（安全技术及工程专业论文）尾矿坝稳定性分析及安全对策的研究.pdf

中南大学硕士学位论文 a b s t i m c t a b s t r a c t t a i l i n gp o n di s o n eo ft h r e em a j o rc o n s t r u c t i o np r o j e c t si nm i n i n g i t ss a f e t yo p e r a t i o ni nt h ee n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s so fm i n ee n t e r p r i s e h a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e ，b u tt h ek e yt ot h es a f e t yo p e r a t i o no f t a i l i n gp o n di st h es t a b i l i t yo ft a i l i n gd a m t a i l i n gd a m i n c l u d e ss t a r t e r d a ma n de m b a n k m e n t i nt h i sp a p e r , s e v e r a le a s i l yc o n f u s e dc o n c e p t ss u c ha st a i l i n g , t a i l i n g p o n d ，t a i l i n gd a m ，t a i l i n gs t a r t e rd a m a r ep r e s e n t e df i r s t l y , i n t r o d u c i n g t h eg e n e r a lc o n d i t i o no ft a i l i n gp o n di no u rc o u r l t r y t h e nl i m i t e q u i l i b r i u mm e t h o dw h i c h i su s u a l l yu s e di ns t a b i l i t ya n a l y s i so f t a i l i n g p o n di sa d o p t e d ，a n do nt h i sf o u n d a t i o na n a l y s i se a c hf a c t o ra f f e c t i n gt h e s t a b i l i t yo ft a i l i n gd a m b a s e do nt h ee n g i n e e r i n gc a s eo fd o n g s h a n t a i l i n gp o n d ，t h r e em a i nd a m s ( i n c l u d et w om a i nd a m sa n dav i c e - d a m ) a r e t h ec r i t i c a l p o i n t o f s t a b i l i t ya n a l y s i s a c c o r d i n g t o s p o t i n v e s t i g a t i o n ，c h e c k i n gr e l a t e dd a t at ot h ep r o j e c ta n da n a l y s i s i n gi n d o o r d a t a t h eb a s i si n s t a n c eo fd o n g s h a nt a i l i n gp o n di si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r c h o o s et h es t a b i l i 够o ft a i l i n g d a mt oa n a l y s i s ec o r r e l a t i v e d a t a t a k et o n g j i - d a w n i n gs i d e - s l o p i n gs o f t w a r ew h i c hi s p r e s e n t l y a p p l y i n gi ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g w o r l da n dc o m p a r a t i v em a t u r ea s t 0 0 1 t h r e ed a m sw e r eu s e da sa n a l y s i so b j e c t e s a n a l y s ea n dc o u n tt h e s t a b i l i t y o fn a t u r a lc i r c u l a t i o n ，f l o o dc i r c u l a t i o na n d s p e c i f i c