岩溶地区排泥库选址的探讨与实践

何同庆

(长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南 长沙 410011)

0 引言

堆积型铝土矿是桂西北岩溶地区储量丰富的优质矿产资源,这些矿产资源的合法有序开采、提炼,为桂西北地区经济快速发展,做出了难以估量的巨大贡献。

数十年的实践表明,堆积型铝土矿选用的露天机采、集中选洗、尾矿集中储存,仍是最安全、最环保的生产工艺。尾矿的安全储存,历来是影响矿山安全生产的一个重要因素。而尾矿库合理选址,是保障尾矿库安全运行的前提条件。该文就岩溶地区堆积型铝土矿湿式尾矿库(亦称排泥库) 的合理选址要点,尝试做些分析与探讨。

1 现行标准规范要求

1.1 《尾矿库安全规程》 (GB 39496—2020) 明确规定

1.1.1 尾矿库不应设在下列地区

(1) 国家法律、法规规定禁止建设尾矿库的区域;

(2) 尾矿库失事将使下游重要城镇、工矿企业、铁路干线或高速公路等遭受严重威胁区域。

1.1.2 尾矿库库址选择

应根据汇水面积、工程地质及水文地质、库长、库区周边环境等因素,经多方案技术经济比较综合确定,并应符合下列要求：

(1) 汇水面积小,并有足够的库容;

(2) 避开不良地质现象严重区域;

(3) 上游式湿排尾矿库应有足够的初、终期库长;

(4) 上游式尾矿库库底平均纵坡不得陡于20 %。

1.2 《尾矿设施设计规范》 (GB 50863—2013) 规定

1.2.1 尾矿库不应设在下列地区

(1) 风景名胜区、自然保护区、饮用水源保护区;

(2) 国家法律禁止的矿产开采区域。

1.2.2 尾矿库选址应经多方案技术经济比较综合确定,并应符合下列要求

(1) 不宜位于大型工矿企业、大型水源地、重要铁路和公路、水产基地和大型居民区上游;

(2) 不宜位于居民集中区主导风向的上风侧;

(3) 应不占或少占农田,并应不迁或少迁居民;

(4) 不宜位于有开采价值的矿床上面;

(5) 汇水面积小,并应有足够的库容;

(6) 上游式湿排尾矿库应有足够的初、终期库长;

(7) 筑坝工程量应小,生产管理方便;

(8) 应避开地质构造复杂、不良地质现象严重区域;

(9) 尾矿输送距离应短,宜能自流或扬程小。

岩溶地区排泥库的选址,除满足上述标准规范要求外,还应充分考虑地区岩溶的复杂程度、区域地下水系对库址周边环境的影响。

2 岩溶地区建库难点与不利因素

2.1 建库难点

2.1.1 地质构造相对复杂

岩溶地区呈峰丛-洼地地貌,地表和地下不同规模的岩溶形态发育。地表以具有封闭的负地形为主要特征,有规模较大的溶蚀洼地和规模较小的溶斗。节理裂隙纵横交错,溶洞、落水洞星罗棋布,溶沟溶槽石芽遍布,断层构造带时常穿过。

2.1.2 地下水系发育

岩溶地区,洼地内地表水不发育,一般没有河流;但地下水系发育。地下水水平和垂直作用强烈,溶洞、落水洞多与节理裂隙、断层破碎带、岩溶管道及地下暗河相连。

2.1.3 村民散居

因峰丛林立的特殊地貌,桂西北山区的村民,多以直系血脉关系为群,在峰丛之间的洼地,沿坡造耕地,依泉水就近建房就居,散户相对多,生产生活依靠泉水。

2.2 不利因素

由于上述难点的存在,相比较非岩溶地区而言,岩溶地区排泥库的选址,存在以下不利因素。

(1) 为满足库容的需求,需在众多的峰丛中,寻求相对成片或相邻成片的洼地,洼地之间一般不通公路。选址前期,现场踏勘的工作量明显增多,劳动强度大。

(2) 无法回避发育良好的节理裂隙、大小溶洞、落水洞、断层等地质构造复杂或不良地质现象区域的矛盾。为防止库址内存有超大型溶洞或落水洞,在查阅工程地质报告的同时,查明溶洞、落水洞的工作投入明显增加。

