德兴铜矿尾矿库“头顶库”隐患治理

李晓弯

（江西铜业集团有限公司 德兴铜矿，江西 德兴 334200）

1 引言

人工构筑拦截谷口或围地而成的、被用于贮存金属、非金属矿山矿石经选别后排出的尾矿或其他工业废渣的场所通常被称为尾矿库［1-2］。尾矿库具有保护环境、充分利用水资源及保护矿产资源的作用，是矿山生产必不可少的人造构筑物，它的安全与稳定对矿山企业的正常生产和运营起到了至关重要的作用［3-4］。“头顶库”是指下游不大于1km距离内有居民或重要设施的尾矿库［5］。由于尾矿库本身属于人造高势能危险源，尾矿库一旦失事，发生溃坝或尾砂泄露，将给周边环境及下游居民或重要设施造成巨大灾难及严重损失［6-7］，因此，对于尾矿库“头顶库”亟待进行综合治理。由于德兴铜矿4#尾矿库拦砂坝坝脚约440m为杜村石墩头村，距拦砂坝坝脚约1300m为杜村墩上村，因此4#尾矿库被认定为“头顶库”。本文针对4#尾矿库“头顶库”治理给出了德兴铜矿治理方案，为其他企业尾矿库“头顶库”治理提供经验参考。

2 4#尾矿库现状概述

4#尾矿库位于江西省德兴市海口镇杜村西源大沟内，属于山谷型尾矿库。尾矿库汇水面积为14.3km2。最终堆积标高为280m，总坝高208m，总库容8.35×108m3，有效库容7.7×108m3。该尾矿库在1991年投入使用，用来贮存大山选矿厂和泗洲选矿厂排出的尾矿。4#尾矿库原设计等级为二等库。目前4#尾矿坝已经堆至标高280m，滩顶标高约为270m。

2.1 尾矿坝

4#尾矿库总坝高208m，后期坝采用中线式尾矿筑坝法筑坝。

2.1.1 初期坝

初期坝为不透水堆石坝（粘土斜墙堆石坝）。初期坝位于现状尾矿坝轴线中部，坝轴线与后期坝最终坝轴线呈15.70°夹角。初期坝坝顶标高为110m，坝高为38m，坝顶宽10m。坝体上游坝面在100m标高和85m标高各设一个2m宽马道，上游坝面坡比从上至下依次为 ：1∶2.0、1∶2.5和1∶3.0。坝体下游坝面在90m标高和73m标高各设一个马道，马道宽分别为2m和1m，下游坝面坡比从上至下依次为 ：1∶2.0、1∶2.0和 1∶1.5。

2.1.2 堆积坝

尾矿堆积坝采用中线式尾矿筑坝，最终堆积坝坝顶标高为280m，堆积坝高度208m，最终坝长1248m。堆积坝下游坡平均坡比1∶3.5，坝顶宽40m。

2.2 排洪系统

尾矿库现有2套排洪系统，分别为第一排洪系统（原排洪系统）和第二排洪系统（新增排洪系统），2套排洪系统互为备用，均布置在尾矿库左侧山坳内。第一排洪系统采用斜槽+隧洞+泄槽型式，第二排洪系统采用斜槽+隧洞+涵洞+隧洞+明槽型式，明槽出口与第一排洪系统泄槽相连。

2.3 回水设施

大山选矿厂回水设施位于尾矿库库尾东侧，紧邻大山选矿厂，包括库内回水浮船及岸边

回水泵站。泗洲选矿厂回水设施位于尾矿库西侧中部山坳内，包括取水斜槽+隧洞+自流槽+静压管+自流槽。

2.4 安全监测设施

4#尾矿库安全监测设施监测内容包括：浸润线、库水位、干滩和日常巡视检查等。

3 尾矿库“头顶库”治理方案

根据国家安全监管总局下发《遏制尾矿库“头顶库”重特大事故工作方案》的通知，头顶库的综合治理可以采用隐患治理、升级改造、闭库及销库、尾矿综合利用和下游居民搬迁等五种治理方式一种或几种并用的方式进行治理。针对4#尾矿库实际情况，确定采用的治理方式为升级改造。

3.1 升级改造的具体措施

根据国家安全监管总局下发《遏制尾矿库“头顶库”重特大事故工作方案》的通知，升级改造分为提等改造、工艺改造和强化保障，根据4#尾矿库的实际情况，4#尾矿库升级改造进行了提等改造和强化保障两种形式并用，最终保证4#尾矿库的总体安全。

3.1.1 提等改造

4#尾矿库依据原《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90）按二等尾矿库设计并按二等库设防。截至2016年，尾矿坝高达到198m，全库容达到5.6亿m3。4#尾矿库设计总坝高208m，总库容为8.35亿m3，根据2013年颁布的《尾矿设施设计规范》（GB50863-2013）尾矿库的等别已经达到一等库。

为了提高4#尾矿库防排洪能力和坝体稳定性，提高抵御事故风险能力，对4#尾矿库进行提等改造，即由原来二等尾矿库提高为一等尾矿库；考虑到4#尾矿库坝高高，库容大，尾矿库在提高至一等尾矿库的前提下，按一等尾矿库设计等级上限进行改造。

