云南某尾矿坝治理后堆积尾矿力学性质变化浅析＊

眭素刚，许汉华，武凯强，李 鹏

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 概述

尾矿一般均含重金属[1]，尾矿库主要用于堆存矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣[2]，作为矿山的重要生产设施[3]，具有高势能、潜在人工泥石流灾害固体源，各自然、人为的不利因素均会使尾矿库产生不同程度的安全隐患，若不及时采取相关措施治理发生溃坝，将会危及尾矿库下游居民人身安全威胁和财产损失[4-6]，本文首先从气候气象、地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件分别概述了云南某尾矿库区的工程地质条件，根据研究区尾矿坝影响因素特征，从尾矿堆积体的性质结构、水文地质条件、地震作用、坝坡形态、人为因素、外界影响因素六个方面展开尾矿堆积坝稳定性分析，其次对该尾矿库治理后与治理前针对相同的钻探孔位置及取样深度作了室内试验对比分析研究，揭示了云南某尾矿坝治理后堆积尾矿力学性质变化规律。该研究为尾矿坝治理研究提供理论指导，具有一定的指导借鉴作用。

2 库区工程地质条件

云南某尾矿库地处高寒山区，最高海拔2750m，最低海拔1450m，气候寒冷，年平均气温14.5℃，有霜日全年平均120d，年降雨量1200～1600mm，原始地形属于岩溶洼地、洼塘地形。尾矿库中央分布有一挡水棱体坝，蓄水面积约33.5 万m2，顶面标高1746.5m，水面标高约1743.58m，平均水深2.00m。研究区地层主要为第四系人工堆积层（Q4mL）、第四系坡洪积（Qdl+pl）粘土、三叠系中统个旧组（T2g）灰岩。场地大地构造位置位于华南地块最西部的右江褶皱带的西缘，二级构造单元为“歹”字型构造体系中的哀牢山帚状构造带与马关弧形断裂交汇地段，主干断裂为压扭性，构造线向北东凸起形成弯曲弧状。尾矿库所处区域属于红河与南盘江地表分水岭地段，库区内地表水不发育，无地表水与尾矿库相连。尾矿库水汇聚于库区中央挡水棱体坝内，再通过循环管道达到资源重复利用的效果，其水量受尾矿库周围排泄管网的控制。库区内含水层主要为基岩及尾矿堆积体，基岩地下水属岩溶裂隙水。由于岩溶裂隙发育且较连续，各组裂隙相互间联系好，致使各基岩含水层中的地下水水力联系较好。地下岩溶水水稳定水位埋藏较深，地下水物理性质良好，化学成分以重碳酸-硫酸-钙-镁型居多，矿化度低，大多数无侵蚀性。尾矿库坝体示意图如图1 所示。

图1 尾矿库坝体示意图

3 稳定性因素分析

影响尾矿堆积坝稳定性的因素很多，根据研究区尾矿坝影响因素特征，现就从尾矿堆积体的性质结构、水文地质条件、地震作用、坝坡形态、人为因素、外界影响因素六个方面展开分析如下。

3.1 尾矿堆积体的性质结构

堆积体的密实度、抗剪强度、固结程度以及颗粒的成分、大小、形状以及有无软弱夹层分布和渗透性的大小都直接控制着堆积体的稳定性，堆积体强度愈高则产生抗滑力越大，这是影响堆积坝稳定性的最主要内部因素。

3.2 水文地质条件

尾矿堆积体孔隙比大，结构松散，为地下水的覆存提供了良好条件，地下水丰富；受地下水作用，一方面孔隙水分布不利于尾矿的密实和固结，尾矿物理力学性质有所降低，且地震时高孔隙水压力极易导致尾矿液化，产生溃坝破坏；另一方面地下水渗流对坝体坡面产生渗流压力，加大了堆积体的下滑力，不利于堆积体稳定，当渗透压力过大时易产生流沙管涌等渗透变形破坏，对坝体稳定极为不利。因此，控制地下水分布，降低堆积体浸润线，对提高坝体强度，降低地下水的副作用，对坝体稳定极为有利。本次勘察量测浸润线标高较2014 年降低0.0m～3.56m，稳定性计算结果的安全系数明显要高于2014 年勘察时稳定性计算结果的安全系数。2014 年勘察时尾矿水在尾矿库中心大面积无规则的分布，水位也较高，而尾矿库现在经过整治，尾矿库中央形成挡水棱体坝，减少了尾矿库库面水域面积，增加了尾矿库干滩长度，对尾矿坝稳定性有利。

