河南省某尾礦壩穩定性分析與計算

方栩濼 宋祖光

（河南省巖石礦物測試中心，河南 鄭州 450012）

我國是礦業大國，冶金、有色、化工、核工業、建材和輕工業等行業在礦山都有尾礦設施[1]。每年排放尾礦近3 億t，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分要堆存于尾礦庫，現有尾礦庫1500 余座[2]。隨著選礦技術的不斷進步，尾礦庫可作為重要的二次礦產資源加以開發利用。但是，尾礦庫的服務年限和庫容量達到一定時，將會是重大危險源和環境污染源。尾礦庫的重大事故時有發生，對下游居民的生命財產造成嚴重威脅，也將給企業帶來不可估量的損失，在社會上造成極壞的影響。對尾礦壩的穩定性進行分析，為確保尾礦壩的穩定提供了有效的預測方法[1-3]。

本文以河南某尾礦庫作為工程背景，對尾礦壩的穩定性進行研究，采用穩定性計算方法對尾礦壩穩定性進行計算，并給出相應的結果和建議。

1 影響壩體穩定性的因素

尾礦壩是尾礦庫構筑的主體，影響尾礦壩穩定性的因素有很多，例如：礦區復雜地質構造、尾礦庫庫內水位、尾礦的滲透性和密實度、干灘面的長度、壩體的坡度、地下水滲流的狀態等。

1.1 尾礦庫水位對壩體穩定性影響

尾礦庫庫內水位關系到尾礦庫安全、生產和環境保護非常重要的控制指標。尾礦庫水位越低，則干灘長度越長，浸潤線越低，壩體穩定性越高；如果干灘面控制過長，灘面的上升速度緩慢，影響庫容蓄水和澄清水距離不足導致回水質量變劣，影響選礦正常生產。庫內水位越高，則庫內存水越多，更有利于滿足生產回收量和回水水質的要求，但水面與壩頂水平距離縮短，導致壩體安全穩定性降低。所以控制、檢測尾礦庫水位極為重要，尤其是在汛期，庫內水位必須控制在防洪要求的汛前水位以下，使尾礦庫留有足夠的防洪庫容。

1.2 浸潤線對壩體穩定性影響

浸潤線位置的高低，是影響壩體穩定的主要因素之一。尾礦進入尾礦庫，通過自然沉降固結密實。因此尾礦砂的各種力學指標都較低，透水性相對較大。地下水對壩體不僅會產生動水壓力，降低壩體的穩定性，同時還會產生管涌、流砂和壩面沼澤化等危害，給尾礦壩的安全帶來嚴重威脅[4]。浸潤線的升高或降低，對壩體穩定性影響結果見表1。

從表1 可以看出，浸潤線的高低對壩體穩定性影響很大，基本上相差1m 水位，穩定系數Fs就相差0.03～0.05，也即穩定系數相差1.2%～2.5%。因此，如何控制壩體滲流，防止浸潤線偏高，是保證尾礦壩穩定的重要工作之一。

1.3 尾礦性質對壩體穩定性影響

尾礦性質變化很大，即便是同一種類型的尾礦，也可能有不同的礦物組成。一般的尾礦堆積壩，通過自然分級，依靠自身的重力作用固結密實，宏觀上具有上粗下細和壩前粗、壩尾細的一般特征；在微觀上，尾礦沉積層中普遍存在粗細相間的夾層、互層、交錯層、千層餅等現象，結構上表現為不均一性和各向性[5]。由于選礦工藝的不同，出現了階段磨礦階段選別，使部分尾礦顆粒很細。另外，在礦石浮選流程中，往往添加各種藥劑，這些藥劑對于尾礦沉降影響較大。使尾礦顆粒不易沉積，透水性差、不易固結，造成壩體穩定性差。

1.4 排洪系統對壩體穩定性影響

排洪系統好壞直接影響尾礦壩安全性。尾礦庫設置排洪系統的作用主要有兩個：一是為了及時排除庫內洪水；在汛期排洪系統尤其重要，排水系統不暢，會導致尾礦庫內水位上漲、洪水漫頂，嚴重的還有潰壩的危險。二是兼作回收庫內尾礦澄清水用；回水如果能有效的利用，可以大大降低選礦生產成本。設計有誤引起洪水漫頂。據不完全統計，我國有色金屬礦山因排洪系統失事引起的災難幾乎占尾礦壩事故的50%[6]。對排洪系統的定期維護、檢查，成為保障尾礦壩穩定重要手段之一。

2 工程實例

初期壩采用碾壓均質土壩，壩高12m，標高+679～+691m，壩頂寬4m，壩體下游坡腳處設置排水棱體，棱體高3.0m，頂寬1.5m，臨水坡坡比1：1.0，下游坡坡比1：1.5，并在棱體排水外坡處水平向下游延伸2.0m。堆滿后用沉積尾礦堆筑子壩，從庫尾719m 標高開始向初期壩逐級堆筑平臺，共堆積4 級子壩，1～4 級子壩高5m，平臺寬度50m，坡降2%，最終子壩平臺寬度300m，坡降約1.5%。總外坡比為1：19，堆積壩高28m，總壩高40m。

