尾矿库排水系统护栏装置的设计与运用.pdf

第 6 4 卷第 1 期 有 色 金 属 ( 矿山部分) 2 0 1 2 年 1 月 d o i ： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 6 7 1 - 4 1 7 2 2 0 1 2 0 1 0 1 0 尾矿库排水系统护栏装置的设计与运用 陈学辉 ， 吕力行 ( 昆明理工大学 国土资源工程学院， 昆明 6 5 0 0 9 3 ) 摘 要 ： 为 了保证排水系统 的正 常运行 ， 避免漂浮物通过溢水井进入排水管( 或隧洞) 而发生堵塞 ， 提出在溢水 井外 围设置护栏 的方法 。对 于护栏防护装 置 ， 以实例 给出具体 材料 的规 格和尺 寸大小 ， 以及装 置的基本 原理和装 置对排洪量 的影 响。论证排 水系统设 置护栏的必要性 ， 并从护栏装 置的角度 提出溢水井设计的基本要求 。 关键词 ： 排水系统 ； 溢水井 ； 堵塞 ； 护栏装置 中图分类号 ： TD 7 4 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 4 1 7 2 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 3 5 0 4 De s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f b a r r i e r d e v i c e f o r d i s c h a r g e s y s t e m o f t a i l i n g s p o n d cH EN Xu e hu i 。LV Li x i ng ( F a c u l t y o f La n d Re s o u r c e En g i n e e r i n g，Ku n mi n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Ku n mi n g 6 5 0 0 9 3，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：A me t h o d o f s e t t i n g b a r r i e r d e v i c e i s p r e s e n t e d t O e n s u r e n o r ma l o p e r a t i o n o f d r a i n a g e s y s t e m a n d a v o i d b l o c k i n g，wh i c h i s c a u s e d b y f l o a t i n g o b j e c t s p a s s i n g i n t o d r a i n p i p e s o r t u n n e l s t h r o u g h d r a i n we l l s Th e s p e c i f i c a t i o n a n d ma t e r i a l s i z e o f b a r r i e r d e v i c e a r e g i v e n i n t h e p r a c t i c a l e x a mp l e s ，me a n wh i l e ，e s s e n t i a l t h e o r y o f t h e e q u i p me n t a n d i n f l u e n c e o n d r a i n a g e v o l u me a r e a n a l y z e d W h a t i s d e mo n s t r a t e d i n t h e f i n