水对尾矿坝安全的影响.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G 矾E E R 矾G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 水对尾矿坝安全的影响① 夏洪波 国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京1 0 0 0 2 9 摘要尾矿库工程是一个复杂多变的大系统，尾矿库运行状态的好坏直接关系到矿山企业和下游人民群众的生命和财产安全， 而大多数尾矿库坍塌、溃坝、漫坝等事故的发生，都是因为水的影响。 关键词尾矿库；水位；浸润线；渗透性；稳定性 中图分类号T D 9 2 6文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．1 4 1 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 - 0 5 0 9 - 0 3 尾矿库是矿山生产中的重要设施，其运行状态关 系到人民生命和财产的安全。尾矿坝的失稳破坏不仅 严重威胁企业和人民的生命财产安全，而且多造成周 围环境等次生灾害【1 - 2 ] 。从尾矿坝失事的工程来看， 几乎所有的尾矿坝事故均与水有关，这是由于尾矿坝 既是储存尾矿又是储存水的构筑物，而且水的存在使 尾矿坝工程的岩土力学问题更加复杂化J 。 从影响尾矿坝变形与稳定的主要因素来看，除初 期坝的特性、子坝坝外坡比参数由设计明确确定外，在 生产过程中，其他因素均是动态变化的，而且这种变化 均与水的作用有关。首先，尾矿坝的物质组成干滩坡 度是由矿浆的浓度和流量决定的，不同的地层分布具 有不同的物理力学性质。其次，库内水位随着坝的升 高、大气降水、矿浆排放量的变化而升降，并使坝体的 浸润线及土的物理力学性质发生变化，从而影响坝体 的变形及稳定性。第三，处于水位线附近的饱和砂土、 粉土在地震作用下将产生液化，从而导致坝体失稳。 从上可见，水是影响坝体变形与稳定性的关键因素，因 此，研究水对尾矿坝安全的影响是非常有意义的。 1 ．1 各向异性的影响 尾矿沉积层垂直方向和水平方向的渗透性有很大 的差别，是因为尾矿沉积呈层状性质，对于尾矿之间的 过渡区之间，例如比较干净的尾矿砂和尾矿泥之间，由 于较粗颗粒和较细颗粒的互相交错层，很有可能会导 致各向异性化较高。而对于水下沉积尾矿泥带及尾矿 砂层，其分布是比较均匀的，垂直渗透系数和水平渗透 系数之比，即K ／K 值一般变化范围在1 ／2 1 ／1 0 之 间，当不能充分控制尾矿排放方法时，会形成范围很广 的尾矿泥和尾矿砂的互相交错层，K ／K 也随之变得 更小，有时甚至低于1 ／1 0 0 。 1 ．2 距排放点距离的影响 目前根据有关研究可形成这样一个模型 概念上 的 靠近排放点的尾矿带，包括低渗透的尾矿泥带、 中间渗透带以及高渗透尾矿砂带，每个尾矿带的相对 宽度由沉淀池水与排放点位置关系、泥质粒级含量的 相对比例和排放尾矿浆中砂质来决定。 1 尾矿的渗透性 2 水对尾矿材料力学特性试验研究 尾矿的渗透性是一个很难概括的特性，其复杂程 度和变化情况都难以控制和明确，从渗透系数为1 0 一 m ／s 的干净、粗粒尾矿砂到渗透系数为1 0 ’9m ／s 充分 固结的尾矿泥，跨越了5 个以上数量等级‘4 | 。 表1 尾砂的渗透系数范围 尾砂类型平均渗透系数／ m s 。1 干净、粗粒或旋流尾砂，细粒含量小于1 5 ％ 周边排放的沉积滩尾砂，细粒含量达3 0 ％ 无塑性或低塑性尾矿泥 高塑性尾矿泥 1 0 ～～1 0 5 l O 一5 ～5 x 1 0 6 1 0 ～一1 0 9 1 0 一一1 0 1 0 通过对尾矿坝的现场勘察资料的分析、数据的统 计、研究从而确定尾矿土物理力学性质变化特点“ 1 。 2 ．1 含水量和密度的关系 尾细砂在含水量大于2 0 ％时，其密度随含水量的 升高变小；当小于2 0 ％时，情况相反。尾粉土在含水 量大于2 5 ％时，密度随含水量的升高逐渐减小，含水 量小于2 5 ％时情况相反。对于尾粗砂、尾粉砂，无论 其含水量的大小，密度随着含水量的升高而逐渐增大。 当尾矿含水量大于3 0 ％时，其密度随着含水量的升高 而降低；而当含水量小于3 0 ％时，情况相反。 ①收稿日期2 0 1 4 - 0 5 1 9 作者简介夏洪波 t 9 7 7 - ，女，黑龙江人，工程师，硕士，主要研究方向为矿业安全。 万方数据 5 l O矿冶工程 第3 4 卷 2 ．2 含水量和摩擦角的关系 尾矿砂的摩擦角在含水量减小时增大，增大时减 小，再次增大时又上升；尾粉土摩擦角随着含水量的升 高而减小；尾矿土随含水量的升高摩擦角的变化不大。 