巖溶區(qū)某尾礦庫加高擴(kuò)容工程穩(wěn)定性研究

朱遠(yuǎn)樂 唐紹輝 陳 星 劉發(fā)清

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410012）

尾礦庫作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發(fā)生高頻區(qū)域［1］。目前很多尾礦庫處于服務(wù)期滿，后期面臨是否擴(kuò)容以及如何進(jìn)行加高擴(kuò)容的問題。一般礦山企業(yè)會(huì)從兩個(gè)方面權(quán)衡而選擇進(jìn)行加高擴(kuò)容：一是當(dāng)前新建庫的審批程序和要求越來越嚴(yán)格，且由于地形條件、下游情況、征地、環(huán)保等問題無法新建尾礦庫；二是新建庫的工程基建投資一般約占礦山工程建設(shè)總投資的10%以上（庫址條件較好者），占選礦廠投資的20%左右，庫址條件不好的甚至超過選礦廠投資，故在原庫址基礎(chǔ)上進(jìn)行加高擴(kuò)容以利用原有安全設(shè)施設(shè)施可節(jié)省一定工程費(fèi)用，同時(shí)施工工期較短，有利于企業(yè)可持續(xù)的生產(chǎn)［2-4］。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前大多數(shù)尾礦庫周邊環(huán)境、或地質(zhì)條件較為復(fù)雜，在尾礦庫加高擴(kuò)容工程中已面臨周邊諸多已建工程。林國洪［5］以某銅礦為例分析了深部地下采礦與尾礦庫運(yùn)行之間的相互影響；陳星［6］等利用數(shù)值模擬的方法開展了尾礦庫運(yùn)行期潰壩對(duì)下游的淹沒和公路的撞擊研究；由于尾礦庫下部有采礦活動(dòng)，康永紅［7］等采用用有限差分程序FLAC3D模擬地下礦體開采對(duì)地表尾礦庫的影響。

在巖溶區(qū)對(duì)尾礦庫進(jìn)行加高擴(kuò)容存在一個(gè)最主要的問題為加高擴(kuò)容后巖溶區(qū)上覆荷載加大，巖溶塌陷常導(dǎo)致漏礦。宋志［8］分析了巖溶區(qū)尾礦坍陷的原因，提出了一種通過構(gòu)建巖溶塌陷應(yīng)急處理檔案的管理模式；賀躍光［9］對(duì)某一巖溶區(qū)尾礦庫可能發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并通過對(duì)尾礦庫壩體穩(wěn)定性的安全監(jiān)測(cè)閾值的設(shè)定來判別巖溶對(duì)尾礦庫的影響；眭素剛［10］運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析了在尾砂堆載沉積過程中，下覆巖溶區(qū)的穩(wěn)定性，對(duì)尾礦庫建設(shè)的可行性進(jìn)行了論證。本研究以湖南省某銅礦所屬尾礦庫為例，分析在巖溶區(qū)進(jìn)行加高擴(kuò)容的可能性。

1 尾礦庫加高擴(kuò)容概況

湖南省某銅礦所屬尾礦庫為山谷型尾礦庫，尾礦庫初期壩采用透水堆石壩，壩頂標(biāo)高+270.0 m，壩高16.0 m，頂寬4.0 m，上游坡比1∶2.5，下游1∶2，于+260.0 m標(biāo)高設(shè)2.0 m寬的馬道，初期壩庫容為13×104m3。堆積壩采用上游式尾砂筑壩，堆積壩平均坡比1∶5，子壩內(nèi)坡1∶3，外坡1∶4，表層粘土護(hù)坡，最終堆積標(biāo)高+296.0 m，總壩高42.0 m，總庫容159.22×104m3，有效庫容 127.38×104m3，尾礦庫為四等庫。

經(jīng)多年運(yùn)行已服務(wù)至后期，目前尾礦庫運(yùn)行至標(biāo)高+289.0 m，壩高35.0 m，庫容97.15×104m3，為滿足礦山發(fā)展和尾礦庫安全運(yùn)行進(jìn)行上游法加高擴(kuò)容設(shè)計(jì)。

