（地质工程专业论文）汝阳寺沟尾矿坝快速堆积可行性研究.pdf

摘要 随着国家对矿产资源的巨大需求，矿业生产必然要提高产量新建尾矿库扩容，而新 建尾矿库的设计、施工需要较长周期，也要占用更多的土地资源，工程投资相对巨大。 相比之下，提高尾矿库堆积速度是一个既快速又经济的方法。但是，由此对尾矿坝的安 全稳定性就产生了影响。所以，有必要对提高尾矿堆积速度的可行性进行充分的研究和 论证。 本文以汝阳寺沟尾矿坝为例，采用现场测试、室内试验、理论分析、数值计算等研 究方法，对尾矿的物理力学特性、沉积规律以及不同工况下渗流场进行了模拟，并且用 极限平衡法对尾矿坝的稳定性进行了计算。本文所完成的主要工作和取得的成果如下： ( 1 ) 通过对大量室内外试验成果的分析总结，得出了尾矿坝堆积的基本规律及堆 积尾矿的各项物理力学指标特征，以及尾矿堆积在水平方向与垂直方向的分布规律和相 互关系。由坝外至坝内将尾矿坝分为四个工程地质层，依次为尾细砂夹尾中砂层、尾细 砂夹尾粉砂层、尾粉砂层和尾粉土层，为尾矿坝的稳定性计算评价打下了基础； ( 2 ) 通过对坝体内地下水水质及尾矿砂化学成分分析结果显示：尾矿水属 s 0 4 c 0 3 c a 2 + 型水，p h 值为8 4 ，呈弱碱性：尾矿砂含有较高的f e 离子及c a 离子。尾 矿砂中较高的f e 离子含量及弱碱性水等条件在非饱和状态下易在土工布的纤维上产生 化学淤堵。在初期坝坝顶通过物探方法测得地下水位埋深6 3 1 1 0 m ，坝体下游浸润线 偏高，这也反映初期坝迎水面的土工布已发生淤堵现象，从而导致尾矿坝坝体及初期坝 内的地下水水位较高。 ( 3 ) 利用有限元软件g e o s t u d i o 中的s e e p w 模块对尾矿坝不同堆积高度稳定和非 稳定渗流场进行模拟计算，同时在不同堆积高程的坝体内上、中、下设置3 个历史记录 点，记录孔隙水压力随渗流时间的变化。结果显示：对于稳定渗流场，正常运行和洪 水位运行的差别主要在坝体的上部，在坝体的中下部，由于初期坝的淤堵，导致其水位 主要由初期坝迎水面的壅水高度决定。对于动态渗流场，坝体从开始堆积到目前6 9 8 m 高程位置，渗流稳定时间为6 8 天；从目前6 9 8 m 高程堆积到7 3 0 m 高程，渗流稳定时间 为4 8 天；从7 3 0 m 高程堆积到7 8 0 m 高程，渗流稳定时间为2 0 0 天。坝体堆积速度的 提高对坝体内渗流场的稳定有一定影响，堆高速度越快，渗流场稳定的时间越长。但对 该坝体其堆积速度无论是15 m a 还是3 3 8 7 m a 都能够维持渗流场处于稳定状态，由此论 证了快速堆积是可行的。 ( 4 ) 本文分别分析用瑞典圆弧法和渗流场耦合两种方法对坝体的稳定性进行了计 算。利用规范建议的瑞典圆弧法进行稳定性计算，验算结果显示：现状尾矿坝在于滩 长度为5 0 m 及干滩长度为3 0 m 的状态下，坝体斜坡的稳定系数分别为2 3 2 2 和2 2 3 4 ， 满足规范不小于1 2 0 和1 1 0 的要求。尾矿坝堆高至标高7 3 0 m 、7 5 0 m 以及7 8 0 m 时，在 两种工况下的稳定系数均满足要求。渗流场的耦合，利用g e o s t u d i o 软件中的s l o p e w 模块在前面渗流计算的基础之上进行稳定性计算。计算时以m o r g e n s t e r n p r i c e 法为主， 综合参考b i s h o p 法、j a n b u 法计算不同工况下坝体的稳定安全系数。用 m o r g e n s t e r n p r i c e 法计算得现状尾矿坝在两种工况下的稳定系数分别为2 6 7 2 和 2 4 3 3 ，尾矿坝堆高至标高7 3 0 m 以及7 8 0 m 时，在两种工况下的稳定系数也均满足要求。 因此，坝体处于稳定状态。 ( 5 ) 最后总结本文的主要研究成果，对提高坝体堆积速度提出相应建议以及进一 步研究的展望。 关键词：尾矿坝尾矿快速堆积稳定性极限平衡法g e o s t u d i0 数值模拟 i i a b s t r a c t m i n i n gp r o d u c t i o ni sb o u n dt ob u i l tn e wr a i l i n g st oe x p a n s i o np r o d u c t i o nw i t ht h ei m m e n s ed e m a n d f o rm i n e r a lr e s o u r c e s b u tt h en e wt a i l i n g sd e s i g n ，c o n s t r u c t i o nr e q u i r eal o n g e rc y c l e ，a l s ot a k eu pm o r e l a n dr e s o u r c e sa n dar e l a t i v e l yh u g ei n v e s t m e n ti np u b l i cw o r k s i nc o n t r a s t ，i n c r e a s et h er a t eo f a c c u m u