(3) 需要对周边大范围地下水系进行深入了解,掌握库址周边地下水系的流量、走向及周边居民生产生活用水现状。以便评判排泥库建设后对周边的影响。

3 库址选择的探讨与实践

为满足岩溶区矿山建设的需求,如何选择排泥库的库址,笔者与同仁在30 年来工作中,进行了一系列的设计探讨与工程实践。

3.1 努力寻找岩溶相对不发育区域为库址

选址,应尽可能在收集矿山周边区域地质构造、水文地质资料和已有工程资料的基础上进行。

岩溶地区,即使是在同一片岩溶发育地域,不同的坐标位置,因其地形地势位置不同,岩溶发育程度也可能存在明显差异。因此,应努力寻找数个岩溶相对不发育的区域,作多库址的技术与经济对比。原则上,排泥库选址,应力争远离区域性大断裂层和地震活动区、避开岩溶发育区域;将较不发育的岩溶区域,作为库址选择的优选方案。

DB 县的JW 库、LH 库、PG 县的LD 库、JX县的LS、LD 库的选址,均是以避开岩溶发育区域理念出发,实施多个库址的技术与经济比较后,选出的最优库址方案。而JX 县的LP 库、LS库和PG 县的3 号库,经比较后,仍存在距地震活动区或区域性断层相对近的特性,投运后,安全环保问题突出显现。

为查明岩溶发育状况,选址中,地质资料应以收集到1∶20 万的综合地质平面图作为基础资料,收集分析区域地质、地形地貌和已有勘察资料,踏勘场地的地层、构造、岩性、不良地质、地下水等地质条件。

较复杂的地质情况下,应由工程地质勘察单位,做选址阶段的可行性研究勘察;可研勘察的结果,在选址的技术经济方案比较中,应明确体现。

选址中,就可能性比较大的2～3 个库址,应进行踏勘。

选址中,对不良地质的处理方案,要充分论证其可靠性。断层应说明是压性断层还是张性断层,断层中充填胶结情况。如果是张性断层,排泥库建设方案中,应单独算足处理费用。

不良地质条件复杂的库址,且论证也无法判断危险程度,即使其经济性稍好,为避免隐患,也应依“避开地质构造复杂、不良地质现象严重区域”的原则要求,在选址阶段将其排除。

若意向库址处于区域性断层上,但其技术经济优势非常明显,则建议在选址前,请相关地质部门(如各省地震局) 对库区断层活动性进行鉴定,判明该工程场地是否适合建库,避免浪费和不合理避让。JX 县LD 库的最终选址,即依据广西地震局《断裂活动性鉴定》“库址内3 条区域性断层均为早更新世断裂,晚更新世以来不活动,可不采取避让措施”,作出的抉择。该库的选择,为业主节省投资约2 亿元。

3.2 查明库址周边水力流向

非岩溶尾矿库,地势明确,山沟明显,水文地质条件相对清晰。

岩溶地区,峰丛洼地基本无地表水系,没有清晰的下游。降雨经溶蚀裂隙、地表溶洞落水洞等微地貌形态和洼地中上覆第四系透水覆盖层,以集中注入、面状渗入等形式补给地下水。

为查清地域内的水系,选址阶段应以1∶20万库区周边综合水文地质图作为基础资料,查清库址下游有无大型水源地、大型居民区,与下游环境敏感点是否有足够的应急缓冲空间;查明库区地下水与周边区域,尤其是下游地下河出口天窗、泉眼的水力联系关系;查清区域地下水分水岭和相对隔水层的位置,以便选址设计中,采取技术方案处理。

在岩溶发育地区,宜对可能的库址进行选址阶段的水文地质调查,完成1∶5 万库区周边综合水文地质图,清楚明确库区水力流向。

对于库址下游,有大型水源地又没有可靠的技术手段,保证可能产生的污染物不进入水源地的情形,应依国标“不宜位于大型工矿企业、大型水源地、重要铁路和公路、水产基地和大型居民区上游”的原则要求,放弃该库址。

我国广西、云南等岩溶发育地区与越南接壤,边境的部分小河流与越南有水力联系。在国境线附近选址,为预防出现涉外事件,准确的水文地质资料是选址的必要条件。JX 县ND 库选址中,就舍弃了离矿山尾矿输送近、投资少但下游很快就到越南的库址。

