排滲設施部分失效下的尾礦庫放礦滲流分析

滿健銘，沈振中，林 杰，楊 超

(河海大學 水利水電學院，南京 210098)

尾礦庫的長期運行過程中，由于受到物理、化學、生物因素的影響，排滲設施經常出現因淤堵而失效的現象。當排滲設施失效時，若不采取相應的措施，壩體內部排水不充分，將會發生滲流破壞現象，最終導致潰壩的發生。事實證明，如果尾礦庫潰壩，可能會產生極其嚴重的后果，對下游人民的生命財產安全、工農業生產及環境等造成不可估量的破壞。

許多學者將排滲設施失效作為尾礦庫潰壩的誘因進行分析，總結出相應的經驗，并提出治理措施[1-4]。楊春和等[5]從多方面對鉛鋅尾礦庫的排滲系統淤堵失效機理進行了試驗研究，在上游式尾礦庫中，不同高程的排滲設施是根據堆積高度先后布設的，這就使得排滲系統在運行過程中出現部分失效的情況。梅聰等[6]在分析尾礦庫滲流場時，對排滲系統部分失效的情況進行了一定的研究，但并沒有考慮放礦對尾礦庫滲流場的影響。放礦是整個礦山生產中的一個重要環節，尾礦庫的滲流場會因礦漿中的水入滲而發生改變。因此，有必要在排滲系統部分失效條件下，對尾礦庫放礦時的滲流場進行研究分析，這對礦山企業的安全生產具有重要的現實意義。

針對這一問題，本文以某鉬礦尾礦庫為例，應用滲流有限元分析理論，建立尾礦庫準三維模型，研究特定條件下放礦量對尾礦庫滲流場的影響，分析其影響規律，為尾礦庫的建設運行、礦山企業的安全生產提供參考依據。

1 工程概況

河南省某鉬礦尾礦庫工程，采用上游法筑壩，設計堆積標高為1 319 m，堆積高度為199 m，平均堆積邊坡1∶5.0，總庫容4 019.1×104m3，為二等庫。為降低堆積壩體浸潤線，在初期壩頂以上每隔8 m高程設置壩體排水席墊排滲層。根據工程地勘資料及設計資料，結合上游法筑壩沉積規律，將堆積壩壩體分為五個區域[7]，壩體剖面見圖1，由下往上依次為①尾黏土、②尾粉質黏土、③尾粉土、④尾粉砂、⑤尾細砂。

圖1 尾礦庫材料分區Fig.1 The material partition of tailings pond

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

采用飽和-非飽和滲流理論來計算尾礦庫滲流場。取設計最大剖面為控制斷面，壩軸線向長度為100 m，建立準三維有限元模型，將尾礦庫初期壩和堆積壩以及壩基相對透水地層作為計算范圍。采用控制斷面超單元自動剖分法[8]，生成超單元網格，進而進行加密剖分。加密后計算模型結點數為21 042個，單元總數為17 055個。有限元計算模型見圖2。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

根據《尾礦設施設計規范》(GB50863-2013)規定，級別為二等的上游式尾礦庫堆積壩最小干灘長度為100 m，出于安全運行考慮，計算取干灘長度為150 m，對應的庫頂水位為1 316.75 m。考慮放礦入滲的尾礦庫滲流計算，邊界類型分為已知水頭邊界、不透水邊界、出滲邊界和放礦入滲邊界四類。已知水頭邊界包括上游水位淹沒的堆積壩壩面、河道等；不透水邊界為滲流計算模型截取邊界面；出滲邊界包括堆積壩下游壩面、初期壩下游壩面；放礦入滲邊界為堆積壩壩頂至集水池水位之間的上游壩面。

2.2 計算參數

排滲設施即排滲席墊部分失效的最直觀體現為滲透系數的降低。根據排水席墊的規格、工程經驗及現場試驗對排水席墊的滲透系數進行取值。通過降低排滲設施的滲透系數，模擬工程中由于淤堵而導致的排滲設施失效問題，將排水席墊滲透系數降低為原滲透系數的0.8倍與0.5倍，分別命名為排滲席墊Ⅱ與排滲席墊Ⅲ。參考工程地勘資料、相近工程資料并查閱文獻，確定用于計算的各材料滲透系數、給水度及儲水系數，如表1 和表2 所示。

