德興銅礦尾礦庫“頭頂庫”隱患治理

李曉彎

（江西銅業(yè)集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334200）

1 引言

人工構筑攔截谷口或圍地而成的、被用于貯存金屬、非金屬礦山礦石經(jīng)選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所通常被稱為尾礦庫［1-2］。尾礦庫具有保護環(huán)境、充分利用水資源及保護礦產(chǎn)資源的作用，是礦山生產(chǎn)必不可少的人造構筑物，它的安全與穩(wěn)定對礦山企業(yè)的正常生產(chǎn)和運營起到了至關重要的作用［3-4］。“頭頂庫”是指下游不大于1km距離內(nèi)有居民或重要設施的尾礦庫［5］。由于尾礦庫本身屬于人造高勢能危險源，尾礦庫一旦失事，發(fā)生潰壩或尾砂泄露，將給周邊環(huán)境及下游居民或重要設施造成巨大災難及嚴重損失［6-7］，因此，對于尾礦庫“頭頂庫”亟待進行綜合治理。由于德興銅礦4#尾礦庫攔砂壩壩腳約440m為杜村石墩頭村，距攔砂壩壩腳約1300m為杜村墩上村，因此4#尾礦庫被認定為“頭頂庫”。本文針對4#尾礦庫“頭頂庫”治理給出了德興銅礦治理方案，為其他企業(yè)尾礦庫“頭頂庫”治理提供經(jīng)驗參考。

2 4#尾礦庫現(xiàn)狀概述

4#尾礦庫位于江西省德興市海口鎮(zhèn)杜村西源大溝內(nèi)，屬于山谷型尾礦庫。尾礦庫匯水面積為14.3km2。最終堆積標高為280m，總壩高208m，總庫容8.35×108m3，有效庫容7.7×108m3。該尾礦庫在1991年投入使用，用來貯存大山選礦廠和泗洲選礦廠排出的尾礦。4#尾礦庫原設計等級為二等庫。目前4#尾礦壩已經(jīng)堆至標高280m，灘頂標高約為270m。

2.1 尾礦壩

4#尾礦庫總壩高208m，后期壩采用中線式尾礦筑壩法筑壩。

2.1.1 初期壩

初期壩為不透水堆石壩（粘土斜墻堆石壩）。初期壩位于現(xiàn)狀尾礦壩軸線中部，壩軸線與后期壩最終壩軸線呈15.70°夾角。初期壩壩頂標高為110m，壩高為38m，壩頂寬10m。壩體上游壩面在100m標高和85m標高各設一個2m寬馬道，上游壩面坡比從上至下依次為 ：1∶2.0、1∶2.5和1∶3.0。壩體下游壩面在90m標高和73m標高各設一個馬道，馬道寬分別為2m和1m，下游壩面坡比從上至下依次為 ：1∶2.0、1∶2.0和 1∶1.5。

2.1.2 堆積壩

尾礦堆積壩采用中線式尾礦筑壩，最終堆積壩壩頂標高為280m，堆積壩高度208m，最終壩長1248m。堆積壩下游坡平均坡比1∶3.5，壩頂寬40m。

2.2 排洪系統(tǒng)

尾礦庫現(xiàn)有2套排洪系統(tǒng)，分別為第一排洪系統(tǒng)（原排洪系統(tǒng)）和第二排洪系統(tǒng)（新增排洪系統(tǒng)），2套排洪系統(tǒng)互為備用，均布置在尾礦庫左側(cè)山坳內(nèi)。第一排洪系統(tǒng)采用斜槽+隧洞+泄槽型式，第二排洪系統(tǒng)采用斜槽+隧洞+涵洞+隧洞+明槽型式，明槽出口與第一排洪系統(tǒng)泄槽相連。

