尾矿坝破坏作用机理及影响因素分析

高飞达　孙　亮　刘　璐

（1.青岛理工大学土木工程学院，山东　青岛　266033；2.中建三局集团有限公司，湖北　武汉　430000；3.裕龙集团有限公司，山东　青岛　266033）

尾矿坝破坏作用机理及影响因素分析

高飞达1孙亮2刘璐3

（1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033；2.中建三局集团有限公司，湖北武汉430000；3.裕龙集团有限公司，山东青岛266033）

尾矿坝是矿山的一个重大危险源，一旦发生尾矿坝溃坝事故，将造成重大的人员伤亡、财产损失和环境污染。分析尾矿坝各种不同形式的破坏，研究尾矿坝破坏作用机理及影响因素，并提出尾矿坝事故的预防措施，为尾矿坝安全保护与溃坝防治提供理论与技术支持，推动矿山安全生产、科学管理、增值增效、科学创新和技术进步的进程。

尾矿坝；溃坝；作用机理；影响因素；预防措施

我国尾矿坝事故时有发生，山西省临汾市襄汾县境内的山西新塔矿业有限公司尾矿库于2008年9月8日7:58发生溃坝事故，致277人死亡、4人失踪、33人受伤，直接经济损失达9 619.2万元。对我国自1960年以来，有统计资料的尾矿库故进行分析，自1960-2016年，我国共发生尾矿库事故100起。这些事故中，主要有滲透破坏、洪水漫顶、地震液化3种破坏形式。尾矿坝往往处于高势能状态，导致尾矿坝失效溃坝后问题非常严重，致使下游发生大量的人员伤亡。因此，对尾矿坝的破坏作用机理和影响因素研究意义重大，国内外学者对此做了诸多研究［1］。

本文首先研究尾矿坝各种形式破坏机理；其次分析各种破坏的影响因素，提出必须对这些影响因素加以控制，保障尾矿坝安全稳定运行；最后提出预防措施，为完善和提高尾矿库安全评价和安全管理水平奠定基础。

1　尾矿坝各种形式破坏机理

1.1渗透破坏

尾矿库投入生产后，随着排尾工作的进行，在坝体上游水压力作用下，水就会通过坝体孔隙和坝基的岩体裂缝产生流动，即渗流。渗流的存在，水会对尾矿砂等施加一种力，即渗流压力。当库水位升高后，尾矿坝内渗透压力也会随之提高，一旦渗透压力大于尾矿砂间的黏结强度，坝体内部结构出现通道和空间时，渗流作用就会导致尾矿坝发生管涌、流沙、潜蚀等渗透破坏。

1.2洪水漫顶

洪水漫顶引发尾矿坝溃坝的机理是：当水位超过坝顶后，水流通过坝体溃口处流出，水流流到溃口处时，水头坡降、流速和牵引压力迅速增加，那么就会在坝顶处不断侵蚀坝体，导致溃口的产生和扩大，这一过程将一直持续到水库放空或者坝体能抵抗得住水流的进一步侵蚀为止。溃口在横向、垂向同时发展变化，随着时间的推移，由于斜坡失去稳定性导致的坍塌而引起坝顶部溃口逐渐扩大，最终导致溃坝。

1.3地震液化

地震发生时会产生纵波和横波。纵波首先抵达，会使浸润线以下的饱和尾砂在竖直方向重复振动，随后抵达的横波，会使饱和尾砂在水平方向受到重复剪切，使得尾砂发生反复的变形，粗细尾砂重新分布，粒径分布更加均匀，导致尾砂孔隙率不断减小，密实度增大，孔隙水压力将部分承担尾砂之间的接触应力。当孔隙水压力大于原分布的静水压力时，尾砂的有效应力将逐渐减少。随着地震的进一步发展，孔隙水压力与尾砂浸润线之上的上覆有效应力一样时，尾砂的抗剪强度完全丧失，尾砂像流体一样流出，坝体随之倾覆，溃坝就不可避免。

2　尾矿坝破坏的影响因素

2.1渗透破坏影响因素

坝体渗透破坏的发生应具备2个条件，一是坝体内部存在渗漏通道，二是实际渗透坡降大于坝体抗渗能力，出现坝体集中渗漏。尾矿库投入生产运行后，勘探、设计和施工已不能更改，所以要防止渗透破坏的发生。要从日常生产管理方面入手，即控制库水位、延长干滩长度、降低浸润线和坚持均匀放矿。可量化的指标主要是库水位、干滩长度和浸润线，需要严格控制和重点监测这些指标。