a l i s n o t o n l y t h e n e c e s s i t y o f s e t t i n g b a r r i e r d e v i c e b u t a l s o t h e b a s i c r e q u i r e me n t s o f d r a i n we l l s d e s i g n Ke y wo r d s ：d i s c h a r g e s y s t e m ；d r a i n we l l s ；b l o c k i n g ；b a r r i e r d e v i c e 排水系统对尾矿库水位 的控制起着决定性作 用 ， 因此防止漂浮物进入排水系统 而发生堵塞非常 重要。排水系统 发生堵塞使得 尾矿库水位 急剧 升 高 ， 最终蔓延至尾矿坝。尾矿坝为松散体 ， 遇水极易 坍塌进而出现溃坝， 国内外尾矿库溃坝事件屡见不 鲜 ， 造成 巨大危害 1 。2 0 0 8 年 9月 8日， 山西塔儿 山铁矿尾矿库发生溃坝 ， 造成 2 5 4死 3 4伤； 2 0 0 1年 1月 ， 罗马尼亚 B a i a Ma r e 金矿发生尾矿库溃坝， 使 得污染物注入蒂萨河支 流， 造成匈牙利境 内 2 0 0万 人饮水 中毒 ； 2 0 0 3年 ， 智力 C e r r o Ne g r o铜矿尾矿库 溃坝导致泥石流， 使得 5万 t 尾砂 下泄 2 0 0 k m 3 3 。 在对尾矿库发生溃坝的事故分析 中， 排水系统异常 的原因不容忽视。为避免漂浮物进入排水系统发生 堵塞使得水位上升导致溃坝 ， 提 出在溢水井外围设 置防护装置。通过对护栏装置进行 失效原因分析 ， 针对处理护栏外围漂浮物 的聚集问题， 设计 了打捞 作者 简介 ： 陈学辉 ( 1 9 8 7 一) ， 男 ， 硕 士研究生 ， 安全技术 及工 程专业 主要研究方 向为尾矿库安全 。 装 置 。 l 排 水 系统防护装置 1 1 防护装 置基 本原 理 排水系统防护装置是在溢水井外 围设计圆形 网 格金属护栏 ， 底部固定浮筒 ， 依靠浮筒的浮力支撑整 个装置 。为了将护栏 固定在溢水井一定距离 ， 在 固 定装置方面采取以下措施 ： 首先 ， 在溢水井 T形柱 上固定铁板 ； 然后 ， 在距铁板一定距离固定一根粗钢 筋 ， 粗钢筋与铁板 的固定方式采用只固定底部 和顶 部 ， 中间不出现固定部位 ； 最后 ， 将 一端焊接一定长 度钢筋的圆环套人粗钢筋 ， 钢筋另一端焊接在 圆形 网格金属护栏上。整个装置随水位上升下降的基本 原理为 ： 在竖直方 向， 当水位上升下降时， 浮筒带动 装置上升下降； 在水平方 向， 由于设置了圆环一端焊 接钢筋的固定装置， 使 得护栏 固定 在离溢水井一定 范围内。 1 2防护装 置 的连接 1 )将铁板与粗钢筋底部用钢筋 固定， 粗钢筋距 有 色 金 属( 矿山部分) 第 6 4 卷 铁板的距离为 5 倍粗钢筋直径 ( ) ， 固定的长度为 8 0 0 mm， 每隔 4 0 mm水平 固定一处 ， 然后再对角固 定 。底下 4 0 0 mm固定在混凝土 中， 混凝 土形状为 直角梯形 ， 直角梯形高度 4 0 0 mm， 上底 3 0 0 mm， 下 底 6 0 0 mm， 厚度 3 0 0 mm( 如 图 I 所 示) 。 图 1铁 板 与粗 钢 筋 底 部 固足 端 Fi g 1 Fi x e d e nd o f b ot t o m o f i r o n pl a t e a n d t hi c k r e i nf o r c i n g ba r 2 )在铁板与粗钢筋顶部 采用活动固定装 置， 铁板上部固定端打出一排 长方形孔 ， 宽 4 0 mm， 中 间焊接直径为 1 4 mm 的钢筋 ， 材料 为螺纹钢筋 ， 长 方形孔的长度根据铁板宽度而定。