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摘要：文章结合实践工作经验，通过理论分析方法、数值模拟方法对矿山沉陷区建立尾矿库下方矿产资源开采的可行性进行研究，分析开采活动对坝体、水工设施的影响，并对沉陷区地表沉陷变形进行相应计算。结合分析和计算结果认为，矿山开采活动会对尾矿库坝体、水工设施造成一定程度的采动影响。为此，提出了必要的防护对策以应对损害影响，旨在加强尾矿库坝体、附属设施的稳定性，避免出现安全风险事故。
关键词：尾矿库；水工设施；采动影响；矿山沉陷区
于沉陷区进行尾矿库建设，可充分利用矸石，将其作为筑坝材料，不仅能够增加废物利用效率，还能节省大量耕地资源。有学者指出，尾矿库是比较特殊地表构筑物，其结构是否稳定，直接关系到社会安全发展。由于特殊原因，尾矿库规划建设可能对矿山开采作业造成一定影响，如果处理不当，还会导致开采作业处于停滞状态。尾矿库下方矿产资源开采，涉及到坝体和水工设施的安全稳定，库区地下采空区地下条件相对复杂，不仅有老采空区，还会形成现采空区和未来采空区，如果施工不当，可能增加安全风险。为此，对尾矿库水工设施采动影响进行分析，并采取相应的防护措施，具有现实意义。
1工程概述
以某尾矿库为例，分析下方矿产资源开采作业对尾矿库水工设施的影响，该尾矿库位于某矿井范围内，是等级（一）湿式储灰场，占地面积达到9.58*105m2，占据Ⅰ和Ⅱ两层，累计储量高达1600万t以上。观察发现，该尾矿库对矿产资源开采衔接产生严重影响，明显降低矿井使用寿命。为保证矿区正常开采任务，在尾矿区下方区域组织回采。但是，井下开采无疑会对尾矿库坝体以及水工设施结构造成采动影响，加之尾矿库本身就是“人造泥石流危险源”，存在潜在的溃坝风险，一旦出现事故，将会造成直接经济损失和人员伤亡。因此，结合尾矿库结构性质，分析水工设施所能承受的地下采动阈值，从而提出更具针对性的防护措施。该尾矿库属于山谷型尾矿库，大概年入灰量超过200万m3，结构包括拦灰坝和附属水工设施。其中，拦灰坝初级坝形式为堆石坝（透水型），筑坝方法为上游式尾矿，充分采用尾矿库内粉尘，对其进行碾压，行成各级子坝加高工程，大坝轴向为东西方向，目前已建成三级子坝，主坝顶标高、坝基标高、总坝高、坝前灰面标高分别为+245m、+175m、70m、+235m，主坝、子坝剖面结构如图1所示。
该尾矿库水工设施包括泄洪洞、排灰水管、多级跌水斜槽等，泄洪洞（东侧）采用钢筋混凝土结构，直径2.5m，总长度达到1060m，在对泄洪洞进行布置时，每隔20m距离设置一个变形结构缝，同时为泄洪洞配置两级泄洪竖井，竖井为钢混现浇结构形式。排灰水管位于西侧，总长度1120m，同样采用钢混结构，形状类似马蹄，每隔25m布置一个变形结构缝，为方便集排水，采用窗口式竖井。该尾矿库布置多级跌水式斜槽，主要功能是为了后期集排水。为提升该尾矿库的排水和渗水功能，一级子坝、二级子坝和三级子坝均根据实际情况，设置不同集渗、排渗体系，并且适当降低拦灰坝本身的浸润线位置，以确保拦灰坝结构的稳定性。
