坡比1∶4，壩內(nèi)坡比1∶2，每?jī)杉?jí)子壩設(shè)一級(jí)子壩平臺(tái)，平臺(tái)寬5 m，平均堆積邊坡比為1∶5。目前，堆積壩已運(yùn)行至第19道子壩，堆積標(biāo)高1 535 m，總壩高140 m，堆積尾礦量約2 800萬(wàn)m3，尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度300～400 m。為防止壩肩山坡面和壩坡面匯水對(duì)壩肩及壩面形成沖刷，各級(jí)馬道坡腳及壩肩位置均設(shè)置了漿砌石排水溝。同時(shí)為防止雨水、滲流沖蝕以及大風(fēng)揚(yáng)塵，在壩面上鋪設(shè)了0.40～0.8 m厚的含碎石黏性土層，并種植了劍麻等植被。目前堆積壩處于穩(wěn)定狀態(tài)、運(yùn)行正常。

(3)排滲設(shè)施。在堆積壩逐漸升高過(guò)程中采用盲溝排滲，每升高10 m在灘面以?xún)?nèi)150 m處鋪設(shè)一道排滲盲溝。盲溝內(nèi)設(shè)5條支溝，每條支溝內(nèi)敷設(shè)φ150 mm軟式透水管、管周充填碎石、碎石充填體外包400 g/m2無(wú)紡布，沿垂直壩軸線方向每隔100 m 鋪設(shè)與軟式濾水管三通或四通相接的DN150排水鋼管，將尾礦滲水排至壩坡水溝內(nèi)。改善了壩體滲流狀態(tài)、降低了壩坡浸潤(rùn)線高度(據(jù)監(jiān)測(cè)，浸潤(rùn)線埋深20～25 m)，對(duì)壩體穩(wěn)定有利。

(4)防洪設(shè)施。尾礦庫(kù)采用隧硐+支硐+豎井+溢水塔方式排洪，排洪主隧硐總長(zhǎng)3 258.26 m，沿程共設(shè)13條支硐、14座溢水塔。隧硐出口設(shè)在距離初期壩腳下游約100 m的南岸山坡，出口處設(shè)有消力池等消能設(shè)施。

尾礦庫(kù)排洪是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)于大型尾礦庫(kù)，在滿(mǎn)足安全運(yùn)行的前提下，可采取分期建設(shè)，既可以縮短建設(shè)周期，也可達(dá)到分散投資的目的，還可保證工程質(zhì)量?；ㄆ谖驳V庫(kù)排洪系統(tǒng)只建至6#溢水塔位置，1#～6#溢水塔直徑均為6 m、為框架式結(jié)構(gòu)，隧硐為城門(mén)硐型、設(shè)計(jì)縱向坡降為1.2%，主硐及支硐凈斷面均為4.8 m×5.2 m。目前6#溢水塔以后的排洪設(shè)施仍在分期建設(shè)中(續(xù)建和待建段隧硐斷面為3 m×3 m)。

(5)監(jiān)測(cè)設(shè)施。尾礦庫(kù)設(shè)有位移、浸潤(rùn)線、干灘坡降及長(zhǎng)度、庫(kù)水位、在線監(jiān)測(cè)、子壩標(biāo)識(shí)樁、(滲水)量水堰等設(shè)施。初期壩壩頂及1 416,1 426 m兩級(jí)壓坡平臺(tái)已設(shè)有位移觀測(cè)樁，庫(kù)內(nèi)設(shè)置有庫(kù)水位觀測(cè)標(biāo)尺，堆積壩1 535 m標(biāo)高以下設(shè)置有位移和浸潤(rùn)線觀測(cè)設(shè)施等，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)的水位、壩體位移及浸潤(rùn)線等；同時(shí)在1 490 m標(biāo)高以下設(shè)置有位移、浸潤(rùn)線在線監(jiān)測(cè)設(shè)施。

尾礦庫(kù)現(xiàn)狀見(jiàn)圖1。

圖1 萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)現(xiàn)狀衛(wèi)星圖片

2 尾礦庫(kù)安全運(yùn)行技術(shù)

目前，萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)已進(jìn)入正式運(yùn)行的第10年。10 a中，采取了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，對(duì)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行了人工調(diào)控，尾礦庫(kù)未出現(xiàn)大的安全問(wèn)題。

