浅谈尾矿库排洪系统的封堵方法

何明亮

（长春黄金设计院有限公司，吉林长春 130012）

在矿山企业运行期间，尾矿库是十分重要的一项生产设施，并且也是矿山企业的基本污染源和重大危险源。尾矿库配套的排洪系统的主要作用就是排出库区汇水面积范围内的大气降水、尤其是大暴雨条件下的产生的洪水，防止库水位漫顶发生溃坝等严重安全事故和环境风险，次要作用就是排泄尾矿库回水返回选厂生产、重复利用，降低选厂新水用量。尾矿库排洪构筑物达到运行年限和一定高程后，需要进行封堵，封堵的位置和质量决定了尾矿库的安全状态。本文依照尾矿库安全运行的实际条件，提出了库区排洪系统封堵体位置的选取，以及具体的排洪系统封堵方式。

1.尾矿库防洪系统概况

尾矿库在矿山企业中占据着重要的地位，基于尾矿库防洪系统稳定运行的基础上，应当使尾矿库水质和排放标准要求相符合，及时制定出相关的防护策略，加强尾矿库防洪力度。尾矿库排洪系统运行状态直接决定了经济效益的提升，并且还必须重视尾矿库下游环境保护力度，确保人们自身生命安全，依照实际情况和基本要求综合性分析施工项目中的难点，勘察周围地质情况，落实完善策略。在实施期间必须保障各项对策，实现项目施工目标，促使项目施工作业良好开展。近几年，我国提出了有关于尾矿库总量控制的标准，明确要求各项领域强化尾矿库总量监督控制力度。从去年开始，尾矿库数量原则上呈现出了只减不增的现象，并且颁布了一系列的尾矿库信息公告制度，在地方政府以及主流媒体等网站中将年度尾矿库数量和名称等多项信息加以公布，进而保障尾矿库的透明性和公开性，全社会对其全面监督[1]。

作为尾矿库最重要的安全设施之一，排洪系统通常来讲不直接参与选厂的生产，但确是整个尾矿库安全的重要保证。从安全角度来看，做好尾矿库的洪水计算与排洪构筑物的规划设计是非常重要的。在城镇、工厂和矿山都面临着雨洪导排问题，排洪工程投入资金较高，对整个工程项目的可行性、经济性有着直接性的影响，特别是伴随着矿山开发的逐渐增多，矿山排洪和尾矿库排洪工程量大，建设资金多，排洪工程设计极为关键，既要保证泄洪安全，又要经济合理。但是，多年以来，矿山排洪工程设计并没有受到全面的重视，具体表现为原防洪设计标准偏低、水文资料不完善、排水构筑物泄流流态不合理、工程没有得到综合利用等，这些都属于排洪设计中常见的问题。所以尾矿库在后续的改造和设计中应遵循现有国家标准和政策，满足规范要求。

尾矿库排洪系统的整体布置通常来讲，分为2个部分，分别是库外排水系统和库内排水系统。其中，库外排洪系统一般为拦洪坝～分洪隧洞或拦洪坝～截洪沟，库内排洪系统为排水斜槽～排水管、排水井～排水管（或排水隧洞）或溢洪道。尾矿库的汇水面积较大或者地形合适时，为了缓解库内泄洪压力，实现环保清污分流，库周应设置截洪沟、拦洪坝、分洪隧洞等库外排洪措施，将库区周边大区域的汇水面积的雨水排出库外。对于库内随着尾矿浆的排放，库水位和尾砂面逐渐升高，这就要求库内排洪构筑物也要具备逐层封堵的能力，能够体现这种能力的构筑物主要为排水斜槽和排水井，其中排水井分为框架式排水井、窗口式排水井和砌块式排水井，排水斜槽分为平盖板斜槽和圆拱盖板斜槽。当库区洪峰流量较大、调洪库容较小、尾砂堆高较高时选择排水井泄洪；当库区洪峰流量小，调洪库容较大、尾砂堆高底时选择排水斜槽泄洪。

2.排洪系统封堵事故类型

排水系统封堵因根据不同的构筑物选择不同的封堵方式、封堵位置和封堵措施，如封堵处理不当，必然会留下安全隐患，可能会引起安全事故。以下为排水构筑物常见的封堵事故类型。

其一，排洪井筒顶部封堵。以某地区的尾矿库举例说明，该尾矿库建设时间为20世纪60年代，尾矿库排洪系统主要是采取排洪井和排水管形式，经过10多年运行以后停止，在尚未对新尾矿库进行建设的情况下决定开启该尾矿库，持续加高堆积坝体，新建二期排洪系统，同时封堵一期排洪系统，封堵位置处于排洪井筒顶部。当加高扩容快要完成的情况下排水井周边发生了塌陷坑，塌陷深度达为30m，直径是60m，尾矿大量流失现象极为严峻。通过现场清理，相关分析后确定，产生该种现象的主要原因是因为井座上部井筒预制拱板受压，超过极限强度出现断裂引起的。

