抚顺东兴矿业公司吕家堡铁矿尾矿库治理分析

乔云航

(1.辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013; 2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室东北中心，辽宁 沈阳 110013)

2016年5月20日,原国家安全监管总局印发了《遏制尾矿库“头顶库”重特大事故工作方案》,要求各地区积极开展“头顶库”综合治理,全面提高“头顶库”安全保障能力,确保“头顶库”安全运行。原丹东市安监局为了贯彻落实《实施方案》的相关要求,保证头顶库安全稳定,要求抚顺东兴矿业有限公司对其吕家堡铁矿尾矿库进行治理,抚顺东兴矿业有限公司接到相关要求后立即委托相关具有资质的单位进行《抚顺东兴矿业有限公司吕家堡铁矿尾矿库隐患综合治理工程设计》。该尾矿库是属于头顶型尾矿库,因而对它的治理进行深入的分析对全国的头顶型尾矿库的研究具有非常重要的借鉴意义。

1 自然环境概况

1.1 地形地貌

库区地貌类型为低山丘陵地貌,地形呈现西部、南部、东部高,中部为沟谷,北部为沟谷出口冲积扇。沟谷及山坡松散堆积物厚0.5 m～2.0 m,地表植被发育。

该尾矿库所在沟谷地势三东、西、南面环山,北面筑坝。山谷走向呈南至北地势逐步降低,谷口向北,属山谷型尾矿库。沟谷长约1.53 km,沟谷狭长,呈“V”字形。坡度为29.8%,汇水面积为0.592 km2。库区海拔标高在313.4 m～645.0 m区间内,最大相对高差达到321.6 m。

1.2 气候与水文条件

尾矿库所在区域属北温带半湿润季风型大陆气候,因此该地区在冬季多西北风,夏季多东南风,温度变化较为显著,四季冷暖干湿分明。除此之外,这个地区年平均气温达到5.3 ℃。7月份的时候气温达到顶峰,平均气温大概为22.9 ℃;1月份的时候气温降到最低,平均气温大概为-16 ℃。该尾矿库下游有一条季节性河流,河内有水,但水量较小。该尾矿库下游沿村级公路向东经吕家堡村、王家堡村、黄金堡村,然后偏南向过高速公路G1212和国道G202共约10 km处见浑河。浑河在清原满族自治县境内长度为83 km。

2 地层岩性特性和场地地震效应

该尾矿库场地地层主要由素填土(子坝)、尾矿堆积物、天然地层组成。对于尾矿堆积物而言,其通过多个部分构成,比较主要的包括尾细砂、尾粉砂等,少数情况下涵盖尾粉质黏土和尾粉土薄层。堆积层下部属于天然地层,其一般通过强风化花岗岩构成。

结合坝高和库容进行分析,按照《构筑物抗震设计规范》[1]提出的要求,该尾矿坝抗震等级应界定为四级;对于尾矿坝部分而言,其所在区域应划分为抗震一般地段,相应的场地类型属于Ⅱ类。

3 尾矿库现状

抚顺东兴矿业有限公司吕家堡铁矿尾矿库位于抚顺市清原满族自治县南口前镇吕家堡村。该尾矿库隶属于抚顺东兴矿业有限公司吕家堡铁矿,属正常运行尾矿库,但自2012年企业由于受市场影响,尾矿库内未按年限规划堆存尾矿,截止目前一直处于停用状态。

结合实际勘测的结果,我们可以判断该库为山谷形尾矿库,相应的尾矿类型为铁矿尾矿。这个尾矿库对应的坝高达到49 m,坝体本部分的平均坡比为1∶2.14,除此之外,其实际库容达到37万m3,按照《尾矿设施设计规范》[2]的要求,该库应划分为Ⅳ等库。

4 工程治理原则及措施

按照尾矿库《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》[3]等有关资料,结合现场踏勘的实际情况,消除尾矿库安全隐患,在保证尾矿库安全的情况下增设适当安全环保设施。在满足生产需要的同时,以尽量节省投资为原则,充分体现工程与环境协调统一,适应可持续发展原则。