c i r c u l a t i o n , t r a c eo u ts l i p p a g e - f a c e ，a n de d u c et h e i rs a f e t yf a c t o r u n d e r i n g t h eh y p o t h e s i so fp o n dc r i t i c a l - s t a t e ，s e p a r a t e l ya n a l y s ea n dc o u n tt h r e e d a m su n i t a r yt a i l i n gs t a b i l i t yo ft a i l i n gt h i n s a n d , t a i l i n gp o w d e r - s a n d a n dt a i l i n gp o w d e r - s o i l t h ep a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lw a y so ft a i l i n g p o n ds a f e t ya s s e s s m e n ta tl a s t c o n s u l t i n gc o r r e l a t i v es t a n d a r do ft a i l i n g p o n ds a f e t ya s s e s s m e n t , a c c o r d i n ga ss t a b i l i t ya n a l y t i c a lr e s u l ta n db a s e o nm o s t l yd a n g e ra n dd i s s e r v i c ea n a l y s er e c o g n i s i n g ，t a i l i n gp o n ds a f e t y a s s e s s m e n tc o n c l u s i o ni sm a d eo u t a c c o r d i n g l y , p e r t i n e n ta d v i c eo f s a f e t ym a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i s g i v e n ，a n d a c c i d e n tm e e ta n e m e r g e n c ya d v a n c e - p r o j e c ti ss i m u l t a n e o u s l yw e a v e d 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：t a i l i n gp o n d ，t a i l i n gd a m ，s t a b i l i t y , s a f e t y f a c t o r , s a f e t ya s s e s s m e n t h i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：丝丑年- 上月厨 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 进入新世纪以来，我国经济社会的发展进入了一个高速增长期，各项经济建 设带动了原材料工业迅速发展。最近几年矿产资源相关行业发展形势喜人，尤其 矿产资源开发业发展迅猛。这是因为经济的快速增长，对矿产资源提出了巨大需 求。 尾矿是一种矿渣，它是矿山企业开采出来矿石经过选矿厂破碎，从中选出有 用的矿物成分后剩下的部分，通常以浆体的形式排放，堆积储存在尾矿库内。中 国是一个矿业大国，每年选矿产生的尾矿约3 亿吨，除一小部分作为矿山充填或 综合利用外，绝大部分要堆存于尾矿库。随着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，其数量会不断增加，尾矿坝的高度会随着矿业 需求的增长而增高。 尾矿坝一旦发生事故，必将对下游地区人民的生命和财产造成巨大危害，对 环境造成严重污染，后果往往触目惊心据统计，在世界上的各种重大灾害中， 尾矿库灾害仅次于发生地震、霍乱、洪水和氢弹爆炸等灾害，位列第1 8 位0 1 尾矿坝的失事情况不容乐观，近2 0 年来，我国共发生一次死亡l o 人以上的尾矿 库事故6 次，造成1 6 8 人死亡嘲国外尾矿库事故也时有报道，1 9 8 5 年7 月。意 大利的普瑞皮尔尾矿库溃坝，2 5 0 人丧生。1 9 6 5 年智利某铜矿因地震溃坝，死亡 2 1 0 人非洲的赞比亚某铜矿和南非某铂矿，分别在1 9 7 0 年和1 9 7 4 年溃坝，有 1 0 0 人丧生。美国布法罗尼河矿尾矿坝1 9 7 2 年2 月2 6 日溃坝，造成1 2 5 人死亡， 4 0 0 0 人无家可归可见，尾矿库安全运行的关键是尾矿坝体必须安全稳固，因 此，为了防止尾矿坝事故的发生，对尾矿坝的上升期及后期的稳定性分析研究是 完全有必要的，意义非常重要 这些情况和资料己被用于推迟和阻止新上采矿项目，发达国家尤其如此。