2.2洪水漫顶影响因素

引发尾矿库洪水漫顶的原因主要有三类：一是尾矿库抗洪能力不足，包括库水位过高、干滩长度不足、滩顶发生沉降和遭遇超注洪水；二是泄洪能力不足，包括排水设施淤堵、干滩长度不足、降雨或冰雪融化和库水位过高；三是管理或应急措施不当。引起洪水漫顶的因素包含设计、施工和日常生产管理和周边环境影响四个方面。同样，从日常生产管理和周边环境控制方面入手，即降低水位、延长干滩、实时监测泄流量和大气降雨量。可量化的指标主要是库水位、干滩长度、安全超高、排洪系统泄流量和降雨量，所以必须严格将这些指标控制在安全范围之内。

2.3地震液化影响因素

尾矿砂在地震条件下强度变得很低，动剪应力比变化范围小，地震时更易发生液化破坏。尾矿砂液化是很复杂的，其产生、发展受到尾矿砂的物理性质、受力状态和边界条件所影响。影响因素主要有：动荷载条件，主要指动荷载的频率、振幅、波型、持续时间和多向振动等；埋藏条件，主要指上覆土层厚度、应力历史、尾矿砂的渗透系数、浸润线高度、排渗路径及排渗边界条件等；尾矿砂土性条件，主要指尾矿砂的颗粒组成、颗粒形状、土的密度、胶结状况及颗粒排列状况等。要保证尾矿砂不被液化，要保证堆积密实度、降低库水位、提高浸润线埋深、进行削坡压坡等。可量化指标主要是堆积密实度、库水位和浸润线埋深。

3　尾矿坝事故的预防

3.1做好勘察设计

在尾矿坝设计前，要根据尾矿坝址的地形和地质资料，选择最佳的坝型和坝材。尾矿坝的勘察设计必须按《选矿厂尾矿设施设计规程》的有关规定进行，同时还应符合国家和地方环保、卫生、水电、建筑及其他有关部门现行的有关标准、规范或规定。

3.2严格管理筑坝施工

尾矿坝筑坝过程中应严格遵循有关规定，严格执行国务院规定的设计文件审批制度和有关基本建设程序的有关规定，施工必须按设计要求施工，做好施工检验及记录，并制定好竣工验收制度。

3.3加强日常生产管理

安排值班人员加强值班巡视，切实做好尾矿坝管理工作，发现事故隐患，尽快采取措施，以免扩大和恶化；加强尾矿坝在线监测检查，通过坝体沉降、位移、浸润线等的监视，掌握坝体安全状况，消除隐患；做好防洪排洪工作，必须在汛期前对排洪、排水设施进行全面检查，尤其是进出水口等关键部位，做好值班巡视，排洪口处设专人监视，密切注意库内水情变化和坝体两侧沟谷地表径流状态，发现问题及时预警和给出相应的处理方案。

3.4安装在线监测系统

安装尾矿坝在线监测预警系统实现在线监测，对坝体位移、浸润线、库水位、库区雨量、干滩长度、流量和水质实施在线监测，并对监测数据进行完善的集中分析处理，判断尾矿库的运行条件，对尾矿库安全隐患进行报警。

4　结论

本文着重研究了尾矿坝破坏作用机理及影响因素，得到以下结论：①分析尾矿坝渗透破坏、洪水漫顶和地震液化的作用机理，提出了其导致尾矿库破坏的失效机制；②指出了导致尾矿坝各种形式破坏的影响因素；③提出各种尾矿坝破坏形式的可量化指标，须将这些指标控制在安全范围内，这对安全监管部门和企业的尾矿坝安全管理工作起指导作用；④提出要从尾矿坝勘察设计、尾矿坝建筑施工、日常生产管理、尾矿坝在线监测四点预防尾矿坝事故的发生。

Analysis on the Failure Mechanism and Influencing Factors of Tailings Dam

Gao Feida1Sun Liang2Liu Lu3
（1.School of Civil Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao Shandong 266033；2.China Construction Third Engineering Bureau Co.Ltd.，Wuhan Hubei 430000；3.Yulong Group Co.Ltd.，Qingdao Shandong 266033）

Tailings dam is a major source of dangerous mines，once the tailing dam accident，it will result in significant casualties，property damage and environmental pollution.So，various forms of destruction of the tailings dam were analyzed，the failure mechanism and influencing factors of tailings dam was studied，and preventive measures tailings dam accidents were proposed，to provide theoretical and technical support for the safety protection and dam break prevention of tailings dam，and promote the process of mine safety production，scientific management，value-added efficiency，scientific innovation and technological progress.

tailings dam；dam break；destruction mechanism；influence factors；preventive measures

TV649

A

1003-5168（2016）05-0090-02

2016-04-21

国家自然科学基金资助项目（51374135）。

高飞达（1991-），男，硕士，研究方向：岩土工程。

［1］郑欣，秦华礼，许开立.导致尾矿坝溃坝的因素分析［J］.中国安全生产科学技术，2008（1）：51-54.