第 1 章 緒 論

 

1.1 課題背景及研究的目的和意義

地處太行山脈的河北地下資源儲備豐碩，此中黑色金屬尤為盛[1]。伴隨黑色金屬的開采，黑色金屬企業選別金屬后產生的殘留物 “廢渣”（即尾礦也稱尾砂）逐漸增多[2]。尾砂一般以礦漿（液體）的形態流出選廠，當處理不及或方式不合理時，就會污染周邊環境和占用大量土地資源，危害水環境，浪費寶貴土地資源。同時，尾砂也是資源的一種也不容許任意拋棄，只是目前回收技術尚不足難以提取其中的價值物。尾礦庫便是一個多種構筑物的綜合體為妥善應對這些難題而建[3]。尾砂處理分為尾砂濕式處理、脫水干處理和脫水及濕堆存相結合的方式。濕式尾砂處理投入成本較小，管理比較方便，通常礦山企業均采用該方式。一般濕式尾礦庫包括：尾砂泵站、尾礦庫、尾礦回水泵站和排水系統[4]。尾砂泵站把選廠產生的尾礦漿，經砂泵、流道輸入尾礦庫，尾礦庫多由堤壩圍截而成，為尾砂存儲的場地，為回收庫中的經尾砂沉淀后的清水和庫區匯入地表水，修筑有排水系統。排水系統回收的清水和雨水，匯入集水設施，為使礦山企業循環利用一部分回收水，多半情形下設有回水泵站，多余的回水將排往下游河流，如排放的回水里含有害成分或者超過廢水排放標準和衛生標準的情況下，則設回水處理構筑物對多余回水進行凈化處理后外排[5]。其中尾礦庫作為堆存尾砂的場地，堆存了大量尾砂，如不進行妥善處置，極易造成潰壩等安全事故，故尾礦庫屬于重大危險源，其安全性備受下游居民、各級政府重視。2008年9月8日，發生“9.8日山西襄汾新塔尾礦庫特別重大潰壩事故”，尾礦庫的壩體穩定性更是引起業界重視[6]。國家也相繼出臺相關政策文件，要求各級政府對尾礦庫加強監管，各尾礦庫企業加強風險防范意識，同時也嚴格控制尾礦庫的新建數量[7]。

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1.2 尾砂壩加高現狀評述和研究進展

尾礦庫通常由初期壩、尾砂壩（也稱后期壩）、排水（排洪）系統、排滲系統、安全監測系統和附屬建筑物組成。典型構筑物說明示意圖見圖 1-1[11]。初期壩為整個后期壩的排滲棱體和穩定支撐，為了利于后期尾砂壩縮短滲流時間，加速形成穩定狀態，通常為透水堆石壩體，滲透系數較大[12]。尾砂壩由尾砂堆積而成，選廠排出尾砂漿經輸送系統進入尾礦庫，通過分散排放方式減小尾礦漿流量，通過減緩尾砂壩灘面坡度降低流速等方式，使尾砂漿中的尾砂逐漸沉積在尾砂壩前部，自然形成固水分離。尾砂逐漸聚集，后期壩體逐漸超出初期壩頂形成后期壩[13]。依據規范尾礦庫由堆積容積和尾砂壩高分為五個等別[14]。排水回水系統（或稱為排洪系統），尾砂漿經沉積分離出來的尾砂水通過一段時間的澄清后，由排水回水系統匯集至下游集水池，統一輸送回選廠循環利用。尾礦庫庫區遭遇降水時，匯入尾礦庫的雨水也需要排水回水系統及時排走，以保證后期壩的安全超高和干灘長度，確保尾礦庫的安全。排水回水系統通常由鋼筋混凝土排水管、排水斜槽、排水井或者排水隧洞組成，尾礦庫投入使用前與初期壩同步建造完成[15]。排滲系統，尾砂壩沉積下來的固體尾砂含水量較大，為了及時排干尾砂壩孔隙水需設置排滲設施，排滲設施通常由排滲管或者排滲盲體等透水材料組成，預埋于尾砂體內[16]。安全監測系統，為了掌握整體的運行情況，實時了解庫水位、等信息，有必要建設該系統。安全監測設施包括：壩體位移觀測設備、壩體內水位觀測設備、庫水位觀測設備、庫水位線觀測設備等[17]。附屬建筑物，為了方便尾礦庫管理，需要設置值班房、管理辦公室、應急救援物資倉庫、照明設施和通信設施等尾礦庫附屬設施。

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第 2 章 適合實施加高工程的尾砂壩類型研究

 