根据现场勘测,该尾矿库堆积坝体平均外坡比1∶1.88,最大可达1∶1.28,坡度较陡,且按照《抚顺东兴矿业有限公司吕家堡铁矿尾矿库坝体稳定性分析岩土工程勘察报告书》(沈阳建材地质工程勘察院有限公司,2017年12月),该尾矿库现状坝体稳定性为:“在正常运行时,坝坡抗滑最小安全系数为1.16;洪水运行时,坝坡抗滑对应的最小安全系数达到1.14;特殊运行时,坝坡抗滑对应的最小安全系数达到1.10。”可见该尾矿库现状坝体稳定性安全储备较小,为了提升该“头顶库”尾矿库坝体的稳定性,本设计对其堆积坝体进行削方压坡,同时设置坝坡面排水沟和客土绿化,以水土保持。

4.1 设计参数选取及计算

渗流计算:

瑞典圆弧法抗滑稳定性计算:

先假设条块间的作用力并未对法向应力分布产生任何影响,在这种情况下各部分垂直条块承受的力具体参考图4.4-1,则FS可计算如下:

其中，i为第i条块;r为圆弧半径;Ui为孔隙水压力;Wi为条块重量;Qi为水平向地震惯性力;Q/i为垂向地震惯性力;Mc为力矩之和;Li为条块底部长度;ci,φi分别为内聚力和内摩擦角。如果忽略地震所造成的影响,Qi,Q/i,Mc均等于0。

计算模型的确定:

对于该尾矿库整治后终期坝体,以其工勘报告中提供的主轴剖面为基础,参照初步设计中尾矿库尾矿堆积坝体的堆筑方式,同时考虑尾矿自然沉积规律,对剖面实现延伸,以此构建标准化的仿真模型(见图1，图2)。

坝体正常运行条件下稳定性计算结果见表1。

表1 坝体正常运行条件下稳定性计算结果

洪水计算：

1)洪水计算参数的确定。

依据辽宁省水文手册(1998年版),抚顺东兴矿业有限公司吕家堡铁矿尾矿库处于Ⅲ5水文分区,水文参数如下:

参考常规地形图,各项主要参数具体如表2所示。

表2 不同汇水区各使用期其他水文计算参数

2)洪峰流量的计算。

结合《辽宁省水文手册》进行分析,洪峰流量可通过下述式子进行明确:

对于汇水面积小于0.1 km2的特小排水区域,直接用上述推理公式辽宁法计算有较大误差,本设计对于库内及溢洪道东侧汇水区洪峰流量计算采用下式计算。

Qp=0.278(Sp-1)F，

其中，Qp为设计洪峰流量;Sp为设计频率的雨力;F为汇水面积。

3)洪水总量计算。

设计洪水总量按下列公式计算:

W(三-24)p=0.1×α(三-24)p×(p三p面-p24p面)×F。

W24p=W三p-W(三-24)p。

其中，W三p,W(三-24)p,W24p分别为频率不尽相同的设计三日洪量、前锋洪量和主峰洪量;p三p面,p24p面为三日、24 h设计面暴雨量;F为汇水面积。

4)洪水过程线的计算。

结合手册进行分析,假如洪水过程线形状系数rp未超过0.05,则主要以Qp为高,并将Tt作为其总历时,W调P作为其面积。假如rp超过0.05,则此时洪水过程线主要参考手册内容。

洪水过程线形状系数:

其中，Qp为洪峰流量,m3/s;W24P为24 h洪水总量;T为主峰洪水历时,此时主峰洪水历时T=51 h。

对于该尾矿库,各汇水区域各频率下洪水过程线形状系数均小于0.05。那么此库主要将T作为简化三角形过程线,将Qp作为流量极大值,W调P作为调洪的洪量,则:

W调p=0.67W24+0.12Qp·τ，

洪水计算结果见表3，表4。

表3 各汇水区200 a一遇洪峰流量及洪水总量计算结果

表4 尾矿库截洪坝上游汇水区洪水过程线

调洪演算:

对于截洪坝上游汇水区域,由于坝前调洪库容极小,不对其进行调洪计算。而溢洪道东侧汇水区汇水直接入溢洪道排出库外,无须进行调洪。本设计仅对库内汇水区域在现状坝顶标高和终期坝顶标高条件下分别进行调洪计算。

