（采矿工程专业论文）金山店锡冶山尾矿坝稳定性及加固研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i | i t ll l ii i i iii l li i iiu | 17 3 9 3 4 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：当苤日期：型! ：圭：丝 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 尾矿库是矿山生产设施的重要组成部分，是矿山三大控制性工程之一，它的安全运行 对矿山生产管理起着至关重要的作用。 本文简要介绍了国内外尾矿坝稳定性的研究现状，分析了尾矿坝稳定性的方法，主要 包括极限平衡法和数值分析法，比较了它们的优缺点。并提出了影响尾矿坝稳定性的最主 要因素分别是浸润线、尾矿的物理力学性质以及水的影响。 通过对武钢矿业公司金山店锡冶山尾矿坝的工程调查和现场勘察，在详细地考察分析 其尾矿坝的运行状况的基础上，根据尾矿坝地质勘查报告选取了4 个计算剖面，选取相关 材料参数，应用g e 0 s l o p e 软件建立相应的计算模型，分析了尾矿坝在6 0 m 标高的稳定性， 得出潜在滑移面，计算出最小安全系数。根据尾矿库的实际生产需要，计算坝体1 0 0 m 标高 的稳定性，对尾矿坝的加高扩容可行性进行了分析，针对需要进行加固处理的坝体，提出 了加筋法与排水固结法相结合的方法对金山店尾矿坝进行加固，有效地提高了尾矿坝的稳 定性。 关键词：尾矿坝；稳定性分析；最小安全系数；加固 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t a i l i n g sd a mi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h em i n ep r o d u c t i o nf a c i l i t i e s ，a n di t so n e o ft h et h r e e m 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 gc o m p a n y i t ss a f e t yo p e r a t i o np l a y sa v i t a lr o l ei nt h em i n e p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h es t u d i e sa b o u tt h es t a b i l i t yo ft a i l i n g sd a m ，i n c l u d i n gl i m i t e q u i l i b r i u mm e t h o d sa n dn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s t h i sp a p e ra l s op r o p o s e st h em e t h o d so f a n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo ft a l l i n g sd a m ，i n c l u d i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo ft a i l i n g sd a ma r es a t u r a t i o nl i n e ，p 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 so f t a i l i n g sa n dw a t e r , e t c b yd e t a i l e da n a l y z i n gt h es t a t u so ft h ep r o j e c ta n dt h eo n - s i t ei n s p e c t i o n , i n v e s t i g a t i n gt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fj i n s h a n - d i a nx i y em o u n t m nt a i l i n g sd a mw h i c hb e l o n g st ow i s c o m i n i n gc o m p a n y , a c c o r d i n gt ot h er e p o r to fg e o l o g i c a ls u r v e ya n dr e l e v a n tm a