l a t i o no ft a i l i n g si saf a s ta n de c o n o m i c a lw a yw h i l et h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h et a i l i n g sd a m h a sh a da ni m p a c to n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h es p e e do ft h ef e a s i b i l i t yo ft a i l i n g sp i l e du pa m 1 1r e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o n i nt h i sp a p e r , r u y a n gs i g o ut a i l i n g sd a mw a st a k e n 勰a ne x a m p l e ，t h eu s eo ff i e l dt e s t i n g ，l a b o r a t o r y t e s t i n g ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d se t c ，o nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft a i l i n g s ，s e d i m e n t a t i o nl a w s ，a sw e l la su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n st os i m u l a t et h es e e p a g ef i e l d ，a n dw e r e u s e dt ol i m i te q u i l i b r i u mm e t h o do ft h et a i l i n g st h es t a b i l i t yo fd a mc a l c u l a t e d i nt h i sp a p e lt h em a j o r w o r kd o n ea n dr e s u l t sa c h i e y e da r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eb a s i cl a wo fa c c u m u l a t i o no ft a i l i n g sd a m h a v eb e e nm a d et h r o u g ha n a l y z i n gal a r g en u m b e ro fi n d o o ra n do u t d o o rt e s tr e s u l t s ，t h eh o r i z o n t a la n d v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no ft a i l i n g sa sw e l la st h em u t u a lr e l a t i o n so f t a i l i n g sh a v eb e e na l s oa t t a i n e d t h ed a m c a nb ed i v i d e di n t of o u re n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ll a y e r sf r o mt h et o pd a mt ob o t t o md a m , s u c ha sf i n es a n di n t h em e d i u ms a n dl a y e r ，s i l t ys a n di nf i n es a n dl a y e r ，s i l t ys a n dl a y e ra n da d o b el a y e r w h i c hw a st h e f o u n d a t i o nf o r t h es t a b i l i t yc a l c u l a t i o na n de v a l u a t i o no f t h et a i l i n g sd a m 2 t h r o u g ht h ed a mw i t ht h ew a t e rq u a l i t ya n dt a i l i n g sg r o u n d w a t e rc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i s r e v e a l e dt h a t ：t a i l i n g sw a t e ri ss 0 4 c 0 3 c a + w a t e r , p hv a l u ei s8 4 ，s h o w i n gaw e a ka l k a l i n e ；t a i l i n g s c o n t a i nh i i g hf ea n dc ai o n t a i l i n g so ft h ef ei o ni nt h eh i g ha l k a l i n ec o n t e n ta n dw a t e rc o n d i t i o n si nt h e n o n s a t u r a t e dg e o t e x t i l eu n d e rt h ey ii nt h ef i b e ro nt h ec h e m i c a lc l o g g i n g d a mc r e s te a r l yg e o p h y s i c a l t e s t i n gt h r o u g haw a t e rt a b l ed e p t ho f6 3 11 o m ，h i g hd a md o w n s t r e a ms e e p a g el i n e ，w h i c ha l s or e f l e c t s t h ee a r l ys t a g eo ft h ed a mg e o t e x t i l ec l o g g i n gp h e n o m e n o nh a so c c u r r e d ，r e s u l t i n gi nd a ma n dt a i l i n g sd a m e a r l yd a mw i t hah i g hl e v e lo fg r o u n dw a t e r 3 c l o g g i n go c c u r r e do nt h ew a t e rs i d ei nt h ee a r l yd a mh a sb e e nf u r t h e rd e t e r m i n e db yu s eo f g e o s e e p ww i t hs e e p a g ef i e l ds i m u l a t i o ni nd i f f e r e n ts t a c k i n gh e i g h t ，a tt h es a m et i m e ，i ts e tt h r e e h i s t o r yp o i n t si nd i f f e r e n te l e v a t i o no ft h ed a mw h i c hi si nt h eu p p e lm i d d l ea n dl o w e rt or e c o r dt h ep o r e l i i w a t e rp r e s s u r ec h a n g e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) f o rt h es t a b i l i t yo ft h es e e p a g ef i e l d ，t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nn o r m a lr u n n i n ga n df l o o dr u n n i n gi sm a i n l yi nt h eu p p e rp a r to ft h ed a m i nt h el o w e rp a r t ，d u et o c l o g g i n go ft h ed a me a r l y , r e s u l t i n gi ni t se a r l ys t a g eo f w a t e rl e v e li sm a i n l yd e c i d e db yt h eb a c k w a t e ro f t h ed a mh e i g h t ( 2 ) t h ea c c u m u l a t i o no fd a mf r o mt h eb e g i n n i n gt ot h ec u r r e n tl o c a t i o n6 9 8 me l e v a t i o n ， f l o ws t a b i l i z a t i o nt i m ei s6 8d a y s ；f r o mt h ec u r r e n te l e v a t i o n6 9 8 mt o7 3 0 m , f l o ws t a b i l i z a t i o nt i m ei s4 8 d a y s ；e l e v a t i o nf r o m7 3 0 mt o7 8 0 m , s e e p a g es t a b i l i z a t i o nt i m ei s 2 0 0d a y s ( 3 ) t h ei n c r e a s i n go f a c c u m u l a t i o nr a t ee f f e c tt h es t