尾礦庫(kù)排洪隧洞與采石場(chǎng)開采相互影響安全性研究

朱遠(yuǎn)樂(lè)

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410012）

尾礦庫(kù)作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發(fā)生高頻區(qū)域［1］。目前很多尾礦庫(kù)處于服務(wù)期滿，后期面臨是否擴(kuò)容以及如何進(jìn)行加高擴(kuò)容的問(wèn)題，一般礦山企業(yè)會(huì)從兩個(gè)方面權(quán)衡而選擇進(jìn)行改擴(kuò)建：一是當(dāng)前新建庫(kù)的審批程序和要求越來(lái)越嚴(yán)格，且由于地形條件、下游情況、征地、環(huán)保等問(wèn)題無(wú)法新建尾礦庫(kù)；二是新建庫(kù)的工程基建投資一般約占礦山工程建設(shè)總投資的10%（庫(kù)址條件較好者）以上，占選礦廠投資的20%左右，庫(kù)址條件不好的甚至超過(guò)選礦廠投資。因此在原庫(kù)址基礎(chǔ)上進(jìn)行加高擴(kuò)容以利用原有安全設(shè)施可節(jié)省一定工程費(fèi)用，同時(shí)施工工期較短，有利于企業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)［2-4］。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前大多數(shù)尾礦庫(kù)由于周邊環(huán)境復(fù)雜、服役期長(zhǎng)、自身先天設(shè)計(jì)不足等原因，嚴(yán)重制約了尾礦庫(kù)的改造工程的建設(shè)，因此在尾礦庫(kù)改造工程中對(duì)尾礦庫(kù)的安全性分析顯得尤為必要。林國(guó)洪［5］以某銅礦為例分析了深部地下采礦與尾礦庫(kù)運(yùn)行之間的相互影響；陳星［6］等利用數(shù)值模擬的方法開展了尾礦庫(kù)運(yùn)行期潰壩對(duì)下游的淹沒(méi)和公路的撞擊研究；康永紅［7］等采用有限差分程序FLAC3D模擬地下礦體開采對(duì)地表尾礦庫(kù)的影響；胡建軍［8］采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算現(xiàn)狀條件下尾礦庫(kù)下部隧洞開挖對(duì)尾礦庫(kù)的影響及尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后堆積荷載增加對(duì)下部隧洞的影響；徐嘉辰［9］等通過(guò)爆破計(jì)算分析了公路爆破工程對(duì)附近尾礦庫(kù)正常運(yùn)行的安全影響。本研究以針對(duì)湖南某鎢礦尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容工程新建排洪隧洞穿過(guò)采石場(chǎng)下方，開展了隧洞開挖對(duì)采石場(chǎng)的影響距離，采石場(chǎng)爆破對(duì)隧洞影響的研究，為尾礦庫(kù)的加高擴(kuò)容設(shè)計(jì)及尾礦庫(kù)今后的正常運(yùn)行提供對(duì)策措施。

1 尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)狀概況

湖南某鎢礦尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)服務(wù)年限為30 a，原設(shè)計(jì)最終壩頂標(biāo)高500 m，總庫(kù)容為366萬(wàn)m3。為滿足礦山技術(shù)改造項(xiàng)目的需要，對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行了加高擴(kuò)容，由原堆積壩頂480 m加高至530 m，增加總庫(kù)容826萬(wàn)m3，增加有效庫(kù)容743萬(wàn)m3，總壩高為118 m，尾礦庫(kù)等級(jí)為Ⅲ等。尾礦庫(kù)的排洪系統(tǒng)由庫(kù)內(nèi)排洪系統(tǒng)和庫(kù)外排洪系統(tǒng)聯(lián)合排洪組成。

尾礦庫(kù)庫(kù)外排洪系統(tǒng)采用攔洪壩—排洪豎井—排洪隧洞的排洪方式，截流面積總計(jì)6.1 km2的匯水。在原有攔洪壩以上3個(gè)支溝內(nèi)新建3座小型攔洪壩，攔洪壩下接排洪隧洞，洪水通過(guò)各攔洪壩下的支隧洞匯集到主洞再排至庫(kù)外回水壩下游。