本章為了能夠明了地研究適合實施加高工程的尾砂壩類型，引入河北省秦皇島市青龍滿族自治縣紅興礦業有限責任公司尾礦庫實例，對該尾礦庫現狀加高條件進行充分分析，論證該其是否適合實施加高工程，研究適合實施加高工程的尾砂壩類型。

 

2.1 尾礦庫現狀情況

青龍縣紅興礦業有限責任公司尾礦庫位于河北省青龍滿族自治縣八道河鄉頭道溝村，距青龍縣城約 25km，有簡易公路通往庫區，交通較便利。根據現場踏勘，該尾礦庫西、南側為山體，北側為寬約為 100m 的碎石平臺。東側緊鄰河道，此段河道最窄處 21m，最寬處 72m。紅興鐵礦辦公場地及選廠均位于山坡上，最低高程高出河岸 5.0m。自該尾礦庫南端順河而下，下游河道南側 140m~890m 處修建了攔洪壩，攔洪壩頂寬約 1.5m，底寬 4.0m，漿砌石結構，結構完好，高出河道約 3.0m，對下游 560m~1.3km 范圍內河道南側的公廠村起到了防護作用。公廠村地表高程高出河岸約 2m。此段河道最窄處寬約 40m，較寬。下游河道北側 610m~750m 處也修建了攔洪壩，結構與南側相同，結構完好，高出河道約 2.0m，對下游 630m~760m 范圍內河道北側的公廠鐵礦起到了防護作用。公廠村和公廠鐵礦均為建設尾礦庫前已有設施，除此外下游 2km 范圍內無其他居民、生產和生活設施。該尾礦庫所在地下游無重要設施，地質條件單一，尾礦庫地下不儲備礦產資源；周圍無鐵路、水庫等重要工程。

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2.2 尾砂壩加高條件的分析論證

根據 2.1 節尾礦庫的現狀情況描述，結合有關資料，對該尾砂壩的庫區周邊環境、地形和地質條件、壩體穩定性、尾礦庫整體安全性和實施加高工程經濟合理性進行分析，論證該尾砂壩是否適合實施加高工程。紅興鐵礦 2013 年 4 月，委托青龍滿族自治縣盛源測繪有限公司進行了尾礦庫下游 2km 周邊環境圖測繪[25]。通過走訪調查，結合上述測繪圖紙進行庫區周邊環境分析。該尾砂壩西、南側為山體，北側為寬約為 100m 的碎石平臺。東側緊鄰河道，此段河道最窄處 21m，最寬處 72m。自尾礦庫南端順河而下，下游 560m~1.3km 范圍內河道南側為公廠村；下游 630m~760m 范圍內河道北側為公廠鐵礦。公廠村和公廠鐵礦均有攔洪壩防護，攔洪壩頂寬約1.5m，底寬4.0m，漿砌石結構，結構完好，且高出河岸至少2.0m，此段河道最窄處也有40m寬，河道較寬。公廠村地表高程高出河岸約 2m。鐵礦辦公場地及選廠均位于山坡上，最低高程高出河岸 5.0m。此段河道較寬，岸堤較高，尾礦庫一旦潰壩，尾砂也能通過河道順利流走，對公廠村和公廠鐵礦影響較小。除此外下游 2km 范圍內無其他住戶、生活和生產設施。周邊環境條件滿足《河北省安全生產監督管理局關于明確尾礦庫擴建相關政策的通知》的要求。從周邊環境來分析，尾砂壩可以實施加高措施。

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第 3 章 尾砂壩加高工程的研究........16

3.1 排土場及現狀尾砂壩的治理.........16

3.1.1 排土場治理..........16

3.1.2 現狀尾砂壩治理.........16

3.2 加高筑壩工藝設計....17

3.3 庫容及服務年限........20

3.4 排洪系統......21

3.5 尾砂壩穩定計算........32

3.5.1 尾砂壩的滲流分析.....32

3.5.2 穩定性分析..........38

3.5 本章小結......42

第 4 章 加高后尾砂壩安全管理措施的研究.........43

4.1 影響加高后尾砂壩安全的因素分析....43

4.2 安全觀測設施和附屬建筑物.........44

4.3 安全管理制度.....47

4.4 其他安全管理措施....49

4.5 本章小結......49

 

第 4 章 加高后尾砂壩安全管理措施的研究

 

