吴坑里尾矿库加高扩容工程安全性研究-中国矿业114网 
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吴坑里尾矿库加高扩容工程安全性研究
2018-10-10
以湖南某金矿所属尾矿库加高扩容工程为例,介绍了尾矿库加高扩容方案,依据规程和规范,采用比 较分析、数值计算、洪水计算、调洪演算等方法,对加高扩容方案的合理性、坝址处的安全性、筑坝方式的合理性、坝 体的安全性、加高扩容的可能性、主隧洞扩建方案的合理性、库内防洪的安全性、库外各支沟的防洪能力的安全性等 进行了计算分析。分析结果表明:加高扩容方案合理,尾矿库加高扩容工程的各分部的安全性满足规程、规范要 求,研究结果为尾矿库加高扩容工程的设计提供了依据,同时能够为尾矿库加高扩容工程中尾矿库的安全性分析 (尤其是复杂排洪系统的防洪安全)提供参考。
Series No. 507 金 属 矿 山 总第 507 期 September 2018 METAL MINE 2018 年第 9 期 吴坑里尾矿库加高扩容工程安全性研究 1 ,2 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) ( 摘 要 以湖南某金矿所属尾矿库加高扩容工程为例,介绍了尾矿库加高扩容方案,依据规程和规范,采用比 较分析、数值计算、洪水计算、调洪演算等方法,对加高扩容方案的合理性、坝址处的安全性、筑坝方式的合理性、坝 体的安全性、加高扩容的可能性、主隧洞扩建方案的合理性、库内防洪的安全性、库外各支沟的防洪能力的安全性等 进行了计算分析。分析结果表明:加高扩容方案合理,尾矿库加高扩容工程的各分部的安全性满足规程、规范要 求,研究结果为尾矿库加高扩容工程的设计提供了依据,同时能够为尾矿库加高扩容工程中尾矿库的安全性分析 (尤其是复杂排洪系统的防洪安全)提供参考。 关键词 尾矿库 安全性 扩容 稳定性 中图分类号 TD926 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2018)-09-166-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201809030 Study on the Safety of the Heightening and Expansion Project in Wukengli Tailings Reservoir 1 ,2 Zhu Yuanle (1. Changsha Institute of Mining Research Co.,Ltd.,Changsha 410012,China; 2 . State Key Laboratory of Safety Technology of Metal Mines,Changsha 410012,China) Abstract Taking a heightening and expansion project of tailings reservior under a certain gold mine in Hunan Province as a case,the heighteningand expansion scheme for the tailings pond is introduced. The methods of comparative analysis,nu⁃ merical calculation,flood calculation,flood routing and others,are adopted to analyze and calculate the rationality of the heighteningand expansion scheme,the safety at the dam site,the rationality of damming methods,the safety of dams,the possibility of heightening and expansion,the rationality of expansion plans for main tunnels,the safety of flood control within the reservoir,and the safety of the flood control capacity of the ditches outside of tailing pond. The analysis results show that the heighteningand expansion scheme is reasonable,and the safety of each subdivision at the heightening and expansion scheme meets the requirements of the regulations and specifications. The research result provides a favorable basis for design of the heighteningand expansion project. At the same time,it can provide reference for the safety analysis of the tailings reser⁃ voir in the heighteningand expansion project(especially the safety of the complex flood discharge system). Keywords Tailings pond;Safety;Expansion;Stability 尾矿库作为矿山工程采、选、尾 3 大控制性工程 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 [1] 之一,是矿山事故发生高频区域 。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 [2-4] 生产 。 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 收稿日期 2018-06-10 基金项目 湖南省重大科技专项(编号:2011FJ1003),国家安全生产监督管理总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目(编号:hunan-0010- 014AQ)。 作者简介 朱远乐(1987—),男,工程师,硕士。 2 · 166 · 朱远乐:吴坑里尾矿库加高扩容工程安全性研究 2018年第9期 # 库加高扩容工程中,对尾矿库的安全性分析显得尤 水隧洞组成;库外右冲沟排洪系统为拦洪坝—9 排水 [5] 为必要。林国洪 以某铜矿为例,分析了深部地下采 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°。 [ 6] 矿与尾矿库运行之间的相互影响;陈星 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, [ 7] 吕志涛 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。 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 3 高 110.0 m,总库容 286.6 万 m 。根据规范,尾矿库仍 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 属三等库。 + 560.0 m 标 高 以 下 仍 按 原 设 计 进 行 尾 砂 堆 设计最终堆积标高为+560.0 m,设计总坝高100.0 m, 3 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。 设计总库容 238.48 万 m ,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 排洪系统:将主隧洞断面扩大至 b×h=4.8 m× 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。 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 1 00 mm。喷混凝土支护后其最小断面 b×h=4.6 m× 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 3 高为91.20 m,库容76.5万m ,尾矿库为三等库。在堆 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。 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 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 # # 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。 2 构:土工布(400 g/m)-土工席垫(厚 10 mm)-土工 2 布(400 g/m)。最终通过 2 根 DN100 mm 的 PVC 管引 [8-9] 。 至堆积坝排水沟 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 # 库外左冲沟排洪系统为拦洪坝—8 排水井—排 · 167 · 总第507期 金 属 矿 山 2018年第9期 3 m,总库容 286.6 万 m ,属三等库。