这 反应出了全球采矿业的恶劣状况，表明这一时期在设计和施工技术上几乎没有什 么改进。尽管政治上强调矿物要再循环利用，但采掘业在世界经济上仍占着重要 的地位，因此，评估尾矿坝的性能显得非常重要。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 尾矿库工程，是集岩土工程、环境工程、矿业工程于一体的综合性问题嘲， 尾矿库工程的基本功能是安全地贮积尾矿，最终恢复库区的生态环境。这里强调 安全有三层涵义：一是不发生破坝事故，即不危及下游区生命财产安全。不影响矿 山正常生产；二是不发生地下水( 地表水体) 和大气污染，即不危害当地居民健康 和附近生物繁衍；三是安全的时间概述，从尾矿库建设起、到闭库、到完成土地 恢复和实现生态平衡，直至确实证明尾矿的堆积都满足物理稳定、化学稳定和生 物地球化学稳定“1 。 1 2 尾矿坝稳定性研究现状及评述 2 1 国内外研究现状 尾矿的性态极为复杂，分析条件很少是常规的，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，不能作为真正的大坝来考 虑。后来大型尾矿坝失事后所造成的严重后果逐渐受到了有关人士的重视和认 识。在1 9 7 6 年墨西哥第4 届国际大坝会议上，对尾矿坝分六个方面进行了学术研 究。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。 国外近年文献检索表明，有关尾矿坝稳定性研究的文献并不多见。1 9 9 5 年 a m dp e n m a n 叫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 脚介绍了 意大利的s t a v a 尾矿库垮塌事故，1 9 9 7 年v i c ks g 1 嘲介绍了圭亚那的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 喇介绍了m a l a y s i a 最大的露天铜矿 m a m u tc o p p e ri l i n e 的尾矿设计与管理等方面的情况。在尾矿库与环境保护方面， 2 0 0 0 年t r o s n e r 嘲，2 0 0 1 年m a s c a r o 嘲，2 0 0 1 年k l o h d a z i z l i n 町，分别对尾矿 库内废水废渣中有害成分的组成，及对环境与水土的污染等进行了研究。可见国 外尾矿库研究主要集中在环境污染与防治方面。 而对国内而言，对尾矿库的研究要多些( 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1 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，2 0 0 3 年2 0 篇，2 0 0 4 年8 8 篇， 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 5 年7 7 篇，2 0 0 6 年上半年4 8 篇，在这些研究文献资料中，有关尾矿坝稳定 性的研究也不是很多，仅占l o 一2 5 。在文献“o 中提到“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，使得在该项技术上取得的研究进展并不大。 在尾矿坝事故原因总结方面，文献“”“引伽表明，在造成尾矿库事故的各种 原因中，边坡稳定性不足引起溃坝以及地震引起的尾矿坝事故是各类原因之前两 位，具体如下图卜1 所示。 漫 项 边地基渗 结侵矿 壤震础滑构蚀山 穗下 定沉 性 不 哽 图1 - 1 尾矿库事故原因条状示意图 由此可见，研究尾矿坝稳定性的意义不言而喻了当前尾矿坝的稳定性研究 的主要集中在正常运行情况下、洪水运行、地震荷载下三种情况下而对于尾矿 坝整体稳定性研究的文献较少，分析手段也是将尾矿坝坝体视为边坡，借用边坡 工程稳定性分析的方法 1 2 2 与尾矿坝稳定性研究有关的文献资料综述 国内外对尾矿及其堆积坝整体稳定性研究并不多，但是仍然有与之相关的文 献资料与科研成果 在尾矿坝稳定性分析方法手段方面。李明“”等人利用s y s 对尾矿库进行建 3 凝轻静 中南大学硕士学位论文第一章绪论 模、有限元分析、计算、仿真等，然后分析尾矿坝稳定性；许彦会、孙建泼、孙 永国“”在安全评价方面利用应用条分法分析尾矿库堆积坝稳定性；饶运章、侯运 炳“”运用神经网络对尾矿库废水进行预测研究；郑怀昌、李明“”分析研究尾矿库 稳定性应用了界壳论；李国政、李培良、徐宏达“”基于结构可靠度的指标对尾矿 库坝体稳定性进行了评价；张建隆“”和冯国栋嘲指出，砂土的物理力学性质与 颗粒粒度组成关系密切；张建隆胁1 对一般的尾矿力学性质作了初探；袁磊、董筱 波研究了不同填土料与土工合成材料的界面作用特性；周志刚、张起森、郑 健龙分析总结了关于土工加筋材料的现场力学特性、界面特性、长期性能等 方面的研究成果。文献删研究t n 筋土挡墙的作用机理和影响因素等：文献伽1 研究了尾矿坝地下水渗流情况。 在提高坝体的稳定性工艺措施方面。