對堆積壩現狀標高進行穩定性計算，鑒于壩體對于尾礦庫的重要性，主要對692m 和719m 標高的穩定性進行分別論證。設計的尾礦庫初期壩高12m，堆積壩高28m，總壩高40m；全庫容30.17×104m3，設計確定的尾礦庫等別為四等庫。

2.1 浸潤線的計算

確定化引灘長L 及相應的化引庫水位，并放礦水覆蓋絕大部分灘面，此時，化引灘長計算公式為：

式中Li——化引灘長；

Lc——計算條件下的實際灘長。

化引庫水位計算公式為：

Hi=H+Lc-Li/m0

式中：Hi—化引庫水位；

H—計算條件下實際庫水位；

m0—沉積灘坡度系數(即沉積灘坡度為1:m0)。

浸潤線方程及浸潤線在y 軸上的截距a1可表示為:

式中出逸點高度按下式計算:

式中m 為下游坡坡度系數。

根據尾礦壩運行情況計算所得的浸潤線逸出高程見表2。這里計算工況取正常運行水位和洪水位兩種。

表2 浸潤線計算參數統計

2.2 計算參數的選取

該尾礦壩初期壩壩型為碾壓式土壩，堆滿后用沉積尾礦堆筑子壩,邊堆邊存，因而穩定性計算材料包括石渣、尾礦砂兩種材料。依據野外勘察和《選礦廠尾礦設施設計規范》附錄一，該尾礦砂為尾細砂，其參數選取參考表2。

2.3 荷載組合及安全系數

在尾礦壩的穩定性分析中，一般先按尾礦庫的設計壩高和庫容大小確定尾礦庫的安全等級，再根據尾礦庫的安全等級查表確定尾礦壩抗滑穩定性的安全系數。

地震烈度區域劃分為6 級烈度及6 級烈度以下地區的5 級尾礦壩，當壩外坡比小于1∶4 時，除原尾礦屬尾粘土和尾粉質粘土以及軟弱壩基外，可不作穩定計算。該尾礦庫工程抗震設防類別屬乙類水工建筑，基本烈度作為設計烈度。本地的基本烈度為6 度，因此設計烈度為6 度，所以穩定計算不考慮地震荷載。

表3 荷載的組合

安全系數是指在設計、施工或使用過程中的工程項目必須達到安全性保證的定量標準，根據工程重要性程度而設定。尾礦庫的抗滑穩定性安全系數，中華人民共和國安全生產行業標準《尾礦庫安全技術規程》(AQ2006—2005)有明確的規定。根據《選礦廠尾礦設施設計規范》，壩體穩定計算有以下兩種荷載組合,見表4。

表4 壩坡抗滑穩定最小安全系數

2.4 現狀壩體穩定性計算及結果

根據選礦廠尾礦設施設計規范，采用瑞典法對該尾礦壩各種運行情況進行穩定性評價。同時采用Bishop 法與之進行對比，穩定性計算參數采用表2 中數值，計算結果見表5。

圖1 標高719m 正常運行情況下壩坡穩定計算簡圖

表5 計算結果

計算結果表明:正常運行下該尾礦壩是穩定的，兩種方法計算的穩定性系數均超過《選礦廠尾礦設施設計規范》所規定的安全系數，目前該尾礦壩是穩定的。該尾礦庫壩高691m 時不同荷載組合下，某尾礦壩的穩定性計算與分析穩定性良好；按目標的堆壩方式、速率，堆積至719m 高程時，壩體穩定性也滿足《選礦廠尾礦設施設計規范》所規定的安全系數。

3 結語

根據分析計算結果，該尾礦壩穩定可靠，但在實際尾礦壩運行管理中，尾礦壩的筑壩、日常檢查以及排洪設施的管理等因素對尾礦壩的穩定性影響至關重要。因此，應在尾礦庫運行期間應加強對尾礦壩體、庫區安全檢查，建立尾礦庫管理檔案。密切注意庫區水位、干灘長度及最低安全超高的控制；汛期做好必要的搶險準備工作，確保安全渡汛；加強對尾礦庫排水設施和周邊山體穩定性的檢查，杜絕違章取礦、取水和開墾放牧等情況，對損壞部位及時進行修整，采取有效措施消除隱患。確保尾礦庫安全運行。

［1］呂庭剛,廟延鋼.尾礦庫壩體滲透穩定性分析[J].云南冶金,2005(2):12-15.

［2］騰志國.關于尾礦壩地震穩定性的分析及評價[J].河北冶金,2003(1):16-17.

［3］吳啟明.某尾礦壩的穩定性計算與分析[J].有色金屬,2010(2):63-66.

［4］曹宏輝.尾礦庫穩定性分析[D].北京:北京科技大學,2006.

［5］范恩讓,史劍鵬.尾礦堆積壩安全穩定性因素分析及對策[J].金屬材料與冶金工程,2007(1):33-36.

［6］劉登高.尾礦壩穩定性分析與研究[D].武漢:中國地質大學,2007.