尾矿库防渗土特性实验测试和数值模拟研究

史砚春

（江西省地矿局水文地质工程地质大队，江西 南昌 330008）

尾矿库是采矿工程中的一种特殊的工业建筑物，是矿产资源在开采施工过程中必须建设的生产设施之一，对尾矿库自身而言，经过大力开采活动后尾矿库地质结构遭到严重破坏，其次因外部因素的影响，包括降雨、地震、刮风、过度开采等，都将导致尾矿库地质结构或地质构造有着不同程度的损坏，一旦尾矿库建筑结构遭到破坏，将会严重威胁到采矿施工作业的安全，严重的还会危害到尾矿库周边居民的生命安全和财产全。据有关数据统计，全国每年发生的尾矿库安全事故将近26460起，占采矿施工事故的56.8%，造成的经济损失将近16.42亿人民币，因事故造成的死亡人员数量达2640人，受伤人员数量高达6460人。根据国内、外矿山尾矿库事故资料分析，绝大多数尾矿库事故的发生都与防渗土特性有关，也就是说尾矿库的防渗土特性是其稳定性的重要影响因素之一，如果尾矿库具有良好的防渗土特性，说明采矿施工具有较高的安全性，反之如果尾矿库的反渗透特性较差，则无法保证采矿施工安全以及尾矿库周围居民生命和财产安全，为此提出尾矿库防渗土特性实验测试和数值模拟研究，对更好的保障尾矿库建筑安全和矿产资源开采施工安全具有重要的现实意义。

1 尾矿库防渗土特性实验测试

尾矿库防渗土特性主要与尾矿库建筑材料配比有关，而尾矿库建筑用料基本来源于矿场周围土料场，不同用料建筑而成的尾矿库，其防渗土特性是不同的，因此此次实验主要是测试不同用料建筑的尾矿库防渗土特性，实验过程严格安全《土工实验方法标准》（GB/T50123-2019）中规定的标准进行，此次实验测试主要分为三部分，首先是对尾矿库防渗土特性实验设备及参数确定，然后对实验具体流程进行了设计，最后对实验结果进行详细分析，以下将对尾矿库防渗土特性实验测试进行详细分析。

1.1 尾矿库防渗土特性实验前的准备、使用设备及参数设定

用四点分法取一定量的代表性风干土样，放在橡皮板上用木碾碾散，或用碾土机械碾散，碾散后过5mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水率。根据土的塑限预估最优含水率，配制一定含水率的试样，将一定量土样平铺于不吸水的盛土盘内，其中小型击实筒所需击实土样约为2.5kg，大型击实筒所需击实土样约为5.0kg，按预定含水率用喷水设备往土样上均匀喷洒所需加水量，拌匀并装入塑料袋内或密封于盛土器内静置备用。

此次实验涉及到的设备有电动数控击实仪(JDS-1型号)和渗透仪(TST-55型号)，下表为两个实验设备参数表。

表1 电动数控击实仪与渗透仪实验参数表

表2 尾矿库防渗土力学性能试验成果

1.2 尾矿库防渗土特性实验测试流程设计

尾矿库建筑用料主要来自矿场周围土料场，材质主要有白泥、风化土和亚粘土三种。

首先对选取的尾矿库建筑材料进行烘干和碾碎，将碾碎后的材料过5mm筛，并将三种建筑用料根据比例进行混合制作成尾矿库建筑用料，利用电动数控击实仪(JDS-1型号)对建筑用料进行击实和分层击实，通常情况下尾矿库建筑第一层为白泥，第二次为风化土，第三层为亚粘土，第四次（建筑表面）为三种混合材料。然后利用渗透仪(TST-55型号)对各个建筑材料修建的尾矿库基本物理性质进行检测。得出尾矿库防渗土特性实验测试结果，测得白泥/风化土夹层结构的渗透系数K20=5.6 10-8 cm/s，白泥/亚粘土夹层结构的渗透系数K20=4.7 10-8 cm/s。

1.3 尾矿库防渗土特性分析

表2为渗透仪(TST-55型号)对三种不同建筑材料修建的尾矿库防渗土力学性能检测结果。

从表2可知，尾矿库防渗土上、平、下线，在反滤保护下，防渗土的渗透系数在i×10-7～i×10-8，临界坡降大于50，透水性较弱，符合《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108-2015），以此完成了尾矿库防渗土特性实验测试。

2 尾矿库防渗土特性数值模拟

图1 尾矿库建筑材料结构图

此次采用有限元数值模拟软件对尾矿库防渗土特性进行数值模拟，从上文分析得到，尾矿库建筑材料为白泥、风化土和亚粘土，而影响尾矿库防渗土特性的因素有多种，根据影响因素做出以下设定：①假设尾矿库渗流状态为层流，层流的渗流状态满足达西定律。②假设尾矿库土体压缩性能稳定，即尾矿库建筑土体的孔隙率不会发生改变。③尾矿库地基不会出现透水现象。根据以上假设选取有限元数值模拟软件中饱和-非饱和模型和饱和模型两种作为尾矿库防渗土特性数值计算模型，为了保证数值模拟结果的准确性，需要根据尾矿库建筑材料结构来确定模型，图1为尾矿库建筑材料结构图。

根据建筑材料的物理性质选取相应的模拟模型，其中白泥和风化土建筑材料的模拟模型为饱和模型，其计算公式如下：

公式（1）中，K为饱和函数；d为白泥和风化土材料的总水头；k为尾矿库建筑材料的渗透系数。亚粘土建筑材料的模拟模型选取为饱和-非饱和模型，其公式如下所示：

公式（2）中，L为饱和-非饱和函数；[X]为有限元系统的渗透矩阵；{S}为亚粘土水头向量。利用上述两个公式模拟计算出尾矿库防渗土特性数值模拟结果，施工方可以根据该数值模拟结果对尾矿库建筑材料配比参数进行调整，以此完成尾矿库防渗土特性数值模拟，进而实现了对尾矿库防渗土特性实验测试和数值模拟研究。

3 结语

此次结合相关文献资料，对尾矿库防渗土特性实验测试和数值模拟进行了研究，有利于提高尾矿库防渗土性能以及建筑结构的安全性和稳定性，为采矿施工安全和周围居民生命安全和财产安全提供了保障，可以为尾矿库建设施工提供数据依据，同时对研究尾矿库防渗土特性具有一定的参考价值。由于此次研究时间有限，在研究内容上还存在一些不足之处，今后仍会对尾矿库防渗土特性实验测试和数值模拟进行进一步研究。