晏兴荣、王全明、李志荣羽和沈楼燕嘲 分别从不同角度介绍了植被种草在尾矿坝护坡中的应用；卫修保在降低坝体浸 润线以及加速尾矿固结措施做了探讨；丁坚平、李景阳、王伍军、陈林桂1 提出 帷幕灌浆作防渗来处理尾矿库地基卸荷裂隙；周志斌对白锥山尾矿库筑坝技术 以及动力稳定性作了研究；李建荣口7 1 针对在特大型尾矿库中采用中线法堆坝技术 工艺形成的尾矿堆积坝体高边坡进行分析预测，并提出了相应对策；沈楼燕嗍 研究了尾矿坝坝基软土加固技术，提出了土工合成材料加固措施；i , a l 政介绍 了干滩面上筑坝和土工布在尾矿的应用；王树介绍了加筋土坝结构在大石河铁 矿尾矿库加高坝体过程中的应用；袁兵“o 介绍了一种处理尾矿坝的软土地基新方 法，即抛填块石挤淤联合土工布排渗加筋法。蹼家骆提出了在尾矿坝等土木工 程研究中的一种新试验方法；s 摩克逊在文献“3 1 中提出了尾矿干堆的设想，为未 来尾矿的处理提供了一个新思路 在加强尾矿库安全管理方面。罗洪涛对影响会理锌矿尾矿坝稳定性的因素 进行分析研究，并提出了提高尾矿库的整体安全性的措施；乐云提出了改进尾 矿库堆存筑坝方式来提高尾矿坝的稳定性；张培安系统地论述了尾矿库安全技 术及管理；吕庭刚、庙延钢“”对影响尾矿库坝体稳定性的渗漏因素产生机理进行 了研究；徐宏达“8 1 系统分析了我国尾矿库病害事故；周信金，吴小平在文献嘲 系统地介绍了东乡铜矿尾矿库的安全管理经验。 地震情况下边坡稳定性问题一直是岩土工程界研究的难点之一，分析尾矿坝 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 地震稳定性的常规计算方法是拟静力法脚。国内外学者也提出了一些可用于评价 地震条件下稳定性的方法，如刘立平、雷尊宇、周富春在文献呻1 介绍了n e w m a = r k 滑块分析方法、动力有限元法、概率分析法、基于衰减理论的流动破坏分析法和 变形分析法等。滕志国在文献。小叫中结合具体的工程实例，运用动力分析的方法 分析地震情况下的稳定性；祁生文、伍法权、刘春玲、丁彦慧旧1 对地震边坡稳定 性的工程地质进行了分析；王余庆，辛鸿博嘲和李万升、高建生、王治平啕分别 根据唐山大地震震后情况对有关尾矿坝的振动稳定性作了一些研究与分析工作。 1 2 3 尾矿坝稳定性研究趋势 综合国内外尾矿坝稳定性的研究现状，在定性定量研究方面都取得了一定的 成就，但仍然存在以下不足： ( i ) 在分析尾矿坝整体稳定性方法手段上，其理论来源于传统土力学理论。 由于尾矿性质和粘土力学性质并不完全相同，所以在尾矿分层细化方面需要进一 步的研究。 ( 2 ) 在提高尾矿坝整体稳定性方面，其中不乏具体的工艺手段，但大多都 是具体的工程个案，在当前的矿山尾矿库安全评价大背景下，还需要进一步研究 使其上升到更加成熟的理论高度 1 3 本文主要研究内容 基于以上分析，我们可知尾矿库安全运行的关键是尾矿坝体安全稳固，为了 防止尾矿坝事故的发生，对尾矿坝的上升期及后期的稳定性分析研究是完全有必 要的作者在导师指导下，结合。东山矿业公司尾矿库安全评价”项目，通过现 场调查、查阅工程相关资料、室内资料分析，从不发生溃坝的角度分析了尾矿坝 整体稳定性，根据稳定性分析结果做出安全评价结论，在此基础上提出安全对策。 本文主要研究内容如下： 第一章首先从影响矿业发展的角度简单介绍了近年来发生的尾矿库事故，接 着对国内外尾矿坝稳定性分析现状进行了介绍和评述。 第二章从尾矿、尾矿库、尾矿堆积坝等概念入手，介绍了我国尾矿库基本情 况 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第三章概述了尾矿坝分析方法，着重介绍了极限平衡法原理，在此基础上对 于影响尾矿坝稳定性的因素进行了分析研究。 第四章首先介绍了东山尾矿库基本情况，在此基础上选取尾矿坝稳定性分折 的相关数据，接着运用同济曙光岩土工程软件，分析了尾矿库在不同条件下坝体 稳定性，同时分析了库存尾矿极限条件下的稳定性。 第五章介绍了尾矿库安全评价常用的方法，对尾矿库危险因素进行分析辩 识，并结合稳定性分析结果，参照尾矿库安全评价标准，对东山尾矿库做出安全 评价结论，最后提出安全对策。 第六章为本文的研究结论及尾矿坝稳定性未来研究方向展望。 6 中南大学硕士学位论文第二章尾矿，尾矿库及我国尾矿库的基本情况 第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 2 1 尾矿及其分类 矿山开采出来的矿石经过选矿工艺的破碎，从磨细的岩石颗粒中选出有用成 分后，剩下的矿渣叫尾矿，即选矿或有用矿物提取有用成分之后，以浆体状态捧 出的排弃物。把尾矿定义为捧弃物，而不是定义为固体废料，意在承认它可能作 为资源再利用的价值，尾矿通常以堆存方式进行处理。 全世界每年产出金属和非金属矿石，煤、石材、黏土、沙砾约9 0 亿吨，而 相应排弃废石和尾矿3 0 0 亿吨。我国现有尾矿库共2 6 9 2 座嘲，每年排放尾矿约3 亿吨，堆积这些尾矿将占去了大量宝贵的土地资源。同时，尾矿含有暂时还不能 回收的有用成分，比如，我国多数铁矿尾矿中除含有l o 一3 0 * , 6 左右的铁外，还含 有c u 、c o 、v 、t i 、n i 、p b 、z n 、s 、p 及稀有元素等。如随意排放，就会造成资 源的流失。更主要的是会大面积覆没农田，淤塞河道，早晨严重的环境污染。