对开采情况进行分析，该尾矿库地形为山地地形，测量地表平均标高为+250m，在此基础上，Ⅰ矿区域底板等高线-435m～-510m，Ⅱ矿区域距离Ⅰ矿区域底板85m，且矿层倾角大约为6°，倾向北主要为单斜构造Ⅰ矿区域和Ⅱ矿区地层大致为东西走向。对两个区域矿层上覆岩层进行分析，结果发现岩层多为各类砂岩复合沉积地层，且绝大多数的基岩已经充分暴露。与此同时，Ⅰ矿区域和Ⅱ矿区域地质构造不是非常复杂，目前只对上述两个区域进行开采，采用由南向北开采顺序。其中，Ⅰ矿区矿层平均开采厚度为2.5m，Ⅱ矿区域平均开采厚度为2.1m，主要采用机械化开采方式。通过详细观察和勘查证实，由于Ⅰ矿区域和Ⅱ矿区域已经开采多时，该尾矿库、附属设施下方已经完成了大面积回采，还有部分位置甚至已经完成了两个矿层复采，如此频繁的地下开采作业，必然会对尾矿库坝体结构以及水工设施造成一定采动影响。
2沉陷变形分析
上述分析中提到，该尾矿库属山谷型，主要在山谷谷口处进行筑坝，此种类型的主要特征是坝体工程量相对有限，且初期坝体比较短，在形成和演化过程中坝体会逐渐增大。与其他类型尾矿库相比，山谷型后续尾矿堆坝管理和维护比较方便，当堆坝逐渐增高后，库容也会随之增大。从该尾矿库情况看，不仅兼顾上述特征，同时纵深比较长，且尾矿干滩长度、水澄清距离均比较容易控制，满足设计规范以及相关要求。但是通过观察发现，该尾矿库汇水面积比较大时，会相应增加排洪设施工程量。通过对该尾矿库进行详细分析后认为，在对Ⅰ矿区域和Ⅱ矿区域地下矿体进行开采后，已经在地表形成一定的塌陷盆地，这种塌陷是有一定规律的，在塌陷盆地所涉及的范围之内，不同位置设施都会受到不同程度的影响，导致拦灰坝、附属水工设施沉陷变形。在实际测量中，采用概率积分法进行测算，根据实际情况正确选择岩移参数，从而对该尾矿库区域地表情况进行分析，计算移动变形数值，对拦灰坝、排灰水管、泄洪洞等进行分析，绘制线性结构图，通过研究和计算发现，拦灰坝、附属水工设施承受结构横向沉陷变形能力高于纵向（纵向即本身轴向）。
3采动影响评价
3.1临界变形标准
由于该尾矿库充分利用库内尾矿（粉尘）进行筑坝，也就是我们常说的上游式尾矿筑坝方式，从而对三级子坝进行加高，随着筑坝的持续进行，未来还有可能形成更高一级的子坝。从现阶段情况看，关于尾矿材质坝体的采动变形控制，国家尚未出台统一的规范和标准，各地需根据实际情况，对尾矿库坝体和水工设施采动变形进行控制和管理。结合相关部门颁发的矿产开采规程中对于工业构筑物地表（地基）允许、极限变形值的相关规定，普通堤坝结构临界变形标准见表1，这其中所规定的标准可为尾矿库坝体以及水工设施损害提供一定技术评价参考，并且将水平变形“ε”作为坝体和水工设施损害评价的主要控制因素。
大量工程实践已经证实，将粉尘作为筑坝材料，经济性能优越。一般而言，粉尘物理力学性质比较特殊，它和一般土有着明显的区别，粉尘比重较小，多为疏松多孔的结构，比较容易固结析水。但是，与黏土进行比较可以发现，粉尘粘滞性差，抗拉性能也处于较低水平，并且对震动的敏感性比较高，容易发生液化。通过对该尾矿库粉尘灰的观察与分析，确定粉尘坝体和水工设施允许临界采动变形数值，见表2。
3.2坝体采动影响评价
