绿松石尾矿堆场边坡稳定性分析

刘嘉琪 倪晓阳副教授 王天豪 刘 鹏

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；2.长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

矿产资源是人类发展和生存极为重要的物质基础之一。我国92%的能源和80%的工业原材料均来自矿产资源，但是尾矿产量也很高，截至2015年全国尾矿总量超过600亿吨，且回收率低[1]。我国尾矿的利用率在19%左右，仍然有绝大多数的尾矿是处于搁置状态，废石和煤矸石等矿渣多采用地表堆积的方式储存，形成了各种矿渣山这种极不稳定的边坡[2-5]。

目前我国建设有各类尾矿库1.2万多座，其中部分行业大约44%的尾矿库处于险、病或超期服役状态[6]。1976年唐山丰南及2008年四川坟川均发生强烈地震，造成当地许多尾矿库均出现了不同程度的坍塌甚至溃坝圈[7]。在竹山县秦古镇绿松石4000多年的开采历史中，当地人的安全生态意识淡薄，绿松石矿山乱采、尾矿乱堆，尾矿废渣堆砌的土坡随时有滑坡的可能[8-9]。当地安全人员监管不够，所以该地区尾矿平台是一个极大的危险源。

1 绿松石尾矿堆场边坡存在形式及灾害原因分析

1.1 绿松石尾矿堆场边坡的存在形式

通过对秦古镇的矿区地形实地走访勘察结果得知，该地绿松石尾矿堆场边坡主要由碎石和土组成的土石边坡，大部分属于斜坡类尾矿堆场边坡而少数属于沟谷类尾矿堆场边坡，此两种相对平台类尾矿堆场边坡较不稳定，更容易发生灾害。按形成原因划分时，应属于人工边坡中的矿山边坡，而按坡度划分当属陡坡和急坡较多，按坡高来分主要属于中高和高边坡[10]。

1.2 绿松石尾矿堆场边坡灾害原因分析

造成绿松石尾矿边坡灾害的发生是由很多因素引起的，有可能是单一因素，也有可能是多种因素共同作用导致的失稳灾害发生。根据安全系统工程的分析方法，运用事故树分析法对尾矿堆场边坡灾害的原因进行分析归纳[11-13]。基本事件表，见表1，事故树，如图1。

图1 绿松石尾矿边坡失稳事故树Fig.1 Turquoise tailings yard slope instability accident tree

表1 基本事件表Tab.1 Basic events table

进行结构重要度分析的结果表明，尾矿堆场边坡的自然因素以及在尾矿倾泻过程中边坡自身形成的堆积状态是导致边坡失稳的主要因素，其次考虑管理与制度措施和日常回收作业对边坡的扰动情况，这与边坡失稳的发生机理是基本吻合的。

2 绿松石尾矿堆场边坡模型建立

2.1 三岔沟绿松石矿区尾矿堆场边坡参数

绿松石尾矿堆场边坡为三岔沟绿松石矿区，位于湖北省竹山县秦古镇，地理坐标东经109°48'27"，北纬 32°27'27"，主要道路为盘山公路。通过对三岔沟绿松石矿区实地探勘得到具体数据，见表2。

表2 三岔沟矿区台阶测量数据Tab.2 Sanchagou mine area step measurement data

2.2 仿真模型的建立

根据边坡形态的基本数据和岩土力学性质，利用SLⅠDE进行建模，根据边坡具体数据和数据比例进行建模，建立出三岔沟绿松石矿区尾矿边坡的模型，如图2。

图2 三岔沟绿松石的尾矿边坡模型Fig.2 Tailrace slope model of the Sanchagou turquoise mine

3 绿松石尾矿堆场边坡安全稳定性分析

3.1 安全标准

通过调查和计算测得各矿区尾矿的总容量，三岔沟矿区尾矿的库容全部小于100万m3，参考尾矿库分级标准，属于五级库。虽然这里的边坡不是尾矿库坝坡，但是从安全系数的角度来讲，具有通用的价值，所以根据尾矿库安全系数要求的标准来确定尾矿堆场边坡的最小安全系数。尾矿堆场边坡的安全系数在正常工况下要求大于1.15，在降水暴雨工况下要求大于1.05。

3.2 外加载荷下山体的稳定性分析

在矿山开采之前，自然状态的山坡假定为均质体，通过测量得到的海拔高度和水平距离确定坡上各点的位置，然后减掉尾矿厚度得到山体的坐标。因后期尾矿堆积对山体形成一个载荷，在此假定载荷是均布的，在尾矿堆积范围内添加均布载荷，搜索山体最小安全系数的滑动面[15-20]。

因山体为均质、单一材料，均布外载荷及地下水的材料工程设置，因此仅适用于圆弧形滑面分析[21-22]。根据建立的模型和划分的圆弧形搜索网格进行运算并输出运算结果，得到图3。