比 如，大量尾矿中的硫、砷，其他重金属铅、锌、汞、镉、铬、放射性元素以及尾 矿中夹杂的化学药剂、酸、碱、盐、氰化物等会对地表水、地下水以及周遍环境 早晨污染，氧化物分解产生的有害气体和大风天气下的扬尘，也会对大气环境造 成污染。因此，为了实施可持续发展战略，尾矿必须得到妥善的处理。 不仅各种矿石的尾矿性质不同，就是相同矿石产生的尾矿也会因矿体赋存性 质和选矿方法，其各种性能差异也很大，很难系统归纳为了更好了解尾矿的属 性，有必要弄清尾矿的分类。现根据尾矿的物理特性将其分为4 大类( 参见表 2 - i ) ，即： 第1 类，软岩尾矿主要由页岩型矿石产生，包括细煤废渣、天然碱不溶物、 钾等。这些尾矿中尽管包含一定数量的砂质颗粒，但尾矿泥的粘土性质显著地从 总体上影响尾矿的物理性质和状态。 第2 类，硬岩尾矿。主要包括铅一锌、铜、金一银、钼，镍( 硫化物) 、钴、 锡、钨、钛等类型岩石。尾矿以砂质颗粒为主，虽然尾矿泥占有很大比例，但因 破碎的母岩而非枯土，故总体上不能对尾矿性态起到控制性的影响。 第3 类，细岩尾矿其含很少或不含砂质颗粒，包括磷酸盐粘土、铝土矿红 7 中南大学硕士学位论文 第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 泥、铁细岩尾矿、沥青砂尾矿中的矿泥。这些矿泥的特性对这些尾矿的性态起者 支配作用，它们需要非常长的时间沉淀和固结，极为软弱，可能需要很大的库容。 第4 类，粗尾矿。从总体上讲，这些尾矿的特性受相当粗砂颗粒所决定，就 石膏尾矿而论，则受塑性粉砂所决定。这种类型尾矿包括沥青砂的粗颗粒尾矿、 铀矿、石膏、粗铁尾矿和磷酸盐砂尾矿。 同一类别尾矿具有大体相近的物理特性，因此，也可能具有大体相近的排放 问题。这样，在所要处理的一种尾矿缺少实际资料的情况下，尾矿的类别也可能 提供有益的参考。此外，对于特定的选厂，磨矿工艺的变化可能产生非常大量的 细粒尾矿，从而改变尾矿的类属，并引起新的排放问题。然而，必须承认，上述 分类只反映各种尾矿类型的总体物理特性和工程行为，而在某些场合，化学特性 和环境因素可能远比物理特性重要 表2 - i 尾矿的分类 类别 尾矿 一般特性 软岩尾矿细煤废渣 包含砂和粉砂质矿泥，因粉尘质矿泥中粘土的存在，可能控制 天然碱不溶物总体性质 钾 硬岩尾矿铅一锌 铜可包含砂和粉砂覆矿泥，但粉砂质矿泥常为低塑性或无塑性 金一银砂通常控制总体性质 钼 镶( 硫化物) 细岩尾矿磷酸盐粘土一般很少或无砂粒级，尾矿的性态，特别是沉淀一固结特性受 铝土矿红泥 粉砂级或粘土级颗粒控制，可能造成捧放容积问愿 铁细徽尾矿 沥青矿尾矿泥 粗尾矿沥青砂尾矿 铀尾矿 主要为砂或无塑性粉砂级颗粒，显示出似砂性态及有利于工程 铁粗尾矿的特性 磷酸盐砂 石膏尾矿 但是到目前为止，尾矿还没有一个通用的明确分类。文献 2 8 按照尾矿的粒 度组成分类，具体情况见表2 2 。 而文献嘲m 则按照尾矿堆积坝过程中的沉积情况，即按照是否能堆积成尾矿 3 中南大学硕士学位论文第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 坝来分类，把其中满足一定颗粒粒径条件的细尾矿称为细粒尾矿。即尾矿平均粒 径d c p o 0 3 m ，且小于0 0 1 9 m m 的含量一般 5 0 9 6 ，大于0 0 7 4 r a m 的含量 1 0 ， 大于0 0 3 7 r a m 的含量3 0 的尾矿细粒尾矿的产生主要有2 种情况。一是选矿 厂排放的全尾矿本身就属于细粒尾矿，二是选矿厂排放的全尾矿原不属于细粒尾 矿，但经过综合加工利用，像粗的尾矿用于井下充填等，余下的细粒尾矿被排放 到尾矿库堆积成尾矿坝。 表2 - 2 尾矿分类表 类别判定标准尾矿名称 粒径大于2 o m 的颗粒占全重的l 慵5 嘴尾砾砂 尾矿砂 粒径大于o 5 m 的颗粒超过全重的5 0 4尾粗砂 粒径大于o 2 5 m 的颗粒超过全重的5 暇 尾中砂 粒径大于o 1 0 m l 的颗粒超过全重的8 强尾细砂 粒径小于o 0 0 5 m 的颗粒超过全重的3 雕尾矿泥 粒径小于o o o s m m 的颗粒占全重的l 器一3 嘣尾重亚粘 尾矿土 粒径小于o 0 0 5 m 的颗粒占全重的1 0 l 碱尾轻亚粘 粒径小于o o o s t m 的颗粒占全重的5 l 碍尾亚砂 粒径小于o o o s m 的颗粒小于全重的鼹 尾粉砂 从以上三种分类来看，按照尾矿的颗粒粒径来分类比较科学实用。这样的尾 矿划分，有利于确定尾矿的工程力学性质，而这些数据，对于工程应用尤其是分 析尾矿坝的稳定性来说，具有重要的实际意义。 2 2 尾矿库 2 2 1 尾矿库及分类 尾矿库又叫尾矿池、尾矿场，它是筑坝拦截谷口或围地构成的用以贮存尾矿 的场所。一般由尾矿堆存系统、尾矿库排洪系统、尾矿库回水系统等几部分组成。 根据地形条件的不同，尾矿库可分为4 种类型嘲 ( 1 ) 山谷型尾矿库 山谷型尾矿库是借助山区和丘陵地形，在山谷下游谷口处筑坝，进行拦截形 9 中南大学硕士学位论文第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 成尾矿库，如图2 - - 1 所示。