尾矿库坝体的稳定性影响因素和整治措施

黄 雷

（河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司，河北 唐山 063021）

我国是矿业大国，但由于近几年矿山开采的规模不断扩大，每年丢弃的尾矿数量不断增加，每年丢弃的大部分尾矿被储存在尾矿池中，只有一小部分被再利用。随着尾矿库数量的不断增加，在尾矿充填或综合利用、回收过程中产生了很大的安全隐患[1]。如果尾矿坝发生故障，不仅会导致生态环境受到破坏，还会导致人员伤亡。据不完全统计，截至目前，尾矿库中已经被处理利用的尾矿仅占全部尾矿库数量的七成，还有将近三分之一的尾矿库未得到处理，危险性较高，不仅如此，这些尾矿库由于储存量大[2]，尾矿库设施老旧，因此目前的形势非常不利。尾矿库中经常由于某些不可抗力的原因产生问题，因此，目前我国尾矿库的运行效率偏低，灾害风险也非常高，急需进行处理。

尾矿虽然是矿产资源开发后，主要的矿体被提炼后剩下的矿渣，但这些矿渣中包含着非常多的元素和化合物，这些元素和化合物有很大一部分都不能被有效回收[3]，不仅如此，在提取主矿物的同时，还会向矿体中加入酸碱等有害成分，这些有害成分与尾矿中的其他化合物发生化学反应可能会产生更有害的产物，这些有害产物含量少，不容易被提取，因此只有很少一部分有害物能被剔除，尾矿长期堆放还会与空气发生反应导致环境污染，因此只能被放在尾矿库。尾矿库为了节省成本一般都被建立在公路和河流附近，一旦尾矿库坝体坍塌，会造成严重的河流污染，导致下游人员的生命和财产遭受灾难性损失，因此本文研究了尾矿库坝体的稳定性因素和整治措施。

1 尾矿库坝体的稳定性影响因素

尾矿的稳定性影响因素有很多，首先从安全稳定性概念来进行研究，安全稳定性概念是根据尾矿事故整合出的，该概念提出了尾矿产生事故的主要原因是尾矿坝体的稳定性不足或稳定性遭到破坏产生的矿坝崩塌，带来安全事故。

坝体失稳一般有两种情况，一种是坝体沿地基整体滑动，这种失稳的坝体多数是整体刚性强，如：混凝土坝体；另一种是坝坡滑动、坍塌破坏，这种失稳的坝体柔性强，如：土石坝。尾矿坝多为细砂尾矿堆筑，属于柔性材料，一般不会出现整体滑动，易出现坝体边坡坍塌或局部滑动破坏。尾矿坝的安全稳定性一般不考虑整体滑移问题，只考虑坝体边坡稳定性。

因此，假设此时矿坝的稳定性系数为F ，此时对矿坝稳定性系数进行求解，求解式如（1）所示。

F=总抗滑力/总滑动力（1）

根据尾矿的状态，设计了尾矿坝坝坡抗滑稳定最小安全系数，如表1所示

表1 安全系数

由表1可知，此时在不同运行状态下，不同等级的矿坝的安全系数有一定的差异，设置1为标准值，在矿坝塌陷研究中，如果在各种运行状态下，矿坝的安全系数都大于1，证明此时坝体稳定，反之，如果坝体在不同情况下，出现了低于1的稳定系数，证明此时矿坝的稳定性不符合要求，如果尾矿坝边坡的稳定性达不到要求，坝坡就会变滑，导致矿坝与基土一起滑动。滑动示意图如图1所示。

图1 滑动示意图

由图1可知，矿坝与基土滑动始终呈弧形，通过对尾矿坝体多次破坏的分析研究，如果此时矿坝与基土之间在一条直线上，证明此时矿坝使用的材料稳定性良好，反之，如果出现了复杂的曲线，或不在一条直线上则证明此时的稳定性较低。

尾矿库坝体的稳定性影响因素还包括堆积因素，由于尾矿库主要是由尾矿堆积而产生的，因此这些尾矿的组成成分也影响坝体的整体稳定性，除此之外还有堆积坝的外部因素，如坝高、坝体长度等。还包括大坝的工程地质和自然条件，基于此，对稳定性系数和内摩擦角进行分析，分析结果如下图2所示。