2.3 回水設施

大山選礦廠回水設施位于尾礦庫庫尾東側(cè)，緊鄰大山選礦廠，包括庫內(nèi)回水浮船及岸邊

回水泵站。泗洲選礦廠回水設施位于尾礦庫西側(cè)中部山坳內(nèi)，包括取水斜槽+隧洞+自流槽+靜壓管+自流槽。

2.4 安全監(jiān)測設施

4#尾礦庫安全監(jiān)測設施監(jiān)測內(nèi)容包括：浸潤線、庫水位、干灘和日常巡視檢查等。

3 尾礦庫“頭頂庫”治理方案

根據(jù)國家安全監(jiān)管總局下發(fā)《遏制尾礦庫“頭頂庫”重特大事故工作方案》的通知，頭頂庫的綜合治理可以采用隱患治理、升級改造、閉庫及銷庫、尾礦綜合利用和下游居民搬遷等五種治理方式一種或幾種并用的方式進行治理。針對4#尾礦庫實際情況，確定采用的治理方式為升級改造。

3.1 升級改造的具體措施

根據(jù)國家安全監(jiān)管總局下發(fā)《遏制尾礦庫“頭頂庫”重特大事故工作方案》的通知，升級改造分為提等改造、工藝改造和強化保障，根據(jù)4#尾礦庫的實際情況，4#尾礦庫升級改造進行了提等改造和強化保障兩種形式并用，最終保證4#尾礦庫的總體安全。

3.1.1 提等改造

4#尾礦庫依據(jù)原《選礦廠尾礦設施設計規(guī)范》（ZBJ1-90）按二等尾礦庫設計并按二等庫設防。截至2016年，尾礦壩高達到198m，全庫容達到5.6億m3。4#尾礦庫設計總壩高208m，總庫容為8.35億m3，根據(jù)2013年頒布的《尾礦設施設計規(guī)范》（GB50863-2013）尾礦庫的等別已經(jīng)達到一等庫。

為了提高4#尾礦庫防排洪能力和壩體穩(wěn)定性，提高抵御事故風險能力，對4#尾礦庫進行提等改造，即由原來二等尾礦庫提高為一等尾礦庫；考慮到4#尾礦庫壩高高，庫容大，尾礦庫在提高至一等尾礦庫的前提下，按一等尾礦庫設計等級上限進行改造。

3.1.2 強化保障

具體采取的治理工程措施如下:

（1）增設排洪設施。為了提高4#尾礦庫防排洪能力，提升抵御安全風險能力。在4#尾礦庫設置2套排洪系統(tǒng)，2套排洪系統(tǒng)互為備用。

（2）降低壩坡比。4#尾礦庫原設計外坡平均坡比為1∶3，此次治理后，外坡平均坡比由1∶3降低至1∶3.5，通過降低壩坡坡比可以提高壩體穩(wěn)定性。

（3）完善尾礦壩外坡排洪設施。為解決4#尾礦庫大壩兩側(cè)截、排洪問題。在大壩東側(cè)最終壩體淹沒線以上修筑“水路兩用”公路，平時用做永久性上壩公路，汛期兼當截洪溝使用，尾礦壩外坡排洪設施完善后，減少了壩面上的水量，有利于控制壩坡的沖刷，保證壩坡的安全。

（4）增設在線監(jiān)測設施。通過安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，可提高4#尾礦庫安全保障水平和事故預警能力，監(jiān)測內(nèi)容包括浸潤線、干灘、庫水位、降雨量、滲流量及重要場所的視頻監(jiān)控。

（5）外坡植被恢復。從140m馬道平臺至280m馬道平臺外坡植被恢復面積為0.52km2，促進生態(tài)環(huán)境友好發(fā)展，進一步提高外坡穩(wěn)定性。

4 尾礦庫“頭頂庫”治理后穩(wěn)定及排洪能力校核

4.1 壩體邊坡穩(wěn)定性分析

（1）計算標準。4#尾礦庫升級改造后，尾礦庫變?yōu)橐坏葞欤驳V壩級別為1級。壩坡抗滑穩(wěn)定分析按一等庫標準進行復核。

（2）計算參數(shù)選取。依據(jù)勘察報告資料并結(jié)合工程經(jīng)驗對強度指標進行折減，本次壩體穩(wěn)定性計算分析各土層物理力學指標具體值見表1。

