第 1 章 緒 論

 

1.1 課題背景及研究的目的和意義

地處太行山脈的河北地下資源儲備豐碩，此中黑色金屬尤為盛[1]。伴隨黑色金屬的開采，黑色金屬企業(yè)選別金屬后產(chǎn)生的殘留物 “廢渣”（即尾礦也稱尾砂）逐漸增多[2]。尾砂一般以礦漿（液體）的形態(tài)流出選廠，當(dāng)處理不及或方式不合理時(shí)，就會污染周邊環(huán)境和占用大量土地資源，危害水環(huán)境，浪費(fèi)寶貴土地資源。同時(shí)，尾砂也是資源的一種也不容許任意拋棄，只是目前回收技術(shù)尚不足難以提取其中的價(jià)值物。尾礦庫便是一個(gè)多種構(gòu)筑物的綜合體為妥善應(yīng)對這些難題而建[3]。尾砂處理分為尾砂濕式處理、脫水干處理和脫水及濕堆存相結(jié)合的方式。濕式尾砂處理投入成本較小，管理比較方便，通常礦山企業(yè)均采用該方式。一般濕式尾礦庫包括：尾砂泵站、尾礦庫、尾礦回水泵站和排水系統(tǒng)[4]。尾砂泵站把選廠產(chǎn)生的尾礦漿，經(jīng)砂泵、流道輸入尾礦庫，尾礦庫多由堤壩圍截而成，為尾砂存儲的場地，為回收庫中的經(jīng)尾砂沉淀后的清水和庫區(qū)匯入地表水，修筑有排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)回收的清水和雨水，匯入集水設(shè)施，為使礦山企業(yè)循環(huán)利用一部分回收水，多半情形下設(shè)有回水泵站，多余的回水將排往下游河流，如排放的回水里含有害成分或者超過廢水排放標(biāo)準(zhǔn)和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的情況下，則設(shè)回水處理構(gòu)筑物對多余回水進(jìn)行凈化處理后外排[5]。其中尾礦庫作為堆存尾砂的場地，堆存了大量尾砂，如不進(jìn)行妥善處置，極易造成潰壩等安全事故，故尾礦庫屬于重大危險(xiǎn)源，其安全性備受下游居民、各級政府重視。2008年9月8日，發(fā)生“9.8日山西襄汾新塔尾礦庫特別重大潰壩事故”，尾礦庫的壩體穩(wěn)定性更是引起業(yè)界重視[6]。國家也相繼出臺相關(guān)政策文件，要求各級政府對尾礦庫加強(qiáng)監(jiān)管，各尾礦庫企業(yè)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防范意識，同時(shí)也嚴(yán)格控制尾礦庫的新建數(shù)量[7]。

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1.2 尾砂壩加高現(xiàn)狀評述和研究進(jìn)展

尾礦庫通常由初期壩、尾砂壩（也稱后期壩）、排水（排洪）系統(tǒng)、排滲系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)和附屬建筑物組成。典型構(gòu)筑物說明示意圖見圖 1-1[11]。初期壩為整個(gè)后期壩的排滲棱體和穩(wěn)定支撐，為了利于后期尾砂壩縮短滲流時(shí)間，加速形成穩(wěn)定狀態(tài)，通常為透水堆石壩體，滲透系數(shù)較大[12]。尾砂壩由尾砂堆積而成，選廠排出尾砂漿經(jīng)輸送系統(tǒng)進(jìn)入尾礦庫，通過分散排放方式減小尾礦漿流量，通過減緩尾砂壩灘面坡度降低流速等方式，使尾砂漿中的尾砂逐漸沉積在尾砂壩前部，自然形成固水分離。尾砂逐漸聚集，后期壩體逐漸超出初期壩頂形成后期壩[13]。依據(jù)規(guī)范尾礦庫由堆積容積和尾砂壩高分為五個(gè)等別[14]。排水回水系統(tǒng)（或稱為排洪系統(tǒng)），尾砂漿經(jīng)沉積分離出來的尾砂水通過一段時(shí)間的澄清后，由排水回水系統(tǒng)匯集至下游集水池，統(tǒng)一輸送回選廠循環(huán)利用。尾礦庫庫區(qū)遭遇降水時(shí)，匯入尾礦庫的雨水也需要排水回水系統(tǒng)及時(shí)排走，以保證后期壩的安全超高和干灘長度，確保尾礦庫的安全。排水回水系統(tǒng)通常由鋼筋混凝土排水管、排水斜槽、排水井或者排水隧洞組成，尾礦庫投入使用前與初期壩同步建造完成[15]。排滲系統(tǒng)，尾砂壩沉積下來的固體尾砂含水量較大，為了及時(shí)排干尾砂壩孔隙水需設(shè)置排滲設(shè)施，排滲設(shè)施通常由排滲管或者排滲盲體等透水材料組成，預(yù)埋于尾砂體內(nèi)[16]。安全監(jiān)測系統(tǒng)，為了掌握整體的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)了解庫水位、等信息，有必要建設(shè)該系統(tǒng)。安全監(jiān)測設(shè)施包括：壩體位移觀測設(shè)備、壩體內(nèi)水位觀測設(shè)備、庫水位觀測設(shè)備、庫水位線觀測設(shè)備等[17]。附屬建筑物，為了方便尾礦庫管理，需要設(shè)置值班房、管理辦公室、應(yīng)急救援物資倉庫、照明設(shè)施和通信設(shè)施等尾礦庫附屬設(shè)施。

