淺談尾礦庫排洪系統的封堵方法

何明亮

（長春黃金設計院有限公司，吉林長春 130012）

在礦山企業運行期間，尾礦庫是十分重要的一項生產設施，并且也是礦山企業的基本污染源和重大危險源。尾礦庫配套的排洪系統的主要作用就是排出庫區匯水面積范圍內的大氣降水、尤其是大暴雨條件下的產生的洪水，防止庫水位漫頂發生潰壩等嚴重安全事故和環境風險，次要作用就是排泄尾礦庫回水返回選廠生產、重復利用，降低選廠新水用量。尾礦庫排洪構筑物達到運行年限和一定高程后，需要進行封堵，封堵的位置和質量決定了尾礦庫的安全狀態。本文依照尾礦庫安全運行的實際條件，提出了庫區排洪系統封堵體位置的選取，以及具體的排洪系統封堵方式。

1.尾礦庫防洪系統概況

尾礦庫在礦山企業中占據著重要的地位，基于尾礦庫防洪系統穩定運行的基礎上，應當使尾礦庫水質和排放標準要求相符合，及時制定出相關的防護策略，加強尾礦庫防洪力度。尾礦庫排洪系統運行狀態直接決定了經濟效益的提升，并且還必須重視尾礦庫下游環境保護力度，確保人們自身生命安全，依照實際情況和基本要求綜合性分析施工項目中的難點，勘察周圍地質情況，落實完善策略。在實施期間必須保障各項對策，實現項目施工目標，促使項目施工作業良好開展。近幾年，我國提出了有關于尾礦庫總量控制的標準，明確要求各項領域強化尾礦庫總量監督控制力度。從去年開始，尾礦庫數量原則上呈現出了只減不增的現象，并且頒布了一系列的尾礦庫信息公告制度，在地方政府以及主流媒體等網站中將年度尾礦庫數量和名稱等多項信息加以公布，進而保障尾礦庫的透明性和公開性，全社會對其全面監督[1]。

作為尾礦庫最重要的安全設施之一，排洪系統通常來講不直接參與選廠的生產，但確是整個尾礦庫安全的重要保證。從安全角度來看，做好尾礦庫的洪水計算與排洪構筑物的規劃設計是非常重要的。在城鎮、工廠和礦山都面臨著雨洪導排問題，排洪工程投入資金較高，對整個工程項目的可行性、經濟性有著直接性的影響，特別是伴隨著礦山開發的逐漸增多，礦山排洪和尾礦庫排洪工程量大，建設資金多，排洪工程設計極為關鍵，既要保證泄洪安全，又要經濟合理。但是，多年以來，礦山排洪工程設計并沒有受到全面的重視，具體表現為原防洪設計標準偏低、水文資料不完善、排水構筑物泄流流態不合理、工程沒有得到綜合利用等，這些都屬于排洪設計中常見的問題。所以尾礦庫在后續的改造和設計中應遵循現有國家標準和政策，滿足規范要求。

尾礦庫排洪系統的整體布置通常來講，分為2個部分，分別是庫外排水系統和庫內排水系統。其中，庫外排洪系統一般為攔洪壩～分洪隧洞或攔洪壩～截洪溝，庫內排洪系統為排水斜槽～排水管、排水井～排水管（或排水隧洞）或溢洪道。尾礦庫的匯水面積較大或者地形合適時，為了緩解庫內泄洪壓力，實現環保清污分流，庫周應設置截洪溝、攔洪壩、分洪隧洞等庫外排洪措施，將庫區周邊大區域的匯水面積的雨水排出庫外。對于庫內隨著尾礦漿的排放，庫水位和尾砂面逐漸升高，這就要求庫內排洪構筑物也要具備逐層封堵的能力，能夠體現這種能力的構筑物主要為排水斜槽和排水井，其中排水井分為框架式排水井、窗口式排水井和砌塊式排水井，排水斜槽分為平蓋板斜槽和圓拱蓋板斜槽。當庫區洪峰流量較大、調洪庫容較小、尾砂堆高較高時選擇排水井泄洪；當庫區洪峰流量小，調洪庫容較大、尾砂堆高底時選擇排水斜槽泄洪。

2.排洪系統封堵事故類型

排水系統封堵因根據不同的構筑物選擇不同的封堵方式、封堵位置和封堵措施，如封堵處理不當，必然會留下安全隱患，可能會引起安全事故。以下為排水構筑物常見的封堵事故類型。

其一，排洪井筒頂部封堵。以某地區的尾礦庫舉例說明，該尾礦庫建設時間為20世紀60年代，尾礦庫排洪系統主要是采取排洪井和排水管形式，經過10多年運行以后停止，在尚未對新尾礦庫進行建設的情況下決定開啟該尾礦庫，持續加高堆積壩體，新建二期排洪系統，同時封堵一期排洪系統，封堵位置處于排洪井筒頂部。當加高擴容快要完成的情況下排水井周邊發生了塌陷坑，塌陷深度達為30m，直徑是60m，尾礦大量流失現象極為嚴峻。通過現場清理，相關分析后確定，產生該種現象的主要原因是因為井座上部井筒預制拱板受壓，超過極限強度出現斷裂引起的。