它的特点是初期坝相对较短，坝体工程量较小；后 期尾矿堆坝相对较易管理和维护，当堆坝较高时，可获得较大的库容；库区纵深 较长，澄清距离及于滩长度易于满足设计要求；但汇水面积较大，排水设施工程 量大。我国大中型尾矿库大多属于这种类型的尾矿库。 ( 2 ) 傍山型尾矿库 傍山型尾矿库是在丘陵和湖湾地区，利用山坡洼地，在山坡脚下依山三面或 两面筑坝，进行围截形成的尾矿库，如图2 2 所示它的特点是初期坝相对较 长，初期坝和后期尾矿堆坝工程量较大；由于库区纵深较短，澄清距离及干滩长 度受到限制，后期堆坝高度一般不太高，故库容较小；汇水面积虽小，但调洪能 力较小，排洪设施的进水构筑物较大；由于尾矿水的澄清条件和防洪控制条件较 差。管理、维护相对比较复杂。国内低山丘陵地区的尾矿库大多属于这种类型。 2 1 山谷型尾，矿库 = r 二- 2 2 傍山型尾矿库 ( 3 ) 平地型尾矿库 平地型尾矿库是在平原和沙漠地区的平地或凹坑处。人工四面筑坝围成的尾 矿库，如图2 3 所示。其特点是初期坝和后期尾矿堆坝工程量最大，维护管理比 较麻烦；由于周边堆坝，库区面积越来越小，尾矿沉积滩坡度越来越缓，因而澄 清距离、干滩长度以及调洪能力都随之减少，堆坝高度受到限制，一般不商；但 汇水面积小，捧水构筑物相对较小；国内平原或沙漠地区多采用这类尾矿库。例 如金j l | 、包钢和山东省一些金矿的尾矿库。 中南大学硕士学位论文第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 2 3 平地型尾矿库2 4 截河型尾矿库 ( 4 ) 截河型尾矿库 截河型尾矿库是截取一段河床，在其上、下游两端分别筑坝行成的尾矿库， 如图2 - - 4 所示。有的在宽浅式河床上留出一定的流水宽度，三面筑坝围成尾矿 库，也属此类。它的特点是不占农田；库区汇水面积不太大，但库外上游的汇水 面积通常很大，库内和库上游都要设置排水系统，配置较复杂，规模庞大这种 类型的尾矿库维护管理比较复杂，国内采用者不多。 2 2 2 尾矿库的安全等级 尾矿库是一种特殊的工业构筑物，它的牢固程度不仅涉及到矿山本身的生产 安全，而且关系到周边以及其下游居民的生命财产安危。由于尾矿库的坍塌溃坝 等事故造成的灾害事故，在我国时有发生，损失非常惨重，教训也非常深刻，所 以根据尾矿库的库容和尾矿坝的高度及重要性，国家制定了尾矿库及构筑物的等 级洲，如表2 - 3 和表2 - 4 2 - 3 尾矿库等别划分表 尾矿库级别全库容r ( 万m 3 )坝高h ( m ) 二等库具备提高等别条件者 v l 0 0h l o o l o v 1 0 0 6 0 h 1 0 0 四 l v l o 3 0 h 6 0 五v 1 0 0h 3 0 】| 中南大学硕士学位论文第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 2 - 4r s f 库构筑物的级别 尾矿库 构筑物的级别 等别 主要构筑物次要构筑物临时构筑物 l 34 234 355 四455 五555 2 3 尾矿库堆积坝 尾矿坝是尾矿库用来拦挡尾矿和水的围护构筑物，尾矿坝一般是由初期坝 ( 又称基础坝) 和后期坝( 又称尾矿堆积坝) 组成删。只有当尾矿颗粒极细，无 法用尾矿堆坝时，才采用类似建水坝( 即无后期坝) 的形式贮存全部尾矿，习惯 称之为一次建坝。 初期坝是最初矿山主体工程基建期间，在尾矿坝址用土、石等材料修筑成的 坝体，它是用以容纳选矿厂生产初期0 5 1 年排出的尾矿量，并作为后期坝的 支撑及排渗棱体。而尾矿堆积坝是由尾矿堆积而成的坝，它是尾矿库的最主要构 筑物，有干法堆积形式和湿法堆积形式之分。目前，普遍采用湿法堆积形式，即 采用尾矿库的形式贮存尾矿 按照尾矿堆积形式的不同，可分为上游法、中线法、下游法、高浓度尾矿堆 积法和水库式尾矿堆积法( 尾矿库挡水坝) 5 种主要形式。 ( 1 ) 上游式尾矿筑坝 上游式筑坝的特点是子坝中心线位置不断向初期坝上游方向移升，坝体由流 动的矿浆自然沉积而成，如图2 5 所示。受排矿方式的影响，往往含细粒夹层 较多，渗透性能较差，浸润线位置较高，故坝体稳定性较差。但它具有筑坝工艺 简单，便于管理，运营费用低经济合理等优点，且对库址地形没有太特别的要求， 所以国内外均普遍采用，我国有8 5 以上的尾矿库是采用该法堆积 困2 5 上游式尾矿筑坝卜初级埂：2 呼埙 中南大学硕士学位论文第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 ( 2 ) 下游式尾矿筑坝 下游式尾矿筑坝是用水力旋流器将尾矿分级，溢流部分( 细粒尾矿) 排向初 期坝上游方向沉积；底流部分( 粗粒尾矿) 排向初期坝下游方向沉积。其特点是 子坝中心线位置不断向初期坝下游方向移升。由于坝体尾矿颗粒租，抗剪强度高， 渗透性能较好，浸润线位置较低，故坝体稳定性较好。但分级设施费用较高，且 只实用于颗粒较粗的原尾矿，又要有比较狭窄的坝址地点。解决的办法是，补充 其他材料或高筑初期坝。利用废石补充尾砂的不足，国外使用较多，我国仅峨口 铁矿第二尾矿库属此种坝型 ( 3 ) 中线式尾矿筑坝 中线式尾矿筑坝工艺与下游式尾矿筑坝类似，但坝顶中心线位置始终不变。 其实质是介于上游法和下游法之间的一种坝型，其特点是在构筑过程中坝顶沿轴 线垂直升高，堆坝尾矿仍采用水力旋转器分级，这与下游筑坝法基本类似。