吴坑里尾矿库加高扩容工程安全性研究

朱远乐

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

尾矿库作为矿山工程采、选、尾3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2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，可节省一定工程费用，同时施工工期较短，有利于企业可持续地安全生产［2-4］。

随着经济的发展，目前大多数尾矿库由于周边环境复杂、服役期长、自身先天设计不足等原因，严重制约了尾矿库加高扩容工程的建设，因此在尾矿库加高扩容工程中，对尾矿库的安全性分析显得尤为必要。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，吕志涛［7］等以綦江铁矿尾矿库为例，分析其加高扩容和浸润线的抬升对坝体安全性的影响。本研究以某金矿所属尾矿库为例，分析尾矿库加高扩容工程对库区底部巷道的影响，为尾矿库的加高扩容设计及尾矿库今后的正常运行提供对策措施。

1 尾矿库设计及现状概况

吴坑里尾矿库为湖南某金矿所属尾矿库，尾矿库设计最终堆积标高为+560.0 m，设计总坝高100.0 m，设计总库容238.48万m3，设计为三等库。初期坝为碾压式透水堆石坝，坝顶高程+500.0 m，设计坝高40 m，坝轴线长84 m，坝顶宽4 m，上下游边坡坡比为1∶2.0。后期采用粗尾砂筑子坝，设计堆积坝平均堆积坡比为1∶4.0。设计防洪系统采用库内排水井—排水支洞、库外野居坑沟拦洪坝—排水井—隧水支洞的型式进行联合防洪。

经多年运行已服务至后期，目前尾矿库运行至标高+551.2 m，尾砂堆坝高度为51.20 m，尾矿库总坝高为91.20 m，库容76.5万m3，尾矿库为三等库。在堆积坝坝坡面设置了34级马道，马道宽2.0～3.5 m，每级马道高差约1.3 m，堆积坝外坡面已采用山皮土覆盖及植草保护，堆积坝外坡每5.0 m高差布置有排渗管。尾矿库纵向长约400 m，据实测，沉积滩坡度约为1.3%，水面以下沉积滩坡度极小，尾矿库采用坝前均匀式放矿。现库内使用的是6#排水井，7#排水井已施工完毕。各排水井均通过排水支隧洞与主隧洞相接，排水井及其支洞特征如表1所示。

库外左冲沟排洪系统为拦洪坝—8#排水井—排水隧洞组成；库外右冲沟排洪系统为拦洪坝—9#排水井—排水隧洞组成；库外野居坑排洪系统为拦洪坝—排水隧洞，该排水隧洞与排水主隧洞相接，排水支洞进口为圆拱直墙，宽3.0 m，直墙高1.0 m，拱高1.0 m，往里3.5 m后陡然变陡，进口段坡度大约为45°排水支洞长256.1 m，平均坡度为24°。

2 尾矿库加高扩容概况

吴坑里尾矿库已服务至后期，为满足矿山发展和尾矿库安全运行，需进行上游法加高扩容设计。经加高扩容后，尾矿库加高至+570.0 m标高后，总坝高110.0 m，总库容286.6万m3。根据规范，尾矿库仍属三等库。

+560.0 m标高以下仍按原设计进行尾砂堆坝，+560.0～+570.0 m标高继续采用上游法尾砂筑坝，尾砂堆积坝平均堆积边坡不得陡于1∶4.0。排矿前在滩顶修建尾砂子坝，子坝高1.0 m，顶宽1.5 m，上游边坡1∶1.0，下游边坡1∶2.0。

排洪系统：将主隧洞断面扩大至b×h=4.8 m×4.8 m；另将主隧洞进行挂网喷混凝土支护，以降低其糙率，提高隧洞过流量。主隧洞混凝土衬砌厚度为100 mm。喷混凝土支护后其最小断面b×h=4.6 m×4.6 m。

