2、3河钢集团矿业有限公司司家营铁矿南区分公司 河北唐山 063000
摘要：当前我国大部分矿山贫化率加剧，致使尾矿堆积问题突出。尾矿库作为一座人为形成的高位泥石流危险源，在生产运行过程中，经常受到很多不确定性因素的影响，存在较多危害和事故隐患。它一旦发生事故，必将对下游地区居民的生命和财产造成巨大灾害，并对环境造成严重污染。利用煤矸石作为筑坝材料，将尾矿库建于采煤塌陷区之上，节约现有土地资源，对未来的矿山企业生产有着非常重要的意义。
关键词：塌陷区；尾矿库坝体沉降；分析
引言
尾矿库（tailing pond）是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流的危险源。在长达十多年甚至数十年的期间里，各种自然的（雨水、地震、鼠洞等）和人为的（管理不善、工农关系不协调等）不利因素时时刻刻或周期性地威胁着其安全。事实多次验证，尾矿库一旦失事，将给工农业生产及下游人民生命财产造成巨大的损失和伤害。
1工程概述
本尾矿库地处采煤沉陷区的中心地带。该库四周筑坝，为一平地型尾矿库，设计总坝高20.0m，总库容3340.0×104m3，尾矿库等别为四等。该库初期坝结构型式为煤矸石加筋复合坝体，利用特制高强土工布进行加筋，该坝体具有柔韧性和透水性，既适应沉陷区坝体的沉降变形，又有利于后期尾矿坝的排渗。堆积坝筑坝方式采用上游式池填法，尾矿堆积坝平均外坡比1∶5。
由于该库建在8度地震区和煤矿采空区的沉陷坑之上，坝体及地面的位移、变形不可避免，刚性构筑物费用太高，所以采用煤矸石填筑码头，长约610m，顶宽15m，填筑边坡为1∶1.33。在码头顶部埋设排洪钢管（D=1020mm两根），排洪钢管接钢筋混凝土预制管，最终将洪水导入天然河道。为了加强初期坝的排渗效果，在初期坝底部增设了600mm厚的排渗褥垫。为了加速库内尾矿的排水固结，西部坝体内侧采用塑料盲沟排渗，盲沟宽度5.0m，深1.0m，东部坝体内侧采用煤矸石褥垫排渗体（外包土工布），长16.0m，厚1.0m，连续铺设。
该库共设置人工位移观测点196个，起测基点8个，起测基点设置在库外塌陷区影响范围外，该库观测标点部分位移观测点遭到破坏，共设置人工浸润线观测孔84个。
2地质概况
2.1构造地质
2.1.1褶皱
区内煤系地层为石炭、二叠系。开平主向斜是本区的主要构造骨架，呈复式向斜构造。向斜的总体走向为NE向，自古冶以北主向斜走向逐渐转为东西向。开平主向斜两翼不对称，西北翼地层倾角比较大，局部顶层倒转，发育落差及走向长度较大的逆断层或逆掩断层；东南翼地层倾角比较平缓，由北往南发育轴向与主向斜轴斜交或直交的短轴倾伏褶皱构造。
区内第四系冲击层总体上是一单斜构造，走向近南北，地层倾角3°～24°。厚度呈东北薄、西南厚的变化趋势，平均厚度为130m。东北部最薄处底界标高-104.5m，西南部最厚处底标高-217m。其中，一采区第四系冲基层底界基本是一洼陷，轴部走向南西；另一采区第四系冲基层底界基本是一突起，轴部走向南南西。
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2.2.2断层
场地位于范各庄向斜和毕各庄向斜之间形成的中部单斜构造地带，地层倾角变化不大，走向NWW，倾角8°~24°。由北向南倾斜角逐渐减小，一般在15°以下。该区域以小型断裂为主，开采揭露落差1.0m的断层有60多条。
2.2地层岩性
该库尾矿堆积体进行工程地质概化分层自上而下可划分为三种类型，即尾矿堆积材料、初期坝筑坝材料和库基原始天然地层。尾矿堆积材料主要由尾粉砂以及少量尾粉土组成（尾矿砂层中局部夹尾矿土薄层，尾粉土中夹尾矿砂薄层，总体上呈现两种堆积材料交互沉积的特点）；初期坝筑坝材料主要为煤矸石；库基原始天然地层主要为粉细砂和密实粉土（隔水层）。