a b i l i t yo fs e e p a g ef i e l d i nac e r t a i n ，t h ef a s t e rh i ：g h - s p e e dr e a c t o rl e a dt o l o n g e rs e e p a g ef i e l ds t a b l e b u tt h eg r o u n d w a t e rw a sa b l et os t a t eab a s i c a l l ys t a b l ef l o ww h a t e v e rt h er a t e o f d a ma c c u m u l a t i o nw a s1 5 m ao r3 3 8 7 m a 4 i nt h i sp a p e r , i ta n a l y z ea n de v a l u a t et h es t a b i l i t yo ft h ed a mw h e t h e rc o n s i d e rt h ep o r ew a t e r p r e s s u r e ( 1 ) p o r ew a t e rp r e s s u r ei sn o tc o n s i d e r e d ，i tw a su s e df i r s t l yt h r o u g hs w e d i s hc i r c l em e t h o do f l i z h e n g c h e c k i n gr e s u l t ss h o w e d ：t h es t a t u sq u oi nt h ed r yt a i l i n g sd a mb e a c hl e n g t ho f5 0 ma n d3 0 m l e n g t ho fd r yb e a c ho ft h es t a t e ，d a ms l o p es t a b i l i t yf a c t o ro f2 3 2 2a n d2 2 3 4 ，r e s p e c t i v e l y , t om e e tt h e n o r m so f n o tl e s st h a nt h er e q u i r e m e n t so f1 2 0a n d1 1 0 t a i l i n g sd a mt ot h ee l e v a t i o no f h i g h - p i l e d7 3 0 m , 7 5 0 ma n d7 8 0 ma tt h es t a b i l i t yf a c t o ro ft w oc o n d i t i o n sa r es a t i s f i e d ( 2 ) c o n s i d e rt h ep o r ew a t e rp r e s s u r e w a sa p p l i e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，t h eg e o s l o p e wf l u i d - s o l i dc o u p l i n gm o d u l ew h i c hw a s b a s e do np r e v i o u sc a l c u l a t i o no fs e e p a g es t a b i l i t y s t a t u sq u oc o n d i t i o n si nt h et w ot a i l i n g sd a ms t a b i l i t y c o e f f i c i e n t sw e r e2 6 7 2a n d2 4 3 3 ，p i l e dh i g ht a i l i n g sd a mt oa ne l e v a t i o no f 7 3 0 ma n d7 8 0 ma tt h es t a b i l i t y f a c t o ro ft w oc o n d i t i o n sa r ea l s os u f f i c i e n t f i n a l l yb o t hr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed a mi sd e f i n i t i o n a ls t e a d y 5 f i n a l l y , t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa l es u m m a r i z e da n dc o r r e s p o n d i n gp r o p o s a l sf o ri n c r e a s i n gt h e a c c u m u l a t i o nr a t ew e r ep u tf o r w a r d a l s om a d et h ep r o s p e c to ff