+560.0～+570.0 m标高堆积坝排渗层采取土工席垫的排渗方式，从堆积坝+560.0 m标高起，在库内埋设土工席垫排渗。

土工席垫排渗结构由集渗层和排水管组成。在距离滩顶100 m位置平行于滩顶埋设土工席垫排渗层，每隔5 m布设1层。集渗层采用厚度为10 mm的土工席垫，平行于堆积坝滩顶布置。集渗层具体结构：土工布（400 g/m2）－土工席垫（厚10 mm）－土工布（400 g/m2）。最终通过2根DN100 mm的PVC管引至堆积坝排水沟［8-9］。

3 加高方案合理性与坝体稳定性分析

吴坑里尾矿库原设计尾砂最终堆积标高+560.0 m，远景规划使用至+580.0 m标高。尾矿库所在冲沟地形呈手掌形，两侧山坡标高位于+551.0～+665.0 m，该尾矿库尚有加高扩容余地。结合吴坑里尾矿库实际情况，提出加高至+570.0 m和+580.0 m标高2个加高方案。

（1）加高至+570.0 m标高扩容方案。从原设计最终尾砂堆积标高+560.0 m加高至+570.0 m，尾砂堆积平均边坡为1∶4，该方案加高高度为10 m。此时尾矿库库长距离仅350 m，扣除安全超高、防洪高度后其尾矿水澄清距离仅50 m左右，基本满足尾矿水澄清要求。吴坑里尾矿库加高至+570.0 m时，总坝高110.0 m，总库容286.6万m3，属三等库。加高（+560.0～+570.0 m标高）可新增总库容约为61.56万m3，有效库容为49.25万m3，可为选厂继续服务2.75 a。

（2）加高至+580.0 m标高扩容方案。从原设计最终尾砂堆积标高+560.0 m加高至+580.0 m，尾砂堆积平均边坡为1∶4.0，该方案加高高度为20 m。此时尾矿库库长距离仅310 m，扣除安全超高、防洪高度后其尾矿水澄清距离仅10 m左右，难以满足尾矿水澄清要求。吴坑里尾矿库加高至+580.0 m时，总坝高120.0 m，总库容361.92万m3，属三等库。本次加高（+560.0～+580.0 m标高）可新增总库容约为136.88万m3，有效库容为109.50万m3，可为选厂继续服务6.1 a。

尾矿库加高至+570.0 m标高和加高至+580.0 m标高费用均比较低，堆存单位尾砂费用比新建尾矿库费用低，加高扩容后均属三等库。该尾矿库加高至+570.0 m标高时，总坝高已达110.0 m，属高坝，尾矿水澄清距离基本满足要求；尾矿库加高至+580.0 m时，尾矿库总坝高将达120.0 m，尾矿库澄清距离难以满足要求，环保压力较大。该尾矿库加高至+570.0 m标高时，湖南新龙矿业有限责任公司新尾矿库可建成投入运行，可满足生产接替要求。评价从安全、环保及矿方对服务年限要求方面考虑，认为可研推荐的加高至+570.0 m标高尾矿坝加高方案合理。

对加高至最终堆积标高+570.0 m时的尾矿坝稳定性进行计算，最终堆积标高+570.0 m时坝体稳定性计算模型简图如图1所示，计算结果如图2所示。

经分析加高至最终堆积标高+570.0 m时正常工况、洪水工况和特殊工况下的坝体稳定性均能满足规程规范要求。

坝址安全性分析。尾矿坝坝址范围及周边无不良地质构造，场地是稳定的，尾矿坝堆积坝下段采取了有效降排渗和加固措施后，坝体浸润线降低，且随固结时间增长尾矿固结程度较高，坝体变形位移量较小，尾矿坝坝址安全能够满足设计、标准的要求，具备继续加高堆积的条件。

尾矿库尾砂-200目占63.5%，有足够的粗尾砂用来筑坝，同时增加了有效堆存库容。经计算，采取尾砂筑坝的方式所形成的尾矿坝坝体渗流稳定、抗滑稳定均满足要求，坝型、坝体结构选择合理。

