尾礦庫排洪隧洞與采石場開采相互影響安全性研究

朱遠樂

（1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南長沙410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南長沙，410012）

尾礦庫作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發生高頻區域［1］。目前很多尾礦庫處于服務期滿，后期面臨是否擴容以及如何進行加高擴容的問題，一般礦山企業會從兩個方面權衡而選擇進行改擴建：一是當前新建庫的審批程序和要求越來越嚴格，且由于地形條件、下游情況、征地、環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總投資的10%（庫址條件較好者）以上，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。因此在原庫址基礎上進行加高擴容以利用原有安全設施可節省一定工程費用，同時施工工期較短，有利于企業的可持續生產［2-4］。

隨著經濟的發展，目前大多數尾礦庫由于周邊環境復雜、服役期長、自身先天設計不足等原因，嚴重制約了尾礦庫的改造工程的建設，因此在尾礦庫改造工程中對尾礦庫的安全性分析顯得尤為必要。林國洪［5］以某銅礦為例分析了深部地下采礦與尾礦庫運行之間的相互影響；陳星［6］等利用數值模擬的方法開展了尾礦庫運行期潰壩對下游的淹沒和公路的撞擊研究；康永紅［7］等采用有限差分程序FLAC3D模擬地下礦體開采對地表尾礦庫的影響；胡建軍［8］采用數值模擬的方法計算現狀條件下尾礦庫下部隧洞開挖對尾礦庫的影響及尾礦庫加高擴容后堆積荷載增加對下部隧洞的影響；徐嘉辰［9］等通過爆破計算分析了公路爆破工程對附近尾礦庫正常運行的安全影響。本研究以針對湖南某鎢礦尾礦庫加高擴容工程新建排洪隧洞穿過采石場下方，開展了隧洞開挖對采石場的影響距離，采石場爆破對隧洞影響的研究，為尾礦庫的加高擴容設計及尾礦庫今后的正常運行提供對策措施。

1 尾礦庫設計及現狀概況

湖南某鎢礦尾礦庫設計服務年限為30 a，原設計最終壩頂標高500 m，總庫容為366萬m3。為滿足礦山技術改造項目的需要，對尾礦庫進行了加高擴容，由原堆積壩頂480 m加高至530 m，增加總庫容826萬m3，增加有效庫容743萬m3，總壩高為118 m，尾礦庫等級為Ⅲ等。尾礦庫的排洪系統由庫內排洪系統和庫外排洪系統聯合排洪組成。

尾礦庫庫外排洪系統采用攔洪壩—排洪豎井—排洪隧洞的排洪方式，截流面積總計6.1 km2的匯水。在原有攔洪壩以上3個支溝內新建3座小型攔洪壩，攔洪壩下接排洪隧洞，洪水通過各攔洪壩下的支隧洞匯集到主洞再排至庫外回水壩下游。

一號攔洪壩，壩頂標高570 m，漿砌石壩，壩頂寬3.0 m，上下游坡比均為1∶0.6，排洪支隧洞采用圓拱直墻型，斷面尺寸為4.2 m×4.2 m，長度828.0 m。二號攔洪壩，壩頂標高574 m，漿砌石壩，壩頂寬3.0 m，上游坡垂直，下游坡比為1∶0.8，排洪支隧洞采用圓拱直墻型，斷面尺寸為2.6 m×2.6 m，長度138.0 m。三號攔洪壩，壩頂標高601 m，碾壓土壩，壩頂寬2.0 m，上下游坡比均為1∶2.0，排洪支隧洞采用圓拱直墻型，斷面尺寸為2.0 m×2.0 m，長度218.0 m。

庫外排洪系統設防標準為1 000 a一遇，進口采用豎井模式，庫外隧洞出口設置長×寬×高=20 m×4.2 m×3 m的消力池。排洪隧洞采用圓拱直墻型，主隧洞斷面尺寸為4.2 m×4.2 m，長2 113 m，隧洞平均坡度為0.04。

排洪隧洞沿線均為灰巖區，覆蓋層厚度均較薄。各隧洞沿線巖體完整程度為基本完整，層間結合較好；圍巖類別為I類；洞體穩定性較好，一般可不作處理。但在各隧洞洞口部位圍巖類別為II類。

庫外排洪系統隧洞采用無壓均勻流計算，主隧洞為各洪峰的相應疊加，由于隧洞流速較大，全程為灰巖，抗沖能力差，現狀條件下排洪主隧洞全程采用素混凝土襯砌，局部破碎帶段采用鋼筋混凝土襯砌。

2 采石場開采概況及與尾礦庫位置關系

采石場為私營獨資企業，開采礦種為石灰巖，主要生產民用建筑與公路建設片石、碎石和建材用料。采石場礦區范圍由5個拐點座標圈定，礦區面積0.001 9 km2，開采標高+470 m～+515 m。