2.1 庫(kù)區(qū)古滑坡固坡技術(shù)

萬(wàn)年溝庫(kù)區(qū)掩埋范圍內(nèi)有2處中～淺層土質(zhì)古滑坡，而且在尾礦庫(kù)運(yùn)行初期就開(kāi)始掩埋，若尾礦庫(kù)尾水浸泡古滑體(滑帶力學(xué)指標(biāo)降低)而不采取對(duì)策，古滑坡下滑將造成瞬間沖擊，危及尾礦庫(kù)的安全。為此，在古滑體表面鋪設(shè)了土工布和草墊，使滑坡體遇水不致過(guò)快崩解；另外在古滑體一側(cè)灘面排放尾礦，提前形成干灘，確保了古滑體的穩(wěn)定。目前2處古滑坡已基本被尾礦砂掩埋，未影響尾礦庫(kù)的安全。

2.2 排洪隧硐跑渾治理技術(shù)

2009年2月，尾礦庫(kù)南側(cè)山體中的1#、2#支硐間排洪主隧硐多處硐壁泄水孔突然跑渾、水壓力劇增，且伴有一處底板滲冒尾礦漿。經(jīng)分析后認(rèn)定：尾礦庫(kù)南側(cè)山坡屬節(jié)理裂隙較發(fā)育巖體，在尾礦庫(kù)面逐漸上升的過(guò)程中，尾礦水軟化了節(jié)理裂隙面上的充填物，尾礦庫(kù)靜水壓力也逐漸增高，當(dāng)其累積到一定程度后，直接擊穿并導(dǎo)通了山坡面至該段排洪主隧硐間的節(jié)理裂隙，造成跑渾。之后立即組織施工隊(duì)伍，緊貼尾礦庫(kù)南側(cè)山坡面向庫(kù)水面下擠壓裝滿(mǎn)粉質(zhì)黏土的編織袋，跑渾現(xiàn)象逐步消失、泄水孔水壓力恢復(fù)正常。

2.3 壩坡雙向槽孔管排滲技術(shù)

現(xiàn)階段壩坡排滲采用5條軟式透水管+碎石反濾層組成的盲溝，收集滲水并由排水鋼管導(dǎo)流至壩面。由于壩前干灘坡降較大，排水鋼管的埋設(shè)不僅開(kāi)挖量較大，而且坡降難以有效保證，有時(shí)難免出現(xiàn)坡降不足甚至負(fù)坡降現(xiàn)象，導(dǎo)致第9層盲溝不出水。為此，擬將第10層(1 540 m標(biāo)高)及以上排滲系統(tǒng)改為“雙向槽孔管排滲法”及“反向預(yù)埋排滲設(shè)施”排滲。雙向槽孔排滲管[3]原理簡(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)低、濾水面積大、濾水效果好。

2.4 最終壩肩支溝的提前放礦及強(qiáng)排滲技術(shù)

尾礦庫(kù)現(xiàn)狀堆積壩頂距庫(kù)面北側(cè)止防溝溝口約300 m，隨著堆積壩的上升、壩頂軸線逐漸向上游推進(jìn)(目前壩體上升速度約15 m/a、壩頂向上游水平推進(jìn)速度約75 m/a)，干灘即將越過(guò)止防溝口，止防溝內(nèi)無(wú)法循環(huán)的尾水將越來(lái)越高，溝內(nèi)積水長(zhǎng)期不能排走，尾礦庫(kù)北側(cè)干灘將越來(lái)越短，浸潤(rùn)線將被迫抬高，尾礦固結(jié)非常困難，嚴(yán)重危及壩坡的穩(wěn)定；另外，考慮到將來(lái)尾礦庫(kù)壩體將逐漸推進(jìn)至止防溝內(nèi)，并在溝內(nèi)最終形成高約120 m的壩坡，如現(xiàn)階段大量細(xì)粒級(jí)尾礦在止防溝內(nèi)沉積，導(dǎo)致將來(lái)筑壩難度增大和壩坡的不穩(wěn)定。目前正在著手一階段放礦管線系統(tǒng)施工，盡早啟動(dòng)止防溝尾1 560 m處的溝內(nèi)放礦，達(dá)到止防溝內(nèi)灘面與尾礦庫(kù)堆積壩前灘面同步上升的目的。

