巖溶地區排泥庫選址的探討與實踐

何同慶

(長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南 長沙 410011)

0 引言

堆積型鋁土礦是桂西北巖溶地區儲量豐富的優質礦產資源,這些礦產資源的合法有序開采、提煉,為桂西北地區經濟快速發展,做出了難以估量的巨大貢獻。

數十年的實踐表明,堆積型鋁土礦選用的露天機采、集中選洗、尾礦集中儲存,仍是最安全、最環保的生產工藝。尾礦的安全儲存,歷來是影響礦山安全生產的一個重要因素。而尾礦庫合理選址,是保障尾礦庫安全運行的前提條件。該文就巖溶地區堆積型鋁土礦濕式尾礦庫(亦稱排泥庫) 的合理選址要點,嘗試做些分析與探討。

1 現行標準規范要求

1.1 《尾礦庫安全規程》 (GB 39496—2020) 明確規定

1.1.1 尾礦庫不應設在下列地區

(1) 國家法律、法規規定禁止建設尾礦庫的區域;

(2) 尾礦庫失事將使下游重要城鎮、工礦企業、鐵路干線或高速公路等遭受嚴重威脅區域。

1.1.2 尾礦庫庫址選擇

應根據匯水面積、工程地質及水文地質、庫長、庫區周邊環境等因素,經多方案技術經濟比較綜合確定,并應符合下列要求：

(1) 匯水面積小,并有足夠的庫容;

(2) 避開不良地質現象嚴重區域;

(3) 上游式濕排尾礦庫應有足夠的初、終期庫長;

(4) 上游式尾礦庫庫底平均縱坡不得陡于20 %。

1.2 《尾礦設施設計規范》 (GB 50863—2013) 規定

1.2.1 尾礦庫不應設在下列地區

(1) 風景名勝區、自然保護區、飲用水源保護區;

(2) 國家法律禁止的礦產開采區域。

1.2.2 尾礦庫選址應經多方案技術經濟比較綜合確定,并應符合下列要求

(1) 不宜位于大型工礦企業、大型水源地、重要鐵路和公路、水產基地和大型居民區上游;

(2) 不宜位于居民集中區主導風向的上風側;

(3) 應不占或少占農田,并應不遷或少遷居民;

(4) 不宜位于有開采價值的礦床上面;

(5) 匯水面積小,并應有足夠的庫容;

(6) 上游式濕排尾礦庫應有足夠的初、終期庫長;

(7) 筑壩工程量應小,生產管理方便;

(8) 應避開地質構造復雜、不良地質現象嚴重區域;

(9) 尾礦輸送距離應短,宜能自流或揚程小。

巖溶地區排泥庫的選址,除滿足上述標準規范要求外,還應充分考慮地區巖溶的復雜程度、區域地下水系對庫址周邊環境的影響。

2 巖溶地區建庫難點與不利因素

2.1 建庫難點

2.1.1 地質構造相對復雜

巖溶地區呈峰叢-洼地地貌,地表和地下不同規模的巖溶形態發育。地表以具有封閉的負地形為主要特征,有規模較大的溶蝕洼地和規模較小的溶斗。節理裂隙縱橫交錯,溶洞、落水洞星羅棋布,溶溝溶槽石芽遍布,斷層構造帶時常穿過。

2.1.2 地下水系發育

巖溶地區,洼地內地表水不發育,一般沒有河流;但地下水系發育。地下水水平和垂直作用強烈,溶洞、落水洞多與節理裂隙、斷層破碎帶、巖溶管道及地下暗河相連。

2.1.3 村民散居

因峰叢林立的特殊地貌,桂西北山區的村民,多以直系血脈關系為群,在峰叢之間的洼地,沿坡造耕地,依泉水就近建房就居,散戶相對多,生產生活依靠泉水。

2.2 不利因素

由于上述難點的存在,相比較非巖溶地區而言,巖溶地區排泥庫的選址,存在以下不利因素。

(1) 為滿足庫容的需求,需在眾多的峰叢中,尋求相對成片或相鄰成片的洼地,洼地之間一般不通公路。選址前期,現場踏勘的工作量明顯增多,勞動強度大。

(2) 無法回避發育良好的節理裂隙、大小溶洞、落水洞、斷層等地質構造復雜或不良地質現象區域的矛盾。為防止庫址內存有超大型溶洞或落水洞,在查閱工程地質報告的同時,查明溶洞、落水洞的工作投入明顯增加。