上述现象和颗粒之间的滑移、吸力有关系。 2 ．3 含水量和粘聚力的关系 尾粉土、尾细砂粘聚力随着含水量的升高变化非 常小。尾粉砂、尾粗砂粘聚力随着含水量的升高而变 大；尾粉质粘土粘聚力随着含水量的升高而减小；含水 量对土体的抗剪强度有很大的影响。 理论实践证明，随着土体含水量的增大，土粒表面 的摩擦力降低，即内摩擦角减少，土体结合水联结减 弱，土体的整体抗剪切强度下降。 3 实例分析 海林沟尾矿库堆积坝设计标高约18 7 5 ．0m ，总高 约1 0 0m ，堆积坝平均外坡比约1 4 ．5 8 ，子坝的外坡比 为1 3 ．5 ，坝顶宽2m ，每级子坝坝高2 ．5m ，堆积坝每 上升5m 留出一个5m 的子坝平台。 根据工程地质勘查报告、筑坝土料及尾矿沉积特 点，参照类似工程经验，坝体的地层可分为7 个概化分 区如下 尾中、细砂靠近坝坡的较粗尾矿，平均粒径0 ．2m m ； 尾粉砂靠近尾细砂、尾粉土，由坝前排放沉积到 库区中前部的尾矿，平均粒径0 ．0 7 5m m ； 尾粉土靠近远离坝坡靠近尾粉砂，由坝前排放沉积 到库区中后部的较细颗粒的尾矿砂，平均粒径0 ．0 5m m ； 尾粉质粘土靠近库区后部水域部分的细颗粒尾 矿，平均粒径0 ．0 3 5m m ； 初期坝土料采用含碎 卵 石的粉质粘土、全风 化砂岩碾压填筑而成； 堆石初期坝堆石棱体，采用拉拉铜矿块石填筑； 基岩为侏罗系泥岩夹砂岩。 土层参数根据勘察报告和相关经验参数共同确 定，如表2 ～3 所示。 表2 渗流分析选用的材料结果表 表3 抗滑稳定性分析采用的岩土力学参数 岩土名称j 雩纛芋堡≮丢妄≥号言芋鱼弓苫} 葛糌 基岩 2 4 ．01 5 ．04 03 9 6 0 3 0 土石料 2 1 ．21 0 ．92 82 62 01 0 尾中、细砂 1 8 ．89 ．83 02 800 尾粉砂 1 9 ．21 0 ．22 82 600 尾粉土 1 9 ．09 ．92 62 463 尾粉质粘土 1 8 ．69 ．62 01 81 05 块石 棱体 2 4 ．01 5 ．03 63 5 4 02 0 3 ．1 建立渗流计算模型 模拟计算采用河海大学A u t o b a n k6 ．0 ，在网络划 分方面，考虑三角型网络精度相对较高，计算均采用三 角形网络进行剖分，计算模型如图1 所示。 图1海林沟尾矿坝渗流计算模型 3 ．2 坝体的抗滑稳定性计算结果分析 分别选取标高l7 7 5m 、18 7 5m 在正常工况下的 剖面为计算剖面，计算结果如图2 3 所示。 图2 17 7 5m 标高尾矿坝在正常工况下抗滑稳定性计算结果 图3 18 7 5m 标高尾矿坝在正常工况下抗滑稳定性计算结果 从图2 ～3 可以看出，随着坝体加高，浸润线逐渐 g ＼雅龌 E ＼醛碴 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 夏洪波水对尾矿坝安全的影响 5 1 1 上升，坝体的最小安全系数降低，这是因为随着坝体的 升高，尾砂沉积层与含水量也不断发生变化，改变了尾 砂的密度、摩擦角、粘聚力等力学特性，从而影响到坝 体的稳定性。 4 结论 1 含水量变化直接影响尾矿材料的物理力学性 质指标，影响到整个坝体浸润线的位置变化。 2 从海林沟尾矿库坝体标高17 7 5m 和18 7 5m 的浸润线变化来看，随着坝体加高浸润线上升，尾矿坝 的稳定性降低。 3 在运行后期，随着坝体上升，抗滑稳定系数降 低，可通过采取一系列排渗措施来降低浸润线。 4 此外，还要计算洪水工况下以及特殊工况下， 浸润线及坝体稳定的情况，将其值控制在标准‘6 3 规定 的范围之内。 参考文献 [ 1 ] 何衍兴，梅甫定，申志兵．我国尾矿库安全现状及管理措施探讨 [ J ] ．安全与环境工程，2 0 0 9 ，1 6 3 8 0 ． [ 2 ]门永生，柴建设．我国尾矿库安全现状及事故防治措施[ J ] ．中国 安全生产科学技术，2 0 0 9 ，5 1 4 8 - 5 2 ． [ 3 ] 顾慰慈．渗流计算原理及应用[ M ] ．北京中国建材工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 4 ]金钟集，石明．现代尾矿设施设计与管理维护技术及尾矿资源 综合利用实用手册[ M ] ．北京当代中国音像出版社，2 0 1 0 ． [ 5 ] 宁民霞．水对尾矿坝稳定性影响研究[ D ] ．辽宁辽宁工程技术大 学。2 0 0 3 ． [ 6 ]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量 监督检验检疫总局．尾矿设施设计规范[ Z ] ．2 0 1 3 ． 万方数据