t e r i a lp a r a m e t e r s ， 4c a l c u l a t i o ns e c t i o n sa r es e l e c t e d a c c o r d i n gt ot h eg e o - s l o p es o l , w a r e , t h ec o r r e s p o n d i n g c o m p u t a t i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，t h es t a b i l i t yo ft a i l i n g sd a ma t6 0 m e l e v a t i o nw a sa n a l y z e d ， t h ep o t e n t i a ls l i ps u r f a c ea n dt h em i n i m u ms a f e t ym o d u l u sa r ea l s oc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h e a c t u a lp r o d u c t i o nn e e d so ft m l i n g sd a m ，t h es t a b i l i t yo ft m l i n g sd a ma t10 0 me l e v a t i o n ，t h e f e a s i b i l i t yh e i g h t e n i n ga n de x p a n s i o n s h o u l db ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ， r e i n f o r c e m e n ta n dd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o dw e r ec o m b i n e dt or e i n f o r c ej i ns h a nd i a n t a i l i n g sd a m ，t h es t a b i l i t yo ft m l i n g sd a mw a se f f e c t i v e l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：t m l i n g sd a m ；s t a b i l i t ya n a l y z e ；m i n i m u ms a f e t yf a c t o r ；r e i n f o r c e m e n t 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 弓i 。占l 1 2 国内外研究现状l 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状2 1 3 本文研究的主要内容4 第二章我国尾矿库的基本情况5 2 1 尾矿5 2 2 尾矿坝及分类6 2 3 尾矿库7 2 2 1 尾矿库及分类7 2 2 2 尾矿库的安全等级9 2 4 我国尾矿库的基本情况1o 第三章尾矿坝稳定性分析方法及影响因素1 2 3 1 尾矿坝稳定性分析方法概述1 2 3 1 1 极限平衡法1 2 3 1 2 数值分析法1 5 3 2 尾矿坝稳定性影响因素分析1 8 3 2 1 浸润线的影响1 8 3 2 2 尾矿的物理力学特性的影响1 9 3 2 3 水对尾矿坝稳定性的影响2 0 第四章金山店铁矿尾矿坝稳定性分析2 1 4 1 工程概况2 l 4 1 1 尾矿库基础设施2 1 4 1 2 尾矿坝现场勘察2 2 4 1 3 尾矿沉积规律2 3 4 1 4 不同坝高水位变化2 3 4 2 确定最小安全系数及计算剖面2 3 4 3 静力稳定性分析2 4 4 3 1 计算软件g e o s l o p e 2 4 4 3 2 尾矿坝坝体稳定性计算分析2 5 第五章金山店铁矿尾矿坝加高扩容稳定性研究3 0 5 1 加高扩容稳定性分析3 0 第页武汉科技大学硕士学位论文 5 1 11 1 剖面稳定性分析3 0 5 1 2 其它剖面稳定性分析3l 5 2 尾矿坝加固方法3 3 5 2 1 后期子坝加固处理3 3 5 2 2 初期土石坝的加固措施3 4 5 3 金山店铁矿尾矿坝加固研究3 5 5 3 1 尾矿坝加固方案设计一3 5 5 3 2 加固处理后稳定性验算3 6 第六章结论与展望3 8 6 1 主要结论3 8 6 2 展望3 8 参考文献4 0 致谢4 4 硕士期间发表论文4 5 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 尾矿库是矿山生产设施的重要组成部分，是矿山三大控制性工程之一，对矿山生产管 理起着至关重要的作用【lj 。