(3) 需要對周邊大范圍地下水系進行深入了解,掌握庫址周邊地下水系的流量、走向及周邊居民生產生活用水現狀。以便評判排泥庫建設后對周邊的影響。

3 庫址選擇的探討與實踐

為滿足巖溶區礦山建設的需求,如何選擇排泥庫的庫址,筆者與同仁在30 年來工作中,進行了一系列的設計探討與工程實踐。

3.1 努力尋找巖溶相對不發育區域為庫址

選址,應盡可能在收集礦山周邊區域地質構造、水文地質資料和已有工程資料的基礎上進行。

巖溶地區,即使是在同一片巖溶發育地域,不同的坐標位置,因其地形地勢位置不同,巖溶發育程度也可能存在明顯差異。因此,應努力尋找數個巖溶相對不發育的區域,作多庫址的技術與經濟對比。原則上,排泥庫選址,應力爭遠離區域性大斷裂層和地震活動區、避開巖溶發育區域;將較不發育的巖溶區域,作為庫址選擇的優選方案。

DB 縣的JW 庫、LH 庫、PG 縣的LD 庫、JX縣的LS、LD 庫的選址,均是以避開巖溶發育區域理念出發,實施多個庫址的技術與經濟比較后,選出的最優庫址方案。而JX 縣的LP 庫、LS庫和PG 縣的3 號庫,經比較后,仍存在距地震活動區或區域性斷層相對近的特性,投運后,安全環保問題突出顯現。

為查明巖溶發育狀況,選址中,地質資料應以收集到1∶20 萬的綜合地質平面圖作為基礎資料,收集分析區域地質、地形地貌和已有勘察資料,踏勘場地的地層、構造、巖性、不良地質、地下水等地質條件。

較復雜的地質情況下,應由工程地質勘察單位,做選址階段的可行性研究勘察;可研勘察的結果,在選址的技術經濟方案比較中,應明確體現。

選址中,就可能性比較大的2～3 個庫址,應進行踏勘。

選址中,對不良地質的處理方案,要充分論證其可靠性。斷層應說明是壓性斷層還是張性斷層,斷層中充填膠結情況。如果是張性斷層,排泥庫建設方案中,應單獨算足處理費用。

不良地質條件復雜的庫址,且論證也無法判斷危險程度,即使其經濟性稍好,為避免隱患,也應依“避開地質構造復雜、不良地質現象嚴重區域”的原則要求,在選址階段將其排除。

若意向庫址處于區域性斷層上,但其技術經濟優勢非常明顯,則建議在選址前,請相關地質部門(如各省地震局) 對庫區斷層活動性進行鑒定,判明該工程場地是否適合建庫,避免浪費和不合理避讓。JX 縣LD 庫的最終選址,即依據廣西地震局《斷裂活動性鑒定》“庫址內3 條區域性斷層均為早更新世斷裂,晚更新世以來不活動,可不采取避讓措施”,作出的抉擇。該庫的選擇,為業主節省投資約2 億元。

3.2 查明庫址周邊水力流向

非巖溶尾礦庫,地勢明確,山溝明顯,水文地質條件相對清晰。

巖溶地區,峰叢洼地基本無地表水系,沒有清晰的下游。降雨經溶蝕裂隙、地表溶洞落水洞等微地貌形態和洼地中上覆第四系透水覆蓋層,以集中注入、面狀滲入等形式補給地下水。

為查清地域內的水系,選址階段應以1∶20萬庫區周邊綜合水文地質圖作為基礎資料,查清庫址下游有無大型水源地、大型居民區,與下游環境敏感點是否有足夠的應急緩沖空間;查明庫區地下水與周邊區域,尤其是下游地下河出口天窗、泉眼的水力聯系關系;查清區域地下水分水嶺和相對隔水層的位置,以便選址設計中,采取技術方案處理。

在巖溶發育地區,宜對可能的庫址進行選址階段的水文地質調查,完成1∶5 萬庫區周邊綜合水文地質圖,清楚明確庫區水力流向。

對于庫址下游,有大型水源地又沒有可靠的技術手段,保證可能產生的污染物不進入水源地的情形,應依國標“不宜位于大型工礦企業、大型水源地、重要鐵路和公路、水產基地和大型居民區上游”的原則要求,放棄該庫址。

我國廣西、云南等巖溶發育地區與越南接壤,邊境的部分小河流與越南有水力聯系。在國境線附近選址,為預防出現涉外事件,準確的水文地質資料是選址的必要條件。JX 縣ND 庫選址中,就舍棄了離礦山尾礦輸送近、投資少但下游很快就到越南的庫址。