一號(hào)攔洪壩，壩頂標(biāo)高570 m，漿砌石壩，壩頂寬3.0 m，上下游坡比均為1∶0.6，排洪支隧洞采用圓拱直墻型，斷面尺寸為4.2 m×4.2 m，長(zhǎng)度828.0 m。二號(hào)攔洪壩，壩頂標(biāo)高574 m，漿砌石壩，壩頂寬3.0 m，上游坡垂直，下游坡比為1∶0.8，排洪支隧洞采用圓拱直墻型，斷面尺寸為2.6 m×2.6 m，長(zhǎng)度138.0 m。三號(hào)攔洪壩，壩頂標(biāo)高601 m，碾壓土壩，壩頂寬2.0 m，上下游坡比均為1∶2.0，排洪支隧洞采用圓拱直墻型，斷面尺寸為2.0 m×2.0 m，長(zhǎng)度218.0 m。

庫(kù)外排洪系統(tǒng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇，進(jìn)口采用豎井模式，庫(kù)外隧洞出口設(shè)置長(zhǎng)×寬×高=20 m×4.2 m×3 m的消力池。排洪隧洞采用圓拱直墻型，主隧洞斷面尺寸為4.2 m×4.2 m，長(zhǎng)2 113 m，隧洞平均坡度為0.04。

排洪隧洞沿線均為灰?guī)r區(qū)，覆蓋層厚度均較薄。各隧洞沿線巖體完整程度為基本完整，層間結(jié)合較好；圍巖類別為I類；洞體穩(wěn)定性較好，一般可不作處理。但在各隧洞洞口部位圍巖類別為II類。

庫(kù)外排洪系統(tǒng)隧洞采用無(wú)壓均勻流計(jì)算，主隧洞為各洪峰的相應(yīng)疊加，由于隧洞流速較大，全程為灰?guī)r，抗沖能力差，現(xiàn)狀條件下排洪主隧洞全程采用素混凝土襯砌，局部破碎帶段采用鋼筋混凝土襯砌。

2 采石場(chǎng)開采概況及與尾礦庫(kù)位置關(guān)系

采石場(chǎng)為私營(yíng)獨(dú)資企業(yè)，開采礦種為石灰?guī)r，主要生產(chǎn)民用建筑與公路建設(shè)片石、碎石和建材用料。采石場(chǎng)礦區(qū)范圍由5個(gè)拐點(diǎn)座標(biāo)圈定，礦區(qū)面積0.001 9 km2，開采標(biāo)高+470 m～+515 m。

采石場(chǎng)生產(chǎn)區(qū)域主要集中在礦區(qū)南部，實(shí)際開采最低標(biāo)高為+458 m，設(shè)計(jì)準(zhǔn)采最低標(biāo)高為+470 m，根據(jù)《小型露天采石場(chǎng)安全管理與監(jiān)督檢查規(guī)定》（國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第39號(hào)，2011），采石場(chǎng)存在以下安全隱患：①采石場(chǎng)爆破方式為淺孔爆破，不符合規(guī)定要求；②采石場(chǎng)實(shí)行的是“一面墻”式開采，臺(tái)階高度超過(guò)20 m，邊坡角超過(guò)設(shè)計(jì)邊坡角，沒(méi)有按設(shè)計(jì)進(jìn)行開采，不符合規(guī)定要求；③沿山坡方向的露天巖石淺孔臺(tái)階爆破時(shí)，個(gè)別飛散物最小安全距離為300 m，采石場(chǎng)爆破點(diǎn)與鄉(xiāng)村公路和高壓線路最小距離僅120 m，不符合規(guī)程要求。