在对金属或非金属矿山进行矿石选别后，其排出尾矿或其他 工业废渣堆砌而成特殊工业建筑物就是尾矿库【2 j 。其主要作用是通过尾矿库的建立，可 以将尾矿妥善贮存在尾矿库内，在对矿石选别过程中形成的尾矿水中往往含有多种药 剂，在库内澄清后回收循坏利用，可有效地保护环境【3 j 。同时有些尾矿还含有大量有 用矿物成分，甚至是稀有和贵重金属成分，由于种种原因，一时无法全部选净，将其 暂时贮存于尾矿库中，可待将来进行回收利用。 尾矿库的安全运行不仅关系到一个矿山企业的经济效益，而且与库区下游居民的生命 财产及周边环境息息相关【4 】。大量堆积的尾矿如不进行及时有效处理，就会有溃坝的危险。 坝体一旦溃堤，坝内的尾矿砂、泥浆和水将以泥石流的形式涌出，对下游居民的生命财产 造成严重威胁，对环境造成严重影响，同时也将给企业带来不可估量的损失【5 】。国内外矿 山中，由于尾矿坝事故，造成的严重危害的事例时有发生【6 1 。其中最引人瞩目的是2 0 0 8 年9 月8 日，山西临汾市襄汾县新塔矿业有限公司9 8 0 沟尾矿库发生特别重大的溃坝事故，造成 2 7 7 人死亡、4 人失踪、3 3 人受伤，周边几十里范围内环境严重污染，直接经济损失高达9 6 1 9 万元。这是一起由于非法违规建设、生产，违规排放尾矿而导致的责任事故。原国家经贸 委基于过去有关尾矿库的规程规范等法规基础上，于2 0 0 0 年1 1 月6 只颁布了尾矿库安全管 理规定( 第2 0 号令) ，以督促全国所有矿山企业加强对尾矿库的安全整治与管理。 目前，我国每年的尾矿排放量超过3 亿吨，所需占地面积约2 0 k m 2 。近年来随着国家经 济建设，市场上对矿产资源特别是铁矿的巨大需求，导致我国矿山企业不断加大开采力度， 尾矿的排放量逐年剧增，使得原本现状不是很好的尾矿库运行更加艰难，发生了多起由于 尾矿坝溃坝导致的灾难事件。尾矿库能否安全稳定的运行，对矿山生产管理起着至关重要 的作用【_ 7 1 ，从安全生产、可持续发展以及环境保护的角度出发，矿山企业迫切需要注意尾 矿坝的稳定性问题【8 】。因此对尾矿库的稳定性研究具有较强的现实意义。 金山店铁矿锡冶山尾矿库于始建于2 0 世纪6 0 年代末，1 9 7 0 年完成设计，1 9 7 3 年建成完 成，1 9 7 6 年投产使用。原始设计最终堆积标高7 5 m ，总坝高4 5 m ，总库容2 1 5 0 力m 3 ，为三 等尾矿库【9 】。随着矿山的发展，尾矿排放量逐渐增大，目前尾矿堆积标高已达6 0 m ，已堆 积尾矿约1 2 0 0 力m 3 ，剩余有效库容约3 6 0 力m 3 。随着生产建设的继续进行，必须将尾矿坝 加高到1 0 0 m ，随之将带来对整个尾矿坝的稳定性问题的讨论，基于这样的背景提出本课题， 具有较大的现实意义。在本次研究中，首先将考虑6 0 m 标高坝体稳定性，然后将验算l o o m 标高的稳定性，为尾矿坝加高到1 0 0 m 提供加固扩容建议。 1 2 国内外研究现状 尾矿坝与普通边坡相比，性质更加复杂，其分析条件大都不是常规的，一些专家、学 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 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。直 到后来发生大型尾矿坝失事后，其所造成的严重后果以及对环境造成了的严重污染，才逐 渐受到了有关人士的重视和认识，因此国际上对尾矿坝的研究起步较晚，直到1 9 7 6 年才得 到国际大坝委员会( i c o ) 的承认。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稳定性研究主要集中在尾矿坝的筑坝形 式、渗流、固结、爆破、地震等方面的影响。 1 2 1 国外研究现状 由于起步较晚，国外对尾矿坝研究的文献并不多见，对尾矿库( 坝) 的研究主要集中在 环境污染与防治方面，而关于尾矿稳定性研究则很少有报导。在尾矿坝的稳定性研究方面， 1 9 8 0 年，s h i g e y a s uo k u s a 介绍了地震对边坡及尾矿坝的影响。1 9 8 6 年，s a l l yj p 将尾 矿坝归类于岩土工程方面，归纳出了黄金矿尾矿坝的指导设计方案。1 9 9 5 年a mp e n m a n 介绍了尾矿库设计的一般性原则，内容涉及尾矿坝的设计、尾矿库排水设施设计、尾矿运 输系统设计以及尾矿回收与综合利用等几大方面【1 0 】。1 9 9 5 年意大利s t a v a 尾矿库垮塌，r jc h a n d l e r 对事故进行了详细介绍。1 9 9 5 年km o h d a z i z l i 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 rm i n e 的尾矿设计与管理等方面的情况。