3.3 查明斷層性質,消除誘發地震因素

排泥庫建成后,庫內存有部分一定量的清水,是必然現象。分析庫內存水誘發地震的因素,有如下幾種情形：

(1) 排泥庫投運后,庫內清水,將對地層產生泥化、軟化、潤滑;應力腐蝕;熱應力;巖溶管道的水動力作用和溶解溶蝕等作用。

(2) 庫水的滲入,可導致軟弱結構面的充填膠結物軟化、泥化和潤滑,降低結構面的強度和摩擦系數,引起地層向下滑動。

(3) 庫盆中,原先已有明顯的通道或熱泉存在,蓄水后被冷水淹沒,庫內冷水能以一定的速度,通過直接的導水通道,流往高溫區,破壞原先的平衡,形成地溫高梯度帶,產生熱應力作用;×縣3 號庫2013 年6 月16 日地震后,庫面冒出42 ℃的熱水,即為這一機理的典型體現。

(4) 庫內的水,改變庫區的水文地質條件,使巖溶管道流的包氣帶中的天然狀態和洞穴的穩定性受到影響,氣爆、氣蝕等導致巖溶塌陷。

(5) 庫水通過節理裂隙破碎帶滲入,巖溶管道的溝通,使庫水沿斷層滲入地質體深部。

上述各種狀況的必備條件是,庫內冷水有明顯通道流入地下。如何有效阻止、減少大量庫存冷水集中流入地下結構體,是防止排泥庫水誘發地震的重要手段。

通過理論研究和實踐,可發現,壓性斷層、膠結好的斷層,滲水能力比張性斷層、充填膠結不好的斷層明顯降低。

選址中,應通過收集的庫址工程地質報告,詳細查明斷層、充填膠結物的性質。盡可能將庫址選擇在壓性斷層、充填膠結物好的基礎上;對無法避免的張性斷層或膠結物不好的情形,在庫址選擇方案中,應在有條件處理好的基礎上,才能作為庫址。

JX 縣的LD 庫,庫內3 條區域性斷層交叉,其中2 條為張性斷層,工程中在地表花費數千萬元處置,投入使用已近一年,未誘發地震。

3.4 將巖溶治理專項方案列入選址的工程技術經濟比較范圍

巖溶地區的埡口以下一般都有數十米深的洼地,容積本身就有近千萬方。這部分庫容是不需要筑壩的,巖溶治理的投資是工程投資的主體,在技術經濟比較中占有重要位置。而且這部分巖溶處理的成敗,決定了整個尾礦庫能否安全環保運行。它位于整個尾礦壩的底部,是整個庫的基礎,其巖溶治理專項方案必須慎之又慎,不然會給企業留下大的安全環保隱患。這方面教訓非常深刻,危及到企業的生死存亡,涉及到地方工業和經濟的安全發展。

巖溶地區,因節理裂隙發育,須采用全面防護的方式,對巖溶進行專項治理;巖溶治理,是排泥庫建設和運營中經常性的工作,這是巖溶地區建庫的一個最典型特征;而全面防護的投入明顯比重點防護高。

因巖溶治理費用大,因此,選址的工程技術經濟比較時,應對各庫址提出針對性的巖溶治理專項方案。

專項方案應包括：

(1) 溶洞落水洞隱伏土洞的淺層封堵方案,避免深層注漿造成堵塞地下河道,造成地下水淹沒其它村莊農田。

(2) 庫區邊坡的石芽溶溝溶槽裂隙堵塞方案,防止尾礦從裂隙中流出庫外污染農田。

(3) 庫底防滲透管涌措施,充分考慮既確保庫內尾礦水不對庫底土層產生管涌破壞,又能保證雨季地下水位上漲時,不對庫底進行頂托而導致的庫底巖溶塌陷,出現尾礦大規模泄漏的重大事故。

(4) 地下空腔的通氣設施方案,防止地下溶洞氣壓升高產生氣爆現象。

巖溶治理專項方案的投資,在排泥庫工程技術經濟比較中占比較大,必須保證其可靠性、合理性和經濟性。近30 年來,隨著對排泥庫認識的逐步加深,巖溶專項治理的投資也逐步加大,技術逐漸成熟。近年建設的排泥庫較10 年前,安全度已經取得顯著提高。

3.5 排泥庫下游合理位置應建設應急池

近10 年的探索與實踐表明,排泥庫選址時,同步考慮應急池建設,是保障巖溶地區排泥庫安全環保運行的重要措施。

在巖溶發育地區建庫難度大,主要原因是很難完全查清并處理每一個細小的裂隙和隱伏溶洞。偶有遺漏一直存在。由于巖溶查找和處理的周期很長,貫穿了基本建設的勘察、設計、招標、施工、管理的全過程,由誰來擔負這個責任,早期很難明確。近年,在EPC 建設模式啟發下,各單位逐漸摸索出了解決辦法。