尾礦庫(kù)庫(kù)外排洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2 925 m，其中，距排洪隧洞出口190～340 m段隧洞位于采石場(chǎng)正下方，該段隧洞頂板標(biāo)高為+436.3～+442.7 m，排洪隧洞頂板至采石場(chǎng)設(shè)計(jì)最低開采標(biāo)高的高度為27.3～33.7 m。采石場(chǎng)生產(chǎn)區(qū)域主要集中在礦區(qū)南部，且大部分為越界開采，實(shí)際開采最低標(biāo)高為+458 m。根據(jù)排洪隧洞與采石場(chǎng)采場(chǎng)的空間位置關(guān)系圖1，排洪隧洞頂板與采石場(chǎng)采場(chǎng)底板的垂直距離為21.7 m，水平距離為11.5 m，最短直線距離為24.6 m，礦區(qū)其他范圍均未開采，采石場(chǎng)現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)終了邊界見圖2。

3 采石場(chǎng)石灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)

采石場(chǎng)石灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用250 t全數(shù)字型液壓伺服剛性巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（MTS-815型）進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，全部試驗(yàn)采用統(tǒng)一的加載方式，對(duì)加載系統(tǒng)采用軸向變形控制加載，控制加載速度為3×10-3mm/s。全部過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制，并由計(jì)算機(jī)保存全部試驗(yàn)的圖形和數(shù)據(jù)結(jié)果。

試樣直徑為φ50 mm左右，高徑比約為2∶1，單軸抗壓試驗(yàn)載荷—位移曲線見圖3，單軸抗壓靜力特性試驗(yàn)結(jié)果如表1。

單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用圓盤劈裂方法在30 t萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)彈性力學(xué)理論，在縱向直徑平面上作用的拉應(yīng)力與施加載荷P的關(guān)系可表示為

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式中，Rt為抗拉強(qiáng)度，MPa；P為巖石試件斷裂時(shí)所施加的最大載荷，kN；d為巖石試件直徑，mm；t為巖石試件厚度，mm。

試驗(yàn)采用φ50 mm×35 mm左右的圓柱體試件，試樣厚度為直徑的0.5～1倍左右。試驗(yàn)機(jī)上、下墊板的尺寸不小于試件的承壓面，其不平整度應(yīng)在每100 mm不大于0.02 mm。試驗(yàn)在長(zhǎng)沙礦山研究院巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的30 t萬(wàn)能材料壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)采用10 t型的砝碼。石灰?guī)r抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2，巖石劈拉破壞試件見圖4。

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通過(guò)巖石力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得到了石灰?guī)r力學(xué)參數(shù)：容重26.46 kN/m3，抗壓強(qiáng)度60.19 MPa，抗拉強(qiáng)度5.79 MPa。

在采石場(chǎng)石灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用RQD值分級(jí)法、RMR分級(jí)和Q系統(tǒng)分級(jí)，確定了采石場(chǎng)排洪隧洞區(qū)域內(nèi)灰?guī)r的巖體質(zhì)量?；?guī)r巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

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3種分級(jí)結(jié)果表明：采石場(chǎng)灰?guī)r巖體質(zhì)量為Ⅱ級(jí)。

4 排洪隧洞對(duì)采石場(chǎng)安全影響分析

排洪隧洞開挖打破了原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，在隧洞圍巖應(yīng)力重新分布后，由近及遠(yuǎn)，依次為塑性區(qū)（極限平衡區(qū)），彈性區(qū)（應(yīng)力升高區(qū)），原巖應(yīng)力區(qū)。根據(jù)力學(xué)理念和應(yīng)力解除試驗(yàn)，得到排洪隧洞開挖后，其影響范圍約為7.5～12.5 m，小于隧洞與采石場(chǎng)的最小距離，故排洪隧洞開挖不影響采石場(chǎng)的正常生產(chǎn)。

采用專用于地下或地表工程開挖中的應(yīng)力和位移的二維有限元模擬分析排洪隧洞開挖后，圍巖的應(yīng)力影響范圍，從而判斷是否對(duì)采石場(chǎng)后期正常生產(chǎn)造成影響。