但与 上游法相比，坝体上升速度较快，筑坝所需材料少，坝体稳定性上具有上游法的 优点，而其筑坝费用比比下游法要低，总之其优缺点介于上游式与下游式之间。 我国德兴铜矿4 号尾矿库就是采用这种坝型。 ( 4 ) 浓缩锥式尾矿筑坝( 高浓度圆椎法) 浓缩锥式尾矿筑坝是将浓度5 5 以上的浓缩尾矿用管道输送到堆存场地的 某个点集中排放，沉积的尾矿自然行成锥形堆体，堆体表面坡度一般只有5 “麟。 占地面积较大，且需高效浓缩设施。为了排放尾矿，需要修筑一些坡道，随着堆 积体的增高，逐步抬高坡度。为了收集尾矿的离析水以及携带的少量细粒尾矿泥， 在堆积区下游一定部位应建立尾矿水沉积池，沉积后的澄清水可以回收利用为 了防止雨水冲刷及砂土流失，应设周边堤和捧水沟。这种堆存方式适用于在较大 面积的平地或丘陵地区采用 该方法在国外矿山虽然应用较多，我国尚处于研究阶段。目前，应用这种方 法的困难主要在于矿浆浓缩和高浓度浆体的输送，在技术经济上尚需要进一步的 研究 ( 5 ) 水库式尾矿堆积法( 尾矿库挡水坝) 该法不用尾矿堆坝，而是用其他材料像修水库一样修建大坝，作为尾矿库的 拦挡坝，库内用于储存细粒尾矿。这种尾矿库和一般蓄水的水库工作条件基本相 1 3 中南大学硕士学位论文第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 同，但坝前水位升降变化幅度较小，尾矿堆积是逐步推进的。 水库式尾矿库库容一般都比较小，但基建投资较高。拦挡坝多采用当地土石 料或废石建造。当尾矿粒度过细，不宜用尾矿堆积坝或其他特殊原因时才采用该 方法。放矿位置在坝前不经济或困难大，必须在坝后放矿；矿浆水对环境危害大， 且不允许泄漏。水库式尾矿库的拦截坝称为尾矿库挡水坝，相关设计均按照水库 坝的要求进行。 2 4 我国尾矿库的基本情况 2 4 1 我国尾矿库数量、类型、特点 我国黑色、有色、黄金、化工、核工业、建材等行业的矿山每年产出尾矿大 约3 亿多吨。根据有关资料统计m 1 显示，2 0 0 3 年至2 0 0 4 年，国家安全生产监督 管理总局组织了金属非金属尾矿库安全状况的调查，我国调查的范围包括2 7 个 省( 区) ，尾矿库共2 6 9 2 座，其中黑色、有色矿山占了8 0 ，参加调查的各省尾 矿库分布如图2 - 6 所示。 图2 - 6 尾矿库按省分布情况 从统计资料来看，尾矿库数量分布情况为：超过3 0 0 座的省份有河北、云南； 1 0 0 一3 0 0 座的有山西、安徽、江西、湖南、和广西：5 0 1 0 0 座的有辽宁、吉林、 福建、山东、河南、陕西；其它省( 区) 都在5 0 座以下 1 4 中南大学硕士学位论文第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 从库容方面来讲，其中有2 2 3 3 座库容规模基本正确，总库容为6 0 3 x 1 矿一， 规模分布情况如表2 5 所示。 表2 - 5 库容规模分布 库容规模( l o m 3 )座数平均库容( x 1 0 4 m 3 ) 1 0 0 09 84 5 1 6 2 其中，最大设计坝高为2 6 0 m ，超过i o o m 的有2 6 座，坝高小于3 0 m 的小库 占了8 0 。而各行业主要企业的尾矿库统计结果见表2 - 6 。 表2 - 6 国内主要矿山企业尾矿库数量统计 行业 总数座坝高( m )病险率 6 03 0 黑色矿山7 82 32 03 53 9 ( 3 ) 有色矿山 1 9 38 85 94 62 6 ( 1 8 ) 黄金矿山 l o o 8 8 1 22 2 ( 1 9 ) 化工矿山 1 8945 核工业 1 5294 建材矿山66 合计4 1 02 1 61 0 4 9 0 备注( ) 内为超服务期运行的尾矿库 2 4 2 我国尾矿库的运行状况 根据相关资料叫显示，在我国矿山诸多尾矿库中，许多尾矿库长期处于险、 病、超期限服务状态，情况非常不利于，具体如表2 7 所示。 表2 - 7 尾矿库安全状况 库容规模 正常库危险库安全度不清楚 ( 1 0 4 m 3 ) 座数( 座)比例( )座数( 座) 比例( )座数( 座) 比例( ) 1 0 0 03 63 6 7 1 41 4 34 84 9 0 合计 5 鲫2 6 84 0 61 8 21 2 2 85 5 o 由表2 _ 7 可以看出，没有明显事故隐患的正常库总数为5 9 9 座，占提供正确 调查记录库数的2 6 8 ；有明显事故隐患的危险库由4 0 6 座，占提供正确调查 记录库数的1 8 2 ；有1 2 2 8 座没有能够判断是正常库，还是危险库由此可 1 5 中南大学硕士学位论文 第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 得出我国非正常库比例高达5 5 。 各类数据表明，我国金属非金属尾矿库的安全形势十分严峻，尾矿库安全状 况堪忧。 2 4 3 我国尾矿库事故分析及安全运行思路 尾矿库做为一种特殊的工业构筑物，它的服务期也是整个尾矿库的施工期、 尾砂坝的堆积期，这个过程比较漫长，少则5 年、1 0 年，多则十几年、几十年， 如江西铜业公司下属的东乡铜矿尾矿库，1 9 6 6 年设计，1 9 7 3 年建成投入使用， 至尽已3 0 多年了，预计还要使用几年。