尾礦庫壩體的穩定性影響因素和整治措施

黃 雷

（河北鋼鐵集團灤縣司家營鐵礦有限公司，河北 唐山 063021）

我國是礦業大國，但由于近幾年礦山開采的規模不斷擴大，每年丟棄的尾礦數量不斷增加，每年丟棄的大部分尾礦被儲存在尾礦池中，只有一小部分被再利用。隨著尾礦庫數量的不斷增加，在尾礦充填或綜合利用、回收過程中產生了很大的安全隱患[1]。如果尾礦壩發生故障，不僅會導致生態環境受到破壞，還會導致人員傷亡。據不完全統計，截至目前，尾礦庫中已經被處理利用的尾礦僅占全部尾礦庫數量的七成，還有將近三分之一的尾礦庫未得到處理，危險性較高，不僅如此，這些尾礦庫由于儲存量大[2]，尾礦庫設施老舊，因此目前的形勢非常不利。尾礦庫中經常由于某些不可抗力的原因產生問題，因此，目前我國尾礦庫的運行效率偏低，災害風險也非常高，急需進行處理。

尾礦雖然是礦產資源開發后，主要的礦體被提煉后剩下的礦渣，但這些礦渣中包含著非常多的元素和化合物，這些元素和化合物有很大一部分都不能被有效回收[3]，不僅如此，在提取主礦物的同時，還會向礦體中加入酸堿等有害成分，這些有害成分與尾礦中的其他化合物發生化學反應可能會產生更有害的產物，這些有害產物含量少，不容易被提取，因此只有很少一部分有害物能被剔除，尾礦長期堆放還會與空氣發生反應導致環境污染，因此只能被放在尾礦庫。尾礦庫為了節省成本一般都被建立在公路和河流附近，一旦尾礦庫壩體坍塌，會造成嚴重的河流污染，導致下游人員的生命和財產遭受災難性損失，因此本文研究了尾礦庫壩體的穩定性因素和整治措施。

1 尾礦庫壩體的穩定性影響因素

尾礦的穩定性影響因素有很多，首先從安全穩定性概念來進行研究，安全穩定性概念是根據尾礦事故整合出的，該概念提出了尾礦產生事故的主要原因是尾礦壩體的穩定性不足或穩定性遭到破壞產生的礦壩崩塌，帶來安全事故。

壩體失穩一般有兩種情況，一種是壩體沿地基整體滑動，這種失穩的壩體多數是整體剛性強，如：混凝土壩體；另一種是壩坡滑動、坍塌破壞，這種失穩的壩體柔性強，如：土石壩。尾礦壩多為細砂尾礦堆筑，屬于柔性材料，一般不會出現整體滑動，易出現壩體邊坡坍塌或局部滑動破壞。尾礦壩的安全穩定性一般不考慮整體滑移問題，只考慮壩體邊坡穩定性。

因此，假設此時礦壩的穩定性系數為F ，此時對礦壩穩定性系數進行求解，求解式如（1）所示。

F=總抗滑力/總滑動力（1）

根據尾礦的狀態，設計了尾礦壩壩坡抗滑穩定最小安全系數，如表1所示

表1 安全系數

由表1可知，此時在不同運行狀態下，不同等級的礦壩的安全系數有一定的差異，設置1為標準值，在礦壩塌陷研究中，如果在各種運行狀態下，礦壩的安全系數都大于1，證明此時壩體穩定，反之，如果壩體在不同情況下，出現了低于1的穩定系數，證明此時礦壩的穩定性不符合要求，如果尾礦壩邊坡的穩定性達不到要求，壩坡就會變滑，導致礦壩與基土一起滑動。滑動示意圖如圖1所示。

圖1 滑動示意圖

由圖1可知，礦壩與基土滑動始終呈弧形，通過對尾礦壩體多次破壞的分析研究，如果此時礦壩與基土之間在一條直線上，證明此時礦壩使用的材料穩定性良好，反之，如果出現了復雜的曲線，或不在一條直線上則證明此時的穩定性較低。

尾礦庫壩體的穩定性影響因素還包括堆積因素，由于尾礦庫主要是由尾礦堆積而產生的，因此這些尾礦的組成成分也影響壩體的整體穩定性，除此之外還有堆積壩的外部因素，如壩高、壩體長度等。還包括大壩的工程地質和自然條件，基于此，對穩定性系數和內摩擦角進行分析，分析結果如下圖2所示。