加高(+560.0~+ 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。 3 5 70.0 m 标高)可新增总库容约为 61.56 万 m ,有效库 3 容为49.25万m ,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 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。 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 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 m ,为三 3 3 容361.92万m ,属三等库。本次加高(+560.0~+580.0 等库,按500 a一遇(P=0.2%)洪水设防。 3 m 标高)可新增总库容约为 136.88 万 m ,有效库容为 主洪峰流量 Q m 、汇流时间 τ 采用以下式进行计 3 1 09.50万m ,可为选厂继续服务6.1 a。 算: 尾矿库加高至+570.0 m 标高和加高至+580.0 m ì Qm = 0.278 × F × Rt t , 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。 ï ï (1) í 0.27183L × 1 ïτ = , ï 1 4 Qm mj î 2 式中,F为江水面积,km ;L为流域长度,km;m为汇流 t 参数;R 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。 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。 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。 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 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 · 168 · 朱远乐:吴坑里尾矿库加高扩容工程安全性研究 2018年第9期 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。 侧冲沟排水隧洞的泄流能力按明渠均匀流计算如下。 Q = AC RI , 3 (4) 2 式中,Q为下泄流量,m /s;A为过流断面面积,m ;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。 3 当排出最大洪峰流量 Q=19.40 m /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 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 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 3 2 , Q = 2πmR 2g H0 (2) 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 3 峰流量为19.26 m /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。 3 3 1 02.42 m /s,大于设计频率最大洪峰流量99.70 m /s,当 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 3 发生设计频率洪水最大洪峰流量 99.70 m /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。 ( 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)。 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。 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 Q = μω 2g(H - 0.85h) , (3) # 率。扩大段为 7 井支洞与主隧洞相接处起至隧洞出 3 式中,Q 为下泄流量,m /s;ω为隧洞出口处的断面面 口衬砌段。 2 积,ω取 8.03 m ;H 为上游水面至隧洞出口底板的高 方案二:将主隧洞局部断面较小处扩大至 b×h= 程差,m;h为隧洞出口处的洞高,h取3.0 m。 4.2 m×4.2 m;另将主隧洞进行钢筋混凝土衬砌,以降 当竖井内水位标高为+569.39 m(竖井进水口标 低其糙率,提高隧洞过流量。主隧洞钢筋混凝土衬 # 高+574.05 m)时,左侧支沟排水隧洞泄流量达到 3 9.70 m /s,能够及时排出洪水。 砌厚度为200 mm。其中7 井支洞与主隧洞相接处起 9 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。 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 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× 5 .875 m。 不考虑右侧冲沟的调蓄能力,设计按排水系统最 # 4.6 m。扩邦喷混凝土段范围为7 井支洞与主隧洞相 大泄流能力大于设计洪峰流量考虑。右侧支沟洪峰 3 流量为19.40 m /s,竖井部位最大进水水头为1.05 m。 接处起至隧洞出口段。 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 对右侧冲沟内排水隧洞的泄流能力进行复核,右 · 169 · 总第507期 金 属 矿 山 2018年第9期 “ 扩大隧洞断面+喷混凝土衬砌”方案合理。 参 考 文 献 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 .015。主隧洞泄流量设计按各冲沟和库内最大泄流 [ 1] 于广明,宋传旺,潘永战,等.尾矿坝安全研究的国外新进展及 我国的现状和发展态势[J].岩石力学与工程学报,2014,33 0 (S1):3238-3248. 量叠加考虑。主隧洞泄流量计算如表4所示。 Yu Guangming,Song Chuanwang,Pan Yongzhan,et al.Review of new progress in tailing dam safety in foreign research and current state with development trent in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(S1):3238-3248. [2] 田文旗,薛剑光.尾矿库安全技术与管理[M].北京:煤炭工业出 版社,2006. Tian Wen Qi,Xue Jianguang.Tailings Deposit Safety Technology and Managemen[t M].Beijing:Coal Industry Press,2006. 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。 [ 3] 武伟伟,龚宇同,秦秀山.小型尾矿库存在的问题及安全对策分 析[J].有色金属:矿山部分,2011,63(5):49-51. Wu Weiwei,Gong Yutong,Qin Xiushan.Analysis on existing prob- lems of small tailing s pond and safety precautions[J].Nonferrous Metals:Mine Section,2011,63(5):49-51. [4] 张培安.栗西尾矿库挖潜改造延长服务期探讨研究[J].有色金 属:选矿部分,2003(5):43-45. Zhang Peian.Study on the serve period is prolonged in lixi tailings dam by tap the potentialities and remakes[J].Nonferrous Metals: Mineral Processing Section,2003(5):43-45. [5] 林国洪.某铜矿尾矿库运行和深部开采条件下的稳定性分析 [J].有色金属工程,2014,4(4):65-67. Lin Guohong.Analysis of stability of a copper mine tailings opera- tion and deep mining conditions[J]. Nonferrous metal engineering, 2014,4(4):65-67. 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Huang Wei.The Stability Analysis on Elevated and Expanded Wukengli Tailings Dam[D].Changsha:Central South University, ( 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。 2015. (责任编辑 徐志宏) · 170 ·
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