尾矿库地质灾害危险性评估及其防治措施

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:HUZHAOHUA333
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  摘要:尾矿库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,矿山选厂的主要设施,也是事故易发场所。近年来事故频发,除了本身遭受地质灾害影响外,尾矿库工程更重要的是遭受事故伴生、次生地质灾害。尾矿库事故可引发泥石流、滑坡、水土污染等次生灾害而进一步扩大事故的危害性。文章分析了御驾泉尾矿库的工程特点,分析了御驾泉尾矿库建设遭受、引发地质灾害的主要类型、致灾因素及其危害性,结合御驾泉尾矿库实际地质情况对该尾矿库地质灾害危险性进行了评估,为地质灾害危险性区域的划分及防治提供了依据。
  关键词:地质灾害;危险性评估;泥石流;御驾泉尾矿库
  1 前 言
  山东省是一个地质灾害多发的省份,地质灾害种类多、分布广、影响大,其中以矿山尾矿库为主的地质灾害已成为严重制约矿山企业的发展及生存的重要因素,甚至严重影响了地区地方经济及社会的可持续发展。
  尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的、用以堆存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所,是维持矿山正常生产的必要设施。而尾矿库地质灾害危险性评估是对某个矿山企业尾矿库在所处区域的历史灾害活动状况、自然条件、地质环境条件、人类工程经济活动状况等条件下,遭受或引发地质灾害发生的可能性和可能造成的损失的综合估量。尾矿库是矿山企业选矿生产的主要设施,是事故易发部位,也是隐伏巨大安全隐患的危险源,因此,做好尾矿库的地质灾害危险性评估及防治,对于保障人民生命和财产安全至关重要;还能为矿山企业安全生产提供决策依据,确保矿山企业获得经济效益、社会效益、环境效益;是一项极具现实意义的重要工作,其成果具有广泛的利用价值。
  2 尾矿库安全和环境现状
  据有关资料统计,全国尾矿库事故近年来发生起数和死亡人数呈上升趋势,不仅给人民生命财产造成了重大损失,而且对周围环境安全构成了严重威胁,甚至影响了社会的安定。特别是2008年9月8日,山西省临汾市襄汾县新塔矿业有限公司(铁矿)尾矿库发生特大溃坝事故,死亡277人,失踪4人,受伤33人,造成严重的人员伤亡、财产损失。
  据统计,截至2008年底,山东省共有尾矿库(含氧化铝厂赤泥库)444座,其中病库31座。444座尾矿库中,基建库38座、正在使用196座、关闭187座、停止使用23座;三等库11座,四等库38座,五等库395座。
  随着金属、非金属矿山采选业的迅速发展,大量小选矿厂相继建成投产使用,数量多、库容小,存在安全、环保投入不足和责任不落实等突出问题,目前山东省尾矿库存在的主要问题[1]有安全设计标准低、筑坝方式落后、安全和环保方面投入不足、监管效能有待提高等,甚至有部分尾矿库未批先建、无正规设计、管理粗放、设备设施简陋,抵御危险能力比较低,总之,尾矿库监管任务十分繁重。
  3 尾矿库的工程特点和主要地质灾害类型
  3.1 尾矿库的作用
  尾矿库是矿山选矿厂生产必不可少的设施,可以防止尾矿向江、河、湖、海沙漠及草原等处任意排放。一个矿山的选矿厂只要有尾矿产生,就必须建有尾矿库。所以说尾矿库是矿山选矿厂生产必不可少的组成部分,它的作用主要有保护环境、充分利用水资源、保护矿产资源等。
  3.2 尾矿库的工程特点[2]
  (1)尾矿库地理位置特殊,多分布于矿区山谷、洼地,筑坝成库,上游汇水面积大,直接面对暴雨、山洪冲击[3],下游多为交通设施、人类经济活动集中区,尾矿库事故直接威胁居民生命财产安全。
  (2)坝体隐患较大,多数尾矿库采用二期筑坝法,初期坝体厚度大,稳定性好,高度小不透水,随着矿山企业的生产活动的持续进行,库底矿砂堆积,90%的矿山企业直接以初期坝体为基础不断增加坝体高度,形成后期坝体,从而在初期坝体和后期坝体之间形成一个抗剪能力极低的潜在滑动面。
  (3)尾矿库不具备调洪储水能力,但是设有排洪设施,通常在库底备有排洪管道或在一侧开挖水明渠,来调节上游进库洪水。
  (4)尾矿库是一个极具威胁的污染源,其沉淀池内通常含有酸性、碱性、毒性污染物及镉、砷、铅、锌、银、汞等有害重金属其污染影响面远远超过尾矿库本身[4]。
  (5)尾矿库管理技术人员缺乏[6],尾矿库的服务期就是尾矿坝筑坝期,也就是尾矿坝的筑坝施工贯穿整个尾矿库的运营、服务期,管理、监督难度较大。
  (6)閉库后仍存在安全隐患,闭库后尾矿库最佳利用途径是覆土恢复土地或植树、种草,恢复生态,改善矿区环境,但多数矿山企业出于经济考虑,往往简单平整,任其自然。由于坝体、排洪设施等相对简陋,加上尾矿库所处自然环境条件较差,即使闭库后尾矿库仍存在发生安全事故进而引发地质灾害的隐患[5]。
  3.3 尾矿库的主要地质灾害类型及特点[2]
  尾矿库遭受或引发的地质灾害类型主要有泥石流、滑坡和水土污染,引起尾矿库地质灾害的主要原因有坝体渗流、坝体滑坡以及地震3大类(见表1)[7]。
  表1 尾矿库地质灾害原因分类统计表
  