1 9 9 9 年，o mf i n a g e n o v ，s g s h u l m a na n dvkl u c h i n a 在“e v a l u a t i o no ft h er e l i a b i l i t yo fat a i l i n gd a md u r i n ga n e a r t h q u a k e 中讨论地震条件下尾矿坝的稳定性。2 0 0 4 年，w e i d o n gj i a n g 在“f r a c t a lc h a r a c t e r o f l e n t i c e l sa n di t si n f l u e n c eo ns e d i m e n ts t a t ei nt a i l i n gd a m ”一文中研究发现，尾矿的透析度 分布反映尾矿坝沉积状态，并对大坝的稳定性有很大影响，透析度的值越小，表明尾矿坝 的稳定性越好【l l 】。2 0 0 7 年“uh o u - x i a n g ，l in i n g ，l i a ox u e 等人在“e f f e c t i v es t r e s sa n a l y s i s m e t h o do f s e i s m i cr e s p o n s ef o rh i g ht a i l i n gd a m 中，分析了地震条件下，影响标高较高的尾 矿坝的稳定性的主要因素是尾矿坝的浸润线以及地震惯性力这两个因素。j u nw u ，y a n q i n g w u 等在“l a b o r a t o r ys t u d yo ft h ec l o g g i n gp r o c e s sa n df a c t o r sa f f e c t i n gc l o g g i n gi nat a i l i n g d a m ”中，通过在实验室模拟尾矿坝的尾矿的堵塞，分析尾矿的堵塞对尾矿坝的稳定性影响。 2 0 0 8 年，mr i c o 在”f l o o d sf r o mt a i l i n g sd a mf a i l u r e s ”对尾矿坝的溃坝引发洪水的风险性进 行了预测。2 0 0 9 年，m a r i at z a n d a r i n 在”t h er o l eo fc a p i l l a r yw a t e ri nt h es t a b i l i t yo ft a i l i n g d a m s ”讨论了孔隙水对尾矿坝稳定性的影响。2 0 1 0 年，m o j t a b ag o l e s t a n i f a r 和a b b a s a g h a j a n ib a z z a z i 在”ad e c i s i o nf r a m e w o r kf o rt a i l i n gi m p o u n d m e n ts i t es e l e c t i o n ”中从环境影 响方面研究了尾矿坝的选址方式的重要性。 1 2 2 国内研究现状 相对国外而言，国内对尾矿库( 坝) 的研究要多些，不完全统计，关于尾矿坝的相关文 献约7 0 0 篇，涉及尾矿坝稳定性研究的文献为1 6 6 篇，主要从尾矿坝的设计、稳定性分析及 加固三个方面阐述了尾矿坝研究的必要性，环境方面要相对少些。潘建平在“尾矿坝抗震设 计研究进展”中围绕尾矿坝地震液化评价和稳定分析简化方法两方面内容，较全面地概述了 国内外尾矿坝抗震设计的研究成果和最新进展，并对尾矿坝抗震设计存在的问题进行了探 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 讨，为尾矿坝抗震设计的发展指明方向【l 羽。沈楼燕，龙卿吉在“汶川地震对尾矿库设计与 管理的启示”中借鉴四川省内受灾水库大坝的险情进行科学分析，从尾矿库的设计和管理角 度总结出一些尾矿库抗震防震的工程经验，以启示未来的尾矿库设计与管理工作，为提高 尾矿库的抗震能力提出建议【l3 1 。段清泉，吕风罗在“关于尾矿库排水设施设计改进建议”一 文中介绍了尾矿库目前的现状，阐述了排水设施设计中所存在的问题并提出了相应的改进 建议，从而确保尾矿库的安全稳固【i 钔。陈明健在“尾矿坝设计中排渗措施的应用”中从水土 保持方面结合尾矿坝工程项目，介绍了如何应用不同类型的排渗措施，以降低坝体浸润线， 加速尾矿排水固结，提高坝体稳定安型t s 】。