采石場生產區域主要集中在礦區南部，實際開采最低標高為+458 m，設計準采最低標高為+470 m，根據《小型露天采石場安全管理與監督檢查規定》（國家安全生產監督管理總局令第39號，2011），采石場存在以下安全隱患：①采石場爆破方式為淺孔爆破，不符合規定要求；②采石場實行的是“一面墻”式開采，臺階高度超過20 m，邊坡角超過設計邊坡角，沒有按設計進行開采，不符合規定要求；③沿山坡方向的露天巖石淺孔臺階爆破時，個別飛散物最小安全距離為300 m，采石場爆破點與鄉村公路和高壓線路最小距離僅120 m，不符合規程要求。

尾礦庫庫外排洪系統設計全長2 925 m，其中，距排洪隧洞出口190～340 m段隧洞位于采石場正下方，該段隧洞頂板標高為+436.3～+442.7 m，排洪隧洞頂板至采石場設計最低開采標高的高度為27.3～33.7 m。采石場生產區域主要集中在礦區南部，且大部分為越界開采，實際開采最低標高為+458 m。根據排洪隧洞與采石場采場的空間位置關系圖1，排洪隧洞頂板與采石場采場底板的垂直距離為21.7 m，水平距離為11.5 m，最短直線距離為24.6 m，礦區其他范圍均未開采，采石場現狀及設計終了邊界見圖2。

3 采石場石灰巖的力學參數實驗

采石場石灰巖的力學參數試驗進行了單軸抗壓強度試驗和單軸抗拉強度試驗。

單軸抗壓強度試驗采用250 t全數字型液壓伺服剛性巖石力學試驗系統（MTS-815型）進行。試驗時，全部試驗采用統一的加載方式，對加載系統采用軸向變形控制加載，控制加載速度為3×10-3mm/s。全部過程由計算機控制，并由計算機保存全部試驗的圖形和數據結果。

試樣直徑為φ50 mm左右，高徑比約為2∶1，單軸抗壓試驗載荷—位移曲線見圖3，單軸抗壓靜力特性試驗結果如表1。

單軸抗拉強度試驗采用圓盤劈裂方法在30 t萬能材料試驗機上進行。根據彈性力學理論，在縱向直徑平面上作用的拉應力與施加載荷P的關系可表示為

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式中，Rt為抗拉強度，MPa；P為巖石試件斷裂時所施加的最大載荷，kN；d為巖石試件直徑，mm；t為巖石試件厚度，mm。

試驗采用φ50 mm×35 mm左右的圓柱體試件，試樣厚度為直徑的0.5～1倍左右。試驗機上、下墊板的尺寸不小于試件的承壓面，其不平整度應在每100 mm不大于0.02 mm。試驗在長沙礦山研究院巖石力學實驗室的30 t萬能材料壓力試驗機上進行，試驗采用10 t型的砝碼。石灰巖抗拉強度試驗結果如表2，巖石劈拉破壞試件見圖4。

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通過巖石力學室內實驗，得到了石灰巖力學參數：容重26.46 kN/m3，抗壓強度60.19 MPa，抗拉強度5.79 MPa。

在采石場石灰巖物理力學參數室內實驗和現場工程地質調查的基礎上，通過采用RQD值分級法、RMR分級和Q系統分級，確定了采石場排洪隧洞區域內灰巖的巖體質量。灰巖巖體質量評價結果如表3所示。

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3種分級結果表明：采石場灰巖巖體質量為Ⅱ級。

4 排洪隧洞對采石場安全影響分析

排洪隧洞開挖打破了原有應力平衡狀態，在隧洞圍巖應力重新分布后，由近及遠，依次為塑性區（極限平衡區），彈性區（應力升高區），原巖應力區。根據力學理念和應力解除試驗，得到排洪隧洞開挖后，其影響范圍約為7.5～12.5 m，小于隧洞與采石場的最小距離，故排洪隧洞開挖不影響采石場的正常生產。

采用專用于地下或地表工程開挖中的應力和位移的二維有限元模擬分析排洪隧洞開挖后，圍巖的應力影響范圍，從而判斷是否對采石場后期正常生產造成影響。

以尾礦庫工程總平面圖、庫外排洪系統隧洞模板圖和采石場開采方案設計平面圖為基礎資料，建立計算模型。模型以排洪隧洞為中心，模型范圍x=0～85 m，y=0～68 m。x=0 m、85 m平面上所有節點在x方向固定，即滑動鉸支座；y=0 m平面上所有節點在x、y方向上固定，即固定鉸支座；y=67 m為自然地表，不進行約束。二維有限元計算模型和網格圖如圖5所示。

材料的本構模型采用Mohr－Coulomb模型，分別計算排洪隧洞開挖條件下圍巖的最小應力分布、最大主應力分布、位移分布、屈服范圍等，見圖6～圖9。

分析隧洞開挖后對采石場后期正常生產的影響，由圖6～圖9計算結果表明：

（1）最小主應力（壓應力）分布基本上與上覆巖層的自重應力場保持一致，隨著深度的增加最小主應力逐漸變大，并呈條帶狀向下發展。由于排洪隧洞的開挖，在隧洞周邊產生應力集中，最大壓應力值為1.5 MPa，遠小于隧洞圍巖的抗壓強度。