u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：t a i l i n g sd a m ；t a i l i n g s ；f a s ta c c u m u l a t i o n ；s t a b i l i t y ；l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ； g e o s t u d l 0n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外j 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：无孙 沙哼年月岁日 i 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：无知陟。州7 年月；日 导师签名： z 哆年月岁日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 随着经济社会的快速发展，各项经济建设与地质工作的关系越来越密切，地质工 作的基础性作用将会日益凸显。党的十六大提出，国内生产总值到2 0 2 0 年要力争翻两 番，基本实现工业化。经济的快速增长，将对矿产资源提出巨大需求。由于矿业生产的 快速增长，尾矿坝作为选矿厂生产设施的重要组成部分，其数量、高度也必然会随着矿 业需求的增长而增长。 矿业生产要提高产量就要新建尾矿库，而新建尾矿库就需要较长的设计、施工周 期，也要占用更多的土地资源，工程投资相对巨大。相比之下，提高尾矿库堆积速度是 一个既快速又经济的方法。但是尾矿堆积速度的提高势必会对坝体稳定性产生影响，尾 矿库也是一个具有高势能的人造泥石流重大危险源，因此确保尾矿库安全运行是非常迫 切和需要的【1 】。它的运营好坏，不仅影响到矿山企业的经济效益，更重要的是与库区下 游居民的生命财产及周边环境息息相关【2 】。近年来，尾矿坝安全事故在一些地区时有发 生，造成严重危害的实例也屡见不鲜。例如2 0 0 8 年9 月8 日，山西省临汾市襄汾县塔 山矿区新塔矿业公司尾矿库发生溃坝特大事故，造成2 5 8 人死亡。2 0 0 6 年4 月3 0 日， 陕西镇安县黄金矿业公司加坝增容过程中发生尾矿库坝体垮塌事故，1 7 人死亡、5 人受 伤，致使下游9 户群众5 8 间房屋倒塌，并造成部分有害物下泄的严重后果。因此，有 必要对提高尾矿堆积速度的可行性进行充分的研究和论证。 金堆城钼业公司是目前国内乃至亚洲最大的钼生产基地，钼矿规模庞大。最近，其 下属的汝阳寺沟尾矿欲加快堆积速度提高产量，笔者结合导师科研项目，对寺沟尾矿坝 工程进行一次全面的调查，通过稳定性专项评价来验证现状、最终坝高时的稳定性及模 拟提高堆坝速度过程中坝体的稳定性，对提高堆坝速度的可行性进行了论证，并提出相 应建议，对尾矿库的扩建工作具有一定的现实指导意义。 本文以汝阳寺沟尾矿坝为研究对象，该尾矿坝为山谷筑坝类型，设计总坝高1 3 1 m ， 尾矿库总库容7 9 7 4 2x1 0 4 m 3 。初期坝为透水堆积坝，坝高3 1 m ，后期堆积坝设计坝高 l o o m ，各子坝高3 m ，总体堆积坝外坡坡度为1 ：4 0 ，坝体堆积主要以上游法尾矿堆积为 主。目前坝体已堆积至6 道子坝，堆积坝总高度1 8 m 。汝阳寺沟尾矿库原设计堆存2 5 0 0 f f d 生产系统的尾矿，年入库尾矿量5 5 7 5 8 6 2 1 m 3 ，尾矿库年上升最大速度1 3 8 2 m a ，最小 速度5 4 4 m a ，年上升平均速度7 9 2 r r g a ，尾矿库剩余使用年限1 0 1 5 年。最近，欲将新 第一章绪论 建的5 0 0 0 f f d 选矿厂的尾矿也堆放至寺沟尾矿库。当单独堆存新建的5 0 0 0 9 d 生产系统的 尾矿时，年入库尾矿量1 1 1 5 1 7 2 4 2 m 3 ，尾矿库年上升最大速度2 4 6 8 m a ，最小速度 1 1 0 m a ，年上升平均速度1 5 8 3 m a ，尾矿库剩余使用年限5 0 8 年。当同时存放新建的 5 0 0 0 f f d 及现有的2 5 0 0 f f d 生产系统尾矿时，年入库尾矿量1 6 7 2 7 5 8 6 3 m 3 ，尾矿库年上升 最大速度3 3 8 7 m a ，最小速度1 7 6 4 m a ，年上升平均速度2 4 5 7 m a ，尾矿库剩余使用年 限3 3 8 年。因此，这种入库尾矿量的大大增加将使寺沟尾矿库的运行条件发生很大的变 化，坝体上升速度明显加快。而坝体上升速度是尾矿库安全的重要指标，故需对寺沟尾 矿库同时存放新建的5 0 0 0 t d 及现有的2 5 0 0 f f d 生产系统尾矿库条件下尾矿坝的稳定性进 行专门的研究论证。 1 2 国内外尾矿坝运行状况 1 2 1 国外尾矿坝的运行状况 据统计资料显示，世界上正在使用的各类尾矿库有2 多万座，其中最早的建于上 个世纪初，库容较大的都在数千万至一亿立方米以上。1 9 7 2 年建成的美国阳基杜特尔尾 矿坝高达1 7 3 8 m ，库容达到1 5 亿立方米【4 。 