  
  (1)泥石流
  就尾矿库来讲,泥石流主要表现为溃坝次生地质灾害[7]。由坝体的筑坝形式及坝体所处地质环境来看,尾矿库坝体高,一般位于山谷、洼地的地质环境条件下,三面环坡,上游汇水面积较大,所以在雨季,尾矿库一旦形成溃坝,必将形成高势能、高速度、高前锋的泥石流地质灾害。例如,1994年7月13日湖北大冶有色金属公司龙角山铜矿由于暴雨冲击,尾矿库发生溃坝,死亡28人、失踪3人,给当地群众生命财产安全带来严重影响。
  (2)滑坡
  在尾矿库的工程特点里提到过,后期坝体往往是在初期坝体之上形成的,在初期坝体和后期坝体之间形成一个抗剪能力极低的潜在滑动面,随着尾矿库库容的增加,坝体承受的压力随库容的增加而增大;在尾矿库服务期限内,由于库内存储的尾矿砂多为饱水状态,库岸坡体的自然地质环境条件会随着浸泡、冲刷的时间积累而发生剧烈变化。在尾矿库服务期限内,在尾矿库诱发库岸坡体发生滑坡的同时,也会遭受自然滑坡地质灾害,尾矿库区域内的滑坡自然灾害可造成库容内的污水、尾矿砂溢坝、甚至溃坝事故。
  (3)水土污染
  库内尾矿的成分极端复杂,在矿产选矿加工过程中会有大量金属元素、硫化物、氯化物、氰化物等有害的选矿药剂残留尾矿砂及废水中,在尾矿库的服务期限内长期积累使尾矿库俨然变成一个具有巨大威胁的“毒瘤”,如果有溃坝、渗漏、裂缝等事故,必然造成周围土壤、水系等生态污染,进而威胁周围人畜的健康,甚至危害到生命安全。而这些潜在的危害具有长期性、隐蔽性的特点,其产生的危害需要花费大量的资金和时间来治理[2]。
  
  
  4 莱芜市御驾泉尾矿库地质灾害危险性评估实例分析[8]
   4.1 评估的目的
  通过对御驾泉尾矿库地质环境条件和现有地质灾害进行调查分析,评估尾矿库可能遭受泥(渣)石流、滑坡等地质灾害的危险性及未来可能引发或加剧泥(渣)石流、滑坡等地质灾害的危险性,对尾矿库场地适宜性进行评估,提出地质灾害防治措施与建议、监测和预报预警方案,减少或避免尾矿库遭受或引发地质灾害带来的影响和损失。
  4.2 御驾泉尾矿库现状
  鲁中冶金矿业集团公司御驾泉尾矿库位于莱芜市张家洼镇御驾泉村村北秃尼子山下,为三面环山一面开阔的山涧谷地,于1985年9月建成初期坝投入使用,至目前已连续运行了近25年。尾矿坝采用上游法筑坝,设计总坝高94m,总库容3590万m3,主要由初期坝、尾矿堆积坝及排水系统组成。初期坝为滤水堆石坝(透水坝),高度29m,堆积坝高度65m,最终堆积标高350m,坝内设7个周边多孔溢水塔。
  由于该矿山原矿中含有大量红板岩,致使尾矿中细泥含量大(-30μm约占60%),放矿后不能形成干滩,无法实现上游法筑坝。随着坝体的增高和逐渐向库内延伸,坝体随之座落在细粒的尾砂和矿泥上面,虽然在废石堆筑过程中有挤泥和固结作用,但对坝体的安全稳定仍构成较大威胁,曾一度出现过坝体漏矿、滩面塌陷、外排水超标、子坝难以堆筑等一系列问题,严重影响坝体的安全和矿山的生产,经过多年的试验研究,决定在316m水平改为中线法筑坝,以保证坝体的安全与稳定。至2009年8月,已完成第十五期子坝的堆筑,目前标高331米,坝体总长约880米,坝顶宽约50米。
  4.3 尾矿库的主要地质灾害类型
  御驾泉尾矿库,三面环山,山体与尾矿库高差均在150米以上。山体为出露的寒武系灰岩、页岩,裂隙较发育,判定具备形成小规模崩塌、滑坡的地质环境条件;目前坝高75m,坝体主要由废石和沉积尾矿组成,尾矿库内堆积了大量的尾矿砂和尾矿土,根据地形地貌特征,判定具备产生泥(渣)石流的条件。因此,判定御驾泉尾矿库本次评估灾种主要为崩塌、滑坡和泥(渣)石流。
  (1)泥(渣)石流流量计算
  库坝最严重的风险便是溃坝,高速溃坝是在蠕变拉裂——剪断复合机制下形成的,在重力和残余剪切强度作用下,自坡脚区材料强度破坏开始,缓慢累进性破坏,其过程初为坡脚蠕变,接着沿裂缝扩张,然后中部剪断贯通,当贯通剪断面形成时,斜坡开始高速滑动,与此相应,溃坝过程由静止、加速并达到整体滑动的最大速度,其后滑体自后部至前锋依次减速构成,溃坝过程往往在短时间内完成。溃坝液体下泄时一般以涌坡形式运动,涌波的高度是不断变化的,同时逐渐向下游形成扇形流推进。暴雨往往是导致尾矿库溃坝的主导因素,在这里采用雨洪法计算泥石流最大泄流量:
  