3.1.2 强化保障

具体采取的治理工程措施如下:

（1）增设排洪设施。为了提高4#尾矿库防排洪能力，提升抵御安全风险能力。在4#尾矿库设置2套排洪系统，2套排洪系统互为备用。

（2）降低坝坡比。4#尾矿库原设计外坡平均坡比为1∶3，此次治理后，外坡平均坡比由1∶3降低至1∶3.5，通过降低坝坡坡比可以提高坝体稳定性。

（3）完善尾矿坝外坡排洪设施。为解决4#尾矿库大坝两侧截、排洪问题。在大坝东侧最终坝体淹没线以上修筑“水路两用”公路，平时用做永久性上坝公路，汛期兼当截洪沟使用，尾矿坝外坡排洪设施完善后，减少了坝面上的水量，有利于控制坝坡的冲刷，保证坝坡的安全。

（4）增设在线监测设施。通过安装在线监测系统，可提高4#尾矿库安全保障水平和事故预警能力，监测内容包括浸润线、干滩、库水位、降雨量、渗流量及重要场所的视频监控。

（5）外坡植被恢复。从140m马道平台至280m马道平台外坡植被恢复面积为0.52km2，促进生态环境友好发展，进一步提高外坡稳定性。

4 尾矿库“头顶库”治理后稳定及排洪能力校核

4.1 坝体边坡稳定性分析

（1）计算标准。4#尾矿库升级改造后，尾矿库变为一等库，尾矿坝级别为1级。坝坡抗滑稳定分析按一等库标准进行复核。

（2）计算参数选取。依据勘察报告资料并结合工程经验对强度指标进行折减，本次坝体稳定性计算分析各土层物理力学指标具体值见表1。

表1 各土层物理力学参数

（3）计算工况。按照《尾矿设施设计规范》（GB50863-2013）要求，尾矿坝稳定计算考虑正常运行、洪水运行及特殊运行三种条件，本次计算选择现状坝体最不利剖面进行稳定计算，计算采用有效应力法，考虑尾矿坝为1级坝，计算方法同时采用简化毕肖普法和瑞典圆弧法。现状坝顶标高280m，沉积滩滩顶标高270m，坝顶宽45m，沉积滩坡度按1∶200，坝外坡平均坡比为1∶3.5。

（4）计算结果。见表2。

表2 坝坡抗滑稳定计算结果

根据计算结果分析，尾矿坝外坝坡在正常运行、洪水运行和特殊运行条件下，坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于规范规定值，表明尾矿坝能够满足各运行条件下坝坡抗滑稳定的要求。

4.2 防洪计算

4.2.1 防洪标准

4#尾矿库坝顶标高280m，坝前滩顶标高为270m，尾矿坝坝高为198m，尾矿库总库容为6.15×108m3，现状4#尾矿库属于一等库，主要构筑物等别为一级。原排洪系统设计防洪标准为1000年一遇，本次复核防洪标准取5000年一遇，并用PMF进行校核。见表3。

表3 尾矿库防洪标准

4.2.2 洪水计算

（1）计算参数。根据《江西省暴雨洪水查算手册》（2010年版）洪水计算具体参数见表4。

表4 不同频率最大24小时降雨量

根据地形图量测，4#尾矿库库区汇水面积为14.3km2，主河槽长度L=5.0km，主河槽坡度为J=1.0%。

（2）计算结果。洪水计算方法采用《江西省暴雨洪水查算手册》（2010年版）推荐的推理公式法计算得到的洪水过程线见图1。

表5 不同频率的洪峰流量及24小时洪水总量

图1 5000年一遇和PMF洪水过程线

4.2.3 排洪系统泄流能力计算

4#尾矿库现有两套排洪系统，现阶段主要为第二套排洪系统。排洪系统布置参数如表6。排洪系统排水构筑物泄流能力计算曲线见图2。

表6 排洪系统布置参数表

图2 排洪系统泄洪能力曲线

4.2.4 调洪演算

针对5000年一遇防洪标准，结合上述调洪库容、排洪设施的泄流能力，根据水量平衡法对各运行期进行调洪演算，并且用PMF对各典型运行期进行校核。调洪演算结果详见表7。

表7 尾矿库各运行期调洪演算结果

根据调洪演算结果可以看出，当发生设计及校核标准的洪水时，防洪安全超高和干滩长度均能满足规范《尾矿设施设计规范》（GB50863-2013）最小安全超高和最小干滩长度的要求。因此，保证汛前控制水位、最小干滩坡度满足要求，则设计排洪系统泄水能力可有效保证尾矿库各阶段汛期的防洪安全。

5 结语

本文论述尾矿库“头顶库”综合治理方案得到了德兴市应急管理部门的认可，并得以实施。该方案具有安全、可靠、经济等特点，且治理效果显著，进一步提高了尾矿库的安全度，对国家“头顶库”治理具有一定的参考价值。