多种工况下尾矿坝内稳定性研究

邹建伟

（长春黄金设计院有限公司，吉林 长春 130012）

尾矿指的是在矿山开采过程中，将有用的矿物进行分选，所剩余的其他废弃矿山以及残余矿渣的存储场所。而尾矿坝是拦挡尾矿和水的尾矿库外围构筑物。通常指初期坝和尾矿堆积的总体，是一种极其特殊的构筑物，与此同时也是尾矿库中极其重要的组成部分。在当前阶段，大多数的矿产开采企业为了就近使用矿产资源，大部分的尾矿坝体自身的粘性都比较低或者无粘性。在这种情况下易于尾矿固结，有利于坝体稳定[1]。尾矿区域中所长期堆放的矿渣主要指的是没有经过风化以及矿渣变质作用的细颗粒，并且这种颗粒自身的塑形极低，在外部的荷载作用下会产生液化现象。我们国家是矿产资源的使用大国，但是由于我们国家的矿山企业在有段时间内企业的数量急剧的增加，伴随着我国矿产开采步伐的降低，企业的尾矿数量也在不断的缩减，但依据有关的统计报告显示，我们国家现在所存在的尾矿库仍接近1万座。由于尾矿库一般属于重大危险源。因此在当前阶段，深入研究多种工况下的尾矿坝稳定性具有十分重大的意义。

1 多种工况下尾矿坝稳定性影响因素的主要影响

1.1 坝体材料对于尾矿坝稳定性造成的影响

尾矿坝自身材料应有的物理学性质对尾矿坝自身的稳定性造成一定的影响，因为尾矿坝自身材料性质的不同，尾矿坝自身的抗滑稳定性也各不相同。比如，在尾矿坝的初期阶段，一般会采用堆石坝、风化料、土坝。

1.2 尾矿堆积坝的下游坡比对于尾矿坝体稳定性所造成的主要影响

矿坝的坡度直接影响尾矿坝自身的稳定性，从而在一定程度上影响会直接尾矿坝的受力形态。我们可以深入研究细粒尾矿坝安全稳定性以饿及影响因素，经过详细的实验可以得出，尾矿坝的坡度每增加10°，尾矿坝体的承载力减少到原来的五分之一到分之一。通过实验可以表明，尾矿坝体所堆积的高度和大小会直接影响到尾矿坝体材料掉落的位置。

1.3 尾矿坝坝高对于尾矿坝体稳定性的主要影响

伴随着尾矿坝的日益增长的排放量，在当前阶段，尾矿库的堆放高度越来越高，随着高度尾矿坝体自身的抗滑稳定性系数也在逐渐的降低，但是总的降低趋势在呈现出放缓的趋势，并且增幅也在不断的降低[2]。

1.4 其他影响尾矿坝体的影响因素

影响尾矿坝体自身稳定性的主要因素有很多，比如浸润线的埋深也是影响尾矿坝体稳定性的主要因素之一。如果浸润线的埋深比较高，那么库区的干滩长度会大大的缩短，尾矿坝体内的孔隙水的压力也会逐渐的上升，对于尾矿坝体来说，也非常难固结，从而一定程度上降低了尾矿坝体的自身的稳定性。除此之外，一些自然环境的变化，例如地震以及强降雨等等也会直接影响尾矿坝的地质，从而直接影响尾矿坝体的稳定性，并且，这也是尾矿事故频发的主要事故原因。

2 工程的实际案例

2.1 工程的具体情况

在这篇文章当中，主要以我国河北省的某一处尾矿库区进行详细研究分析。河北省得某尾矿库区主要呈现出V字形状，并且位置处于山涧沟谷之中，属于山谷类型的尾矿库区。在通常情况下，如果遇到这种类型的尾矿库区，一般会在上游构筑尾矿坝。如果尾矿坝所在的库区属于低山的丘陵地区，并且属于沟谷地形，地表的基层岩石为风化页岩，库区所处的位置常年没有大面积积水，库区周围逐渐的由山地过度到平原地形，同时，在库区的下游地区都有一些小型村落。