其二，排水管封堵體位置不合理，排水設施破裂引起堆積壩體塌陷，出現管涌破壞。某尾礦庫于1960年建設完成，初期壩為土壩，堆積壩為尾砂筑壩，廢棄的排水管僅進口封堵。隨著尾砂堆高，排水管因壓力增大、地基沉降加劇導致破裂，大量尾砂沿排水管泄出，堆積壩凹陷管涌破壞。

其三、排水隧洞封堵長度不足或頂拱未回填灌漿引起尾砂泄露。隧洞封堵體與山體的摩擦阻力承受著尾礦漿的水平推力。當封堵長度不足，封堵體嵌入山體深度較淺，頂拱未灌漿或灌漿不密實時，隨著庫內尾砂的逐漸堆高，封堵體可能會被推動，或者封堵體與山體縫隙擴大，導致大量尾砂泄露，引起環境污染。

其四、框架式排水井、窗口式排水井和排水斜槽預制擋板或堵頭安裝不合理，未進行邊縫灌漿封堵嚴實，導致礦漿沿縫隙滲入排洪系統內，隨著尾砂堆高，縫隙處壓力逐漸加大，滲漏量增加，回水跑混，嚴重時將導致擋板結構損壞，形成尾礦庫安全事故。

3.排洪系統封堵的位置選擇應考慮的因素

尾礦庫是礦山企業的重要設施，屬于人為堆積形成的一座高位泥石流危險源，也是周邊環境污染源，目前被法律、法規方面認定為是非煤礦山的重大危險源之一。排洪系統作為尾礦庫的重要安全設施，不管是否封堵，都應確保其安全運行，如發生事故能否及時處置也決定了企業的應急處理能力。上游式濕排尾礦筑壩的尾礦庫，運行成本較低，技術成熟，安全可控，監管方便，因此在我國被大范圍采用。上游法尾礦庫應用過程需要不斷進行壩體增高，為了將庫內洪水排出，一般情況下，需要按階梯狀設置多個排洪系統，新排洪系統在啟用的基礎上對老排洪系統進行封堵。老排洪系統隨尾礦庫不斷增高而被埋于庫內，自身承受的荷載不斷增加，排洪系統封堵工程因為作業空間狹小、專業施工隊伍較少且工程質量驗收困難，因此國內尾礦庫因老排洪系統封堵不到位誘發的后期破損事故頻繁出現，排洪系統破損往往引發跑砂、漏漿事故，進而威脅尾礦庫整體安全及造成環境污染事故[2]。

尾礦庫老排洪系統發生破損事故后，面對與壓力作用下庫內飽和尾礦堆積體通過破損部位沿排洪通道逐漸朝著下游擴散，伴隨著時間推移破損部位越沖越大，庫內尾礦堆積體向下游滲漏量也逐漸累積增加，并延伸至壩體部位，進而形成了嚴重安全與環保事故。對于發生老排洪系統破損事故的尾礦庫來講，研究并采取可靠方法在最短時間內安全可靠的展開破損封堵，這也是在防止事故對尾礦庫安全的影響及對下游造成的人民生命財產安全、環境污染的重要措施。

排水系統的封堵設施布設于上游迎水面和下游臨空面之間，結合具體的排水構筑物的特點，明確封堵設施的基本位置，并且從尾礦堆積體范圍、周圍結構關聯性等多方面入手，全面判斷尾礦排洪構筑物的封堵條件。第一，上游迎水面的情況，應考慮封堵體外部尾砂最終堆高，最終水位高度，礦漿容重，周邊山體穩定性等。第二，下游臨空面的情況，封堵體至尾礦庫外之間排水構筑物的型式、強度和穩定性等。第三，封堵體周邊情況，如隧洞周邊山體滲漏，襯砌面與山體的銜接情況，排水管止水帶情況等。

4.合理選擇封堵體的類型

其一，梁板型封堵體。針對于梁板型封堵體來講，需要嚴格遵循水工混凝土結構設計規范性要求實施，應用整板現澆成預制塊，然后實施安裝作業。在井座頂應用期間，應當保持井座頂有著良好的承載長度；在隧道以及管道應用期間，結合實際情況提前預留出槽孔。一般情況下，將其應用于井座頂處永久封堵，預制擋板臨時封堵。

其二，重力型封堵體，該項類型的封堵體長度與抗剪型封堵體長度相比較來看要大于很多，因此應用較少。

其三，抗剪型封堵體。封堵體與周圍隧道襯砌、巖壁的有效接觸面積的抗剪強度來承載著封堵體迎水面的總壓力，水利部門和電力部門自身都有著相符合的水工隧洞設計規范，而且也具備合理的封堵體長度計算方式。