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第 2 章 適合實(shí)施加高工程的尾砂壩類型研究

 

本章為了能夠明了地研究適合實(shí)施加高工程的尾砂壩類型，引入河北省秦皇島市青龍滿族自治縣紅興礦業(yè)有限責(zé)任公司尾礦庫實(shí)例，對該尾礦庫現(xiàn)狀加高條件進(jìn)行充分分析，論證該其是否適合實(shí)施加高工程，研究適合實(shí)施加高工程的尾砂壩類型。

 

2.1 尾礦庫現(xiàn)狀情況

青龍縣紅興礦業(yè)有限責(zé)任公司尾礦庫位于河北省青龍滿族自治縣八道河鄉(xiāng)頭道溝村，距青龍縣城約 25km，有簡易公路通往庫區(qū)，交通較便利。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，該尾礦庫西、南側(cè)為山體，北側(cè)為寬約為 100m 的碎石平臺。東側(cè)緊鄰河道，此段河道最窄處 21m，最寬處 72m。紅興鐵礦辦公場地及選廠均位于山坡上，最低高程高出河岸 5.0m。自該尾礦庫南端順河而下，下游河道南側(cè) 140m~890m 處修建了攔洪壩，攔洪壩頂寬約 1.5m，底寬 4.0m，漿砌石結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)完好，高出河道約 3.0m，對下游 560m~1.3km 范圍內(nèi)河道南側(cè)的公廠村起到了防護(hù)作用。公廠村地表高程高出河岸約 2m。此段河道最窄處寬約 40m，較寬。下游河道北側(cè) 610m~750m 處也修建了攔洪壩，結(jié)構(gòu)與南側(cè)相同，結(jié)構(gòu)完好，高出河道約 2.0m，對下游 630m~760m 范圍內(nèi)河道北側(cè)的公廠鐵礦起到了防護(hù)作用。公廠村和公廠鐵礦均為建設(shè)尾礦庫前已有設(shè)施，除此外下游 2km 范圍內(nèi)無其他居民、生產(chǎn)和生活設(shè)施。該尾礦庫所在地下游無重要設(shè)施，地質(zhì)條件單一，尾礦庫地下不儲備礦產(chǎn)資源；周圍無鐵路、水庫等重要工程。