张建隆在“尾矿砂力学特性的试验研究”和“周期 荷载下尾矿砂动力特性初探讨”分别对一般尾矿砂的力学特性和在周期荷载下的动力特性 进行了初探【1 6 】【1 7 】；李万升，高建生在“大石坝尾矿砂的力学试验研究”以及王余庆，辛鸿博 在“用稳态理论评价大石河尾矿坝的液化与稳定”中分别根据大石坝尾矿库在唐山大地震前 后情况的对比，对尾矿坝的振动稳定性作了一些研究和分孝斤【1 8 】【”】；卜训政在“尾矿沉积滩 上筑坝与土工布的应用”中介绍了干滩面上筑坝和土工布在尾矿库中的应用【2 0 】；s 摩克逊在 “尾矿坝时代的结束”中提出了尾矿干堆的设想，为未来尾矿处理提供了一个新思路【2 。 近几年来，很多学者在尾矿坝的渗流问题、计算机数值模拟以及动力性研究做了一些 工作。李忠奎，张银平在“基于r s 一4 8 5 的尾矿坝渗流检测系统研究与设计”中，建立了基于 r s 4 8 5 的远程数据传输网络，并在此基础上设计了分布式硬件体系结构、多机通讯协议及 基于v c + + 的上位机软件系统，论述了一种新型尾矿坝渗流监测系统的研究与设计【2 2 1 。柴 军瑞，李守义在“米箭沟尾矿坝加高方案渗流场数值分析”中基于实际钻孔勘探成果的最佳 反演分析各分区尾矿砂、风化岩体和初期坝堆石体的模型渗透参数和加高设计方案，采用 三维有限元数值计算方法，应用自主开发的3 d s e w a g e s t r e s s 程序进行了该尾矿坝加高后 渗流场数值分析，得出渗流场各要素分布刚2 引。楼建东，李庆耀在“某尾矿坝数值模拟与 稳定性分析”中以该尾矿坝坝体加高、排矿速度、浸润线条件、排渗系统运行状况对尾矿坝 稳定性的影响为例，建立应力应变的数学模型，结合有限元法计算在未来加高情况下坝体 的应力应变等值线图，确定潜在危险的滑动面，最后用剩余推力法计算评价其稳定性【2 4 】。 刘宪权，谢孔金在“尾矿坝坝体沉积尾矿的动强度特性”中提出沉积尾矿是一种特殊性土， 坝体沉积尾矿的动力力学性质直接影响到尾矿坝坝体的安全与稳定，动强度试验是坝体动 力稳定性分析的自i 提，通过对尾矿坝坝体沉积尾矿的动三轴试验，分析了坝体沉积尾矿的 动强度特性，从而为坝体的动力稳定性分析提供了依据【2 5 1 。 关于尾矿坝加固方面的文献也不是很多。沈楼燕在“土工网格在尾矿库软弱坝基处理中 的应用”中研究了尾矿坝坝基软土加固技术，提出了应用土工合成材料加固尾矿库初期坝坝 基的措施【2 6 】；魏发一在“金马铅锌矿细粒尾矿库的加固实践”中，针对金马铅锌矿细粒尾矿 库堆坝体的浸润线较高，干滩长度不足等方面，采用在堆坝体内铺设土工格珊和埋设软式 滤水管等措施，提高了尾矿库的稳定性【2 门。郭其青在“灌浆技术在斜槽地基加固工程中的 应用”中，应用灌浆技术对于德兴铜矿4 撑尾矿库斜槽地基进行了加固，有效的控制槽的沉 降，提高了地基的承载力和满足稳定性要求【z s 】。张海娟在“某金矿尾矿库加高扩容的可行 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 性研究”中通过对尾矿库加高扩容采用细颗粒向上堆坝，分析了影响尾矿库稳定性的几个因 素，提出了治理措施，保证现状坝体稳定的基础上进一步论证了尾矿库加高扩容的可行性 【2 9 】。曾霄祥在“尾矿坝坝体灌注粘土浆加固技术”中介绍了灌注浆方法处理设计方法和施工 工艺【3 0 l 。杨玉访、马宽昌在“尾矿库坝坡振冲加固的试验与应用”中对招远金矿尾矿坝开展 了振冲加固试验，测试表明，振冲加固可使坝体密度有较大的提高，并满足抗液化指标【3 。 刘运思、段仲沅在“某尾矿库加高扩容坝体加固处理研究”对堆积坝和浆砌石坝后尾矿区域 进行水平加筋，以利尾矿排水固结，并与加筋形成复合坝基【3 2 1 。何秉顺、丁留谦、谢源在 “某尾矿坝稳定性分析与加固措施”中针对某尾矿库堆积坝下游坡出现的水流高位出逸及流 砂现象，对该尾矿坝进行了渗流与稳定计算，提出了渗流和稳定评价意见及可行的除险加 固方案【3 3 】。 综上所述，就目前国内外而言，关于尾矿坝稳定性研究的还不是很多，是个较新的难 点，有一定的学术研究和实际应用价值。 1 3 本文研究的主要内容 随着生产建设的进行，尾矿排放量的日渐增加，随之将带来对整个尾矿坝的稳定性问 题的讨论。本文将从以下几个方面进行相关的研究工作： ( 1 ) 分析目前国内外关于尾矿坝稳定性研究的最新进展，并收集整理我国现有尾矿库的 分布情况及状况。 ( 2 ) 介绍目前尾矿坝稳定性分析方法，比较相关分析方法的优缺点，并分析影响尾矿坝 稳定性的因素。 ( 3 ) 通过对金山店锡冶山尾矿库进行现场勘察，结合相关资料，应用边坡稳定性计算软 件g e o s l o p e 对该尾矿库进行稳定性分析，得出坝体稳定性状况， ( 4 ) 根据分析提出加固处理措施，并提出相应的加高扩容建议。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章我国尾矿库的基本情况 2 1 尾矿 矿山开采出来的矿石，经过选矿厂选别后产生的大量脉石“废渣”即称之为尾矿，通常 是以矿浆状态排出的，个别情况下也有以干砂状态排出【3 4 1 。