擴(kuò)容方案：+289 m標(biāo)高以上再采用上游法尾礦堆壩，平均堆積邊坡1：4，最終堆積壩頂標(biāo)高+304.0 m，總壩高48.0 m，總庫容189.72×104m3，加高擴(kuò)容后尾礦庫為三等庫。新建一座碾壓廢石副壩，副壩壩頂標(biāo)高+304.0 m，壩高8.0 m，壩頂寬3.0 m，壩軸線長(zhǎng)150.0 m，內(nèi)外坡比1∶2.0。新建排水井—排水涵洞作為該庫的排洪系統(tǒng)，排水井內(nèi)徑4.5 m，排水井采用框架式結(jié)構(gòu)，井高8.0 m，排水管采用鋼筋混凝土圓拱直墻型，寬2.m，直墻高1.5 m，圓拱半徑1.25 m，長(zhǎng)約140.0 m。在堆積壩+270 m、+277 m、+289.0 m標(biāo)高分別增設(shè)水平排滲管，其中集滲段長(zhǎng)10 m，排滲段長(zhǎng)50 m，水平間距10 m。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件及巖溶發(fā)育特征

尾礦庫庫區(qū)地層較單一，巖性簡(jiǎn)單，只有第四系和石炭系下統(tǒng)大塘階梓門橋組石灰?guī)r及石炭系下統(tǒng)大塘階測(cè)水組頁巖地層。場(chǎng)區(qū)內(nèi)大部分為第四系的人工堆積及坡殘積層覆蓋，下覆基巖主要為石灰?guī)r與砂頁巖。尾礦區(qū)地層為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，巖層傾角45°左右，庫尾至庫中部推測(cè)有一北西至南東向的F16斷層，該斷層層面傾向北東，傾角為76°左右，該斷層未發(fā)現(xiàn)有近期活動(dòng)現(xiàn)象。場(chǎng)區(qū)除存在以上斷層，未發(fā)現(xiàn)其他斷裂構(gòu)造。

尾礦庫區(qū)場(chǎng)地內(nèi)可能存在的巖溶發(fā)育地段及影響范圍采用物探高密度電阻率法進(jìn)行測(cè)量。高密度電阻率法是一種陣列式電法勘探方法，野外測(cè)量時(shí)將電極（幾十至上百根）置于測(cè)點(diǎn)上即采用高密度布點(diǎn)，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，其特點(diǎn)是一次性布置好測(cè)線電極，可以進(jìn)行多種裝置的測(cè)量。其測(cè)量方式主要選用溫納等比裝置即儀器的1α裝置，同時(shí)配套偶極—偶極（即2β裝置），測(cè)量點(diǎn)距10 m。使用該儀器野外工作的示意圖2所示。

尾礦庫場(chǎng)地巖溶物探高密度電阻率法檢測(cè)工作共完成7條測(cè)線剖面，各條測(cè)線的平面位置情況如圖1所示。7條剖面總長(zhǎng)合計(jì)3 450 m，有效測(cè)點(diǎn)數(shù)總計(jì)352個(gè)。每條測(cè)線剖面反演解釋斷面成果圖的特征描述見表1。

經(jīng)過對(duì)每條測(cè)線剖面的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、壞點(diǎn)刪除和地改修正等預(yù)處理后，采用二維高密度電法專業(yè)軟件——2DRES進(jìn)行反演分析和斷面成果圖輸出，輸出成果圖如2～4所示。

庫區(qū)巖溶測(cè)量結(jié)果：庫區(qū)巖層以中～厚層狀隱晶質(zhì)石灰?guī)r為主，巖溶不發(fā)育，未見大的溶洞及落水洞，但地表基巖中見有溶溝、溶蝕裂隙等巖溶形態(tài)，溶孔一般沿風(fēng)化裂隙和層面發(fā)育。

（1）溶溝：庫區(qū)范圍內(nèi)局部見到，溶溝多表現(xiàn)為溝脊相間的溝槽形態(tài)，一般發(fā)育于中～厚層結(jié)晶石灰?guī)r中，裸露于地表，為順坡向，由地表水長(zhǎng)期沖蝕而形成，長(zhǎng)數(shù)米，寬0.04～0.10 m，溝深0.03～0.08 m，為雨水向溝中匯集的通道。構(gòu)造裂隙對(duì)溶溝的發(fā)育有一定的控制作用。