通过对比该尾矿库坝体、水工设施（泄洪洞、排灰水管、多级跌水斜槽）沉陷变形计算结果与上述损害允许标准，该尾矿库拦灰坝现阶段承受最大拉伸变形为3.5mm/m，已经超过允许临界采动变形阈值（3mm/m）。加之该尾矿库Ⅰ矿区和Ⅱ矿区已经开展了大面积的回采作业，可以预见的是，尾矿库坝体、坝基会随着地下矿体开采作业的持续推进，随地表整体出现下沉，并且在一级子坝区域和二级子坝区域出现沉降，这种沉降具有不均匀性，主要表现：二级子坝顶混凝土盖板沉陷错动。除此之外，由于Ⅰ矿和Ⅱ矿区已经开采多年，并且重复采动次数比较频繁，地下开采作业变形具有动态性，此种动态化的采动变形可导致尾矿库主坝体受到严重影响。现场调查结果表明，该尾矿库主坝顶已经出现多条横向裂缝，裂缝是一种尾矿库坝体较为常见的病害，按裂缝方向可分为横向裂缝（平行坝轴线）、纵向裂缝（垂直坝轴线）和龟裂裂缝等；按产生裂缝原因可分为沉陷裂缝、滑坡裂缝和干缩裂缝等；按部位分为表面裂缝和内部裂缝。细小的裂缝可能发展为集中渗漏的通道，而成为坝体滑坡事故的前兆。拟建尾矿库坝体初期坝为碾压土石坝，后期坝为尾矿堆积坝。坝址持力层为全风化页岩，如果初期坝坝基未按设计要求进行清基和处理或未按设计要求进行施工，可能发生沉降或干缩裂缝。虽然到目前为止裂缝还没有对坝体产生结构性影响，但是随着地下开采作业的持续进行，裂缝会逐渐增大，从而对整个尾矿库坝体产生严重影响，如不及时进行处理和加固，容易增加安全事故风险。
3.3水工设施采动影响评价
通过上述分析认为，该尾矿库水工设施均采用钢筋混凝土结构，其所承受的拉伸变形也已经超过允许临界采动变形值，泄洪洞、排灰水管、多级跌水斜槽允许临界采动变形阈值均为2mm/m，低于混凝土结构和砖结构极限变形值εmax（2.5mm/m），说明水工设施受到的采动影响比较严重。为进一步进行核实，组织相关人员深入到尾矿库现场，对水工设施内部情况进行勘查，结果发现，水工设施混凝土结构表层出现剥落、渗水，部分设施出现环洞壁拉伸裂缝，还有一部分设施出现结构缝变形或者微错动。考虑到该尾矿库水工设施均采用钢筋混凝土现浇作为主要结构形式，在混凝土浇筑时，已经预留了能够吸收结构变形的结构缝，因此该尾矿库水工设施自身具有一定抗地下开采作业采动变形的作用，因此目前尚未出现严重的结构性损害。但是，由于受到不均匀沉降的影响，加上倾斜变形作用，水工设施中的排灰水管和泄洪洞出现一定水力坡度问题，并且在部分设施上已经形成反坡，可能会对该尾矿路未来泄水排洪功能造成不同程度的制约。
3.4排渗系统采动影响评价
排渗系统作为尾矿库重要的水工设施，当受到压力的影响后，会导致基层混凝土开裂，如果土质不佳，加之含水量超过上限值，会导致排渗系统变形，对排水管道造成明显破坏。一般而言，排渗系统变形主要与以下几点因素相关：其一，土质疏松，并且含水量高。其二，地质结构勘探结果不准确，导致泥浆混合比例不准确。其三，混泥土浇筑施工不当，导致材料分布不均匀。其四，施工期间发生强降雨，破坏混凝土结构。排渗系统是水工设施基础结构，管道容易发生变形，因此在管道施工前，需要对施工现场进行准确测量，结合测量数据以及实际需要，确定管道具体位置，并且关注材料质量的控制，包括水泥砂浆、混泥土、钢筋等材料。开展试验，确定泥浆混合比例，保证混合均匀，避免后续管道安装因受力不均匀而发生变形。除了做好上述质量控制措施外，也要制定良好的施工方案，管道安装后，及时开展闭水试验，观察管道接口、沟槽等部位是否渗漏。为保证试验结果的准确性，闭水试验次数不少于3次。现场调查结果表明，该尾矿库绝大多数集渗排水管工作正常，排水水质比较清澈，未夹带粉尘或者其他杂物，这说明尾矿库坝体渗流系统运行正常，也说说明Ⅰ矿区域和Ⅱ矿区地下开采作业未对集排渗管道产生明显的破坏性损害或影响。但是，调查结果显示，部分集渗排水钢管处于怠工状态，通过组织专业人员进行详细分析认为，部分集渗排水管出现上述情况，可能与地层沉陷变形存在一定关系，变形所产生的作用力导致集渗排水管和集渗井连接处发生错动，造成部分管道功能受到影响。