2.3采空区基本特征
该尾矿库场地的正下方有两个煤矿采区。根据煤矿地下采区地质剖面图，其煤层倾角在10°~14°左右，属缓倾斜煤层。库区位置的煤层倾角为14°，总体上由东向西倾。尾矿库正下方5煤、7煤、8煤、9煤、11煤、12煤和12半煤的采空区和实体煤层，煤层总厚度在16.0m左右，最小采深为230m。第四系冲击层的厚度变化于130.0~230.0m，平均厚度为180m，其下为石炭、二叠系砂岩、粉砂岩。经地质勘查分析认为，现状采空区分为两类：一类是非稳沉区；另一类是稳沉区，这一区又分为相对稳定区（即Ⅱ区）和相对不稳定区（即Ⅱ’区）。对稳沉区即老采空区的稳定性进行了详细的分析、论证及相似材料模拟实验，综合结果表明，老采空区进一步压缩的可能性存在，但压缩量有限，因老采空区所引起的地表残余变形很小。对于未来开采区域内各回采面可能产生的位移和变形进行了预计。
3工程地质勘察及坝体稳定性分析结论
（1）初期坝自建成使用至今，受库区地下煤矿采煤影响在坝体的东侧及东南侧发生过较大的沉降（沉降区域主要集中在尾矿库东侧坝体，坝体沉降量约0.2~2.1m），2012年该段坝体进行过加固处理，目前运行正常。
（2）现状堆积坝外坝坡比介于1∶3.69～1∶5.35，受库区地下煤矿采煤影响在堆积坝体的东侧及东南侧发生过较为严重的沉降，2012年该段坝体进行过加固处理，目前运行正常。堆积坝未发生过流砂、管涌、明显滑塌，堆积坝坝面干燥。
（3）现状坝体浸润线在堆积坝面以下的埋藏深度满足现行《构筑物抗震设计规范》（GB50191-2012）的最小埋深要求。
（4）在Elcentro波、Taft波和人工合成地震波作用下，其坝顶水平加速度和竖向加速度反应都不大于4m/s2，坝顶加速度放大系数小于2，表明坝体反应不剧烈；所得的最大残余变形均小于0.22m。根据现场资料，结合震后尾矿库的残余变形分析表明，震后发生残余变形后尾矿库的安全超高和干滩长度满足规范的要求；液化区均在沉积滩内，距离尾矿库坝顶较远，同时尾矿库坝体浸润面埋深较大，现状堆积标高下地震产生的液化区对尾矿库坝体稳定性影响不大。
（5）通过对现状坝体在现状正常运行、洪水运行以及特殊运行三种不同运行工况下抗滑稳定性计算分析，各剖面抗滑安全系数均满足现行规范要求。尾矿库现状坝体整体稳定性满足规范要求。
结语
该库已进入运行后期，现状安全监测设施虽能对坝体位移实施监测，但是观测数据间缺乏互相校核，且有部分位移观测点已遭到破坏，建议闭库设计时结合目前坝体沉降情况以及其特殊的地质构造条件，对现有安全监测设施更新改造或进行补设。从现有数据分析结果来看，坝体下部塌陷区地表移动尚未进入衰退期，建议企业根据相关规范要求制定坝体位移观测计划，定期对坝体位移监测记录进行分析，通过对监测数据变化量、变化趋势等的整编、分析，为尾矿库的安全运行提供重要依据。在采煤塌陷区之上建设尾矿库是对其综合治理的尝试，但尾矿库的安全运行受地质情况影响较大，所以建库后的位移观测就显得尤为重要。该项目成果的应用可以有效调节土地利用结构与矿区生态系统结构，最大限度地发挥矿区自然资源优势，提高了矿山资源的回收率，具有巨大的社会效益和经济效益。
参考文献：
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[3]王本福，张建东，张涛.白马河采煤塌陷区堤防变形位移观测[J].山东水利，2011（1）：57.
论文作者:蔡真印,张欣,王忠权
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/31
标签：尾矿论文; 向斜论文; 采空区论文; 地层论文; 倾角论文; 位移论文; 煤矸石论文; 《防护工程》2018年第19期论文;