4 尾矿库加高扩容防洪安全性分析

尾矿库总坝高110.0 m，总库容286.6万m3，为三等库，按500 a一遇（P=0.2%）洪水设防。

主洪峰流量Qm、汇流时间τ采用以下式进行计算：

式中，F为江水面积，km2；L为流域长度，km；m为汇流参数；Rt为时段流深，mm；t为时间，h；j为流域坡降。

对尾矿库洪水进行分区计算，将整个尾矿库库区分为左侧冲沟区、右侧冲沟区、野居坑区、库内4个区域，其中前3个统称为库外区。尾矿库库区4个区域内的水文计算结果见表2所示。

4.1 库内防洪安全分析

尾矿库平均沉积滩坡度按1.0%考虑，尾矿库运行至本次加高扩容设计的最终标高+570.0 m（防洪高度取2.5 m）时调洪库容曲线如图3所示。

4.2 左侧冲沟防洪安全分析

对库内防洪系统进行调洪演算，调洪演算结果见表3所示。尾矿库终期安全超高和干滩长度均满足规范要求，库内防洪系统防洪安全满足规程、规范的要求。

对库外左侧冲沟进行防洪安全分析，其竖井泄流能力按照环形溢流堰考虑，库尾拦洪坝前竖井泄流能力按堰流公式进行计算，即

式中，m为流量系数；R为堰顶半径，m；H0为堰上水头m。

最低进水口标高为+574.05 m，拦洪坝坝顶标高+577.89 m，拦洪坝顶与最低进水口高差为3.84 m，扣除安全超高0.81 m，防洪高度3.03 m。

左冲沟排洪系统调洪水深3.03 m时最大泄流量为102.42 m3/s，大于设计频率最大洪峰流量99.70 m3/s，当发生设计频率洪水最大洪峰流量99.70 m3/s时，拦洪坝前水深为2.96 m，拦洪坝安全超高为0.88 m，大于相关规程规范防洪要求。

对左侧冲沟排水隧洞的泄流能力进行复核，左侧冲沟排水隧洞的泄流能力按照压力流计算如下。

式中，Q为下泄流量，m3/s；ω为隧洞出口处的断面面积，ω取8.03 m2；H为上游水面至隧洞出口底板的高程差，m；h为隧洞出口处的洞高，h取3.0 m。

当竖井内水位标高为+569.39 m（竖井进水口标高+574.05 m）时，左侧支沟排水隧洞泄流量达到99.70 m3/s，能够及时排出洪水。

4.3 右侧冲沟防洪安全分析

对右侧冲沟进行防洪安全分析，其竖井泄流能力按照环形溢流堰考虑，最低进水口标高为+571.44 m。拦洪坝坝顶标高+578.12 m，拦洪坝顶与最低进水口高差为6.68 m，扣除安全超高0.805 m，防洪高度5.875 m。

不考虑右侧冲沟的调蓄能力，设计按排水系统最大泄流能力大于设计洪峰流量考虑。右侧支沟洪峰流量为19.40 m3/s，竖井部位最大进水水头为1.05 m。

挡水坝前超高为6.68-1.05-0.805=4.825 m，因此右侧冲沟排洪系统的防洪能力可以满足相关规程规范防洪要求。

对右侧冲沟内排水隧洞的泄流能力进行复核，右侧冲沟排水隧洞的泄流能力按明渠均匀流计算如下。

式中，Q为下泄流量，m3/s；A为过流断面面积，m2；C为谢才系数；R为水力半径，m；I为隧洞坡度，%；N为糙率，取0.033。

当排出最大洪峰流量Q=19.40 m3/s时，排水支洞内的水深为1.10 m，小于隧洞的断面尺寸，故右侧支沟排水隧洞的泄流能力能够满足要求。

4.4 野居坑冲沟防洪安全分析

对野居坑冲沟进行防洪安全分析，泄流能力按照明口隧洞考虑，最低进水口标高为+593.58 m拦洪坝坝顶标高为+600.76 m，拦洪坝顶与最低进水口高差为7.18 m，扣除安全超高0.795 m，防洪高度6.38 m。