  
  式中, Qp—— 频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s);
  Qc—— 频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s);
  Φc —— 泥石流泥沙修正系数;
  γc —— 泥石流容重(t/m3)
  γs—— 清水的比重(t/m3)
  γH —— 泥石流中固体物质的比重(t/m3)
  Dc ——泥石流堵塞系数,在这里根据实际情况,取堵塞中等程度,系数值为1.5~2.5。
  根据特大暴雨经验频率计算公式,按50年一遇考虑,50年内最大降水量出现在1964年,降水量为1369.6mm,50年内特大暴雨次数取3次,计算特大暴雨经验频率P=6.52%。泥石流流域面积取10km3,流域长度取3.9 km,平均坡度为0.3,根据公式计算,频率为6.52%的暴雨洪水设计流量Qp=11.13 m3/s
  泥石流为尾矿渣与水的混合物夹杂石块,其容重取γc=1.244 t/m3,泥石流中固体物质为尾矿渣,其比重取γH =2.9 t/m3。
  根据计算,Φc=0.147,Qc=31.92 m3/s
  (2)泥(渣)石流流速计算
  泥石流流速计算公式为半经验或经验公式,概括起来一般分为稀性泥石流流速计算公式、粘性泥石流流速计算公式和泥石流夹大石块运动速度计算公式,结合实际情况,尾矿库内一般为尾矿与水的粘稠混合物,因此选用粘性泥石流流速计算公式,如下:
  Vc=KHc2/3•Ic1/5
  式中,Vc——泥石流断面平均速度(m/s)
  K ——粘性泥石流流速系数(取经验值:9)
  Hc ——计算断面的平均泥深
  Ic ——泥石流水力坡度(‰)
  计算断面的平均泥深取相关经验值Hc=10m,泥石流水力坡度为18.75‰ ,根据计算得出泥石流流速Vc=18.8m/s
  (3)泥(渣)石流冲力计算
  泥石流整体冲压力计算公式:
  γc
  δ=λ——Vc2sina
  g
  式中,δ—— 泥石流體整体冲击压力(Pa)
  γc—— 泥石流容重(t/m3);
  Vc —— 泥石流流速(m/s);
  G —— 重力加速度(m/s2),取g=9.8 m/s2;
  a —— 建筑物受力面与泥石流冲压力方向夹角(o);
   λ—— 建筑物形状系数,圆形建筑物λ=1.0,矩形建筑物λ=1.33,方形建筑物λ=1.47。
  泥石流容重γc=1.244 t/m3,泥石流流速Vc=18.8m/s,建筑物受力面与泥石流冲压力方向夹角a取平均值为15 o,根据计算,泥石流流域内:
  圆形建筑物遭受的泥石流整体冲压力δ=11.615 Pa
  矩形建筑物遭受的泥石流整体冲压力δ=15.448 Pa
  方形建筑物遭受的泥石流整体冲压力δ=17.074 Pa
  根据有关计算和论证,御驾泉尾矿库评估区崩塌、滑坡、泥(渣)石流地质灾害现状评估危险性为小;可能遭受、加剧或引发地质灾害的预测评估危险性为中等。
  4.4 遭受尾矿库溃坝危害范围及损失估算
   (1)殃及范围确定与分析
  根据御驾泉尾矿库的地理位置,流域范围内的地形、地貌以及汇水面积、汛期最大洪水量、子坝现状高度、现有库容储存量、工程地质条件等诸多因素,经现场勘察和对照1:1万区域地形图,综合分析库坝下游地形、地貌变化趋势和沟谷的走向展布及其降坡情况,本次评价拟定御驾泉尾矿库遇溃时可能的破坏位置和主导排泄方向以及尾矿浓度、自然坡降堆积厚度和范围,按80倍现有坝高划定殃及范围的经验公式,御驾泉尾矿库+316m标高,10期子坝坝顶以下发生大规模溃坝事故可能造成的殃及范围在尾矿库下游的南西转西方向,详见图2御驾泉尾矿库溃坝殃及范围地形示意图。
   预估溃坝后泥石流影响范围面积约为9.906km2,影响范围是以尾矿坝为基点,向西南侧呈扇形扩散,最远距离至南西转西方向的林马河堤堰约为3.4km。可能殃及到位于尾矿库下游的村庄有北山阳、茅次、小洼和林马庄共计4个村庄,另有变电所一座、村办砖瓦厂一个、高速公路3.1km、市级公路3.4km、镇办小型铁矿山一座、可耕地面积4035亩。
  