以尾礦庫(kù)工程總平面圖、庫(kù)外排洪系統(tǒng)隧洞模板圖和采石場(chǎng)開采方案設(shè)計(jì)平面圖為基礎(chǔ)資料，建立計(jì)算模型。模型以排洪隧洞為中心，模型范圍x=0～85 m，y=0～68 m。x=0 m、85 m平面上所有節(jié)點(diǎn)在x方向固定，即滑動(dòng)鉸支座；y=0 m平面上所有節(jié)點(diǎn)在x、y方向上固定，即固定鉸支座；y=67 m為自然地表，不進(jìn)行約束。二維有限元計(jì)算模型和網(wǎng)格圖如圖5所示。

材料的本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb模型，分別計(jì)算排洪隧洞開挖條件下圍巖的最小應(yīng)力分布、最大主應(yīng)力分布、位移分布、屈服范圍等，見圖6～圖9。

分析隧洞開挖后對(duì)采石場(chǎng)后期正常生產(chǎn)的影響，由圖6～圖9計(jì)算結(jié)果表明：

（1）最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）分布基本上與上覆巖層的自重應(yīng)力場(chǎng)保持一致，隨著深度的增加最小主應(yīng)力逐漸變大，并呈條帶狀向下發(fā)展。由于排洪隧洞的開挖，在隧洞周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力值為1.5 MPa，遠(yuǎn)小于隧洞圍巖的抗壓強(qiáng)度。

（2）排洪隧洞開挖后，隧洞周邊圍巖有向空區(qū)移動(dòng)趨勢(shì)，在隧洞頂部、側(cè)幫和底板中部產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值0.3 MPa，小于隧洞圍巖的抗拉強(qiáng)度。

（3）排洪隧洞開挖后，破壞了原有的平衡狀態(tài)，在隧洞圍巖應(yīng)力的重新分布和自穩(wěn)調(diào)整過(guò)程中，會(huì)形成一定深度范圍的塑性區(qū)（破壞區(qū)），從計(jì)算結(jié)果得出，排洪隧洞開挖后隧洞周邊的最大屈服范圍6 m以內(nèi)，不會(huì)波及地表的采石場(chǎng)。

5 采石場(chǎng)爆破振動(dòng)對(duì)排洪隧洞的影響分析

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）規(guī)定“一般建筑物和構(gòu)筑物的爆破地震安全性應(yīng)滿足安全震動(dòng)速度的要求”，水工隧道的安全允許振速為7～15 cm/s。

爆破振動(dòng)速率計(jì)算中，沿用規(guī)定中的爆破震動(dòng)速度計(jì)算方法：

式中，v為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量，kg；K、α為與爆破地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，按表4選取。

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采用普氏堅(jiān)固性系數(shù)來(lái)衡量巖石的堅(jiān)固程度，普氏堅(jiān)固性系數(shù)值采用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度來(lái)確定。

式中，f為普氏堅(jiān)固性系數(shù)；Rc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，采石場(chǎng)灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度為60.19 MPa，灰?guī)r的普氏堅(jiān)固性系數(shù)為6.0，根據(jù)普氏巖石分級(jí)表［10］，屬于較堅(jiān)固巖石。K值取200，α值取1.5。

采石場(chǎng)設(shè)計(jì)采用中深孔露天爆破，炸藥單耗0.4 kg/t，采用微差爆破方式，同段爆破最大藥量為57.02 kg。采石場(chǎng)實(shí)際采用露天淺孔爆破落礦，根據(jù)類似采石場(chǎng)開采經(jīng)驗(yàn)，炸藥單耗0.5 kg/t，微差起爆方式，同段爆破最大藥量取40 kg。