不考虑野居坑支沟的调蓄能力，按排水系统最大泄流能力大于设计洪峰流量考虑。野居坑支沟洪峰流量为19.26 m3/s，隧洞内水深h=1.21 m，小于隧洞的断面尺寸，拦洪坝安全超高为5.97，满足相关规程规范的防洪要求。野居坑支沟内的拦洪坝和排水隧洞均满足防洪要求。

4.5 主隧洞方案比选与防洪安全分析

隧洞处理采用3种方案进行比较，分别为方案一（扩大隧洞断面）、方案二（钢筋混凝土衬砌）、方案三（扩大隧洞断面+喷混凝土衬砌）。

方案一：将主隧洞断面扩大至b×h=5.5 m×5.5 m，隧洞扩大时需采用光面爆破，尽量降低隧洞糙率。扩大段为7#井支洞与主隧洞相接处起至隧洞出口衬砌段。

方案二：将主隧洞局部断面较小处扩大至b×h=4.2 m×4.2 m；另将主隧洞进行钢筋混凝土衬砌，以降低其糙率，提高隧洞过流量。主隧洞钢筋混凝土衬砌厚度为200 mm。其中7#井支洞与主隧洞相接处起至野居坑支洞与主隧洞相接处，此段混凝土支护后其最小断面b×h=3.9 m×3.9 m；野居坑支洞与主隧洞相接处至隧洞出口段，此段混凝土支护后其最小断面b×h=3.8 m×3.8 m。

方案三：将主隧洞断面扩大至b×h=4.8 m×4.8 m；另将主隧洞进行挂网喷混凝土支护，以降低其糙率，提高隧洞过流量。主隧洞喷混凝土衬砌厚度为100 mm。喷混凝土支护后其最小断面b×h=4.6 m×4.6 m。扩邦喷混凝土段范围为7#井支洞与主隧洞相接处起至隧洞出口段。

对比分析给出的3种隧洞治理方案：方案二工程施工难度大、工期长、投资高，方案一和方案三均施工简单、投资低，但方案三扩邦方量少，且隧洞采用喷混凝土支护，安全性比方案一好，认为采用方案三“扩大隧洞断面+喷混凝土衬砌”方案合理。

按照明渠均匀流计算主排水隧洞的过流能力，喷混凝土衬砌段糙率取0.022，钢筋混凝土衬砌段取0.015。主隧洞泄流量设计按各冲沟和库内最大泄流量叠加考虑。主隧洞泄流量计算如表4所示。

主隧洞泄流量设计按各冲沟和库内最大泄流量叠加考虑，主隧洞未衬砌段最小断面尺寸b×h=4.8 m×4.8 m；钢筋混凝土衬砌段断面尺寸为b×h=4.6 m×4.6 m。（未衬砌段和衬砌段过流能力复核时，其过流断面面积取不大于85%全断面面积和净空高度不小于0.4 m时的过流断面面积），主隧洞过流能力复核如表5所示。

从上述计算可知主隧洞衬砌段与未衬砌段的泄流能力均可满足相关规程规范防洪要求。

5 结论

（1）通过对尾矿库加高扩容方案的对比分析，选用的尾矿坝加高方案合理，尾矿坝坝址安全能够满足设计、标准的要求，具备继续加高堆积的条件。

（2）采取尾砂筑坝的方式所形成的尾矿坝坝体渗流稳定、抗滑稳定均满足要求，坝型、坝体结构选择合理。

（3）采用的排洪方式、排洪构筑物结构型式及排水设施布置位置等符合相关规程、规范要求，采用的的主排洪隧洞方案合理，主排洪隧洞的防洪安全满足要求。

（4）库内防洪系统运行至最终标高的干滩长度和安全超高均满足规程的要求，防洪安全满足要求，库外各支沟的防洪泄流能力均能够满足500 a一遇洪水的要求。