尾矿是矿石选别后的排弃物而 不是固体废料，还具有一定的经济价值，通常会堆存方式形成尾矿库。 尾矿主要具有以下几个方面的特点：尾矿的生产率高。目前，金属矿山和非金属矿 山品位都比较低，尤其是金属矿山除铅锌矿外，大多数品位在1 以下，有的甚至在0 1 以下【3 5 1 。尾矿成分及尾矿水成分复杂。由于矿山矿床的成因不同，赋存条件亦异，矿石 类型多种多样。所以，选矿工艺和流程各不相同，添加的药剂种类繁多，导致尾矿成分很 复杂。尾矿浓度不一。选矿工艺条件不同，水固比就不一样，尾矿浓度自然就有大小【3 5 1 。 尾矿粒径差异较大。由于尾矿粒径不同，因此在筑坝条件和尾矿坝的管理上也有区别。 尾矿库遍布各地，自然条件差异大，规模悬殊，各类尾矿库所遇到的问题也不一样【3 5 1 。 不同的矿石排放的尾矿大不相同，就连相同矿石产生的尾矿也会因矿体本身性质和选 矿方法的不同，其各种性能也会有较大的差异。为了更好地了解尾矿的性质，提高尾矿的 利用率，就应该对尾矿进行分类，目前分类方法主要有以下几种【l “6 1 ，详见表2 1 。 表2 1 尾矿的分类 l 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 从以上三种分类来看，按照尾矿粒径来分类比较科学实用，有利于确定尾矿坝的堆坝 属性及物理力学性质，对于分析尾矿坝的稳定性以及工程应用具有很强的实际意义【3 7 】。 2 2 尾矿坝及分类 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【2 】。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半年到一年内排出的尾矿量，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，尾矿坝可分为上游法、中线法、下游法、高浓度尾矿堆积 法和水库式尾矿堆积法( 也叫尾矿库挡水坝) 5 种主要形式。较常见的的是以下三种堆坝方 式，下面将做详细介绍。 ( 1 ) 上游式堆坝法 上游式堆坝法就是在沉积干滩面上取库内粗尾砂修筑高1 3 m 左右的子坝，待库内充 填尾砂与子坝坝平时，再在新形成的尾矿干滩面上，按设计堆坝外坡向内移一定距离再筑 子坝，如此层层上升而成。其特点是中心线位置不断向初期坝上游方向移动和升高，如图 2 1 所示。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而 成。其缺点是容易形成复杂坝体结构，致使浸润线逸出引起渗透破坏，甚至滑塌，特别是 地震时易引起液化，坝体稳定性较差。 图2 1 上游式堆坝法筑坝示意图 ( 2 ) 下游式堆坝法 下游式堆坝法是采用水力旋流器分出浓度较高的粗粒尾矿堆坝，其溢流部分( 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。其特点是中心 线位置不断向初期坝下游方向移动和升高，如图2 2 所示。由于坝体尾矿颗粒粗，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，容易满足抗震和其它要求。 其缺点是需要大量的粗粒尾矿筑坝，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。 第7 页 壅圣登垫垄堂堕垡丝丝苎一 图2 2 下游式堆坝法筑坝示意图 图2 3 中线式堆坝法筑坝示意图 磊嚣篓 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 4 山谷型尾矿库示意图 ( 2 ) i l l 坡型 如图2 5 所示，在丘陵和湖湾地区，利用山坡洼地，三面或两面筑坝，进行围截形成 尾矿坝。其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【3 9 】。国内低山丘陵地区的尾矿库大多属于这种类型。 图2 5 傍山型尾矿厍不意图 ( 3 ) 平地型 如图2 6 所示，在平原和沙漠地区的平地或凹坑处，人工修筑围堤，形成尾矿库。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，一般不高。但汇水面积小，排水构筑物相对较小。国内平原或沙漠地 区多采用这类尾矿库。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 图2 6 平地型尾矿库示意图 ( 4 ) 截河型 如图2 7 所示，此类尾矿库就是截取一段河床，在其上、下游两端分别筑坝形成尾矿 库。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。其特点是不占农田， 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。