该尾矿库各频率下洪水过程线形状系数均小于0.05,依据辽宁省水文手册(1998年版),可以将洪水过程线概化为三角形过程线。对于洪水过程线可概化为三角形,且排水过程线可近似为直线的简单情况,其调洪库容和泄流量之间的关系可按以下公式确定。算出不同坝顶标高在0.2%洪水频率下洪水总量(万m3),代入公式即可进行调洪。

q=Qp(1-Vt/Wp)。

其中，q为所需排水构筑物的泄流量,m3/s;Qp为设计频率的洪峰流量,m3/s;WP为设计频率为P的一次洪水总量,m3;Vt为某坝顶标高时的调洪库容,m3。

则该尾矿库各堆积标高调洪计算结果(沉积滩坡比按1.0%计)如表5所示。

表5 尾矿库调洪计算结果

结合上述分析我们能够发现,在通过规范化的整治工作之后,坝体在各类条件下最小稳定性系数都超过规范提出的最小安全系数,因此其具有良好的稳定性。

4.2 治理措施

4.2.1 坝坡削方及坡脚压覆

为了放缓边坡坡度,保持坝体稳定,对现状堆积坝体进行削坡,每级子坝削坡后坡比为1∶2,子坝间留设平台,其中一级子坝与二级子坝间平台宽3 m,二级子坝与三级子坝间平台宽4 m。整治后坝体向库内平移5 m形成台阶,然后堆筑坝体高度至设计最终高度(设计总坝高55 m)。削方尾矿可以用来堆筑后期子坝,后期子坝堆筑高度6 m,内坡比可选1∶2,外坡比1∶3,坝顶宽度不小于5 m。对于该尾矿库内东侧沿溢洪道走向子坝(副坝)外坡比为1∶2,且堆筑时应碾压密实,要求碾压后相对密实度不低于0.70。削坡整治后,坝体总平均坡比为1∶2.5。为了充分保证坝体稳定,增加坡脚压重,对削坡后坝体进行压坡脚,由地面坡脚压覆至一级尾矿堆积子坝顶,由坡脚向上15 m高度处堆设一平台,平台宽度为2 m,一级堆积子坝顶压覆平台宽5.3 m,压覆体外坡比1∶2,对压覆后坝坡面进行平整,以便于坡面防护。

4.2.2 坝坡排水沟

为了保证坡面有序排水,避免水流冲刷,本次设计在整治后的尾矿堆积坝坡平台内侧设置排水沟,坝间平台坡向内侧,坡比0.01。排水沟断面主要表现为矩形,相应的断面规格为:B×H=500 mm×500 mm,壁厚300 mm,底板厚300 mm,M10水泥砂浆浆砌石结构,块石强度MU30,此时我们可以通过M10水泥砂浆勾缝,在处理的过程中主要采用平缝。排水沟沿坝坡走向与左右坝肩排水沟相接,排水沟沟底坡比不小于0.01。

4.2.3 坡面防护

本设计对采用选矿废石坡体压覆部位进行干砌片石防护,砌石厚度400 mm,需要干砌片石方量为1 515 m3。干砌片石护坡应自下而上逐排砌筑,厚度均匀,砌体片石应互相搭叠错缝,间隙塞满,表面平整。对于尾矿堆积坝坡面,为了保护坡面,避免扬尘,同时避免受到水流冲刷形成冲沟,造成水土流失,本治理设计对整治后后期堆积坝坡面采用客土植被防护。

4.2.4 截洪坝改造

改造截洪坝采用碾压式土石坝,筑坝材料可采用碎石土料,在通过一系列改造之后,坝顶标高达到374 m,总坝高6 m,坝顶宽5 m,设计内、外坡比1∶2,其中外坡于现状坝顶标高370 m处向库内平移1 m留作平台,堆筑坝长72 m。

5 结语

该工程是关系到当地下游村民生命财产安全的重要工作,得到地方各级政府和人民群众的广泛积极支持。尾矿库属于矿山安全领域的最重要分支,而头顶库又属于尾矿库中最危险的,通过本次工程的实施,对于辽东地区其他的尾矿库治理带来了重要的借鉴意义,其社会效益、环境效益远远大于经济效益。