采石場(chǎng)生產(chǎn)區(qū)域主要集中在礦區(qū)南部，實(shí)際開采最低標(biāo)高為+458 m。排洪隧洞頂板與采石場(chǎng)采場(chǎng)底板的垂直距離為21.7 m，水平距離為11.5 m，最短直線距離為24.6 m，實(shí)際生產(chǎn)采場(chǎng)區(qū)域內(nèi)爆破引起的隧洞圍巖振動(dòng)速度，分別按設(shè)計(jì)中深孔爆破隧洞圍巖振動(dòng)速度和實(shí)際淺孔爆破隧洞圍巖振動(dòng)速度考慮。

排洪隧洞距采石場(chǎng)爆破點(diǎn)的最小距離約為25 m，設(shè)計(jì)中深孔爆破同段最大藥量為57.02 kg，爆破時(shí)引起排洪隧洞的爆破振動(dòng)速度為

符合《爆破安全規(guī)程要求》的水工隧道安全振速7～15 cm/s要求。

采用露天淺孔爆破時(shí)，同段最大藥量取40 kg，排洪隧洞距采石場(chǎng)作業(yè)點(diǎn)的最小距離取25 m，爆破引起排洪隧洞的爆破振動(dòng)速度為符合規(guī)程規(guī)范水工隧道安全振速要求。

采石場(chǎng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模5.0萬(wàn)t/a，開采標(biāo)高+470 m～+515 m，中深孔分臺(tái)階開采，臺(tái)階高度10 m，臺(tái)階寬4 m，臺(tái)階坡面角60°。根據(jù)排洪隧洞與采石場(chǎng)設(shè)計(jì)開采境界的空間關(guān)系，當(dāng)采石場(chǎng)按設(shè)計(jì)要求爆破時(shí)，為確保引起的隧洞圍巖振動(dòng)符合規(guī)程要求，分別對(duì)采石場(chǎng)的最大同段爆破藥量和最小安全距離進(jìn)行了計(jì)算。

采石場(chǎng)設(shè)計(jì)分臺(tái)階開采，中深孔爆破，最低開采標(biāo)高+470 m，與排洪隧洞頂板最小距離為27.3 m，當(dāng)最底部臺(tái)階爆破，引起隧洞圍巖爆破振動(dòng)速度為最大安全允許速度（7～15 cm/s）時(shí)，采石場(chǎng)的同段最大裝藥量為

當(dāng)采石場(chǎng)按設(shè)計(jì)最大同段藥量爆破，引起隧洞圍巖的爆破振動(dòng)速度為最大安全允許速度（7～15cm/s）時(shí)，采石場(chǎng)最小安全距離為

6 結(jié)論

（1）采石場(chǎng)越界開采，未按設(shè)計(jì)要求采用中深孔爆破技術(shù)，未實(shí)行臺(tái)階式開采，采用“一面墻”式開采，高度超過(guò)20 m，爆破點(diǎn)距鄉(xiāng)村公路、高壓線路最近僅120 m，不符合規(guī)程、規(guī)范的要求，存在安全隱患。

（2）排洪隧洞開挖后，其影響范圍約為7.5～12.5 m，小于隧洞與采石場(chǎng)的最小距離，不會(huì)對(duì)采石場(chǎng)的正常生產(chǎn)造成影響，庫(kù)外排洪隧洞運(yùn)行不影響采石場(chǎng)的正常生產(chǎn)。

（3）在目前采石場(chǎng)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)，按設(shè)計(jì)中深孔爆破或按實(shí)際淺孔爆破時(shí)，在排洪隧洞處引起的爆破振動(dòng)速度分別為12.1 cm/s、10.1 cm/s，符合規(guī)程、規(guī)范中水工隧道的安全振動(dòng)速度。

（4）當(dāng)采石場(chǎng)在礦權(quán)范圍內(nèi)按設(shè)計(jì)進(jìn)行開采時(shí)，3個(gè)臺(tái)階中深爆破引起的爆破振動(dòng)速度滿足規(guī)程規(guī)范中的水工隧道最大安全允許速度，不會(huì)對(duì)隧洞造成安全影響，但采石場(chǎng)最底部臺(tái)階爆破藥量需控制在25.0 kg以內(nèi)。