在焊接的钢筋中 穿一直径为 2 0 mm的圆环 ， 圆环钢筋直径为 1 2 m m， 材料为螺纹钢筋( 如图 2所示) 。 图 2 铁板与粗钢筋顶部固定端 Fi g 2 Fi x e d e n d o f t o p o f i r o n pl a t e a nd t h i c k r e i nf o r c i ng b a r 3 ) 在 T形柱上钻孔 ， 孔径大小为 3 0 mm， 用粗 大螺丝固定 ， 每隔 2 0 0 4 0 0 mm 固定一处。 4 ) 护栏网的制作： 护栏水平底 部和水平顶部采 用直径为 1 2 mm 的光面钢筋制作 内径和外径分别 为 D 和 D： 的圆， 护栏高度为 1 1 5 m， 护栏 内外 径 相差 2 0 0 mm。中 间 网格 直径 为 6 8 mm， 护 栏 网网孔为 i 0 0 mm 1 0 0 mm， 材料为光面钢筋 。 5 ) 圆柱形浮筒规格 ： 浮筒的设置为两个浮筒叠 在一起 ， 底下的水平放置， 上面的竖直放置 ， 浮筒之 间焊接在一起 。将浮筒与护栏网进行焊接和铰接 ， 使得浮筒的中心线正好与 T形柱的中心线对应 ( 如 图 3所示 ) 。 溢 水 井内 壁 ， 铁板护栏 I 竖 直 浮 筒 溢 水 井 外 壁 国 水 面 E T I 壁 笪 、 堡蕴 图 3护 栏 装 置 主 要 部 分 正 视 图 Fi g 3 Fr o nt vi e w o f mai n p a r t s o f ba r r i e r de v i c e 6 ) 固定装置为固定钢筋和圆环 ， 圆环一端与固 定钢筋焊接在一起 ， 固定钢筋另一端焊接在护栏上 ， 固定装置最终与水平面保持平行 。圆环直径为 3 倍 粗钢筋 ， 材料为直径 1 0 mm 的光面钢筋 ( 如 图 4局 部放大图所示) 。 图 4 装置俯视 图部分放大 图 Fi g 4 Enl a r g e d d r a wi ng o f ba r r i e r de v i c e f r o m t o p v i e w 7 ) 将整体连接好的护栏和固定装置通过圆环套 人粗钢筋的方式进行连接。 8 ) 为了防止相邻两护栏因变形而出现相互碰撞 ， 将两护栏用钢筋进行焊接( 整体俯视图如图 5所示) 。 第 1 期 陈学辉等 ： 尾 矿库排水 系统护栏装置的设计与运用 3 7 2 护栏装置设计分析 2 1 降雨 速度 与库 水位 由水量平衡方程和插值方程可知 ， 在某一时段 ( A t t 一t 一 1 ) 内， 入库流量与尾矿库泄流量之 差等于该时刻内尾矿库水量 的变化值 ， 降雨速度与 湖面每升高 1 0 mm s ， 水量平衡方程的有限差分形 式可表示为式( 1 ) 。 堕 ! 竖 ! 2 图 5 护栏装 置俯视图 Fi g 5 T o p v i e w o f t h e b a r r i e r d e v i c e 一 一 一 c = 三 芸 + V 件 三 号 + V 斗 z 三 一 Q( ) _ q ( ) V( z 0 )一 V0 一 1 式中： 为 内的平均降雨速度( m3 s ) ； Q 、 分别为 t 、 t 时段 内排人尾砂 的水量 ； V 、 V 分别 为 t 一 、 t 时段 内的尾矿 库库 内水 量； q 一 、 q 分别为 t 、 t 时段 内的尾矿库 出库 流量 ； V( z ) 为 t + 。 时段内尾矿库的库容 ； z为 t t 时段 内库 水位 ； ( i 一0 ， 1 ， 2 ， ， ) ， f ( 一0 ， 1 ， 2 ， ， 7 z ) 分别 为 t ( 一0 ， 1 ， 2 ， ， n ) 时刻的尾矿库水位和库容。 2 2 护 栏对 溢水 井排 洪量 的影 响 分析 安装 防护装置后 ， 装置对溢水井排洪量的影响 以单个护栏 窗口进行分析 。