尾砂壩是隨著尾砂的排入持續升高的，尾砂筑壩在整個尾砂壩的服務年限內連續發生，因此對尾礦壩采取全面的安全管理措施是非常必要的，這對于實施加高工程的尾砂壩更是尤為重要。安全管理措施的研究可從影響尾砂壩安全的因素著手，分析出關鍵因素，接著研究相應管理措施，同時保證管理措施能有效落實。這樣才能使尾砂壩的加高得以順利實施。本章節繼續引入紅興鐵礦尾砂壩進行具體內容研究。

 

4.1 影響加高后尾砂壩安全的因素分析

通過第 3.4 節的研究，可知影響尾礦庫防洪能力的因素有：a.排洪系統的完好性。排洪系統是否通暢，能否滿足排洪要求，及時排空洪水，都將直接影響尾礦庫的防洪能力；b.尾礦庫庫水位。尾礦庫的庫水位直接影響調洪庫容的大小，汛期如未按設計騰出調洪庫容，將會導致洪水位迅速升高，排洪系統壓力增大，可能發生洪水漫頂現象；c.干灘長度、安全超高和沉積灘坡度。這三者相互影響，在干灘長度相同情況下，安全超高較小，就意味著沉積灘坡度緩，影響尾礦庫的防洪能力；當安全超高相同的情況下，干灘長度短，也意味著沉積灘坡度較陡；在沉積灘坡度相同的情況下，安全超高小，也意味著安全超高小，對尾礦庫防洪不利。通過第 3.5 節的研究，可知影響尾砂壩穩定性的因素有[42]：a.庫區的工程地質條件。進行加高尾礦壩時，需對工程地質條件進行分析[43]。b.尾砂的性質，尾砂透水性能影響著浸潤線的埋深，不同性質的尾砂，凝聚力和摩擦角也不同[44]。c.尾礦壩的外坡比，當堆積壩外坡比小時，容易造成局部失穩。d.浸潤線的埋深[45]。可以通過計算實例進行說明。在實例尾砂庫總壩高為 36m 情況下，如庫水位取規范要求的最小干灘長度 50m對應的庫水位，浸潤線埋深模擬提升至規范要求最小埋深 4.0m，采用 AutoBank 軟件，對尾礦庫 1-1 剖面和 3-3 剖面進行模擬計算，其他計算參數不變。計算結果如圖4-1。計算表明，此時尾砂壩 1-1 剖面的安全系數降至 1.251，3-3 剖面的安全系數降至 1.296，安全系數減小比較明顯，且滑動面畢竟較大，影響程度較廣。為此浸潤線也被稱為尾礦庫的“生命線”[46]。

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結 論

 

本文引入青龍滿族自治縣紅興礦業有限責任公司尾礦庫作為實例，通過對該尾砂壩的加高條件論證，加高工程研究和影響加高后尾砂壩安全因素分析，得出了以下結論：

（1）通過研究分析認為適合實施加高工程的尾砂壩類型應具備以下條件：a.周邊環境簡單；b.庫區地形比現有尾砂壩高且有閉合空間，能形成較大庫容；c.庫區地質條件和水文條件簡單，場地應適合工程的實施；d.進行了現狀壩體穩定性分析，分析結果認為具備加高可能性；e.進行了安全現狀評價，認為能夠通過工程措施解決存在的問題；f.加高工程要具備經濟性，能為尾礦庫延長較多的服務年限。

（2）通過研究認為尾砂壩加高工程需包含以下內容：a.尾砂壩現狀問題的處理措施；b.尾砂壩加高筑壩工藝設計；c.排洪系統處理措施；d.復核加高工程實施后，尾砂壩的完全穩定性。

（3）通過分析認為加高尾砂壩安全管理措施應包括以下內容：a.完備的安全觀測設施；b.配套附屬建筑物齊全；c.建立全面安全管理制度；d.編制應急救援預案，定期組織演練；e.必要的水土保持措施和環境保護措施。

（4）因實例尾砂壩只能代表濕式堆存方法的山谷型尾砂壩，具有一定的代表局限性，分析結果也不能涵蓋所有尾砂壩類型。采用其他方式堆存筑壩的尾砂壩類別加高條件的論證分析，還有待進一步的研究。同時，每個尾礦庫現場條件均不同，尾砂壩加高工程的實施內容和安全管理措施也相應有所變化，需要結合實際情況對每個尾礦庫進行分別對待。

（5）尾砂壩通過加高雖然能暫時緩解礦山企業尾砂無處堆存的困境，可以使現有尾礦庫利用率達到最大化，節約土地資源；但是不能從根本上消除尾砂堆存難題。隨著科技的進步，尾砂的綜合利用將是未來研究的重點，如對尾砂進行再選，制作建筑用砂，回填采坑等。

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參考文獻（略）