历史上得发达国家都曾遭受过尾矿库的灾害，例如1 9 7 2 年2 月2 6 日美国布法罗 尼河尾矿坝溃坝，造成1 2 5 人死亡，4 0 0 0 人无家可归；赞比亚某铜矿和南非某铂矿尾矿 库分别在1 9 7 0 年和1 9 7 4 年溃坝，造成1 0 0 多人死亡；1 9 8 5 年7 月，意大利北部普瑞皮 尔尾矿坝溃坝，2 5 0 人死亡；智利1 9 6 5 年发生7 2 5 级地震，使1 2 座尾矿坝不同程度的 发生破坏，造成2 7 0 人死亡，是世界尾矿史上最严重的灾难性事故。另外，尾矿库失事 还会造成的交通中断，电力系统的破坏，水资源的污染等严重后果。据统计，在世界9 3 种事故、灾害和辐射隐患中，尾矿坝事故的危害名列第1 8 位，仅次于核武器爆炸、d d t 、 神经毒气、核辐射以及其它1 3 种灾害。 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，而且会造成周围环境 等次生灾害。随着科学技术不断发展，尾矿筑坝经验的积累加上土地资源的短缺与节约 投资的考虑，尾矿坝逐渐向高坝方向发展。目前，世界上最高的尾矿坝为马来西亚的鲁 昂干式尾矿坝，其高度大于3 0 0 m 。这种发展趋势为尾矿工程的研究提出了许多新的课 题。因此，对尾矿工程的研究不仅仅具有学术价值，同时具有经济与社会效益。 1 9 9 4 年美国大型坝体学会( u s c o l d ) 尾矿坝分会尾矿坝事故调查结果表明 【5 3 】【5 4 】【5 5 】【5 6 】：并没有特定类型的尾矿坝或操作条件更易于引发事故，同时证实尾矿坝的 2 长安大学硕士学位论文 选址、设计、使用和复垦应该建设在对坝址条件、选矿生产、地基监测和尾矿特性充分 了解的基础上。美国机构u s c o l d 与美国环境计划署( 切忆p ) 进行了尾矿坝事故调查， 其中包括决堤、事故、渗漏和其他因不符合设计标准的性能而引发的事故，并根据尾矿 坝事故与坝高、使用状态、事故原因、坝体类型进行分别统计。 如图1 1 所示为尾矿坝事故与坝高比例。 u s c o l d ( 1 9 9 4 ) 与u n e p ( 1 9 9 6 ) 调查尾矿坝事故历史总结如图1 2 。 由图1 1 、1 2 均可以看出在尾矿的堆积过程中，大约5 7 的事故( 包括决堤和事 故) 是在坝高低于2 0 m 的坝体上发生的。 域 叛 格 协 坝掏i 而 图1 1 尾矿坝事故与坝高的比较 i 匹习u s c 0 b 数据 j , u n e p ；孜挺 饕 匿寥 一仲风。 萋冀霎萎 1 9 0 0 1 9 2 51 9 5 01 9 7 5 年份 图1 - 2 尾矿坝事故历史总结 事故数量( 就决堤与一般事故而言) 与坝体的使用状态( 服役坝与闭库库) 的比较 所示图1 3 。调查结果表明：8 2 的一般事故和9 3 的决堤事故发生于服役坝。 事故数量( 就决堤与一般事故而言) 与事故类型( 包括决堤、事故) 的比较图1 4 。 第一章绪论 蹿醴 凄蕞 毒苍 蛰 豳f 赧 辎 赫 霹g 壤绎 囱砑敝 四地下水 面辫 套蕞 青矗 懈l 卜 图1 3 尾矿坝状态的比较 性 图1 - 4 使用中的尾矿坝事故原因与事故类型的比较 事故数量与坝体类型( 包括上游法、下游法、挡水法、中线法及不明的大坝) 的比 较图1 5 。 根据事故调查结果表明：对所有的尾矿坝的事故并没有一个统一的主要原因，事故 由多重原因造成的，其中包括漫顶、静态条件下地震会引起的不稳定性、渗漏和内部侵 蚀、外部侵蚀、结构和基础条件的状态；没有任何一种类型的尾矿坝可以避免发生事故， 并且大多数事故发生在正使用中的尾矿库；就尾矿排放、水管理和坝体稳定性来说，生 产期是一个危险期，因而也是监测和控制至为关键的时期；边坡失稳和地震是上游法堆 积尾矿坝最主要破坏的形式。 4 长安大学硕士学位论文 4 0 胡 羹3 0 挤 2 0 l0 0 u s c o l i d 和u n e p 数据 套墨上游 匕盈挡水 e 盈下游 团中线 1 2 z ! 木够i 冀 蕊 蕙 芯s 髟豸 殇 勿乡 q 凌蕊 溪 菠罄 蘸獭 渗爿 q q q k 酶 r 。 i 图1 - 5 尾矿坝事故原因与坝类型的比较 1 2 2 国内尾矿坝的运行状况 我国以冶金和有色行业为主的各矿山现有尾矿库约1 5 0 0 余座，无论是尾矿库的数 量、库容，还是坝高在世界都是罕见的，每年排放尾矿近3 亿t ，需占用的土地面积2 0 k m 2 。 目前，国内尾矿坝最大设计坝高为2 6 0 m ，超过1 0 0 m 的有2 6 座；库容大于1x1 0 8 m 3 的有1 0 座；坝高小于3 0 m 的占8 0 左右。但是2 0 的大中型库容却占了总设计库容的 8 0 。相关资料显示，我国已有不少尾矿库进入中晚期运行，国内正常运行的尾矿库不 足7 0 ，有的行业近5 0 的尾矿库处于险、病、超期服役状态，这是一个巨大的隐患【3 j 。 出于工程投资的考虑，一般尾矿库都建在离矿区一定范围内，靠近公路或铁路，有 的截断河流有的靠河流较近，所以，尾矿库一旦失事其破坏性是巨大的。