阳山铁矿尾矿库安全运行隐患分析与防治.pdf

Series No. 327 September 2003 金 属 矿 山 METAL MINE 总第327期 2003年第9期 梅建林,福建省冶金控股有限责任公司综合处,工程师,350001福 建省福州市省府路1号。 阳山铁矿尾矿库安全运行隐患分析与防治 梅建林 福建省冶金控股有限责任公司 摘 要 分析福建省阳山铁矿尾矿库运行中存在的几个安全隐患问题,提出相应整改对策。特别谈到尾矿堆 积坝外坡面渗流的防治及其堆积子坝标高与排洪口标高不相适应的解决办法。 关键词 尾矿库 安全隐患 防治 对策 Analysis, Prevention and Solution of Hidden Dangers in Safe Operation of Yangshan Iron Mine’s Tailings Reservoir Mei Jianlin Fujian Metallurgy HoldingCo. , Ltd. Abstract Some hidden dangers in the safe operation of Yangshan Iron Mine’s tailings reservoir are analysed and the correspondent measures raised , especially for preventing and treating the infiltratie from the outer side of the tailings dam and solving the unsuitability of the evelation of the dam to that of the floodway. Keywords Tailings reservoir , Dangers in safety , Prevention and treatment , Countermeasures 福建省阳山铁矿尾矿库位于矿区选厂西面山 沟,1987年开始建设,1990年建成并投入使用,设计 总库容136万m3,尾矿坝设计总高度58 m ,属4等 别尾矿库,防洪标准按50年一遇,200年校核。该 库建在一个较狭长的山谷,由东北向西南走向,库区 汇水面积0. 8 km2,尾矿库与选矿厂距离300 m ,尾 矿库初期坝顶与选厂球磨车间相对高差为75 m ,选 矿厂排出的尾矿浆通过输送明渠自流至尾矿库内堆 存,尾矿采用斜管放矿法排放,属上游式尾矿堆积 坝。尾矿库初期坝主体为块石干砌堆石坝,内坡面 设有反滤层,尾矿库初期坝顶标高848 m ,坝底标高 831 m ,坝顶长152 m ,宽2 m ,内外坡比1∶215。尾 矿堆积坝目前标高为882 m ,尾矿堆积终期坝坝顶 标高889 m ,实测后期堆积坝外坡比为1∶415 ,库内 排洪系统由钢筋混凝土排水斜槽、 排水涵洞、 连接井 消力池组成,总共有7个连接井,排水涵洞全长 500 m。 1 堆积子坝标高与排洪口标高不相适应的解决方 法 阳山铁矿尾矿库从1990年开始使用,尾矿采用 斜管放矿法排放,按规范要求将尾矿均匀地排放在 尾矿坝内坡坡址外,并创造条件让粗粒尾砂沉积在 子坝头,细砂及尾矿泥流入库内澄清,堆满1级子坝 后,按设计坡度往上游方向后移2 m ,继续排放尾矿 进行新1级子坝的堆积。当堆积到第3级子坝时, 因4 连接井进出涵洞高差较大,致使排洪口出现1 个台阶,造成子坝标高与排洪涵洞口标高不相适配。 若一旦全部封闭3 井至4 井之间的斜槽盖板,排 洪口水位将超过子坝顶标高,针对这个问题,结合实 际情况采取了在排水涵洞泄洪口即4 井出口部 处进行混凝土预制块围堰,并逐步加高,作为排水进 口。同时严格控制围堰顶面标高,使堰顶标高低于 堆积子坝顶面标高1. 5～2 m ,以防止暴雨时库内 水位上升,导致洪水溢流,威胁尾矿坝的安全。此方 法也解决了后面几个连接井排水标高出现跃变的问 题,取得较好的效果。 2 尾矿堆积坝外坡面渗流的防治 1996年,阳山铁矿尾矿库子坝堆积到第10个 台阶时,第1、2、3级子坝,先后出现非正常渗流现 象,随着子坝不断升高每台阶子坝高2 m ,渗流越 来越严重,初期坝顶部局部沼泽化。子坝部分地段 出现沼泽化,不断有水和尾砂冒出坝坡,局部地段子 坝出现塌陷,对尾矿库安全构成威胁,为此组织有关 84 专家和技术人员现场观察研究,根据现有坝坡面渗 流流量与范围,分析其原因,主要是库内水位升高, 使尾矿坝内浸润线提高,以及排放尾矿时不规范,集 中某点排放,造成局部坝坡面集中渗流,同时原先施 工的排渗棱体质量不过关,造成堵塞,无法有效起到 滤水排水作用。