其二，排水管封堵体位置不合理，排水设施破裂引起堆积坝体塌陷，出现管涌破坏。某尾矿库于1960年建设完成，初期坝为土坝，堆积坝为尾砂筑坝，废弃的排水管仅进口封堵。随着尾砂堆高，排水管因压力增大、地基沉降加剧导致破裂，大量尾砂沿排水管泄出，堆积坝凹陷管涌破坏。

其三、排水隧洞封堵长度不足或顶拱未回填灌浆引起尾砂泄露。隧洞封堵体与山体的摩擦阻力承受着尾矿浆的水平推力。当封堵长度不足，封堵体嵌入山体深度较浅，顶拱未灌浆或灌浆不密实时，随着库内尾砂的逐渐堆高，封堵体可能会被推动，或者封堵体与山体缝隙扩大，导致大量尾砂泄露，引起环境污染。

其四、框架式排水井、窗口式排水井和排水斜槽预制挡板或堵头安装不合理，未进行边缝灌浆封堵严实，导致矿浆沿缝隙渗入排洪系统内，随着尾砂堆高，缝隙处压力逐渐加大，渗漏量增加，回水跑混，严重时将导致挡板结构损坏，形成尾矿库安全事故。

3.排洪系统封堵的位置选择应考虑的因素

尾矿库是矿山企业的重要设施，属于人为堆积形成的一座高位泥石流危险源，也是周边环境污染源，目前被法律、法规方面认定为是非煤矿山的重大危险源之一。排洪系统作为尾矿库的重要安全设施，不管是否封堵，都应确保其安全运行，如发生事故能否及时处置也决定了企业的应急处理能力。上游式湿排尾矿筑坝的尾矿库，运行成本较低，技术成熟，安全可控，监管方便，因此在我国被大范围采用。上游法尾矿库应用过程需要不断进行坝体增高，为了将库内洪水排出，一般情况下，需要按阶梯状设置多个排洪系统，新排洪系统在启用的基础上对老排洪系统进行封堵。老排洪系统随尾矿库不断增高而被埋于库内，自身承受的荷载不断增加，排洪系统封堵工程因为作业空间狭小、专业施工队伍较少且工程质量验收困难，因此国内尾矿库因老排洪系统封堵不到位诱发的后期破损事故频繁出现，排洪系统破损往往引发跑砂、漏浆事故，进而威胁尾矿库整体安全及造成环境污染事故[2]。

尾矿库老排洪系统发生破损事故后，面对与压力作用下库内饱和尾矿堆积体通过破损部位沿排洪通道逐渐朝着下游扩散，伴随着时间推移破损部位越冲越大，库内尾矿堆积体向下游渗漏量也逐渐累积增加，并延伸至坝体部位，进而形成了严重安全与环保事故。对于发生老排洪系统破损事故的尾矿库来讲，研究并采取可靠方法在最短时间内安全可靠的展开破损封堵，这也是在防止事故对尾矿库安全的影响及对下游造成的人民生命财产安全、环境污染的重要措施。

排水系统的封堵设施布设于上游迎水面和下游临空面之间，结合具体的排水构筑物的特点，明确封堵设施的基本位置，并且从尾矿堆积体范围、周围结构关联性等多方面入手，全面判断尾矿排洪构筑物的封堵条件。第一，上游迎水面的情况，应考虑封堵体外部尾砂最终堆高，最终水位高度，矿浆容重，周边山体稳定性等。第二，下游临空面的情况，封堵体至尾矿库外之间排水构筑物的型式、强度和稳定性等。第三，封堵体周边情况，如隧洞周边山体渗漏，衬砌面与山体的衔接情况，排水管止水带情况等。

4.合理选择封堵体的类型

其一，梁板型封堵体。针对于梁板型封堵体来讲，需要严格遵循水工混凝土结构设计规范性要求实施，应用整板现浇成预制块，然后实施安装作业。在井座顶应用期间，应当保持井座顶有着良好的承载长度；在隧道以及管道应用期间，结合实际情况提前预留出槽孔。一般情况下，将其应用于井座顶处永久封堵，预制挡板临时封堵。

其二，重力型封堵体，该项类型的封堵体长度与抗剪型封堵体长度相比较来看要大于很多，因此应用较少。

其三，抗剪型封堵体。封堵体与周围隧道衬砌、岩壁的有效接触面积的抗剪强度来承载着封堵体迎水面的总压力，水利部门和电力部门自身都有着相符合的水工隧洞设计规范，而且也具备合理的封堵体长度计算方式。