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2.2 尾砂壩加高條件的分析論證

根據(jù) 2.1 節(jié)尾礦庫的現(xiàn)狀情況描述，結(jié)合有關(guān)資料，對該尾砂壩的庫區(qū)周邊環(huán)境、地形和地質(zhì)條件、壩體穩(wěn)定性、尾礦庫整體安全性和實(shí)施加高工程經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行分析，論證該尾砂壩是否適合實(shí)施加高工程。紅興鐵礦 2013 年 4 月，委托青龍滿族自治縣盛源測繪有限公司進(jìn)行了尾礦庫下游 2km 周邊環(huán)境圖測繪[25]。通過走訪調(diào)查，結(jié)合上述測繪圖紙進(jìn)行庫區(qū)周邊環(huán)境分析。該尾砂壩西、南側(cè)為山體，北側(cè)為寬約為 100m 的碎石平臺。東側(cè)緊鄰河道，此段河道最窄處 21m，最寬處 72m。自尾礦庫南端順河而下，下游 560m~1.3km 范圍內(nèi)河道南側(cè)為公廠村；下游 630m~760m 范圍內(nèi)河道北側(cè)為公廠鐵礦。公廠村和公廠鐵礦均有攔洪壩防護(hù)，攔洪壩頂寬約1.5m，底寬4.0m，漿砌石結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)完好，且高出河岸至少2.0m，此段河道最窄處也有40m寬，河道較寬。公廠村地表高程高出河岸約 2m。鐵礦辦公場地及選廠均位于山坡上，最低高程高出河岸 5.0m。此段河道較寬，岸堤較高，尾礦庫一旦潰壩，尾砂也能通過河道順利流走，對公廠村和公廠鐵礦影響較小。除此外下游 2km 范圍內(nèi)無其他住戶、生活和生產(chǎn)設(shè)施。周邊環(huán)境條件滿足《河北省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局關(guān)于明確尾礦庫擴(kuò)建相關(guān)政策的通知》的要求。從周邊環(huán)境來分析，尾砂壩可以實(shí)施加高措施。

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第 3 章 尾砂壩加高工程的研究........16

3.1 排土場及現(xiàn)狀尾砂壩的治理.........16

3.1.1 排土場治理..........16

3.1.2 現(xiàn)狀尾砂壩治理.........16

3.2 加高筑壩工藝設(shè)計(jì)....17

3.3 庫容及服務(wù)年限........20

3.4 排洪系統(tǒng)......21

3.5 尾砂壩穩(wěn)定計(jì)算........32

3.5.1 尾砂壩的滲流分析.....32

3.5.2 穩(wěn)定性分析..........38

3.5 本章小結(jié)......42

第 4 章 加高后尾砂壩安全管理措施的研究.........43

4.1 影響加高后尾砂壩安全的因素分析....43

4.2 安全觀測設(shè)施和附屬建筑物.........44

4.3 安全管理制度.....47

4.4 其他安全管理措施....49

4.5 本章小結(jié)......49

 

第 4 章 加高后尾砂壩安全管理措施的研究

 

尾砂壩是隨著尾砂的排入持續(xù)升高的，尾砂筑壩在整個(gè)尾砂壩的服務(wù)年限內(nèi)連續(xù)發(fā)生，因此對尾礦壩采取全面的安全管理措施是非常必要的，這對于實(shí)施加高工程的尾砂壩更是尤為重要。安全管理措施的研究可從影響尾砂壩安全的因素著手，分析出關(guān)鍵因素，接著研究相應(yīng)管理措施，同時(shí)保證管理措施能有效落實(shí)。這樣才能使尾砂壩的加高得以順利實(shí)施。本章節(jié)繼續(xù)引入紅興鐵礦尾砂壩進(jìn)行具體內(nèi)容研究。

 