其四，反濾型封堵體。此種類型的封堵體包含了兩種類型，分別是透水型和防滲型兩方面。為了避免尾砂伴隨著滲水帶出以及封堵體迎水面的壓力被均勻落實于封堵體內，還需要應用反濾型封堵。

其五，膏體封堵體。在20世紀90年代初期階段，我國水泥廠生產出了高水材料，該材料水、灰的重量比例大約為3.0（具體項目的水灰比例應根據試驗確定）。在高壓狀態下，壓力坡降可以依照相應比例適當的添加粗尾砂，明確要求提升體積含水率，在這一現狀下，需要凝固速度特別快、混凝土抗滲性、增長速度非常高的低標號混凝土，該項類型的混凝土抗壓效果特別高，遠遠超出了設計填充材料的強度需求，該方法也被廣泛應用在了冶金礦山井下填充中內。井下充填料凝固時間大體上為20min左右，凝固之前的10min泵送效果極佳，自然流動坡逐漸下降，沒有毒性也沒有腐蝕性。在與充填壓力坡降相符合的基礎上摻入相應比例的粗尾砂，其中體積含水率達到97%即可，本身有著凝固速度極快、低標號混凝土抗滲性以及強度增長非常快等諸多特征，抗壓強度遠遠超出了煤礦對于充填材料強度提出的高要求。膏體在凝固前期階段中，泵送性能良好，自然流動坡逐漸下降到了1%～2%左右，但是其也存在一些缺陷性，那就是遇到陽光以及通風以后將會產生嚴重的裂縫問題，適合在全尾砂充填井下充填護壁以及尾礦庫排洪系統封堵期間（尤其是應急期間）封堵加以應用，價格合理。

其六，其他類型的封堵體。首先，對井座進行封堵處理，直接從井座中實施封堵作業，以剛性封堵方式為主，因為井座側壁內存在著孔洞，處于相關無側限時中，封堵體可能被嚴重擠壓，故封堵時必須依照實際壓力對豎向和側向封堵體的長度合理設計。另外，錐形以及拱形封堵。從實際情況來看，錐形封堵被稱之為拱形封堵，把正壓力逐漸轉換成側壓力，管壁和井壁給予一定的支撐力。

5.尾礦庫排洪封堵治理

排洪系統事故應急封堵或封堵后可能因封堵方式、封堵位置不合理，封堵長度不足引起封堵體移動、滲漏、甚至封堵體破裂引起尾砂泄露，致使環境污染，壩體滲流管涌破壞。企業應根據庫區排洪構筑物的型式和封堵型式，編制事故應急預案，以準確及時處理排洪系統應急封堵和封堵體安全隱患。

（1）排水隧洞封堵體漏漿。對于庫區排洪設施采用排水井（斜槽）～排水隧洞的排洪方式，封堵體的位置一般選在隧洞內，受山體埋深應力分散的保護，不受尾砂堆高的影響。該種封堵方式就是在隧洞設計的封堵長度內，采用混凝土澆筑將至滿，待混凝土凝固收縮后，如不進行頂拱灌漿，封堵體不接隧洞頂端，容易形成尾砂滲漏通道，且與山體接觸面減少，抗滑穩定性降低，封堵體上游受壓可能會被推移。故在排水隧洞封堵時應預留灌漿孔，待封堵體凝固后壓力灌漿，如在尾礦庫運行過程中已封堵的隧洞礦漿滲漏，可以采取鉆孔注漿的方式加強封堵。

（2）壩下排水管破裂，影響壩體穩定。壩下排水管廢棄封堵后，隨著庫內尾砂的增高，依然受到的尾砂壓力越來越大，如果選擇的封堵位置不合理，排水管破裂時，泥漿可能通過該處泄流至下游，導致壩體或庫區塌陷，故排水管的封堵方式和位置的選擇極為重要。一般來說，排水管封堵的位置主要為進水口和出水口，中間封堵難度大且不利于尾礦庫安全。對于因排水管破裂導致庫區尾砂泄露，壩體沉陷，浸潤線埋深變淺的尾礦庫，應首先對庫內排水管的入口和出口進行封堵，壩面凹陷土石料充填，塊石壓坡，必要時應采取水平排滲或豎向排滲降低壩體浸潤線，并進行工程地質勘察和穩定性分析，確保尾礦庫處于正常運行狀態。

6.結語

從以上論述來看，尾礦庫排洪系統封堵前應根據現狀條件選擇合理的封堵方法或措施，了解到封堵位置是否符合標準要求，由于尾礦堆積壩的不斷上升是一個長期的漸進過程。因此，進水構筑物的封堵也是一項長期的、細致認真的安全管理過程。所以，需要選擇合理的封堵方式，杜絕尾礦庫封堵風險，在保證施工人員安全及尾礦庫今后正常運行的基礎上盡可能使方案簡便易行、造價低廉，以此達到永久性封堵的目的。