此类尾矿库维护管理比较复杂，国内采用不多。 图2 7 截河型尾矿厍不意图 2 2 2 尾矿库的安全等级 尾矿库的安全度是依据尾矿库防洪能力和尾矿坝坝体稳定性来确定的，尾矿库根 据其安全度，可以分为危库、险库、病库、j 下常库四级。 ( 1 ) 危库指安全完全没有保障，随时都可能发生垮坝事故的尾矿库。危库必须立 刻停止生产并采取应急措施。 一 ( 2 ) 险库指安全设施存在严重隐患，若不及时处理将会导致垮坝事故的尾矿库。 险库必须立即停产，排除险情。 ( 3 ) 病库指安全设施不完全符合设计规定，但符合基本安全生产条件的尾矿库。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 病库应限期整改。 ( 4 ) 尾矿库为正常库需同时满足下列四个条件：尾矿库在设计洪水位时能同时 满足设计规定的安全超高和最小干滩长度的要求；排水系统各构筑物符合设计要 求，工况正常；尾矿坝的轮廓尺寸符合设计要求，稳定安全系数满足设计要求； 坝体渗流控制满足要求，运行工况正常。 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安全等 级，见表2 2 ，我国尾矿库的库容规模见2 3 。 表2 2 尾矿库等别划分表 4 0 l 尾矿库级别 全库容v ( 万m 3 )坝高h ( m ) 四 五 二等库具备提高等别条件者 v 1 0 0 0 0日1 0 0 1 0 0 0 y 么1 0 0 0 06 0 日么l o o 1 0 0 y 么1 0 0 03 0 h 么6 0 v 1 0 0h 么3 0 表2 3 国内矿山尾矿库库容规模分布 2 4 我国尾矿库的基本情况 我国现有尾矿库接近2 7 0 0 座，其中黑色、有色矿山占了8 0 。其中，最大设计坝高 为2 6 0 m ，超过1 0 0 m 的有2 6 座，坝高小于3 0 m 的小库占了8 0 ，详见表2 4 。 表2 4 我国主要矿山尾矿库数量统计4 1 】 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 相关资料显示，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，具体如表2 5 所示。 表2 5 尾矿库安全状况【4 1 1 根据上述资料，我国尾矿库的运行状况不是很好，存在大量的病库、险库，并且有不 少的尾矿库在到达服务年限的情况下仍在继续使用。表2 5 表明，我国目前正常库为5 9 9 座，仅占尾矿库总数的2 6 8 ，目前我国尾矿库的安全系数较低，急需引起人们的广泛关 注，对尾矿库进行改善，提高尾矿库安全性。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章尾矿坝稳定性分析方法及影响因素 3 1 尾矿坝稳定性分析方法概述 尾矿坝稳定性分析是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安全系数许可的要求，对坝体的稳定性做出评价，分析尾矿坝的 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【4 2 1 。 由于国际上对尾矿坝的研究起步较晚，尚未形成完整独立的研究体系，此前我国对尾矿坝 稳定性分析计算一般还是以传统的土力学的方法作为理论基础，将其当作边坡来处理，用 处理边坡的方法对尾矿坝进行稳定性分析及加固处理【4 3 1 。关于其稳定性研究方法总结起来 主要包括三大类：极限平衡法、数值分析法和不确定性分析法。尾矿坝由于地质条件复杂， 影响因素较多，极限平衡法和数值分析法的应用较为广泛，下面将做详细介绍。 3 1 1 极限平衡法 极限平衡法是最早应用于土坡稳定性分析的方法之一，由于其简单实用，因此也广泛 应用于尾矿坝的稳定性分析中。极限平衡法是基于种种假设下成立的，首先假设滑动土体 是沿着某一滑裂面滑动，不考虑土体的应力应变关系，并认为沿滑动面上各点的强度发挥 程度及抗剪强度折减安全系数相同，再根据滑裂土体的静力平衡条件和莫尔库仑破坏准则 计算沿该滑裂面滑动的可能性，即安全系数的大小或破坏概率的高低，然后系统选取多个 可能的滑动面，构造极限平衡方程，用同样的方法计算稳定安全系数或破坏概率。安全系 数最低或破坏概率最高的滑动面就是最大可能滑动面。 其理论基础是极限平衡理论，即当坡体的抗剪参数降低为k 时，坡体内存在一个达到 平衡状念的滑面滑体处于临界失稳状态，处于极限平衡状态的滑动面满足莫尔库仑准则状 态下，此时满足的k 。为坡体的安全系数【删【4 5 1 。 