河南省某尾矿坝稳定性分析与计算

方栩泺 宋祖光

（河南省岩石矿物测试中心，河南 郑州 450012）

我国是矿业大国，冶金、有色、化工、核工业、建材和轻工业等行业在矿山都有尾矿设施[1]。每年排放尾矿近3 亿t，除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，现有尾矿库1500 余座[2]。随着选矿技术的不断进步，尾矿库可作为重要的二次矿产资源加以开发利用。但是，尾矿库的服务年限和库容量达到一定时，将会是重大危险源和环境污染源。尾矿库的重大事故时有发生，对下游居民的生命财产造成严重威胁，也将给企业带来不可估量的损失，在社会上造成极坏的影响。对尾矿坝的稳定性进行分析，为确保尾矿坝的稳定提供了有效的预测方法[1-3]。

本文以河南某尾矿库作为工程背景，对尾矿坝的稳定性进行研究，采用稳定性计算方法对尾矿坝稳定性进行计算，并给出相应的结果和建议。

1 影响坝体稳定性的因素

尾矿坝是尾矿库构筑的主体，影响尾矿坝稳定性的因素有很多，例如：矿区复杂地质构造、尾矿库库内水位、尾矿的渗透性和密实度、干滩面的长度、坝体的坡度、地下水渗流的状态等。

1.1 尾矿库水位对坝体稳定性影响

尾矿库库内水位关系到尾矿库安全、生产和环境保护非常重要的控制指标。尾矿库水位越低，则干滩长度越长，浸润线越低，坝体稳定性越高；如果干滩面控制过长，滩面的上升速度缓慢，影响库容蓄水和澄清水距离不足导致回水质量变劣，影响选矿正常生产。库内水位越高，则库内存水越多，更有利于满足生产回收量和回水水质的要求，但水面与坝顶水平距离缩短，导致坝体安全稳定性降低。所以控制、检测尾矿库水位极为重要，尤其是在汛期，库内水位必须控制在防洪要求的汛前水位以下，使尾矿库留有足够的防洪库容。

1.2 浸润线对坝体稳定性影响

浸润线位置的高低，是影响坝体稳定的主要因素之一。尾矿进入尾矿库，通过自然沉降固结密实。因此尾矿砂的各种力学指标都较低，透水性相对较大。地下水对坝体不仅会产生动水压力，降低坝体的稳定性，同时还会产生管涌、流砂和坝面沼泽化等危害，给尾矿坝的安全带来严重威胁[4]。浸润线的升高或降低，对坝体稳定性影响结果见表1。

从表1 可以看出，浸润线的高低对坝体稳定性影响很大，基本上相差1m 水位，稳定系数Fs就相差0.03～0.05，也即稳定系数相差1.2%～2.5%。因此，如何控制坝体渗流，防止浸润线偏高，是保证尾矿坝稳定的重要工作之一。

1.3 尾矿性质对坝体稳定性影响

尾矿性质变化很大，即便是同一种类型的尾矿，也可能有不同的矿物组成。一般的尾矿堆积坝，通过自然分级，依靠自身的重力作用固结密实，宏观上具有上粗下细和坝前粗、坝尾细的一般特征；在微观上，尾矿沉积层中普遍存在粗细相间的夹层、互层、交错层、千层饼等现象，结构上表现为不均一性和各向性[5]。由于选矿工艺的不同，出现了阶段磨矿阶段选别，使部分尾矿颗粒很细。另外，在矿石浮选流程中，往往添加各种药剂，这些药剂对于尾矿沉降影响较大。使尾矿颗粒不易沉积，透水性差、不易固结，造成坝体稳定性差。

1.4 排洪系统对坝体稳定性影响

排洪系统好坏直接影响尾矿坝安全性。尾矿库设置排洪系统的作用主要有两个：一是为了及时排除库内洪水；在汛期排洪系统尤其重要，排水系统不畅，会导致尾矿库内水位上涨、洪水漫顶，严重的还有溃坝的危险。二是兼作回收库内尾矿澄清水用；回水如果能有效的利用，可以大大降低选矿生产成本。设计有误引起洪水漫顶。据不完全统计，我国有色金属矿山因排洪系统失事引起的灾难几乎占尾矿坝事故的50%[6]。对排洪系统的定期维护、检查，成为保障尾矿坝稳定重要手段之一。

2 工程实例

初期坝采用碾压均质土坝，坝高12m，标高+679～+691m，坝顶宽4m，坝体下游坡脚处设置排水棱体，棱体高3.0m，顶宽1.5m，临水坡坡比1：1.0，下游坡坡比1：1.5，并在棱体排水外坡处水平向下游延伸2.0m。堆满后用沉积尾矿堆筑子坝，从库尾719m 标高开始向初期坝逐级堆筑平台，共堆积4 级子坝，1～4 级子坝高5m，平台宽度50m，坡降2%，最终子坝平台宽度300m，坡降约1.5%。总外坡比为1：19，堆积坝高28m，总坝高40m。