（2）溶蝕裂隙：尾礦庫的底部原始地貌為沖溝溝谷，場(chǎng)地底部未出現(xiàn)陷落現(xiàn)象，巖石埋藏深。庫底主要由含礫粉質(zhì)粘土組成，未揭露到土洞。環(huán)庫區(qū)檢測(cè)到1個(gè)巖溶漏斗（3#巖溶發(fā)育區(qū)）和3個(gè)中低阻軟弱層，地表位置都在砂灘面之上。巖溶漏斗發(fā)育區(qū)在地表開口，地面漏斗的直徑約為6 m，往深部發(fā)展，在地面以下約6 m處變?yōu)橹睆郊s30 cm的巖溶管道。經(jīng)地球物探測(cè)試，該巖溶漏斗主要向較深部發(fā)展，規(guī)模不大，由巖溶管道與埋藏深度在15 m巖溶發(fā)育區(qū)相連，巖溶發(fā)育區(qū)寬度約5 m，高度約5 m，推測(cè)主要填充物為土石混合物，其頂板埋深15 m。中低阻軟弱夾層1（1#、2#巖溶發(fā)育區(qū)）埋深在15 m以下，中低阻軟弱層2（4#巖溶發(fā)育區(qū)）和中低阻破碎層3（5#巖溶發(fā)育區(qū)）埋深均在40 m以下。

3 巖溶區(qū)與加高擴(kuò)容相互影響分析

根據(jù)對(duì)庫區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)的測(cè)量，其最小埋深15.0 m，對(duì)該巖溶頂板進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，現(xiàn)狀條件下尾礦庫庫區(qū)未出現(xiàn)巖溶塌陷，尾礦庫庫區(qū)基礎(chǔ)穩(wěn)定性較好，考慮到尾礦庫后期運(yùn)行尾砂將增高6.0 m，作用在巖溶發(fā)育區(qū)的荷載增加，設(shè)計(jì)在西南角布置排洪系統(tǒng)，需復(fù)核尾礦庫后期運(yùn)行時(shí)庫區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)的穩(wěn)定性。

對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)穩(wěn)定性復(fù)核分析選取了2個(gè)典型剖面，1#典型剖面計(jì)算模型如圖5所示，計(jì)算所選力學(xué)參數(shù)由工勘提供，計(jì)算中將尾砂、巖溶軟弱夾層、圍巖這些不同的力學(xué)屬性的介質(zhì)視為各向同性的彈塑性連續(xù)介質(zhì)。屈服條件采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則：

式中規(guī)定壓應(yīng)力為正；σ1、σ3為第一、第三主應(yīng)力；c、?分別為礦巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

經(jīng)計(jì)算尾礦庫后期尾砂堆積加載6 m后，尾礦庫庫區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)位移分布如圖6、圖7所示。

（1）1#、2#巖溶發(fā)育區(qū)離尾砂表面較近，尾礦庫后期尾砂增高后，兩區(qū)域豎直向位移為8.8 cm，2區(qū)域周圍圍巖和巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi)的位移量相當(dāng)。

（2）3#巖溶發(fā)育區(qū)豎直向位移量為5.5～8.5 cm，3#巖溶發(fā)育區(qū)豎直向兩側(cè)圍巖豎直向位移量4～8 cm，在豎直向位移量呈梯度的減小。

（4）4#巖溶發(fā)育區(qū)豎直向位移量為6～8.9 cm，4#巖溶發(fā)育區(qū)兩側(cè)圍巖豎直向位移量6.0～8.9 cm。

（5）5#巖溶發(fā)育區(qū)最大豎直向位移發(fā)生在巖溶頂部處，約為9.8 cm，巖溶發(fā)育區(qū)兩側(cè)圍巖豎直向位移量為7.0～9.0 cm，在豎直向位移量呈梯度的減小。

（6）尾砂堆積后尾砂沉積量約為8.9～10.0 cm，尾砂與巖溶發(fā)育區(qū)沉降貫通，但在巖溶發(fā)育區(qū)底部位移量較小，位移沉降沒有擴(kuò)大的趨勢(shì)，且?guī)r溶發(fā)育區(qū)周圍位移分布比較均勻，對(duì)周圍巖體影響較小，經(jīng)計(jì)算后期增高尾砂6 m后，尾礦庫庫區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)水平位移不超過1 cm，即影響巖溶發(fā)育區(qū)穩(wěn)定性主要是來自于豎直向的位移。