例如我国云南 1 9 6 2 年火谷都尾矿库失事，受灾人口1 3 9 7 0 人，死亡1 7 1 人；1 9 8 5 年牛角垅尾矿库溃 坝，死亡4 9 人，直接经济损失达1 3 0 0 万元；1 9 8 6 年4 月3 0 日，安徽黄梅山尾矿库发 生溃坝，造成1 9 人死亡，受伤1 0 0 人；1 9 8 9 年郑州铝厂灰渣库事故，造成直接损失1 4 1 0 万元，破坏农田2 8 2 亩，伤亡4 人；1 9 9 4 年7 月1 3 日湖北大冶有色金属公司龙角山铜 矿由于暴雨冲击，发生尾矿库溃坝，死亡2 8 人，失踪3 人；2 0 0 8 年9 月8 日，山西省 不明 矿山下沉 侵蚀结构 渗漏 基础地震 边坡稳定性 第一章绪论 临汾市襄汾县塔山矿区新塔矿业公司尾矿库发生溃坝特大事故，造成2 5 8 人死亡、3 4 人受伤。 我国有色、黑色、黄金、化工、核工业、建材等行业的矿山中，8 0 属于黑色、有 色冶金矿山，其它行业只占2 0 。据相关资料，在我国诸多尾矿库中，目前处于正常运 行的不足7 0 ，有的行业4 4 的尾矿库处于险、病、超期服务状况，情况非常不利。 如有色系统统计，该行业矿山有3 9 的矿库为病、险库，具体情况见表1 ，1 表1 - 1 有色金属矿山尾矿库运行状态统计表 总库闭库在用尾正常病害超期险害企业 项目 数数矿库数库数库数库数库数数 总数2 0 45 51 4 97 84 81 498 7 占在使用库的百分率肱 1 0 05 23 3 96 占总库的百分率觞1 0 02 77 33 8 22 3 56 94 4 另据资料显示，1 9 9 5 年我国4 个矿山部门对尾矿库的不完全统计，上游式尾矿库的 运行情况见表1 2 。 表1 2 各类矿山尾矿库运行情况统计表 总库数 正常库数病险库数超期库数 矿山类别 i 睦座( )座( ) 座( ) 黑色金属 7 85 5 ( 6 8 ) 1 6 ( 2 2 )7 ( 1 0 ) 有色金属1 4 97 7 ( 5 2 )5 9 ( 3 9 )1 3 ( 9 ) 化工矿山1 81 1 ( 6 1 )4 ( 2 2 )3 ( 1 7 ) 黄金矿山 3 6 82 0 6 ( 5 6 ) 9 9 ( 2 6 ) 6 3 ( 1 8 ) 目前，我国根据尾矿库安全运行的状况，将不能正常运行的尾矿库划分为“事故库、 病库、险库。凡导致尾矿库整体或局部破坏并丧失全部或局部功能，且造成一定损失 的尾矿库称为“事故库”；凡存在隐患，或者出现局部破坏，但还能保存基本使用功能， 尚能继续使用的尾矿库称为“病库”：尾矿库存在严重病害，甚至出现局部破坏，不能 保证整体安全，有可能丧失使用功能的称为“险库，危险尾矿库主要表现在：不能安 全渡汛，防洪能力不够，以及渗流破坏较严重或己经滑塌等。据事后原因调查统计分析， 国内尾矿库的病害主要表现有八大类，具体见表1 3 。 表1 3 中来自黑色冶金的4 9 个事件，溃坝比例明显偏低，来自其它行业的2 9 个事 件，渍坝率偏高，是样本中垮坝事件偏多导致，不是随机事件。在全国7 8 个事件中选 出4 5 个严重灾害性事件进行了统计，这些事件都造成了一定程度的灾害：尾矿泄漏， 6 长安大学硕士学位论文 污染环境；流失尾矿浆1 0 万m 3 以上；溃1 3 冲毁坝体，淹没农田、水塘；洪水漫坝、垮 坝致人死亡；构筑物施工验收不合格造成的返修、重建等。 表l - 3 国内尾矿库病害分类统计 所占比例 病害 病害类型描述 黑色其它全国灾害 类型 4 9 件2 9 件7 8 件4 5 件 i坝坡失稳，即各种滑坡03 41 3o i i 初期坝漏矿 8 205 14 5 雨水、尾矿浆造成的坝面拉沟、子坝溃口 1 4 3o9 02 2 筑坝困难，库内滑坡，喀斯特等 1 4 31 3 81 4 11 1 1 v坝坡、坝基、坝肩渗水，流土、坝面沼泽化2 0 43 41 4 14 5 排洪管、塔、斜槽、隧洞、排渗管等构筑物破坏3 2 72 0 82 8 23 3 3 洪水漫顶，各种原因溃坝 6 1 5 8 62 5 6 4 4 4 地震引起的液化、裂缝、沉降、位移等 4 1o2 6o 黑色冶金系统的分类统计结果比较真实地反映了我国尾矿库安全运行的实际情况。 为了减少事故，以下几类事件尤其值得注意： ( 1 ) v 类渗流问题引发的灾害性事故占4 5 ，根据黑色冶金系统的资料，渗流问题 发生的次数占2 0 4 ，这可能是一个稍微保守的数字，及时采取措施排除隐患可以避免 发生更多的事故； ( 2 ) 雨水、放矿水常造成坝面( 包括外坡和滩面) 拉沟，子坝溃口等事件，若不及时发 现、排除，将会酿成大祸。对于滩面短而平、子坝断面过小、支管放矿流量偏大、浓度 偏低的尾矿库尤其需要加强筑坝管理，禁止排矿无人值守现象； ( 3 ) 在v i 类的2 2 个事件中有1 5 件属于隧洞灾害性事件。其中环境污染最严重、损 失最大的是栗西沟尾矿库排洪隧洞塌陷事件。这类事故的主要原因为：地基不均匀沉降 问题，结构强度问题，施工质量问题，也有管理不到位、维护维修不及时的问题； ( 4 ) 在v i i 类2 0 起垮坝事件中洪水漫顶有1 1 件，占这类事件的5 5 。其中洪山溪 由于抗洪救险及时，未造成损失。库水位过高，子坝先失事而垮坝的有4 件，占2 0 ； 其中一件因渗流滑坡失事，占5 ：其余4 件原因不详，占2 0 。