图2 分析结果

由图2可知，此时的分析结果呈一条直线，表示二者之间存在着线性关系，随着系数的增加，摩擦力也在逐渐增加，此时在同等条件下研究凝聚力敏感性，如下图 3所示。

图3 敏感性关系图

由图3可知，凝聚力的敏感关系图与分析结果中的关系图类似，只是二者的倾角不同，因此此时凝聚敏感性也呈线性状态，即大坝入渗线的位置直接影响大坝的稳定性，大坝坡度直接关系到尾矿坝的稳定性。总之，影响尾矿坝安全稳定的因素很多，通过分析可以看出，尾矿库的物理力学性能、坝体倾角、贯穿线的位置等都是影响坝体稳定性的重要影响因素。

2 尾矿库坝体的稳定性整治措施

根据上述的稳定性影响因素分析，阐述尾矿库坝体稳定性整治措施，首先建矿坝时要选择粗颗粒尾矿，根据前面的分析，尾矿内摩擦角和内聚力越大，尾矿坝的安全性和稳定性越高，因此，尾矿的颗粒越大，整个矿坝的稳定性越高。相同尾矿料的尺寸越大，内摩擦力和团聚角越大。因此，在建设尾矿坝时，应选择粗粒尾矿。为了将粗粒尾矿集中到坝体内，需要在坝前卸料，使粗粒尾矿快速沉降在坝区，细粒尾矿流入到坝体的水库。还可采用旋风分离器对尾矿颗粒进行分选，粗尾矿被拦截，细尾矿直接排入储存区。

第一点在进行尾矿坝堆积时，需要注意矿坝边坡的坡角，因此在进行堆积之前需要预先进行倾角检查，按照倾角设计方案进行比对。在比对后，如果此时的边坡倾角符合标准需求，则可进行堆积，不符合需求需要及时更改坝坡角度，如果大于标准值，可以选择放缓堆积，减少坡角。如果低于标准值，需要进行压坡处理，确保整个矿坝的倾角在设计的范围内。

第二点是需要控制整个矿坝在河岸的位置，这就需要根据矿坝的浸润性来计算，首先，浸润性决定了整个矿坝的高度，对稳定性的影响至关重要，其次如果发现此时的浸润线超出了标准值，应立即采取相应的措施，即可以降低矿坝周围的水位，保证浸润线的范围，还可以减少周围的压力，增加干滩的长度来保证浸润线位置稳定，除此之外，如果产生了超水位线现象，务必要将矿坝的渗水全部排出，避免矿坝坍塌。

第三点是控制坝体浸润线位置。因为浸润线的高低对坝坡稳定的影响是颇大的，设计时要给出不同坝高对应的浸润线最高位置。控制坝体浸润线位置主要措施有：一是降低库内水位，保持坝前足够的干滩长度，减少坝体内的渗透压力，以便降低坝体的浸润线位置。二是采取坝体排渗的工程措施，如增设坝体排渗设施，将坝内部渗水及时排除，降低坝体内浸润线。

除了上述措施之外，为了保证尾矿库坝体稳定性，还需要加强日常检查，及时检查整个尾矿库各项设备参数是否符合运行要求，第一就是检查尾矿库矿坝的排水性能，避免尾矿库发生渗水现象导致矿坝坍塌，第二是在矿坝种植绿色植物，避免矿坝表面出现水土流失现象，第三，定期进行监测，确保矿坝关键指标完整，避免数据出错带来的矿坝异常。第四，在矿坝维护时，要对堆积的尾矿进行预处理，避免堆积尾矿与空气发生反应产生有毒的化学物质，危害尾矿库周边的生态环境。

另外，对坝体进行定期全面监测，查看是否出现裂隙、滑坡、浸润线逸出等异常情况，发现异常情况时，要进行及时处理。在控制堆积坝筑坝的上升速度时，防止其上升速度过快，使下部坝体未能及时固结，强度不够，从而引起坝体的变形、裂缝等

3 结语

综上所述，在矿产资源开采规模不断扩大的情况下，产生了许多尾矿，为了避免尾矿中有害物质对尾矿库周围居民的影响，需要分析尾矿库坝体的稳定性影响因素，阐述稳定性整治措施，该整治措施对维护尾矿库周围生态，保障居民人身安全有重要意义。