3.3 查明断层性质,消除诱发地震因素

排泥库建成后,库内存有部分一定量的清水,是必然现象。分析库内存水诱发地震的因素,有如下几种情形：

(1) 排泥库投运后,库内清水,将对地层产生泥化、软化、润滑;应力腐蚀;热应力;岩溶管道的水动力作用和溶解溶蚀等作用。

(2) 库水的渗入,可导致软弱结构面的充填胶结物软化、泥化和润滑,降低结构面的强度和摩擦系数,引起地层向下滑动。

(3) 库盆中,原先已有明显的通道或热泉存在,蓄水后被冷水淹没,库内冷水能以一定的速度,通过直接的导水通道,流往高温区,破坏原先的平衡,形成地温高梯度带,产生热应力作用;×县3 号库2013 年6 月16 日地震后,库面冒出42 ℃的热水,即为这一机理的典型体现。

(4) 库内的水,改变库区的水文地质条件,使岩溶管道流的包气带中的天然状态和洞穴的稳定性受到影响,气爆、气蚀等导致岩溶塌陷。

(5) 库水通过节理裂隙破碎带渗入,岩溶管道的沟通,使库水沿断层渗入地质体深部。

上述各种状况的必备条件是,库内冷水有明显通道流入地下。如何有效阻止、减少大量库存冷水集中流入地下结构体,是防止排泥库水诱发地震的重要手段。

通过理论研究和实践,可发现,压性断层、胶结好的断层,渗水能力比张性断层、充填胶结不好的断层明显降低。

选址中,应通过收集的库址工程地质报告,详细查明断层、充填胶结物的性质。尽可能将库址选择在压性断层、充填胶结物好的基础上;对无法避免的张性断层或胶结物不好的情形,在库址选择方案中,应在有条件处理好的基础上,才能作为库址。

JX 县的LD 库,库内3 条区域性断层交叉,其中2 条为张性断层,工程中在地表花费数千万元处置,投入使用已近一年,未诱发地震。

3.4 将岩溶治理专项方案列入选址的工程技术经济比较范围

岩溶地区的垭口以下一般都有数十米深的洼地,容积本身就有近千万方。这部分库容是不需要筑坝的,岩溶治理的投资是工程投资的主体,在技术经济比较中占有重要位置。而且这部分岩溶处理的成败,决定了整个尾矿库能否安全环保运行。它位于整个尾矿坝的底部,是整个库的基础,其岩溶治理专项方案必须慎之又慎,不然会给企业留下大的安全环保隐患。这方面教训非常深刻,危及到企业的生死存亡,涉及到地方工业和经济的安全发展。

岩溶地区,因节理裂隙发育,须采用全面防护的方式,对岩溶进行专项治理;岩溶治理,是排泥库建设和运营中经常性的工作,这是岩溶地区建库的一个最典型特征;而全面防护的投入明显比重点防护高。

因岩溶治理费用大,因此,选址的工程技术经济比较时,应对各库址提出针对性的岩溶治理专项方案。

专项方案应包括：

(1) 溶洞落水洞隐伏土洞的浅层封堵方案,避免深层注浆造成堵塞地下河道,造成地下水淹没其它村庄农田。

(2) 库区边坡的石芽溶沟溶槽裂隙堵塞方案,防止尾矿从裂隙中流出库外污染农田。

(3) 库底防渗透管涌措施,充分考虑既确保库内尾矿水不对库底土层产生管涌破坏,又能保证雨季地下水位上涨时,不对库底进行顶托而导致的库底岩溶塌陷,出现尾矿大规模泄漏的重大事故。

(4) 地下空腔的通气设施方案,防止地下溶洞气压升高产生气爆现象。

岩溶治理专项方案的投资,在排泥库工程技术经济比较中占比较大,必须保证其可靠性、合理性和经济性。近30 年来,随着对排泥库认识的逐步加深,岩溶专项治理的投资也逐步加大,技术逐渐成熟。近年建设的排泥库较10 年前,安全度已经取得显著提高。

3.5 排泥库下游合理位置应建设应急池

近10 年的探索与实践表明,排泥库选址时,同步考虑应急池建设,是保障岩溶地区排泥库安全环保运行的重要措施。

在岩溶发育地区建库难度大,主要原因是很难完全查清并处理每一个细小的裂隙和隐伏溶洞。偶有遗漏一直存在。由于岩溶查找和处理的周期很长,贯穿了基本建设的勘察、设计、招标、施工、管理的全过程,由谁来担负这个责任,早期很难明确。近年,在EPC 建设模式启发下,各单位逐渐摸索出了解决办法。

