排渗设施部分失效下的尾矿库放矿渗流分析

1、排渗设施部分失效下的尾矿库放矿渗流分析基金项目：国家自然科学基金雅砻江联合基金项目（U1765205）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（水利工程）（YS11001）作者简介：满健铭（1995），男，广西玉林人，硕士研究生，研究方向为工程渗流。E-mail：满健铭，沈振中，林杰，杨超（河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098）摘要：为研究排渗设施部分失效条件下放矿对尾矿库渗流场的影响，以河南省某钼矿尾矿库工程为例，基于渗流有限元分析理论，研究特定条件下放矿量对尾矿库渗流场的影响。结果表明：排渗席垫渗透系数降为0.8倍时，设计放矿强度下放矿不超过7天，其仍然能满足尾矿库安全需求；越靠近放

2、矿口处，渗流场受到放矿强度的影响越大；放矿强度超过入渗强度时，矿浆水部分渗入堆积坝内，另一部分汇入库中。研究成果可为矿山企业安全生产及尾矿库安全运行提供参考。关键词：尾矿库；排渗设施；部分失效；放矿；渗流场中图分类号：TD741 文献标志码：A Analysis of drawing-ore seepage in tailings Pond under consideration of drainage effectMAN Jianming，SHEN zhenzhong，LIN jie，YANG Chao(College of Water Conservancy and Hydropower

3、Engineering,Hohai University, Nanjing 210098, China)Abstract：In order to study the influence of partial failure of drainage facilities on the seepage field of tailings pond, taking a tailings pond in Henan province as an example. Using the seepage finite element analysis theory to study the effect o

4、f drawing-ore quantity on seepage field of tailings pond under certain conditions. The results show that: When the permeability coefficient of drain mat decreased to 0.8 times, it can meet the safety requirements of tailings pond, but the ore shall be lowered under the designed drawing strength cond

5、ition for not more than 7 days. The closer the drawing-ore opening is, the more the seepage field is affected by ore - drawing strength. When the drawing-ore strength exceeds the infiltration strength, part of the slag water seeped into the tailings pond, and the other part flowed into the top of th

6、e tailings pond. The results can provide reference for safe production of mine enterprises and safe operation of tailings pond.Key words：tailings pond；drainage facilities；partial failure；drawing-ore；seepage field引言尾矿库的长期运行过程中，由于受到物理因素、化学因素、生物因素的影响，排渗设施经常出现因淤堵而失效的现象。当排渗设施失效时，若不采取相应的措施，坝体内部排水不充分，将会发生渗

7、流破坏现象，最终导致溃坝的发生。事实证明，如果尾矿库溃坝，将会产生极其严重的后果，对下游人民的生命财产安全、工农业生产及环境等造成不可估量的破坏。许多学者将排渗设施失效作为尾矿库溃坝的诱因进行分析，总结出了相应的经验，并提出了治理措施1-4；杨春和5等从多个方面对铅锌尾矿库的排渗系统淤堵失效机理进行了试验研究；在上游式尾矿库中，不同高程的排渗设施是根据堆积高度先后布设的，这就使得排渗系统在运行过程中出现部分失效的情况。梅聪6等在分析尾矿库渗流场时，对排渗系统部分失效的情况进行了一定的研究，但并没有考虑放矿对尾矿库渗流场的影响。放矿是整个矿山生产中的一个重要环节，尾矿库的渗流场会因矿浆中的水入渗

8、而发生改变，因此，有必要在排渗系统部分失效条件下，对尾矿库放矿时的渗流场进行研究分析，这对矿山企业的安全生产具有重要的现实意义。针对这一问题，本文以某钼矿尾矿库为例，应用渗流有限元分析理论，建立尾矿库准三维模型，研究特定条件下放矿量对尾矿库渗流场的影响，分析其影响规律，为尾矿库的建设运行、矿山企业的安全生产提供参考依据。1工程概况河南省某钼矿尾矿库工程，采用上游法筑坝，设计堆积标高为1319m，堆积高度为199m，平均堆积边坡1:5.0，总库容4019.1104m3，为二等库。为降低堆积坝体浸润线，在初期坝顶以上每隔8m高程设置坝体排水席垫排渗层。根据工程地勘资料及设计资料，结合上游法筑坝沉积