4采动影响防护措施
结合该尾矿库坝体以及水工设施的调查结果表明，Ⅰ矿和Ⅱ矿区地下开采作业对坝体、水工设施产生不同程度采动影响分，虽然尚未形成实质性损害，但是为提高该尾矿库坝体安全性稳定性，并且保证水工设施正常工作，结合调查结果所反馈出来的问题，提出如下防护措施。第一，针对坝体裂缝，建议利用打钻注浆方法，对裂缝进行相应处理。开展详细调查，对于可能出现裂缝的位置，采取必要的平面防渗措施，并且考虑降低开采作业和沉降对于下级子坝加高工程的影响。加强沉降观测力度，及时不同时期坝体浸润曲线，结合沉降和变形监测结果，制定管理方案。第二，对于尾矿库水工设施，及时开展结构补强，包括杂物清理、注浆堵漏、裂缝填充等，如果结构出现严重变形，则及时加入刚性支撑装置，保证管洞净断面尺寸。详细分析对尾矿库现场土壤状况以及地质条件，合理安排工序，并且重点管道沟槽。第三，关注排渗系统管道断情况，雨季需要关注地下水变化情况，及时进行排水。为进一步避免排渗系统管道堵塞，需要根据管材边线、中心线相关参数，分析管道自身的承载力。组织相关人员及时对管道周边进行详细检查，及时清理杂物或淤泥。针对处于怠工状态的管道，对其进行详细分析，如果需要重新布设管道，应注意观察管基情况，达到一定强度后再行下管，并且对各部位混泥土强度进行检查，排管前再次进行杂物和积水的处理。管道安装完成后，及时对管内杂物进行清理，回填土采用分层夯实，以免出现沟槽积水而出现浮管现象。第四，进一步建立健全尾矿库安全生产管理机构，配备合格的管理人员结合本企业的实际情况制定相应的管理制度，做好尾矿库生产管理、安全管理和技术管理工作。根据尾矿库生产规模和安全生产实际需要，加强对在岗作业人员的安全意识教育和安全操作技能培训，并经考核合格后方可上岗作业。严格按尾矿库的安全操作规程操作。加强重点岗位、重点人员如放矿岗位等作业人员的安全监护和防护，配备必要职业健康和劳动保护用品，如劳保鞋、安全帽、手套等。加强设备、器材及使用工具的检查、维护，检修，不断提高本质化安全度，防止因设备、器材、工具故障导致的安全事故。制定和完善重大事故应急救援预案，并定期组织操作人员学习、熟悉事故应急救援预案，提高工人的事故应急处理能力。同时，加强对尾矿库周围居民的安全教育，提高他们的自我防护意识。
5结语
综上所述，通过对该尾矿库地下开采作业采动影响的理论分析和现场实际勘测，说明地下开采作业已经对尾矿库坝体、水工设施产生不同程度对采动损害，但没有对整体结构的稳定性造成严重影响。为此，针对已经出现的采动影响和损害，提出相应的防护措施，确保坝体和水工设施的安全。在未来工作中，为进一步加强采动影响分析的准确性与高效性，建立长效预防机制，建议尾矿库管理方应该与矿方保持良好的信息沟通，密切关注井下开采状况，准确分析尾矿库相关设施的损害情况，一方面为优化井下开采方案提供依据，另一方面充分保障尾矿库地面治理效果，避免发生严重风险事故。
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