（2）排洪隧洞開挖后，隧洞周邊圍巖有向空區移動趨勢，在隧洞頂部、側幫和底板中部產生拉應力，最大拉應力值0.3 MPa，小于隧洞圍巖的抗拉強度。

（3）排洪隧洞開挖后，破壞了原有的平衡狀態，在隧洞圍巖應力的重新分布和自穩調整過程中，會形成一定深度范圍的塑性區（破壞區），從計算結果得出，排洪隧洞開挖后隧洞周邊的最大屈服范圍6 m以內，不會波及地表的采石場。

5 采石場爆破振動對排洪隧洞的影響分析

根據《爆破安全規程》（GB6722-2014）規定“一般建筑物和構筑物的爆破地震安全性應滿足安全震動速度的要求”，水工隧道的安全允許振速為7～15 cm/s。

爆破振動速率計算中，沿用規定中的爆破震動速度計算方法：

式中，v為保護對象所在地質點振動速度，cm/s；R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；K、α為與爆破地形、地質條件有關的系數和衰減指數，按表4選取。

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采用普氏堅固性系數來衡量巖石的堅固程度，普氏堅固性系數值采用巖石的單軸抗壓強度來確定。

式中，f為普氏堅固性系數；Rc為巖石的單軸抗壓強度，MPa。

根據巖石力學參數試驗結果，采石場灰巖的單軸抗壓強度為60.19 MPa，灰巖的普氏堅固性系數為6.0，根據普氏巖石分級表［10］，屬于較堅固巖石。K值取200，α值取1.5。

采石場設計采用中深孔露天爆破，炸藥單耗0.4 kg/t，采用微差爆破方式，同段爆破最大藥量為57.02 kg。采石場實際采用露天淺孔爆破落礦，根據類似采石場開采經驗，炸藥單耗0.5 kg/t，微差起爆方式，同段爆破最大藥量取40 kg。

采石場生產區域主要集中在礦區南部，實際開采最低標高為+458 m。排洪隧洞頂板與采石場采場底板的垂直距離為21.7 m，水平距離為11.5 m，最短直線距離為24.6 m，實際生產采場區域內爆破引起的隧洞圍巖振動速度，分別按設計中深孔爆破隧洞圍巖振動速度和實際淺孔爆破隧洞圍巖振動速度考慮。

排洪隧洞距采石場爆破點的最小距離約為25 m，設計中深孔爆破同段最大藥量為57.02 kg，爆破時引起排洪隧洞的爆破振動速度為

符合《爆破安全規程要求》的水工隧道安全振速7～15 cm/s要求。

采用露天淺孔爆破時，同段最大藥量取40 kg，排洪隧洞距采石場作業點的最小距離取25 m，爆破引起排洪隧洞的爆破振動速度為符合規程規范水工隧道安全振速要求。

采石場設計生產規模5.0萬t/a，開采標高+470 m～+515 m，中深孔分臺階開采，臺階高度10 m，臺階寬4 m，臺階坡面角60°。根據排洪隧洞與采石場設計開采境界的空間關系，當采石場按設計要求爆破時，為確保引起的隧洞圍巖振動符合規程要求，分別對采石場的最大同段爆破藥量和最小安全距離進行了計算。

采石場設計分臺階開采，中深孔爆破，最低開采標高+470 m，與排洪隧洞頂板最小距離為27.3 m，當最底部臺階爆破，引起隧洞圍巖爆破振動速度為最大安全允許速度（7～15 cm/s）時，采石場的同段最大裝藥量為

當采石場按設計最大同段藥量爆破，引起隧洞圍巖的爆破振動速度為最大安全允許速度（7～15cm/s）時，采石場最小安全距離為

6 結論

（1）采石場越界開采，未按設計要求采用中深孔爆破技術，未實行臺階式開采，采用“一面墻”式開采，高度超過20 m，爆破點距鄉村公路、高壓線路最近僅120 m，不符合規程、規范的要求，存在安全隱患。

（2）排洪隧洞開挖后，其影響范圍約為7.5～12.5 m，小于隧洞與采石場的最小距離，不會對采石場的正常生產造成影響，庫外排洪隧洞運行不影響采石場的正常生產。

（3）在目前采石場生產區域內，按設計中深孔爆破或按實際淺孔爆破時，在排洪隧洞處引起的爆破振動速度分別為12.1 cm/s、10.1 cm/s，符合規程、規范中水工隧道的安全振動速度。

（4）當采石場在礦權范圍內按設計進行開采時，3個臺階中深爆破引起的爆破振動速度滿足規程規范中的水工隧道最大安全允許速度，不會對隧洞造成安全影響，但采石場最底部臺階爆破藥量需控制在25.0 kg以內。