3.3 地震作用

受地震力作用，一方面地震作用力直接作用于堆积体，增加了坝体下滑力，对坝体稳定不利；另一方面，瞬时地震力作用，产生高孔隙水压力，堆积体有效应力减弱，堆积尾矿极易发生地震液化，产生溃坝等灾害，对坝体产生致命破坏。库区处于抗震设防烈度7 度区，坝体设计施工应严格按照抗震设防要求进行。

3.4 坝坡形态

堆积体是按照一定坡率逐层堆积而成，坡率越大，坝体越高，坝体的稳定安全系数愈低。卡房尾矿库原始地形为一岩溶凹地，经过多年的尾矿堆积后，尾矿堆积坝高度总体与坝坡外地形最大高差约20m，各堆积坝形成了多台多级的平缓边坡，总体上，坝坡形态平缓，有利于尾矿堆积坝的稳定。

3.5 人为因素

尾矿库运行管理、尾矿设施的维护、堆积坝上的绿化情况以及周边环境的保护均对堆积坝的稳定有重要影响。卡房尾矿库2014 年后，在尾矿库建成了中央蓄水库，库内地下水位将受尾矿库中央蓄水库水位的影响，蓄水库有配套回水循环措施，对水位高低可以进行人为调节，降低库区浸润线位置是尾矿库稳定的有利影响因素。

3.6 外界影响因素

尾矿库属一危险源，其安全稳定易受外界环境影响。堆积尾矿属饱和尾粉砂、尾粉土，在震动时易液化，库区周边应严格控制爆破施工，或减小爆破装药量，将震动控制在一定范围内；对坝面进行植物恢复，防治水土流失；坝面应禁止放牧和人类工程活动。

4 室内试验对比分析

为了比较治理前后尾矿的力学性质变化情况，本次研究布置钻探孔位置及取样深度与治理前2014 年尾矿库勘察时相同。内聚力c 值受控于尾矿的沉积规律，由于该尾矿中夹层较多，内聚力c 值受试样中夹层影响很大，试验所反映出内聚力c 值离散性大，不能够准确反映试样的抗剪强度，基于此，主要从内摩擦角来比较其强度变化情况，治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粉质粘土①4、尾粘土①5浸水快剪、浸水固结快剪内摩擦角较之2014 年有所增加，增幅不大（如图2、图3 所示）。治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粘土①5的压缩系数值较2014年压缩系数值有所降低（如图4、图5 所示），降幅为11.76%～19.05%，说明压缩性增强。

图2 浸水快剪φ 值对比图

图3 浸水固结快剪φ 值对比图

图4 压缩系数av1-2 值对比图

图5 压缩系数av2-4 值对比图

根据高压固结试验结果表1，尾粉砂①2、尾粉土①3超固结比OCR 明显大于1，通常情况下，尾粉砂①2、尾粉土①3堆积时间相对较短，在正常沉积条件下，尾矿层的超固结比OCR 应小于1，这显然与正常沉积规律不符，其主要原因是在表层碎石堆积时，受到机械压实作用影响。尾粉质粘土①4、尾粘土①5沉积时间明显大于上层尾粉砂①2、尾粉土①3的沉积时间，但尾粉质粘土①4、尾粘土①5却比尾粉砂①2、尾粉土①3超固结比OCR 明显小，也说明机械压实作用影响范围主要在尾矿库上部尾粉砂①2、尾粉土①3层。尾粉质粘土①4、尾粘土①5超固结比OCR 近似等于1，说明除受到尾矿库表层机械压实作用影响外，尾粉质粘土①4、尾粘土①5本身沉积时间较长。

表1 高压固结试验统计表

5 结论

影响尾矿堆积坝稳定性的因素很多，本文根据研究区尾矿坝影响因素特征，从尾矿堆积体的性质结构、水文地质条件、地震作用、坝坡形态、人为因素、外界影响因素六个方面展开尾矿堆积坝稳定性分析。

治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粉质粘土①4、尾粘土①5浸水快剪、浸水固结快剪内摩擦角较之2014 年有所增加，增幅不大。

治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粘土①5的压缩系数值较2014 年压缩系数值有所降低，降幅为11.76%～19.05%，说明压缩性增强。

机械压实作用影响范围主要在尾矿库上部尾粉砂①2、尾粉土①3层。尾粉质粘土①4、尾粘土①5超固结比OCR 近似等于1，说明除受到尾矿库表层机械压实作用影响外，尾粉质粘土①4、尾粘土①5本身沉积时间较长。