  
  Fig.2 The topographic diagram for disaster to the scope of Yu Jia Quan tailings dam
  (2)殃及区内人文地理情况统计及经济损失估算
  尾矿库一旦发生最大可能造成的溃坝事故,以上各类固定资产损失共计折合人民币5456万元。工农业生产动态性直接经济损失共计1054万元。二者合计6510万元。见表2和表3(统计结果不含尾矿库自身设施与附属及抢险救灾、治理恢复费用)。
  表2御驾泉尾矿库人文地理情况调查统计
  
  
  尾矿库一旦发生溃坝事故,最大可能造成的损失预估算为6510万元。从尾矿库溃坝事故可能造成的经济损失角度看,其危害程度属一类尾矿设施。
  (3)尾矿库贵坝事故可能造成的人员伤亡估算
  根据殃及区内村落居民点的分布位置、居住人数、至尾矿库的距离、人口密度、房屋类型及坚固系数和尾矿库的等别等因素,溃坝事故可能造成的人员伤亡数量按下列经验公式估算:
  S=∑(Ni×Ki)
  其中:Ki=0.5K×Kli×K2i×K3i×K4i
  S一可能造成的死亡总人数
  i一尾矿坝下游80倍坝高范围内n个村落定居点的顺序数
  Ni一第i个居民点的人数
  Ki一第i个居民点的居民死亡率
  K---尾矿库等别系数
  K1i--第i个居民点到尾矿坝的距离系数
  K2i一房屋不坚固系数
  K3i---位置系数
  K4i--密集程度系数,
  经估算,可能造成的死亡人数约28人,详见表4
  
  
  尾矿库一旦发生溃坝事故,最大可能造成的人员死亡人数为28人,从尾矿库溃坝事故可能造成的人员伤亡数量看,其危害程度属二类尾矿库。
  5 防治措施及建议
  5.1 防治措施
  针对御驾泉尾矿库地区存在的崩塌、滑坡、泥(渣)石流灾种,经过相关计算和论证,参考相关安全生产资料,本次评估提出以下防治措施:
  (1)必须严格遵守安全规程,加强维护坝体的安全,使排洪系统通畅,严格控制尾矿库内水位和浸润线的高度;
  (2)建立常设的专职尾矿坝安全保护管理机构,负责尾矿坝的日常安全管理、维护及恢复植被等工作;
  (3)对尾矿坝子坝,根据服务年限对其进行及时的分期复垦植被,绿化以种植适于当地生长条件的草本植物为主,以减少尾矿库扬尘对大气环境的影响,并进行必要的稳定处理;
  (4)按设计要求在坝体上建立新的观测系统,以便及时观测尾矿库水位的变化、地下水的变化、坝体位移和浸润线的变化等,确保尾矿库的正常生产和安全运行。
  5.2 建议
  综合分析御驾泉尾矿库工程特点之后,为了矿山和尾矿库的正常运行与服务,结合本次评估的有关内容提出以下几点建议:
  (1)针对尾矿库存在的地质灾害隐患,除加强观测和做好必要的防范措施外,还应做好事故应急救援预案等方面的工作,并严格尾矿库的安全管理。
   (2)尾矿库筑坝附近的采石场、农民捡矿对坝体的掏挖等活动应给予取缔或坚决制止,以确保御驾泉尾矿库生产过程中的安全。
  (3)尾矿库北端地势较低的沟谷,在未来尾矿库水位增高过程中,有泄流的可能,建议构筑拦截坝。
  (4)保护尾矿库周边环境,加强绿化。
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