岩溶地区排泥库渗漏对外界的影响主要有2种形式：小的渗透和大的泄漏。小的渗透主要是边坡的细小裂隙导致。裂隙上覆盖土工布或土工膜,土工布或土工膜只有过滤或防渗作用,不能承受荷载。排放尾矿后,高荷载压破土工布或土工膜,或者雨季、地震后滚石砸坏土工布,在高水压作用下尾矿浆顺细小裂隙渗流出库外,发生尾矿渗漏。

大的泄漏主要产生在库底和断层带。库底隐伏溶洞因为上面覆盖了土层而难以发现,溶洞内充填不结实或半充填洞内还有细小通道的隐伏土洞,用现有物探方法很难被发现。尾矿库投用后库内存水,高水压通过渗透管涌作用。首先渗流带走极细颗粒,然后带走细颗粒,地层中孔隙变大后,渗流量、流速也会增大,携砂能力加强,会把大颗粒带走,地层中空隙越来越大,充填物被掏失,地层垮塌,产生大的泄漏通道。库内尾矿通过裂隙、岩溶管道进入地下河,泄漏到下游。

砂性尾矿泄漏往往会漏成一个倒锥形大漏斗。锥底是洞口,锥顶是滩面或边坡,锥边坡就是尾砂的天然休止角。如早年的CZ 市CS 尾矿库,PL 铜矿尾矿库,LC 钼矿尾矿库。堆积型铝土矿排泥库泄漏,也会形成漏斗,如PG 县3 号库,JX 县LS 库。

生产中这些现象,威慑到排泥库的安全环保稳定运行。在排泥库的下游地下河出口,最近距离设立应急池,是实践中摸索出的一个兜底、系统解决小泄漏引起大事故的保障措施。从选址开始,理论上,就将应急池作为排泥库的一项安全环保硬件设施来考虑,可有效应对不可预见的尾矿泄漏的风险。

应急池的选点,应依赖准确的区域水文地质结果,通过示踪方法,查明岩溶地下水从高至低的流向,考虑应急池的位置;但示踪试验结果是一个依据但不是唯一的依据。

示踪试验通常在雨季实行,岩溶地区断层破碎带发育,地下四通八达,雨季地下水充沛,原来包气带和干湿变幅带在雨季转为饱和,示踪剂可能渗向次要的流向。因此需要水文勘察单位慎重分析判断,避免误判和浪费。建议勘察单位可在旱季补做示踪验证。

JX 的LS 库2008 年投入使用后,浑水仅从坡珠泉眼冒出,2012 年在坡珠泉眼征地建设应急池后,LS 库再也没有对外界环境产生影响。

应急池是一个应急设施,故其容量不宜过大。可依排泥库出口泉眼的历史最大流量,乘以应急时间(例如7 天),来计算。若尾矿浆能够沉淀在应急池中,就可以再乘以泄漏的最大浓度,来确定应急池容量。

必要时,可在应急池设置回抽泵房,将泄漏尾矿送回排泥库。回抽管道可以就近利用尾矿输送管道。

泵和管道的流量可以依地下河出口流量值的一个比值确定,但因与应急池容量统一考虑,并通过技术经济比较确定。

4 结语

总结近30 年岩溶地区排泥库设计与建设的实践,排泥库库址选择应从以下几个方面来思考为宜：

(1) 在熟悉矿山周边工程地质和水文地质资料的条件下,库址以选择岩溶不发育的洼地为原则。对无法避免的复杂地质构造的库址,应经充分论证。库址选择须在现场踏勘的基础上,进行技术与经济的对比。

(2) 查明水力流向,避免选址不当,造成严重的污染事故。

(3) 查明断层性质,消除排泥库诱发地震的因素。

(4) 将岩溶治理专项方案,作为选址的一个重要项目来进行技术经济比较。

(5) 在排泥库下游,同步考虑应急池的位置选择,增设安全环保的最后一道关口。

基于上述思路,随着对岩溶地区排泥库的认识逐步加深,充分吸取早期排泥库建设的经验教训,近10 年来,已先后在桂西北岩溶发育地区,成功设计、建设数10 座大型排泥库。如2017 年2 月建成的DB 县LH 库、2019 年3 月建成的JX县ND 库和2020 年6 月建成的JX 县LD 库,在选址上充分考虑了以上技术要求,这些库投运后一直正常使用。