4.1 影響加高后尾砂壩安全的因素分析

通過第 3.4 節(jié)的研究，可知影響尾礦庫防洪能力的因素有：a.排洪系統(tǒng)的完好性。排洪系統(tǒng)是否通暢，能否滿足排洪要求，及時(shí)排空洪水，都將直接影響尾礦庫的防洪能力；b.尾礦庫庫水位。尾礦庫的庫水位直接影響調(diào)洪庫容的大小，汛期如未按設(shè)計(jì)騰出調(diào)洪庫容，將會導(dǎo)致洪水位迅速升高，排洪系統(tǒng)壓力增大，可能發(fā)生洪水漫頂現(xiàn)象；c.干灘長度、安全超高和沉積灘坡度。這三者相互影響，在干灘長度相同情況下，安全超高較小，就意味著沉積灘坡度緩，影響尾礦庫的防洪能力；當(dāng)安全超高相同的情況下，干灘長度短，也意味著沉積灘坡度較陡；在沉積灘坡度相同的情況下，安全超高小，也意味著安全超高小，對尾礦庫防洪不利。通過第 3.5 節(jié)的研究，可知影響尾砂壩穩(wěn)定性的因素有[42]：a.庫區(qū)的工程地質(zhì)條件。進(jìn)行加高尾礦壩時(shí)，需對工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析[43]。b.尾砂的性質(zhì)，尾砂透水性能影響著浸潤線的埋深，不同性質(zhì)的尾砂，凝聚力和摩擦角也不同[44]。c.尾礦壩的外坡比，當(dāng)堆積壩外坡比小時(shí)，容易造成局部失穩(wěn)。d.浸潤線的埋深[45]?？梢酝ㄟ^計(jì)算實(shí)例進(jìn)行說明。在實(shí)例尾砂庫總壩高為 36m 情況下，如庫水位取規(guī)范要求的最小干灘長度 50m對應(yīng)的庫水位，浸潤線埋深模擬提升至規(guī)范要求最小埋深 4.0m，采用 AutoBank 軟件，對尾礦庫 1-1 剖面和 3-3 剖面進(jìn)行模擬計(jì)算，其他計(jì)算參數(shù)不變。計(jì)算結(jié)果如圖4-1。計(jì)算表明，此時(shí)尾砂壩 1-1 剖面的安全系數(shù)降至 1.251，3-3 剖面的安全系數(shù)降至 1.296，安全系數(shù)減小比較明顯，且滑動(dòng)面畢竟較大，影響程度較廣。為此浸潤線也被稱為尾礦庫的“生命線”[46]。

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結(jié) 論

 

本文引入青龍滿族自治縣紅興礦業(yè)有限責(zé)任公司尾礦庫作為實(shí)例，通過對該尾砂壩的加高條件論證，加高工程研究和影響加高后尾砂壩安全因素分析，得出了以下結(jié)論：

（1）通過研究分析認(rèn)為適合實(shí)施加高工程的尾砂壩類型應(yīng)具備以下條件：a.周邊環(huán)境簡單；b.庫區(qū)地形比現(xiàn)有尾砂壩高且有閉合空間，能形成較大庫容；c.庫區(qū)地質(zhì)條件和水文條件簡單，場地應(yīng)適合工程的實(shí)施；d.進(jìn)行了現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果認(rèn)為具備加高可能性；e.進(jìn)行了安全現(xiàn)狀評價(jià)，認(rèn)為能夠通過工程措施解決存在的問題；f.加高工程要具備經(jīng)濟(jì)性，能為尾礦庫延長較多的服務(wù)年限。

（2）通過研究認(rèn)為尾砂壩加高工程需包含以下內(nèi)容：a.尾砂壩現(xiàn)狀問題的處理措施；b.尾砂壩加高筑壩工藝設(shè)計(jì)；c.排洪系統(tǒng)處理措施；d.復(fù)核加高工程實(shí)施后，尾砂壩的完全穩(wěn)定性。

（3）通過分析認(rèn)為加高尾砂壩安全管理措施應(yīng)包括以下內(nèi)容：a.完備的安全觀測設(shè)施；b.配套附屬建筑物齊全；c.建立全面安全管理制度；d.編制應(yīng)急救援預(yù)案，定期組織演練；e.必要的水土保持措施和環(huán)境保護(hù)措施。

（4）因?qū)嵗采皦沃荒艽頋袷蕉汛娣椒ǖ纳焦刃臀采皦危哂幸欢ǖ拇砭窒扌?，分析結(jié)果也不能涵蓋所有尾砂壩類型。采用其他方式堆存筑壩的尾砂壩類別加高條件的論證分析，還有待進(jìn)一步的研究。同時(shí)，每個(gè)尾礦庫現(xiàn)場條件均不同，尾砂壩加高工程的實(shí)施內(nèi)容和安全管理措施也相應(yīng)有所變化，需要結(jié)合實(shí)際情況對每個(gè)尾礦庫進(jìn)行分別對待。

（5）尾砂壩通過加高雖然能暫時(shí)緩解礦山企業(yè)尾砂無處堆存的困境，可以使現(xiàn)有尾礦庫利用率達(dá)到最大化，節(jié)約土地資源；但是不能從根本上消除尾砂堆存難題。隨著科技的進(jìn)步，尾砂的綜合利用將是未來研究的重點(diǎn)，如對尾砂進(jìn)行再選，制作建筑用砂，回填采坑等。

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參考文獻(xiàn)（略）