而且尾矿库的投资一般都很大，尾矿设 施的建设占了矿山建设总投资的5 - 1 0 ，相当于选厂基建投资的2 0 9 6 左右，有些 甚至与建厂投资相当。同时，随着社会发展，人类迁徙，原来尾矿库下游附近没 有居民、村落、工厂等建筑物，现在都发生了很大变化，有些尾矿库的下游有了 村落、工厂、学校、铁路、高速公路等，而且都属于一级保护设施 6 5 。所以， 尾矿库一旦出现问题不仅涉及到矿山本身的生产安全，而且关系到周边及其下游 居民的生命财产安危。 尾矿库的垮塌而造成的灾害事故，在国内外时有发生，损失惨重，教训非常 深刻。例如，2 0 0 0 年1 月3 0 日，罗马尼亚乌鲁尔金矿尾矿库的尾矿坝发生泄漏， l o 多万升含有氰化物、铜、铅等的污水流入多瑙河支流蒂萨河，污水流经之处， 生物暴毙，影响非常恶劣。 近年来，我国尾矿库事故对有发生，远的不说，1 9 8 6 年4 月3 0 日安徽黄梅 山铁矿尾矿库3 0 0 米大坝由中段倒塌，死亡1 9 人，伤9 7 人，矿山停产，直接经 济损失2 0 0 多万元。1 9 9 5 年6 月2 4 日贵州开磷集团泥石流冲毁尾矿坝造成1 5 人死亡，1 3 人重伤，直接经济损失1 3 6 亿元。2 0 0 0 年1 0 月1 8 日上午9 时5 0 分，广西南丹县大厂镇鸿图选矿厂尾矿库发生重大垮坝事故，共造成2 8 入死亡， 5 6 入受伤，7 0 阆房屋不同程度毁坏，直接经济损失3 4 0 万元。2 0 0 1 年7 月l o 日云南武定县尾矿坝坍塌，死亡7 人。2 0 0 6 年4 月3 0 日，陕西省商洛市镇安县 黄金矿业有限责任公司尾矿库发生溃坝事故，下泄的尾矿渣将7 6 间民房毁坏，造 成1 5 人死亡、2 人失踪、5 人受伤，损失惨重，社会影响恶劣根据事故原因调 查分析，国内尾矿库的病害主要表现为8 大类，见表2 8 嘲。 1 6 中南大学硕士学位论文第二章尾矿、尾矿库及我国尾矿库的基本情况 表2 - 8国内尾矿库病害分类统计 病害 所占比例( ) 类型病害类型描述 黑色 其它全国灾害 4 9 件2 9 件7 8 件4 9 件 1 坝坡失稳。即各种侑坡等 o3 41 30 2初期坝漏矿等 8 2o5 14 5 3 雨水、尾矿浆造成的坝面拉沟。子坝溃口等 1 4 309 02 2 4筑坝困难，库内滑坡，喀斯特等 1 4 31 3 81 4 11 1 1 5 坝坡、坝基、坝肩渗水，流土、坝面沼泽化 2 0 43 41 4 14 5 6 捧洪管、塔、斜槽、遂洞、捧渗管等构筑物破坏 3 2 72 0 82 8 23 3 3 7 洪水漫顶，各种原因的溃坝 6 15 8 62 5 64 4 4 8 地震引起的液化、裂缝，沉降、位移等 4 1o2 6 0 2 5 小结 由于以上分析，我国尾矿库的正常运行比例偏低，病害不断，时有重大事故发 生，有的引发了巨大的灾害。 就目前尾矿库而言，有两大新问题出现。一是尾矿库的闭库问题嘲，由于我 国幅员辽阔，地质条件、气象条件复杂，这些外在条件对已闭库的尾矿库安全都 有着深远影响，有时该因素会上升为影响坝体稳定性的主要因素，并使得库区很 多方面存在安全隐患，闭库后库区处理不好，就会发生一些安全事故甚至重大环 境污染事故；二是由于选矿设备、工艺、选矿技术的提高，磨矿粒度越来越细， 使得排放到尾矿库区内的尾矿粒径越来越细，造成堆积尾矿坝的细粒度尾矿会越 来越多，然而从土力学的角度来讲，土颗粒愈细其力学性质愈差，所以细粒尾矿 堆积坝稳定性较差会导致病害率偏高蚓。所有这些，对于尾矿坝的稳定性都提出 了更高的要求。 本文主要着眼于尾矿库不同生产条件和尾矿粒径变化2 个重要因素，分析尾 矿坝稳定性，从加强尾矿库管理的角度上提出相应的安全对策。 1 7 中南大学硕士学位论文第三章尾矿坝稳定性分析 第三章尾矿坝稳定性分析 3 1 尾矿坝稳定性分析方法概述以及流程 尾矿库是一种特殊的工业构筑物，同时也是矿山三大控制性工程之一船钉。尾 矿库坝体稳定性分析计算，从总体上定量评价和预测坝体的工作状态，以检验规 划中或正在运行中的尾矿库是否满足许用安全系数要求，安全程度如何，有多大 的富余，未来尾矿坝还能堆积多高，是否需要进行加固处理等，最后对坝体的稳 定性做出评价。尾矿坝稳定性分析在尾矿库设计和日常运行管理中具有重要的作 用，在工程质量控制中属于事前控制和事中控制。我国有关法律法规对其也有明 文规定。原冶金工业部和中国有色工业总公司1 9 9 0 年3 月3 1 日冶金矿山尾矿 库设施管理规程，建设部1 9 9 0 年1 2 月3 0 日颁布的选矿厂尾矿设施设计规范 ( z b j l 9 0 ) ，国家安全生产监督管理总局2 0 0 6 年0 4 月2 l 颁布尾矿库安全管 理规定( 替代原国家经济贸易委员会2 0 0 0 年颁布的尾矿库安全管理规定， 中华人民共和国安全生产行业标准尾矿库安全技术规程( a q 2 0 0 6 - 2 0 0 5 ) 等相 关法律法规都对尾矿库的稳定性做出了明确的规定 目前，尾矿坝稳定性分析计算还是将其当作边坡来处理，一般还是沿用传统 的土力学的传统理论进行分析。尾矿坝的稳定性分析方法重要有三大类，分别是 极限平衡法：如瑞典圆弧法，毕肖普法，余推力法，s a r m a 法等；