9、规律，将堆积坝坝体分为五个区域7，坝体剖面见图1，由下往上依次为尾粘土尾粉质粘土尾粉土尾粉砂尾细砂。图1 尾矿库材料分区Fig.1 The material partition of tailings pond2计算模型及参数2.1计算模型采用饱和非饱和渗流理论来计算尾矿库渗流场。取设计最大剖面为控制断面，坝轴线向长度100m，建立准三维有限元模型，将尾矿库初期坝和堆积坝以及坝基相对透水地层作为计算范围。采用控制断面超单元自动剖分法8，生成超单元网格，进而进行加密剖分。加密后计算模型结点数为21042个，单元总数为17055个。有限元计算模型见图2。根据尾矿设施设计规范(GB50863 201

10、3)9规定，级别为2等的上游式尾矿库堆积坝最小干滩长度为100m，出于安全运行考虑，计算取干滩长度为150m，对应的库顶水位为1316.75m。考虑放矿入渗的尾矿库渗流计算，边界类型分为已知水头边界、不透水边界、出渗边界和放矿入渗边界四类。已知水头边界包括上游水位淹没的堆积坝坝面、河道等；不透水边界为渗流计算模型截取边界面；出渗边界包括堆积坝下游坝面、初期坝下游坝面；放矿入渗边界为堆积坝坝顶至集水池水位之间的上游坝面。图2 计算模型Fig. 2 Calculation model2.2计算参数排渗设施即排渗席垫部分失效的最直观体现为渗透系数的降低。根据排水席垫的规格、工程经验及现场试验来对排水

11、席垫的渗透系数进行取值。通过降低排渗设施的渗透系数，模拟工程中由于淤堵而导致的排渗设施失效问题，将排水席垫渗透系数降低为原渗透系数的0.8倍与0.5倍，分别命名为排渗席垫与排渗席垫。参考工程地勘资料、相近工程资料并查阅文献，确定用于计算的各材料渗透系数、给水度及储水系数，如表1 和表2 所示。表1 尾矿库材料渗透系数Table 1 The permeability coefficient of tailings pond material材料名称渗透系数(cm/s)材料名称渗透系数(cm/s)白云石大理岩4.610-9尾粉质粘土8.7310-6初期坝堆石2.8510-2尾粘土2.4710-6排

12、渗席垫4.0010-4尾粉土2.0110-5排渗席垫3.2010-4尾粉砂7.3910-5排渗席垫2.0010-4尾细砂3.0010-4表2 尾矿库基本材料给水度及储水系数Table 2 The specific yield and storage coefficient of tailings pond material材料名称给水度储水系数材料名称给水度储水系数白云石大理岩0.0081.0010-9尾粘土0.051.0010-9初期坝堆石0.21.0010-8尾粉质粘土0.051.0010-9排水席垫0.81.0010-5尾粉土0.051.0010-9排水席垫0.81.0010-5尾粉砂0

13、.071.0010-9排水席垫0.81.0010-5尾细砂0.071.0010-9不考虑地形的影响，放矿视为均匀放矿，且假定矿浆在整个坝面上均匀扩散。计算坝顶长度为100m，约为总坝顶长度的10%，采用均化方法，将放矿流量按计算坝顶长度所占比例折算成计算放矿流量，而后换算成水量，最后得到放矿强度。设计放矿规模为2395.03m3/h，放矿浓度为30%35%，这里取33%。考虑到在矿山企业生产过程中，存在为满足生产需求而加大放矿量，并在较长一段时间内持续放矿的情况，基于此，分析取六组不同的放矿流量，放矿历时为持续放矿30d，并分别记录t=1、2、3、6、12、18、30d时渗流场，计算工况如表3

14、所示。表3 放矿工况Table 3 The condition of drawing-ore工况放矿流量（m3/h）计算放矿流量（m3/h）入渗水流量（m3/h）放矿强度（m/s）11895.03189.50126.972.3510-622395.03239.50160.472.9710-632895.03289.50193.973.5910-643395.03339.50227.474.2110-653895.03389.50260.974.8310-664095.03409.50274.375.0810-63结果分析采用渗流有限元法及截止负压法计算10，并绘制堆积坝剖面位势及浸润线分布图。