图3 1 条状土及其作用上的力 为求出安全系数k ，首先假定坡体是理想的刚性体并将其分成若干条块，取其中任意 一个土条，分析其受力情况，如图3 1 所示，根据莫尔库仑准则的破坏方程： 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 f2 c + 仃t a n 伊 ( 3 1 ) 式中，f 为结构面抗剪强度；c 为结构面上的粘结力；仃为结构面上的法向应力；够为结 构面的摩擦角。 可以建立水平、垂直和力矩三个静力平衡方程加上莫尔库仑准则共四个方程。 置= 0 乓一e + l + u 一弘+ l + m s i na ，- s , c o s a t + 砖彬= 0 ( 3 2 ) y t = 0 ：z + l 一霉+ s ts i n a f + mc o $ a i 一彬= 0 ( 3 3 ) 鸠= ”m t ( 0 ) = o ( 3 4 ) j 一 l 一 ”， 、o o ， s t = ( m 一) 警+ 警( 3 5 ) a a 一 1 l 式中，e 为条分面上的法向力：q 为孔隙水压力；n ；为条块地面的法向力；s ；、王为切 向合力；w i 为土条自重；m ，为力矩；q 为滑动面倾角；蜓形为水平作用力( 主要指地震 的影响) ；k 。为安全系数。 根据不同的假设方法，产生了不同的极限平衡法应用模式。瑞典圆弧法假设研究对象 为均质粘性土土坡，见图3 2 。 ( a ) ( p2 0( b ) 9 0 图3 2 瑞典圆弧法计算图示 通过计算条块的x ，】，方向的力矩平衡方程，得出安全系数的表达式为： 码s e c 留+ ( r h t 一厂h t ) 勿c o s qt a n 歹 5 窆( 彬s i n 9 + cw , a , 尺) ( 3 6 ) 当已知孔隙压力比。时，安全系数计算公式为： 碡s e c 2 + ( 1 一气) 岛c o s 2t a n 歹 k = 上l 一 ( 彬s i n0 t + e 形哆r 1)工_ 一、f ji ， i = 1 而简化b i s h o p 法假设每个条块侧面上的力是水平方向的， ( 3 7 ) 条块之间没有摩擦，垂直方 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 向的分力为零，见图3 3 。 图3 3b i s h o p 法计算图示 通过力矩平衡方程得出： 塑嗍? ( y 红_ 厶盘。) 岛c o s e 垫堕 k 。：笠型生螋选( 3 8 ) ( 彬s i n q + e 彬q r ) 引入孔隙压力比，：f ，可得到 垦s e c et ( 1 一吒) 岛c o s 幺t a n 重 墨：笠盟垫坐虹 ( 形s i n 谚+ e 彬q 他) ( 3 9 ) 式中，石为土体有效应力抗剪强度指标粘聚力；歹为土体有效应力抗剪强度内摩擦角；嘭 为条块重心点到滑弧圆心的力臂；r 为滑弧半径；e 为地震系数，一般为0 0 3 - 0 2 7 ；彬为 第r 土条的重量；b 盯为第，土条底弧的仰角； j a n b u 法则假定边坡稳定为平面应变问题，其整个滑裂面上的稳定安全系数是一样的， 并且土条上所有垂直荷载的合力的作用线和滑裂面的交点为同一点，见图3 4 。 图3 4j a n b u 法计算图示 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 牛专两酉矿 三一 ( c f 岛+ ( 形+ ) t a n 够) 慨：坐型擎 式中，q 为土条的有效粘聚力；仍为土条的有效内摩擦角； 土条底弧的仰角；s 为土条的切向力 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 彬为第，土条的重量；q 为第， 极限平衡法仅分析土体破坏瞬间的变形机制，并未考虑土体内部应力一应变关系，所求 得的安全系数只是单一的假定破坏面的安全度。同时由于对土体滑裂面的性质几乎没有限 制，因此无法分析土体的变形过程，更无法考虑局部变形对土坡稳定性的影响。鉴于极限 平衡法是基于种种假定成立的，因此要确定滑动土体的最危险滑裂面和最小安全系数均存 在较大的困难，极限平衡法在实际应用中也存在一定的局限性。 3 1 2 数值分析法 数值分析法是从研究对象的本构关系出发，可以求解真实的应力分布，可以显示塑性 区开展的过程，也可以轻松地进行非均质的土坡及复杂的水文地质条件下的边坡稳定性分 析。近年来随着数值分析方法的发展及计算机技术的不断进步，一些数值方法受到越来越 大的重视，成为边坡稳定性分析新的研究热点之一【删【4 7 】。 通过分析土体的非线性本构关系，求出每一计算单元的应力及变形，根据不同的强度 指标来确定破坏区的位置及破坏范围扩展的情况，并设法将局部破坏和整体破坏联系起 来，求得合适的临界滑裂面的位置，再根据土坡在正常工作状态和整体失稳下土体内力分 布状况确定一个破坏准则以此来衡量土坡的安全程度【4 引。数值分析法完全脱离了极限平衡 这个范畴，建立了土坡稳定性分析的一个新的途径。 数值分析法主要包括有限元法、有限差分法以及