为了使装置对排洪量的 影 响降到最小 ， 或不对排洪 量产生影 响 ， 需满 足式 ( 2 )。 rS一 5 2一 3 S 1 I s 一 1 s 一 l s 。 一 ， 式 中 ： S 为 溢水井单个 窗 口的弧长 ； S 为单个 护 栏窗口的弧长； S 。为护栏 网格钢筋在窗 口的弧长( S 。 可以近似等于网格钢筋的直径) ； 为单个护栏窗口 垂直网格钢筋的根数 为溢水井单个窗口对应的圆 心角； 。为护栏单个窗口外径所对应的圆心角 ； R 为 溢水井外径 ； R为护栏外径； 为网格钢筋直径 。 有 色 金 属( 矿山部分) 第 6 4 卷 由式 ( 2 ) 可知 ： 当 S s 时， 不会 由于防护装置 的影响而使库 水位上升 ； 当 S S 时， 防护装置促进了库水位 的 上升 。 在设计护栏 防护装置时， 要使得 s s 。当护 栏网孑 L 被漂 浮物堵住， 将可能出现 SS 溢， 说明设计合理。 式 中： S 护为单个护栏窗 口的尺 寸大小 ； S 溢为 单个溢水井窗口的尺寸大小 ； D 为护栏的内径 ； D。 为溢水井外径； L 为竖直浮筒的直径； L 为溢水井 T形柱的宽度 ； n为单个护栏窗 口垂直网格钢筋的 根数 ； d 为网格钢筋直径 ； S 为护栏网格钢筋在窗 口 的弧长， S 可以近似等于网格钢筋的直径 。 4 结 论 1 ) 通过上面的分析论证 ， 对于依 山而建的尾矿 库， 如山谷型和傍山型尾矿库 ， 尤其是处于南方地带 的尾矿库 ， 雨季时期， 山洪较易将漂浮物冲刷进尾矿 库， 因此需考虑在溢水井外 围设置护栏装置。在雨 季时期 ， 可 以设置护栏 ， 在非雨季 时期 撤出护栏 装 置， 并对护栏装置进行维护。 2 ) 对于要求设置溢水井 护栏装置的排水系统 ， 在设计溢水井时 ， 在溢水井竖直 T形柱上每隔一定 距离设置挂钩类的固定件， 设置护栏时直接将铁板 挂钩固定到 T形柱上 ， 方便随时设置和撤出护栏装 置 。 3 ) 针对护栏装置的失效分析 ， 提出了护栏 的设 计要求， 并针对尾矿库漂浮物的处理问题 ， 提出了设 置打捞漂浮物的打捞装置 ， 解决了由于漂浮物 聚集 护栏外围使得水不能流入井内的问题。护栏固定上 下浮动采用粗钢筋套圆环的设计 ， 较滑轮更加稳定 ， 同时 由于在护栏外围设置了打捞装置 ， 使得因漂浮 物而导致控制装置浮动部位被卡住的机率极大地降 低 。 4 ) 为保证设置护栏后 ， 对溢水 井进水量不产生 影响或影响程度在可接受的范 围内， 通过式( 1 ) 对降 雨速度和库水位 的分析， 可确定 出护栏高度 。根据 实例的分析可知 ， 在设计溢水井时， 相同水平高度的 一 对溢水井距离 2 12 1 左右较宜。 参 考 文 献 陈 青 ， 陈秀华 ， 朱 星尾矿坝设计手册 M 北京 ： 冶金工业出 版社 ，2 0 0 7 徐 强 尾矿库安全监督 管理规定 贯彻实施及尾矿库安全操 作 、 维护 、 运行管理、 检查验收 、 病 害治理及监督执 法操作手册 M 北京 ： 冶金工业出版社，2 0 0 6 党 宁尾矿库排水井泄洪系统体 型优 化试 验研究 D 西 安 ： 西安理工大学 ， 2 0 1 0 魏 勇 ， 许开立， 郑 欣尾矿 坝防洪计算方法 研究 J 金属矿 山 ，2 0 0 9 ( 4 ) ： 2 6 - 2 8 ， 3 1 李斌华 ， 刁明军 ， 杨海 波尾矿 库排洪系统水 力计算研究 J 西南 民族大学学报 ： 自然科学版 ，2 0 0 7 ， 3 3 ( 3 ) ： 6 1 3 6 1 7 吴鹏程 ， 郭修建尾矿库调 洪过程分析 与迭代演算 J 现代 矿业 ，2 0 0 9 ， 2 5 ( 6 ) ： 1 1 6 - 1 1 7 ，1 3 1 曹金海 ， 段蔚平 ， 汪 良峰尾矿库调 洪演算 的数值 方法及其应 用研究 J 现代矿业 ，2 0 0 9 ( 7 ) ： 6 7 6 9