圖2 分析結果

由圖2可知，此時的分析結果呈一條直線，表示二者之間存在著線性關系，隨著系數的增加，摩擦力也在逐漸增加，此時在同等條件下研究凝聚力敏感性，如下圖 3所示。

圖3 敏感性關系圖

由圖3可知，凝聚力的敏感關系圖與分析結果中的關系圖類似，只是二者的傾角不同，因此此時凝聚敏感性也呈線性狀態，即大壩入滲線的位置直接影響大壩的穩定性，大壩坡度直接關系到尾礦壩的穩定性。總之，影響尾礦壩安全穩定的因素很多，通過分析可以看出，尾礦庫的物理力學性能、壩體傾角、貫穿線的位置等都是影響壩體穩定性的重要影響因素。

2 尾礦庫壩體的穩定性整治措施

根據上述的穩定性影響因素分析，闡述尾礦庫壩體穩定性整治措施，首先建礦壩時要選擇粗顆粒尾礦，根據前面的分析，尾礦內摩擦角和內聚力越大，尾礦壩的安全性和穩定性越高，因此，尾礦的顆粒越大，整個礦壩的穩定性越高。相同尾礦料的尺寸越大，內摩擦力和團聚角越大。因此，在建設尾礦壩時，應選擇粗粒尾礦。為了將粗粒尾礦集中到壩體內，需要在壩前卸料，使粗粒尾礦快速沉降在壩區，細粒尾礦流入到壩體的水庫。還可采用旋風分離器對尾礦顆粒進行分選，粗尾礦被攔截，細尾礦直接排入儲存區。

第一點在進行尾礦壩堆積時，需要注意礦壩邊坡的坡角，因此在進行堆積之前需要預先進行傾角檢查，按照傾角設計方案進行比對。在比對后，如果此時的邊坡傾角符合標準需求，則可進行堆積，不符合需求需要及時更改壩坡角度，如果大于標準值，可以選擇放緩堆積，減少坡角。如果低于標準值，需要進行壓坡處理，確保整個礦壩的傾角在設計的范圍內。

第二點是需要控制整個礦壩在河岸的位置，這就需要根據礦壩的浸潤性來計算，首先，浸潤性決定了整個礦壩的高度，對穩定性的影響至關重要，其次如果發現此時的浸潤線超出了標準值，應立即采取相應的措施，即可以降低礦壩周圍的水位，保證浸潤線的范圍，還可以減少周圍的壓力，增加干灘的長度來保證浸潤線位置穩定，除此之外，如果產生了超水位線現象，務必要將礦壩的滲水全部排出，避免礦壩坍塌。

第三點是控制壩體浸潤線位置。因為浸潤線的高低對壩坡穩定的影響是頗大的，設計時要給出不同壩高對應的浸潤線最高位置。控制壩體浸潤線位置主要措施有：一是降低庫內水位，保持壩前足夠的干灘長度，減少壩體內的滲透壓力，以便降低壩體的浸潤線位置。二是采取壩體排滲的工程措施，如增設壩體排滲設施，將壩內部滲水及時排除，降低壩體內浸潤線。

除了上述措施之外，為了保證尾礦庫壩體穩定性，還需要加強日常檢查，及時檢查整個尾礦庫各項設備參數是否符合運行要求，第一就是檢查尾礦庫礦壩的排水性能，避免尾礦庫發生滲水現象導致礦壩坍塌，第二是在礦壩種植綠色植物，避免礦壩表面出現水土流失現象，第三，定期進行監測，確保礦壩關鍵指標完整，避免數據出錯帶來的礦壩異常。第四，在礦壩維護時，要對堆積的尾礦進行預處理，避免堆積尾礦與空氣發生反應產生有毒的化學物質，危害尾礦庫周邊的生態環境。

另外，對壩體進行定期全面監測，查看是否出現裂隙、滑坡、浸潤線逸出等異常情況，發現異常情況時，要進行及時處理。在控制堆積壩筑壩的上升速度時，防止其上升速度過快，使下部壩體未能及時固結，強度不夠，從而引起壩體的變形、裂縫等

3 結語

綜上所述，在礦產資源開采規模不斷擴大的情況下，產生了許多尾礦，為了避免尾礦中有害物質對尾礦庫周圍居民的影響，需要分析尾礦庫壩體的穩定性影響因素，闡述穩定性整治措施，該整治措施對維護尾礦庫周圍生態，保障居民人身安全有重要意義。