15、三类排水席垫排渗效果对比如图3所示。从图中可以很直观的看出，随着排水席垫的失效，坝体内部浸润线不断升高。排渗席垫的计算结果中，浸润线埋深已不满足渗流控制要求，此时需要采取强制排渗措施来保证尾矿库安全，故下文对放矿因素的分析中，只对仍满足要求的两组参数进行分析。图3 排渗效果对比Fig. 3 The comparison of drainage effect放矿过程中，由于下部尾矿砂渗透系数相对较小，具有阻水效果，矿浆中的水先集中在上层透水性较好的尾矿砂中，持续放矿一段时间后，才完全下渗。随着放矿时间的持续，坝体浸润线不断抬升，主要影响区域位于堆积坝坝顶。选取两种排渗席垫在不同放矿历时时刻下的浸

16、润线，绘制设计放矿工况下浸润线变化趋势图（仅截取如图4所示主要影响区域）。图4 放矿主要影响区域Fig. 4 The major affected area by drawing-ore从图5 可看出，采用排渗席垫的堆积坝在设计放矿流量2395.03m3/h下，持续放矿10d左右，浸润线的埋深仍能满足渗流控制要求，相同条件下，采用排渗席垫，持续放矿7d左右就已无法满足。同一放矿口，正常情况下，放矿时间不宜超过10d，而在排渗席垫排渗效果降低时，放矿时间不宜超过7d。为保证安全，应更采用多个放矿口交替放矿。（a）排渗席垫堆积坝浸润线（b）排渗席垫堆积坝浸润线图5 浸润线不同时刻变化Fig. 4

17、The change of phreatic line at different times取t=6d时刻，各工况下堆积坝三个高度浸润线埋深对比如表4 至表6所示。当放矿强度为3395.03m3/h时，持续放矿6d，1315m处浸润线埋深过浅，已不满足尾矿库安全运行的渗流控制要求。越靠近放矿口，渗流场受到放矿强度的影响越大，堆积坝上部区域的浸润线首先出现不满足要求的情况。加大放矿量时应加强堆积坝上部的监测。表4 标高1255m处浸润线埋深Table 4 The depth of phreatic line in 1255m工况放矿流量排渗席垫排渗席垫11895.0325.5724.182239

18、5.0323.5221.7532895.0322.7921.4643395.0320.4620.25表5 标高1285m处浸润线埋深Table 5 The depth of phreatic line in 1285m工况放矿流量排渗席垫排渗席垫11895.0329.9121.4522395.0328.9821.332895.0326.9620.6643395.0326.6819.55表6标高1315m处浸润线埋深Table 6 The depth of phreatic line in 1315m工况放矿流量排渗席垫排渗席垫11895.0337.1131.6522395.0335.9329.

19、7932895.0322.8313.5943395.035.692.98排渗席垫在6个放矿工况中，放矿强度越大，浸润线抬升得越快，到达渗流控制浸润线高度的时间也越短。而工况5与工况6中，浸润线埋深几乎没有变化，这是由于放矿强度超过入渗强度，矿浆中的水部分渗入堆积坝内，另一部分直接汇入库中，此时放矿强度对坝体内部渗流影响较小，主要影响尾矿库干滩长度，应注意监测，以保证尾矿库安全运行。4结论a.排渗席垫渗透系数降为0.8倍，仍然能满足尾矿库的安全需求，但需要加强监测；降为0.5倍，不满足渗流控制要求，需采取强制排渗措施来保证尾矿库安全。b.排渗席垫渗透系数降为0.8倍，设计放矿强度下持续放矿7天左

20、右，已不能满足渗流控制要求，加大放矿强度不应超过5天，放矿时应采用多个放矿口交替放矿。c.越靠近放矿口，渗流场受到放矿强度的影响越大，加大放矿量时应加强堆积坝上部的监测。放矿强度超过入渗强度时，矿浆中的水部分渗入堆积坝内，另一部分直接汇入库中，导致干滩长度减小。参 考 文 献1李长洪,卜磊,陈龙根.尾矿坝致灾机理研究现状及发展态势J.工程科学学报,2016,38(08):1039-1049.(LI Changhong, BU Lei, CHEN Longgen. Research situation of the disaster-causing mechanism of tailing da

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