针对此隐患建议采取自流排渗,按 照不透水地基、 设有排渗棱体、 坝下游无水情况的浸 润线方程式,通过绘制浸润线曲线图进行分析、 研 究,确定在子坝处设置纵、 横向排渗管,把渗透水引 出外排,以降低尾矿坝的浸润线,防治尾矿坝外坝渗 流。并商定排渗管施工方法横向排渗管敷设先在 子坝轴向开挖深2 m、 宽115 m的管沟,开挖时会造 成子坝塌垮;因此开挖处需用木板临时支护、 排渗管 的埋设只能一段一段进行,不可全部开挖,以防止子 坝整体滑溜。排渗管采用管径 150 mm焊接钢管, 在钢管上半面设置 5 mm许多小孔,埋设时需把渗 管置于砂砾料反滤层中央,其中卵石层dcp 15～ 30 mm ,砾石层dcp 5～15 mm ,粗砂dcp 1. 5～5 mm ,各层滤料厚度为150 mm ,排渗管埋 设时需有3 ～5 倾斜,以利于加快排水。纵向排渗 管敷设是沿子坝纵向布置,每距离10 m布置1根纵 向排渗管,管长度8. 5 m ,管内充填d 0. 5～1 mm 的砾石滤料。为了使纵向排渗管打入子坝,提出了 2种施工方案① 水平钻机法。先在形成沼泽化地 段用钻机将套管施工水平孔,进入渗流层,用压力水 冲洗套管内尾砂,处理干净后将钢滤管由套管中插 入,顶压滤水管,拔出套管,将滤水管留于尾矿坝渗 流层中。②人工撞击法。为了便于排渗管打入子 坝,把管端部制成尖锥形,采用撞击方法把排渗管一 段段地打入子坝渗流层中。因受交通现场环境限 制,经方案比较采用人工打入排渗管的方法。同时, 为了加强子坝的稳定性,在尾矿堆积坝外坡面用毛 石交错干砌,坡内侧铺填粗砂反滤层。尾矿堆积坝 外面经过排渗措施治理后,降低了浸润线,在第1、 2、3级尾矿子坝外坡面渗水和母坝顶面沼泽地全部 疏干、 固结。经过几年运行和护理取得较好效果,增 强了尾矿坝稳定性。2002年9月福建省尾矿库安 全评价中心对阳山铁矿尾矿坝外坡面进行稳定安全 系数验算,结果最小安全系数在各种运行条件下均 满足选矿厂尾矿设施设计规范要求,现有尾矿坝自 身稳定有保证。 3 尾矿坝面护理 为防止尾矿坝外坡面受到暴雨冲刷,造成子坝 拉沟,冲刷下游子坝和坝肩,需加强子坝外坡面护理 植被。先在各级子坝外坡,坡顶上覆盖泥土20 cm 厚,并加以夯实,然后种上芦苇、 香根草等护坡固砂 植物,并在雨季时期适当施加化肥,促使其植被茂 盛,形成稳定护坡层。同时每间隔3个台阶设置1 道截水沟,截取坡面地表水引入排水明沟,坝肩各设 置1条截洪沟,拦截尾矿库周边山上的雨水,防止冲 刷坝肩,提高尾矿坝稳定性。 4 尾矿涵洞裂缝的治理 由于当地一些村民及单位在矿区底部周围开采 石灰石,造成采空区过大,出现大量冒水,地下水源 体遭受破坏。阳山铁矿油库至35 kV变电站1线 300 m间先后出现地表沉降裂缝,油库墙体倾斜,混 凝土墙梁下陷断裂。尾矿初期坝西侧200 m处山体 已有2处地面塌陷,其中最大1处塌陷区约有35 m 30 m15 m大小。2002年8月现场观察发现, 尾矿库内排水涵洞多处产生不同程度的变形、 裂缝 及沉陷。排水涵洞洞口至1 井之间出现断裂缝,缝 宽20 mm ,1 井出现竖向断裂,井筒破坏呈环状剥 落,钢筋外露弯曲,最大裂缝宽度10 mm ,并有下 沉,3 连接井顶盖板产生下凸变形,4～7 连接井 及排水涵洞出现轻度裂缝及沉陷。尾矿排水构筑物 遭受不同程度的损坏,降低了承载力,危及尾矿库使 用安全。因此认真分析涵洞及井壁破坏机理,找出 破坏原因,对于防治同类尾矿库排水涵洞破坏有现 实意义。根据现场观察,尽管排水涵洞各处破坏程 度不同,但破坏处均呈竖向剪断裂缝;这些特征表 明,排水涵洞破坏是受竖向载荷作用的结果。由于 石灰石开采,地下含水层水位大幅度下降,这可从尾 矿库附近泵房水井水位下降得以证明。尾矿库底部 原为承压含水层,与地层直接接触构成水力联系,一 旦破坏,水层随石灰石开采逐渐疏干,尾矿库底部地 层岩体有效应力增加,地层产生沉降,加上受地下采 矿崩落区的影响,地层沉降不均匀,造成涵洞剪切断 裂沉陷。针对上述隐患,提出分别对1 、3 连接井 井筒直径均为 3 m 采取钢结构加固措施,对井筒 顶部和侧面分别用槽钢、 厚钢板护面,中间各使用 15根 100 mm无缝钢管进行支护加固既考虑支护 强度,又考虑不影响泄洪 , 并对结构和地基进行注 浆处理;对排水涵洞中的裂缝进行补强密闭处理,对 水流气蚀洞穴进行注浆补强抹平。