对堆积坝现状标高进行稳定性计算，鉴于坝体对于尾矿库的重要性，主要对692m 和719m 标高的稳定性进行分别论证。设计的尾矿库初期坝高12m，堆积坝高28m，总坝高40m；全库容30.17×104m3，设计确定的尾矿库等别为四等库。

2.1 浸润线的计算

确定化引滩长L 及相应的化引库水位，并放矿水覆盖绝大部分滩面，此时，化引滩长计算公式为：

式中Li——化引滩长；

Lc——计算条件下的实际滩长。

化引库水位计算公式为：

Hi=H+Lc-Li/m0

式中：Hi—化引库水位；

H—计算条件下实际库水位；

m0—沉积滩坡度系数(即沉积滩坡度为1:m0)。

浸润线方程及浸润线在y 轴上的截距a1可表示为:

式中出逸点高度按下式计算:

式中m 为下游坡坡度系数。

根据尾矿坝运行情况计算所得的浸润线逸出高程见表2。这里计算工况取正常运行水位和洪水位两种。

表2 浸润线计算参数统计

2.2 计算参数的选取

该尾矿坝初期坝坝型为碾压式土坝，堆满后用沉积尾矿堆筑子坝,边堆边存，因而稳定性计算材料包括石渣、尾矿砂两种材料。依据野外勘察和《选矿厂尾矿设施设计规范》附录一，该尾矿砂为尾细砂，其参数选取参考表2。

2.3 荷载组合及安全系数

在尾矿坝的稳定性分析中，一般先按尾矿库的设计坝高和库容大小确定尾矿库的安全等级，再根据尾矿库的安全等级查表确定尾矿坝抗滑稳定性的安全系数。

地震烈度区域划分为6 级烈度及6 级烈度以下地区的5 级尾矿坝，当坝外坡比小于1∶4 时，除原尾矿属尾粘土和尾粉质粘土以及软弱坝基外，可不作稳定计算。该尾矿库工程抗震设防类别属乙类水工建筑，基本烈度作为设计烈度。本地的基本烈度为6 度，因此设计烈度为6 度，所以稳定计算不考虑地震荷载。

表3 荷载的组合

安全系数是指在设计、施工或使用过程中的工程项目必须达到安全性保证的定量标准，根据工程重要性程度而设定。尾矿库的抗滑稳定性安全系数，中华人民共和国安全生产行业标准《尾矿库安全技术规程》(AQ2006—2005)有明确的规定。根据《选矿厂尾矿设施设计规范》，坝体稳定计算有以下两种荷载组合,见表4。

表4 坝坡抗滑稳定最小安全系数

2.4 现状坝体稳定性计算及结果

根据选矿厂尾矿设施设计规范，采用瑞典法对该尾矿坝各种运行情况进行稳定性评价。同时采用Bishop 法与之进行对比，稳定性计算参数采用表2 中数值，计算结果见表5。

图1 标高719m 正常运行情况下坝坡稳定计算简图

表5 计算结果

计算结果表明:正常运行下该尾矿坝是稳定的，两种方法计算的稳定性系数均超过《选矿厂尾矿设施设计规范》所规定的安全系数，目前该尾矿坝是稳定的。该尾矿库坝高691m 时不同荷载组合下，某尾矿坝的稳定性计算与分析稳定性良好；按目标的堆坝方式、速率，堆积至719m 高程时，坝体稳定性也满足《选矿厂尾矿设施设计规范》所规定的安全系数。

3 结语

根据分析计算结果，该尾矿坝稳定可靠，但在实际尾矿坝运行管理中，尾矿坝的筑坝、日常检查以及排洪设施的管理等因素对尾矿坝的稳定性影响至关重要。因此，应在尾矿库运行期间应加强对尾矿坝体、库区安全检查，建立尾矿库管理档案。密切注意库区水位、干滩长度及最低安全超高的控制；汛期做好必要的抢险准备工作，确保安全渡汛；加强对尾矿库排水设施和周边山体稳定性的检查，杜绝违章取矿、取水和开垦放牧等情况，对损坏部位及时进行修整，采取有效措施消除隐患。确保尾矿库安全运行。

［1］吕庭刚,庙延钢.尾矿库坝体渗透稳定性分析[J].云南冶金,2005(2):12-15.

［2］腾志国.关于尾矿坝地震稳定性的分析及评价[J].河北冶金,2003(1):16-17.

［3］吴启明.某尾矿坝的稳定性计算与分析[J].有色金属,2010(2):63-66.

［4］曹宏辉.尾矿库稳定性分析[D].北京:北京科技大学,2006.

［5］范恩让,史剑鹏.尾矿堆积坝安全稳定性因素分析及对策[J].金属材料与冶金工程,2007(1):33-36.

［6］刘登高.尾矿坝稳定性分析与研究[D].武汉:中国地质大学,2007.