其四，反滤型封堵体。此种类型的封堵体包含了两种类型，分别是透水型和防渗型两方面。为了避免尾砂伴随着渗水带出以及封堵体迎水面的压力被均匀落实于封堵体内，还需要应用反滤型封堵。

其五，膏体封堵体。在20世纪90年代初期阶段，我国水泥厂生产出了高水材料，该材料水、灰的重量比例大约为3.0（具体项目的水灰比例应根据试验确定）。在高压状态下，压力坡降可以依照相应比例适当的添加粗尾砂，明确要求提升体积含水率，在这一现状下，需要凝固速度特别快、混凝土抗渗性、增长速度非常高的低标号混凝土，该项类型的混凝土抗压效果特别高，远远超出了设计填充材料的强度需求，该方法也被广泛应用在了冶金矿山井下填充中内。井下充填料凝固时间大体上为20min左右，凝固之前的10min泵送效果极佳，自然流动坡逐渐下降，没有毒性也没有腐蚀性。在与充填压力坡降相符合的基础上掺入相应比例的粗尾砂，其中体积含水率达到97%即可，本身有着凝固速度极快、低标号混凝土抗渗性以及强度增长非常快等诸多特征，抗压强度远远超出了煤矿对于充填材料强度提出的高要求。膏体在凝固前期阶段中，泵送性能良好，自然流动坡逐渐下降到了1%～2%左右，但是其也存在一些缺陷性，那就是遇到阳光以及通风以后将会产生严重的裂缝问题，适合在全尾砂充填井下充填护壁以及尾矿库排洪系统封堵期间（尤其是应急期间）封堵加以应用，价格合理。

其六，其他类型的封堵体。首先，对井座进行封堵处理，直接从井座中实施封堵作业，以刚性封堵方式为主，因为井座侧壁内存在着孔洞，处于相关无侧限时中，封堵体可能被严重挤压，故封堵时必须依照实际压力对竖向和侧向封堵体的长度合理设计。另外，锥形以及拱形封堵。从实际情况来看，锥形封堵被称之为拱形封堵，把正压力逐渐转换成侧压力，管壁和井壁给予一定的支撑力。

5.尾矿库排洪封堵治理

排洪系统事故应急封堵或封堵后可能因封堵方式、封堵位置不合理，封堵长度不足引起封堵体移动、渗漏、甚至封堵体破裂引起尾砂泄露，致使环境污染，坝体渗流管涌破坏。企业应根据库区排洪构筑物的型式和封堵型式，编制事故应急预案，以准确及时处理排洪系统应急封堵和封堵体安全隐患。

（1）排水隧洞封堵体漏浆。对于库区排洪设施采用排水井（斜槽）～排水隧洞的排洪方式，封堵体的位置一般选在隧洞内，受山体埋深应力分散的保护，不受尾砂堆高的影响。该种封堵方式就是在隧洞设计的封堵长度内，采用混凝土浇筑将至满，待混凝土凝固收缩后，如不进行顶拱灌浆，封堵体不接隧洞顶端，容易形成尾砂渗漏通道，且与山体接触面减少，抗滑稳定性降低，封堵体上游受压可能会被推移。故在排水隧洞封堵时应预留灌浆孔，待封堵体凝固后压力灌浆，如在尾矿库运行过程中已封堵的隧洞矿浆渗漏，可以采取钻孔注浆的方式加强封堵。

（2）坝下排水管破裂，影响坝体稳定。坝下排水管废弃封堵后，随着库内尾砂的增高，依然受到的尾砂压力越来越大，如果选择的封堵位置不合理，排水管破裂时，泥浆可能通过该处泄流至下游，导致坝体或库区塌陷，故排水管的封堵方式和位置的选择极为重要。一般来说，排水管封堵的位置主要为进水口和出水口，中间封堵难度大且不利于尾矿库安全。对于因排水管破裂导致库区尾砂泄露，坝体沉陷，浸润线埋深变浅的尾矿库，应首先对库内排水管的入口和出口进行封堵，坝面凹陷土石料充填，块石压坡，必要时应采取水平排渗或竖向排渗降低坝体浸润线，并进行工程地质勘察和稳定性分析，确保尾矿库处于正常运行状态。

6.结语

从以上论述来看，尾矿库排洪系统封堵前应根据现状条件选择合理的封堵方法或措施，了解到封堵位置是否符合标准要求，由于尾矿堆积坝的不断上升是一个长期的渐进过程。因此，进水构筑物的封堵也是一项长期的、细致认真的安全管理过程。所以，需要选择合理的封堵方式，杜绝尾矿库封堵风险，在保证施工人员安全及尾矿库今后正常运行的基础上尽可能使方案简便易行、造价低廉，以此达到永久性封堵的目的。