表1 各土層物理力學參數(shù)

（3）計算工況。按照《尾礦設施設計規(guī)范》（GB50863-2013）要求，尾礦壩穩(wěn)定計算考慮正常運行、洪水運行及特殊運行三種條件，本次計算選擇現(xiàn)狀壩體最不利剖面進行穩(wěn)定計算，計算采用有效應力法，考慮尾礦壩為1級壩，計算方法同時采用簡化畢肖普法和瑞典圓弧法。現(xiàn)狀壩頂標高280m，沉積灘灘頂標高270m，壩頂寬45m，沉積灘坡度按1∶200，壩外坡平均坡比為1∶3.5。

（4）計算結(jié)果。見表2。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果分析，尾礦壩外壩坡在正常運行、洪水運行和特殊運行條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，表明尾礦壩能夠滿足各運行條件下壩坡抗滑穩(wěn)定的要求。

4.2 防洪計算

4.2.1 防洪標準

4#尾礦庫壩頂標高280m，壩前灘頂標高為270m，尾礦壩壩高為198m，尾礦庫總庫容為6.15×108m3，現(xiàn)狀4#尾礦庫屬于一等庫，主要構筑物等別為一級。原排洪系統(tǒng)設計防洪標準為1000年一遇，本次復核防洪標準取5000年一遇，并用PMF進行校核。見表3。

表3 尾礦庫防洪標準

4.2.2 洪水計算

（1）計算參數(shù)。根據(jù)《江西省暴雨洪水查算手冊》（2010年版）洪水計算具體參數(shù)見表4。

表4 不同頻率最大24小時降雨量

根據(jù)地形圖量測，4#尾礦庫庫區(qū)匯水面積為14.3km2，主河槽長度L=5.0km，主河槽坡度為J=1.0%。

（2）計算結(jié)果。洪水計算方法采用《江西省暴雨洪水查算手冊》（2010年版）推薦的推理公式法計算得到的洪水過程線見圖1。

表5 不同頻率的洪峰流量及24小時洪水總量

圖1 5000年一遇和PMF洪水過程線

4.2.3 排洪系統(tǒng)泄流能力計算

4#尾礦庫現(xiàn)有兩套排洪系統(tǒng)，現(xiàn)階段主要為第二套排洪系統(tǒng)。排洪系統(tǒng)布置參數(shù)如表6。排洪系統(tǒng)排水構筑物泄流能力計算曲線見圖2。

表6 排洪系統(tǒng)布置參數(shù)表

圖2 排洪系統(tǒng)泄洪能力曲線

4.2.4 調(diào)洪演算

針對5000年一遇防洪標準，結(jié)合上述調(diào)洪庫容、排洪設施的泄流能力，根據(jù)水量平衡法對各運行期進行調(diào)洪演算，并且用PMF對各典型運行期進行校核。調(diào)洪演算結(jié)果詳見表7。

表7 尾礦庫各運行期調(diào)洪演算結(jié)果

根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果可以看出，當發(fā)生設計及校核標準的洪水時，防洪安全超高和干灘長度均能滿足規(guī)范《尾礦設施設計規(guī)范》（GB50863-2013）最小安全超高和最小干灘長度的要求。因此，保證汛前控制水位、最小干灘坡度滿足要求，則設計排洪系統(tǒng)泄水能力可有效保證尾礦庫各階段汛期的防洪安全。

5 結(jié)語

本文論述尾礦庫“頭頂庫”綜合治理方案得到了德興市應急管理部門的認可，并得以實施。該方案具有安全、可靠、經(jīng)濟等特點，且治理效果顯著，進一步提高了尾礦庫的安全度，對國家“頭頂庫”治理具有一定的參考價值。