读取图3的计算结果，并选择不同的计算方式再次读取，可知每种方法计算得到的最小安全系数滑面，计算结果，见表3。

图3 三岔沟矿区山体边截面模型圆弧滑面搜索结果Fig.3 Sanchagou mining area mountain side section model of the arc slip surface search results

表3 不同极限平衡条分法求得最小安全系数Tab.3 Different limit equilibrium method to find the minimum safety factor

对边坡稳定性进行概率分析，见表4。

表4 概率分析结果Tab.4 Probability analysis results

根据判别标准和模拟数据分析，因此由表4可知，三岔沟山体是安全的，不易失稳的。

3.3 三岔沟绿松石矿区尾矿堆场边坡稳定性分析

3.3.1 非圆弧形滑面搜索

选山体作为承载面，在土壤夹层下边界设置承载多线，在上方进行非圆弧形滑面搜索，得到图4。

读取图4的计算结果，用不同的计算方式得到最小安全系数，见表5。

图4 三岔沟矿区尾矿台阶边坡截面Fig.4 Sanchagou mine tailings slope section

表5 模型优化非圆弧滑面计算结果Tab.5 Model optimization of non-circular slip surface calculation results

运用不同方法对优化的非圆弧形滑面进行概率分析，得到的分析结果，见表6。

表6 不同极限平衡条分法求得概率分析结果Tab.6 Probability analysis resulted from different limit equilibrium method

通过筛选安全系数小于1.15的滑面位置可知，处于安全系数以下的滑面集中在三级台阶上，可知三级台阶属于不稳定边坡。但是其他台阶上同样存在接近1.15甚至临界状态的滑面，应综合考虑组合型滑面分析。

3.3.2 组合滑面

该尾矿库堆积体在重力作用下向临空方向发生剪切蠕变，造成剪切面上剪应力集中，滑面的具体位置主要受最大剪应力分布控制[23-25]。边坡破坏的力学模式属于蠕滑-拉裂模式，其滑动面应进一步用组合滑面分析。

修改原模型的外部边界，将软弱层的下边界作为外部边界进行计算，结果，见表7。

表7 不同极限平衡条分法求得最小安全系数Tab.7 The minimum safety factor resulted from different limit equilibrium method

运用不同方法对组合型滑面进行概率分析，得到的分析结果，见表8。

表8 不同极限平衡条分法求得概率分析结果Tab.8 Probability analysis resulted from different limit equilibrium method

三岔沟矿区台阶第一、二、三、四级台阶处于不稳定状态，其中不稳定的滑面主要分布在边坡中部。利用优化的非圆弧形滑面的最小安全系数为0.809，概率分析的结果中失效概率为15.6%；利用组合型滑面分析的最小安全系数为0.87，概率分析的结果中失效概率为99.9%。

通过筛选安全系数小于1.15的滑面位置可知，在四级台阶上都存在不稳定的滑面，其中以二、三级台阶的不稳定滑面最多。可知本边坡一、二、三、四级台阶都是属于不稳定边坡。

4 结论

本文以三岔沟绿松石尾矿堆场边坡为研究对象，依据前期实地勘测的数据，采用极限平衡分析理论和SLⅠDE软件，对该矿区尾矿堆场边坡的安全稳定性进行分析，得出了以下结论：

（1）根据实地勘测的数据，对绿松石尾矿堆场边坡的存在形式进行划分，初步总结了灾害原因，得出三岔沟绿松石尾矿堆场边坡大部分属于斜坡类尾矿堆场边坡，而少数属于沟谷类尾矿堆场边坡。

（2）绿松石尾矿边坡本身岩土力学性能较低，引起失稳的基本事件的组合种类非常多，利用事故树等方法分析了尾矿堆场边坡发生灾害的原因找出造成边坡失稳的主要因素，分别是自然因素以及在尾矿倾泻过程中边坡自身形成的堆积状态。

（3）利用SLⅠDE软件对绿松石尾矿堆场边坡进行建模，研究山体整体和各台阶的力学状态和稳定性。根据极限平衡理论分析计算结果得知，三岔沟矿区山体是安全不易失稳的，但是第一、二、三、四级台阶均处于不稳定的状态，其中边坡第二、三级台阶的失效概率最大，应得到足够的重视，及时进行相应的安全治理措施，避免灾害造成人员伤亡、经济损失和环境破坏。

在实际应用中，导致失稳灾害的因素很多，且多因素的耦合影响更为复杂，本文利用事故树的结构重要度对这些因素进行计算，找出最重要的因素，对边坡的研究和治理有重要意义。在分析边坡稳定性方面，与传统方法不同的是，本文采用计算机软件的辅助模拟了较多工况，并结合极限平衡理论对比边坡的失效概率，提高了研究的精度和广度，对类似的山体和岩体力学的研究提供了更科学的参考方法。