尾礦庫后期增高尾砂6 m后，各巖溶發(fā)育區(qū)位移相對(duì)較小，且對(duì)周圍圍巖影響較小，巖溶頂板強(qiáng)度能滿足要求，不會(huì)出現(xiàn)巖溶塌陷現(xiàn)象，對(duì)新建排洪系統(tǒng)影響較小，排水井可布置于庫區(qū)西南角。

采用瑞典圓弧法對(duì)最終尾砂堆積標(biāo)高條件下，正常工況和洪水工況2種工況尾礦壩的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖8、圖9所示。

通過分析尾砂加載作用對(duì)底部巖溶區(qū)的影響可知，最終堆積標(biāo)高+304.0 m的尾礦壩在正常工況、洪水工況下的壩體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.266、1.176，均能滿足規(guī)范要求，即巖溶區(qū)對(duì)尾礦庫加高擴(kuò)容工程壩體穩(wěn)定性的影響在規(guī)程、規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4 巖溶發(fā)育區(qū)治理

為防止發(fā)生滲漏塌陷等安全事故，對(duì)已揭露的巖溶漏斗進(jìn)行封堵，對(duì)已查明的巖溶發(fā)育區(qū)采取防滲處理。

（1）巖溶漏斗封堵。對(duì)已探明的巖溶漏斗進(jìn)行封堵，封堵措施如下：將巖溶漏斗6.0 m以上的覆蓋層開挖清除，再繼續(xù)開挖2.0 m，將揭露出的巖溶管道采用塊石填堵，塊石粒徑為0.5倍孔徑，填平后采用灌漿密實(shí)，留設(shè)DN100鋼管通氣口至地表，在此基礎(chǔ)上采用厚0.5 m鋼筋混凝土蓋板封堵，蓋板周邊采用混凝土密實(shí)，然后采用塊石回填至原底面標(biāo)高，鋪設(shè)0.3 m砂礫石、800 g/m2復(fù)合土工膜，最后回填0.3 m山體土，以保護(hù)土工膜不受破壞。具體封堵措施見圖10所示。

（2）巖溶發(fā)育區(qū)防滲。根據(jù)庫區(qū)存在巖溶特征和巖溶區(qū)與加高擴(kuò)容相互影響分析，繼續(xù)堆存尾砂對(duì)場(chǎng)地的穩(wěn)定性無影響，為防止尾礦水在此區(qū)域發(fā)生滲漏，對(duì)最終堆積標(biāo)高+304.0 m的尾砂淹沒范圍進(jìn)行防滲處理，對(duì)剩余6 m的堆存高度淹沒區(qū)進(jìn)行防滲處理，環(huán)庫長(zhǎng)約850 m，平均坡度按1∶2考慮，防滲面積約10 200 m2，施工工序如下：將環(huán)庫毛石平整，鋪設(shè)0.3 m砂礫石+800 g/m2復(fù)合土工膜，并回填0.3 m山體土，以保護(hù)土工膜不受破壞。

5 結(jié)論

（1）采用物探高密度電阻率法對(duì)尾礦庫區(qū)場(chǎng)地內(nèi)可能存在的巖溶發(fā)育地段及影響范圍進(jìn)行了測(cè)量，庫區(qū)巖層以中～厚層狀隱晶質(zhì)石灰?guī)r為主，巖溶不發(fā)育，但地表基巖中見有溶溝、溶蝕裂隙等巖溶形態(tài)，溶孔一般沿風(fēng)化裂隙和層面發(fā)育。

（2）尾礦庫后期增高尾砂6 m后，各巖溶發(fā)育區(qū)位移相對(duì)較小，對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)周圍圍巖影響較小，巖溶頂板強(qiáng)度能滿足要求，不會(huì)出現(xiàn)巖溶塌陷現(xiàn)象，對(duì)新建排洪系統(tǒng)影響較小，排水井布置于尾礦庫庫區(qū)西南角可行。

（3）巖溶區(qū)對(duì)尾礦庫加高擴(kuò)容工程壩體穩(wěn)定性的影響在規(guī)程、規(guī)范要求范圍內(nèi)，本次尾礦庫加高擴(kuò)容方案可行。

（4）為防止發(fā)生滲漏塌陷等安全事故，對(duì)已揭露的巖溶漏斗和已查明的巖溶發(fā)育區(qū)分別進(jìn)行封堵和防滲處理，并提出了具體措施。