施工过程中因排 水涵洞断面小,并带水电焊作业,施工难度大,根据 下转第53页 94 梅建林阳山铁矿尾矿库安全运行隐患分析与防治 2003年第9期 向挖掘基坑,初坑形成以后,按照上下台阶即890 m、880 m、870 m、860 m保持相对超前关系同时由 北向南推进直至矿体南端部。 方案Ⅲ 对上部的2～3个台阶即900 m、890 m、 880 m沿用现有露天开采方案,考虑到不使露采边坡 向下延伸太深,利于边坡的稳定,880 m水平以下2 个台阶可采用地下开采方案。具体做法是,与上部露 采的同时在下部860 m水平矿体的下盘开挖1条主 坑道在大格山沟适当位置开口至10勘探线,作为矿 石主要运输巷道。实际上前期农民抢矿时已在860 m下部打通了1条坑道,经实测在大格方向开口标高 为8531825 m ,至10线终端标高为85818 m ,把它修 改加固一下即是主运巷。采用分段空场法在矿床北 端部布置采场,采下矿石经溜矿井、 下部川脉运巷经 下部主运巷运至角安破碎口或堆矿场。 这3个方案技术上都是可行的,经济上也是合 理的。因为 Ⅰ 方案是潘田矿区长期以来一直在实施 的方案,矿山开采的各项技术经济指标都较好,潘田 采区曾取得并保持了较好的经济效益。方案 Ⅱ 也于 1988～1989年在北矿段的14线矿段实施过并取得 较好的经济指标。考虑到方案 Ⅰ 的缺点一是台阶工 作面沿矿体走向布置,炮孔方向与山坡平行,爆破的 后座力直接影响边坡,不利于露采边坡的稳定;二是 露采边坡暴露时间相对较长;三是台阶全面等速下 降,采空区无法得到有效利用。方案 Ⅲ 则由于矿体 上下盘岩性均较差,均为变质粉砂岩、 细砂岩等,将 使地下坑道施工和维护的工作量和难度加大,同时 安全性相对较差。经综合分析比较后,本矿床确定 为横向陡帮方案进行开采,即方案 Ⅱ。 3 横向陡帮开采方案 1开采条件。本期开采主要矿体长度500 m ,宽度100～600 m ,开采深度40 m 860～900 m ,矿体走向290 ～300,倾向北东、 倾角47 ～ 50,凹陷露天开采,露天底标高为860 m。 2开采方案布置。根据矿体长度不大,开采 深度也不大等特点,选用横向陡帮开采方法,同时作 业台阶为2～4个,主要构成要素为a.采剥带宽 度电铲在单位时间内垂直走向方向的实际推进距 离即是采剥带宽度。按1台电铲1 a实际生产能力 求此参数为15. 9 m;b.工作平台宽度为23 m;c.安 全平台宽度取4 m;d.同时作业台阶数目n ,取n 4个;e.工作帮坡角 ≈40 。 3开拓运输。首先在890 m水平垂直矿体走 向开挖出30 m宽基坑,基坑形成以后即往北侧沿走 向方向扩展推进,形成890 m平台,该平台推进到足 够距离后即可从890 m水平往下开挖斜槽至880 m 水平。依此顺序一直开挖到860 m水平,在860 m 水平基坑形成后,与此同时其上部各台阶也依次向 北端推进,待到上部各台阶即890 m台阶、880 m台 阶、870 m台阶全部推进到北端境界之后,即可从相 反方向从上到下保持相应超前距离。各个台阶同时 由基坑860 m由北向南推进,由此即实现了横向 陡帮开采的生产工艺。 4 方案评价 与原设计比较,横向开采工艺具有如下优点。 1可以分采各品种矿石,达到合理配矿,提高 或稳定出矿品位。因为横向开采,垂直走向各品种 矿石全面揭开,可以做到有计划回收富矿,或者搭配 各品种矿石,稳定计划出矿品位。 2可充分利用采空区,实现土岩内排减少环 境污染。 3有利于最终边坡稳定。横向开采可使最终 边坡较晚形成,横向爆破其侧向压力比其后座力要 小,可有效减小对最终边坡的破坏作用,显然最终边 坡的维护工作量也随之减少。 收稿日期 20032062 15 上接第49页 现场特点,研究对策措施,克服作业环境困难。上述 处理为排水涵洞临时预防性治理措施,经组织有关 专家现场评估,作为临时预防性治理,所采取的措施 比较有效,相对提高了排水涵洞结构强度。为彻底 根治尾矿库排水涵洞隐患,下一步将新建一条排水 涵洞以保证安全生产。 5 结 论 阳山铁矿尾矿库运行过程中出现的上述几个安 全问题是我国金属矿山尾矿库普遍存在的问题。各 企业根据尾矿库具体情况所采用的治理方法各有不 同,但阳山铁矿所采用的治理措施具有投资省、 工程 量小、 见效快等特点。特别在尾矿堆积坝外坡面渗 流的防治和堆积子坝标高与排洪口标高不相适应的 解决办法上具有独特意义。 收稿日期 20032052 16 35 谢灼洛潘田南矿岩质滑体下矿床开采方案 2003年第9期