止防溝內(nèi)最終堆壩長(zhǎng)度約1 300 m，且堆積壩前緣直接壓覆于山坡面上，而山坡面相對(duì)于尾礦庫(kù)透水堆石壩上游坡面更隔水。為保證將來(lái)溝內(nèi)堆壩體浸潤(rùn)線降低、避免出現(xiàn)堆積壩坡大面積出滲，在止防溝放礦管線系統(tǒng)施工的同時(shí)，提前于止防溝內(nèi)壓覆壩坡腳線以下山坡面適當(dāng)標(biāo)高，布設(shè)并施工了一條長(zhǎng)1 475.7 m的排滲盲溝(見(jiàn)圖2)，確保將來(lái)壩坡的安全運(yùn)行。

圖2 止防溝山坡面提前布設(shè)強(qiáng)排滲盲溝平面(剖面)示意

2.5 尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

為掌握該尾礦庫(kù)潰壩對(duì)下游的淹沒(méi)范圍和影響程度，針對(duì)尾礦庫(kù)工程設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)管理，編制了該尾礦庫(kù)安全與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，特委托清華大學(xué)水木(北京)工程技術(shù)研究院于2014年10月完成了《白馬鐵礦萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)》[4]。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谖驳V庫(kù)和下游溝谷、設(shè)施幾何相似(水平比尺1∶240、垂直比尺1∶180)的同時(shí)，依據(jù)尾礦庫(kù)實(shí)際堆存中尾砂，在不同庫(kù)段的粒度組成、不同堆高的壓實(shí)與固結(jié)度、不同壩段的飽水條件等做到了材料相似，并針對(duì)1 720,1 660,1 600 m 3個(gè)不同堆積壩高的不同壩體部位展開(kāi)潰壩模型試驗(yàn)，獲取了潰壩時(shí)潰口形狀的變化、距壩址不同部位的水位和洪水到達(dá)時(shí)間及尾砂沖刷(坍塌量)、淹埋深度、淹沒(méi)范圍等數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合分析評(píng)判后，最終提出了加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、優(yōu)化管理、分步建設(shè)疏排設(shè)施和人為干預(yù)潰壩等措施與建議。該試驗(yàn)的實(shí)物模型可長(zhǎng)期保留，作為以后尾礦庫(kù)環(huán)保、安全、閉庫(kù)等方面的技術(shù)支撐實(shí)體。

3 結(jié)論與建議

萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)安全運(yùn)行實(shí)踐表明，提高尾礦壩安全性的關(guān)鍵是運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)做好尾礦庫(kù)放礦與筑壩；加強(qiáng)地下水疏排與浸潤(rùn)線控制；實(shí)施尾礦庫(kù)綜合監(jiān)測(cè)與人工調(diào)控；分期完善尾礦庫(kù)防排洪系統(tǒng)；規(guī)范尾礦庫(kù)管理。

為保證萬(wàn)年溝超高尾礦壩的安全運(yùn)行，采用了人工監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)。但在線監(jiān)測(cè)技術(shù)還不完全過(guò)關(guān)，其在線監(jiān)測(cè)傳感器有待改進(jìn)；監(jiān)測(cè)結(jié)果的反分析技術(shù)及其報(bào)警閾值標(biāo)準(zhǔn)尚須盡快研究突破，以滿(mǎn)足尾礦壩安全運(yùn)行的在線監(jiān)測(cè)要求。

[1] 中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司.攀枝花鋼鐵(集團(tuán))公司白馬鐵礦一期工程可行性研究(修編)[R].攀枝花：中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司，2003.

[2] 中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社， 2013.

[3] 延邊華冶排滲工程有限公司.一種尾礦壩的排滲方法及為實(shí)施該方法而使用的排滲管：中國(guó)，ZL200610163203.8[P].2006.

[4] 清華大學(xué)水木(北京)工程技術(shù)研究院.攀枝花鋼鐵(集團(tuán))公司白馬鐵礦萬(wàn)年溝尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)報(bào)告[R].北京：清華大學(xué)水木(北京)工程技術(shù)研究院，2014.

2015-04-15)

夏祿清(1966—)，男，主任，高級(jí)工程師，617063 四川省攀枝花市瓜子坪。