巖溶地區排泥庫滲漏對外界的影響主要有2種形式：小的滲透和大的泄漏。小的滲透主要是邊坡的細小裂隙導致。裂隙上覆蓋土工布或土工膜,土工布或土工膜只有過濾或防滲作用,不能承受荷載。排放尾礦后,高荷載壓破土工布或土工膜,或者雨季、地震后滾石砸壞土工布,在高水壓作用下尾礦漿順細小裂隙滲流出庫外,發生尾礦滲漏。

大的泄漏主要產生在庫底和斷層帶。庫底隱伏溶洞因為上面覆蓋了土層而難以發現,溶洞內充填不結實或半充填洞內還有細小通道的隱伏土洞,用現有物探方法很難被發現。尾礦庫投用后庫內存水,高水壓通過滲透管涌作用。首先滲流帶走極細顆粒,然后帶走細顆粒,地層中孔隙變大后,滲流量、流速也會增大,攜砂能力加強,會把大顆粒帶走,地層中空隙越來越大,充填物被掏失,地層垮塌,產生大的泄漏通道。庫內尾礦通過裂隙、巖溶管道進入地下河,泄漏到下游。

砂性尾礦泄漏往往會漏成一個倒錐形大漏斗。錐底是洞口,錐頂是灘面或邊坡,錐邊坡就是尾砂的天然休止角。如早年的CZ 市CS 尾礦庫,PL 銅礦尾礦庫,LC 鉬礦尾礦庫。堆積型鋁土礦排泥庫泄漏,也會形成漏斗,如PG 縣3 號庫,JX 縣LS 庫。

生產中這些現象,威懾到排泥庫的安全環保穩定運行。在排泥庫的下游地下河出口,最近距離設立應急池,是實踐中摸索出的一個兜底、系統解決小泄漏引起大事故的保障措施。從選址開始,理論上,就將應急池作為排泥庫的一項安全環保硬件設施來考慮,可有效應對不可預見的尾礦泄漏的風險。

應急池的選點,應依賴準確的區域水文地質結果,通過示蹤方法,查明巖溶地下水從高至低的流向,考慮應急池的位置;但示蹤試驗結果是一個依據但不是唯一的依據。

示蹤試驗通常在雨季實行,巖溶地區斷層破碎帶發育,地下四通八達,雨季地下水充沛,原來包氣帶和干濕變幅帶在雨季轉為飽和,示蹤劑可能滲向次要的流向。因此需要水文勘察單位慎重分析判斷,避免誤判和浪費。建議勘察單位可在旱季補做示蹤驗證。

JX 的LS 庫2008 年投入使用后,渾水僅從坡珠泉眼冒出,2012 年在坡珠泉眼征地建設應急池后,LS 庫再也沒有對外界環境產生影響。

應急池是一個應急設施,故其容量不宜過大。可依排泥庫出口泉眼的歷史最大流量,乘以應急時間(例如7 天),來計算。若尾礦漿能夠沉淀在應急池中,就可以再乘以泄漏的最大濃度,來確定應急池容量。

必要時,可在應急池設置回抽泵房,將泄漏尾礦送回排泥庫。回抽管道可以就近利用尾礦輸送管道。

泵和管道的流量可以依地下河出口流量值的一個比值確定,但因與應急池容量統一考慮,并通過技術經濟比較確定。

4 結語

總結近30 年巖溶地區排泥庫設計與建設的實踐,排泥庫庫址選擇應從以下幾個方面來思考為宜：

(1) 在熟悉礦山周邊工程地質和水文地質資料的條件下,庫址以選擇巖溶不發育的洼地為原則。對無法避免的復雜地質構造的庫址,應經充分論證。庫址選擇須在現場踏勘的基礎上,進行技術與經濟的對比。

(2) 查明水力流向,避免選址不當,造成嚴重的污染事故。

(3) 查明斷層性質,消除排泥庫誘發地震的因素。

(4) 將巖溶治理專項方案,作為選址的一個重要項目來進行技術經濟比較。

(5) 在排泥庫下游,同步考慮應急池的位置選擇,增設安全環保的最后一道關口。

基于上述思路,隨著對巖溶地區排泥庫的認識逐步加深,充分吸取早期排泥庫建設的經驗教訓,近10 年來,已先后在桂西北巖溶發育地區,成功設計、建設數10 座大型排泥庫。如2017 年2 月建成的DB 縣LH 庫、2019 年3 月建成的JX縣ND 庫和2020 年6 月建成的JX 縣LD 庫,在選址上充分考慮了以上技術要求,這些庫投運后一直正常使用。