表1 尾礦庫材料滲透系數

表2 尾礦庫基本材料給水度及儲水系數

不考慮地形的影響，放礦視為均勻放礦，且假定礦漿在整個壩面上均勻擴散。計算壩頂長度為100 m，約為總壩頂長度的10%，采用均化方法，將放礦流量按計算壩頂長度所占比例折算成計算放礦流量，而后換算成水量，最后得到放礦強度。設計放礦規模為2 395.03 m3/h，放礦濃度為30%～35%，這里取33%。考慮到在礦山企業生產過程中，存在為滿足生產需求而加大放礦量，并在較長一段時間內持續放礦的情況，分析取六組不同的放礦流量，放礦歷時為持續放礦30 d，并分別記錄t=1、2、3、6、12、18、30 d時滲流場，計算工況如表3所示。

表3 放礦工況

3 結果分析

采用滲流有限元法及截止負壓法計算[9]，并繪制堆積壩剖面位勢及浸潤線分布圖。三類排水席墊排滲效果對比如圖3所示。從圖3中可以很直觀的看出，隨著排水席墊的失效，壩體內部浸潤線不斷升高。排滲席墊Ⅲ的計算結果中，浸潤線埋深已不能滿足滲流控制要求，此時需要采取強制排滲措施來保證尾礦庫安全，故下文對放礦因素的分析中，只對滿足要求的兩組參數進行分析。

圖3 排滲效果對比Fig.3 The comparison of drainage effect

放礦過程中，由于下部尾礦砂滲透系數相對較小，具有阻水效果，礦漿中的水先集中在上層透水性較好的尾礦砂中，持續放礦一段時間后，才完全下滲。隨著放礦時間的持續，壩體浸潤線不斷抬升，主要影響區域位于堆積壩壩頂。

選取兩種排滲席墊在不同放礦歷時時刻下的浸潤線，繪制設計放礦工況下浸潤線變化趨勢圖(僅截取如圖4所示主要影響區域)。

圖4 放礦主要影響區域Fig.4 The major affected area by drawing-ore

圖5 浸潤線不同時刻變化Fig.5 The change of phreatic line at different times

由圖5可知，采用排滲席墊Ⅰ堆積壩設計的放礦流量為2 395.03 m3/h時，持續放礦10 d左右，浸潤線的埋深仍能滿足滲流控制要求，相同條件下，采用排滲席墊Ⅱ，持續放礦7 d左右已無法滿足。同一放礦口，正常情況下，放礦時間不宜超過10 d，而在排滲席墊排滲效果降低時，放礦時間不宜超過7 d。為保證安全，應采用多個放礦口交替放礦。

取t=6 d時，各工況堆積壩三個高度浸潤線埋深對比見表4至表6。當放礦流量為3 395.03 m3/h時，持續放礦6 d，1 315 m處浸潤線埋深過淺，不滿足尾礦庫安全運行的滲流控制要求。越靠近放礦口，滲流場受到放礦強度的影響越大，堆積壩上部區域的浸潤線首先出現不滿足要求的情況。加大放礦量時應加強堆積壩上部的監測。

表4 標高1 255 m處浸潤線埋深

表5 標高1 285 m處浸潤線埋深

表6 標高1 315 m處浸潤線埋深

排滲席墊Ⅱ在6個放礦工況中，放礦強度越大，浸潤線抬升得越快，到達滲流控制浸潤線高度的時間也越短。而工況5與工況6中，浸潤線埋深幾乎沒有變化，這是由于放礦強度超過入滲強度，礦漿中的水部分滲入堆積壩內，另一部分直接匯入庫中，此時放礦強度對壩體內部滲流影響較小，主要影響尾礦庫干灘長度，應注意監測，以保證尾礦庫安全運行。

4 結論

1)排滲席墊滲透系數降為0.8倍，仍然能滿足尾礦庫的安全需求，但需要加強監測；降為0.5倍，不滿足滲流控制要求，需采取強制排滲措施來保證尾礦庫安全。

2)排滲席墊滲透系數降為0.8倍，設計放礦強度下持續放礦7 d左右，已不能滿足滲流控制要求，加大放礦強度不應超過5 d，放礦時應采用多個放礦口交替放礦。

3)越靠近放礦口，滲流場受到放礦強度的影響越大，加大放礦量時應加強堆積壩上部的監測。放礦強度超過入滲強度時，礦漿中的水部分滲入堆積壩內，另一部分直接匯入庫中，導致干灘長度減小。