因此，搞好安全渡汛 可以有效地减少垮坝事故。 7 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 尾矿及其堆积坝稳定性研究现状 尾矿的性态极为复杂，分析条件少，由于尾矿技术起步较晚，直到1 9 7 6 年才得到 国际大坝委员会( i c o l d ) 的承认。在这之前，一些专家、学者认为尾矿坝设计简单，工 期缓慢，且不以蓄水为目的，所以不能作为真正的大坝来考虑。后来大型尾矿坝失事后 的严重后果逐渐受到了人们的重视和认识。目前，国内外对于尾矿坝的研究主要集中在 尾矿坝的形式筑坝方法、渗流、固结、爆破、地震对尾矿坝的影响等方面。 对国外近期文献检索表明有关尾矿坝稳定性研究的文献并不多，1 9 9 5 年a m d p e n m a n h l 中介绍了尾矿库设计的一般性原则，1 9 9 5 年r jc h a n d l e r 口妇介绍了意大利 s t a v a 尾矿库的垮塌事故，1 9 9 7 年v i c ks g 口2 1 介绍了圭亚那o m a i 尾矿库垮坝事故， 1 9 9 5 年k m o h d a z i z l i 口3 1 介绍了马来西亚最大的露天铜矿m a m u tc o p p e r m i n e 的尾 矿设计与管理等方面的情况。国外对尾矿库( 坝) 的研究主要集中在环境污染与防治方 面，而关于堆积尾矿的研究则很少。 国内而言，对尾矿库( 坝) 的研究要多些( 环境方面的研究相对要少些) ，据不完 全统计，近年来有关尾矿库( 坝) 文献资料分别为：1 9 9 8 年6 篇，1 9 9 9 年1 4 篇，2 0 0 0 年1 2 篇，2 0 0 1 年2 6 篇，2 0 0 2 年1 5 篇，在这些研究文献资料中有关尾矿库( 坝) 稳定 性的研究也不多，只占到1 0 2 5 ，而有关细粒尾矿的研究文献资料更为少见。1 9 9 5 年， 陈守义1 提出“上游法细粒尾矿堆积坝是尾矿处理技术遇到的难题之一”，并对细粒尾 矿堆积坝的不利条件进行阐述，提出了如何解决这一棘手问题的一些设想，文中提到采 用“高频振捣法加固试验 和在“尾矿泥浆中投入某种添加剂促进其排水固结或者形成 某种强度较高的胶结固体，对尾矿坝进行加固的设想 。1 9 9 5 年原中国有色金属工业 总公司已把细粒尾矿堆积高坝作为尾矿技术发展方向之一，但随着国家机构改革和矿山 企业改制，使得该研究未取得任何进展。2 0 0 2 年尹光志等汹1 通过试验研究了人工合成材 料与细粒尾矿的界面作用特性。2 0 0 3 年尹光志、魏作安等m 3 刀以龙都尾矿库细粒尾矿堆 坝为实例，研究了细粒尾矿堆积坝地下渗流场的变化规律，同时还利用物理模型研究了 细粒尾矿坝加筋加固的作用机理。2 0 0 3 年，魏作安等m 1 对细粒尾矿堆积坝的加固技术 进行了研究，创造性地提出了细粒尾矿堆积坝加固的新方法。而目前，国内对尾矿快速 堆积的研究则更是少之甚少。 尾矿堆积过程的特殊性导致了尾矿堆积物出现松散、离散性强、变化大、未固结， 难以获得原状样等特征，所以对尾矿及其堆坝稳定性进行科学、系统的研究，具有重要 长安大学硕士学位论文 的理论意义及实用价值。 1 3 2 边坡稳定性研究现状 由于尾矿坝的自身特点，其稳定性研究包括众多问题，本次研究涉及到坝体自身的 稳定性，即坝体斜坡稳定性进行研究。故可将坝体稳定性研究归入边坡稳定性范畴。 长期以来，边坡稳定性分析与评价是边坡工程中的一个重要研究内容，是国内外理 论界广泛关注的重大课题之一。其研究经历了由表及里、由经验到理论、由定性到定量、 由单一评价到综合评价、由传统理论方法到新理论、新技术的发展过程。各种边坡稳定 性分析与评价方法应运而生，通常大致可以分为定性分析方法、定量分析方法和非确定 性分析方法【3 9 1 。 ( 1 ) 定性分析方法 定性分析方法又称为工程地质类比法或地质比拟法。主要是通过工程地质勘察，对 影响边坡稳定性的主要因素、可能变形破坏形式及失稳的力学机制分析，对已变形地质 体的成因及其演化历史进行分析，从而给出被评价边坡的稳定性现状及其可能发展趋势 的定性的说明和解释。常用的方法有地质分析法( 历史成因分析法) 、工程地质类比法、 图解法 常用的为赤平极射投影分析法( 王思敬，1 9 9 0 ；孙玉科，1 9 8 0 ) 及实体比例投 影法 和边坡稳定性专家系统( 由斯坦福大学于7 0 年代中期完成的用于地质勘察的专家 系统p r o p e c t e r ) 等。 定性分析方法的优点是能综合考虑影响边坡稳定性的因素，注重对边坡自然性的认 识，迅速地对边坡稳定性及其发展趋势作出估计和预测。缺点是不能考虑内在应力与强 度、变形与变形能力之间的矛盾，类比条件因地、因时而异，经验性强，无数量界限。 由于不同部门具有其各自的不同特点，在实际应用中有诸多不便。目前，这类方法的使 用已越来越少。 ( 2 ) 定量分析方法 对于重要的工程仅使用定性分析方法是不够的，不能满足要求。这时就需要进行必 要的力学分析，给出定量评价。力学分析是以地质分析法为前提的，在对边坡稳定性机 理分析的基础上通过对数学力学分析提出。目前广泛使用的定量分析模型有两大类，一 是基于极限平衡理论的极限平衡分析法，二是数值