由于所处的尾矿库区总的坝体高度为48m，并且尾矿堆积坝的下游平均坡度比为1：3，尾矿坝初期的坝体材料为粉质粘土，坝顶部宽度为4m，总的坝体高度为28.3m，并且尾矿初期坝的上下游欧比为1：3，总的尾矿坝长度为506m。在正常的工况下，干滩的平均长度为290m。如果尾矿坝处于汛期，则坝体的干滩总长度会有一定程度上的缩减。

2.2 多种工况的详细计算

在文章当中，详细分析了不同条件下尾矿自身的稳定性以及尾矿坝的具体高度对尾矿稳定性的具体影响。基于几种不同的工况下对于尾矿坝体的稳定性进行了研究计算。工况一：主要对于干燥的自然环境下尾矿稳定性进行研究分析。其二：在相同的坡度比值下，高度增加20m，研究尾矿坝体稳定性的变化。其三：在尾矿坝体相同的条件之下，如果改变坝体的坡度的比值来深入研究坝体对于稳定性的具体影响。其四：当尾矿坝体处于饱水的状态下，可以用来研究尾矿渣不同的状态下，对于尾矿坝体稳定性的影响。

在本次的研究中，采用虚拟建模的形式进行详细的计算以及研究。研究的主要模型选用的是尾矿坝体的主要断面。在对于尾矿坝的断面进行深入的研究分析时，可以进行网格剖分的方式，同时兼顾到尾矿坝体不同地段坝体的变化，在不同类型的单元接触面以及不同形状变化比较大的地区以及最危险的滑动面进行网格剖分，并且需要严格的遵循平稳过度的原则。在监理网格时，需要按照坝体材料的不同进行分组，具体为基岩、堆石体以及粘土坝、尾粉砂这几种类型，通过这种方式可以便于赋予坝体材料的具体参数。

除此之外，还需要根据尾矿坝体材料自身的物理性质，可以将其作为连续的弹塑性的介质进行详细的研究分析。具体的坝体材料参数如下表所示。

表1 物理学性质参数

3 计算结果以及详细的数据分析

在一般的自然条件之下，尾矿坝整体的受力状态相对来说比较的均匀。在最开始的初期阶段，尾矿坝的内坡与基层岩石的交汇处所分布的应力相对集中，在这种情况下，尾矿坝体所处的位置地形起伏的变化会比较大，并且在这个地方网格的划分会比较的密集。还可以看出位移的最大的峰值一般会发生在初期坝体的排水处。与此同时，坝体的滑移面在初期底部的滑移面一直到尾矿坝的顶部，整个滑移面呈现出圆弧装。当增加20m的高度时，尾矿坝体的整体受力情况与工况的情况基本一致，在一些特殊的位置，例如基层岩石的交汇处会出现一些张拉以及剪切力的破坏位置。从整体的形势下来看，如果破坏的区的影响相对较小，没有形成贯穿的破坏力。在改变尾矿坡度比值以后，尾矿坝体不会发生太大的改变，并且其他的位置也并没有出现应力集中的情况。如果尾矿坝的滑动面没有发生任何的改变，则尾矿坝的位移位置则由初期的位置逐渐的向堆积坝进行发展，则主要的破坏力面在尾矿坝的底部逐渐的向坡顶发展，从而可以形成圆弧形的破坏区域面，但是因为尾矿坝的坡度在不断变陡，从而所形成的坝体滑移面的位置相对较浅。矿渣在饱水状态下的黏聚力以及摩擦角的变化对于坝体抗剪力强度的影响下，坝体自身的位移会逐渐的增大。加高尾矿坝库的高度，其尾矿坝体的坡度也会随之而发生改变，从而也会直接影响尾矿坝体的自身稳定性。然而，坝体高度却对于坝体稳定性的影响相对较小，如果尾矿的坡度发生变化，则对于尾矿坝稳定性的影响最大。相比较传统的坝体状态，如果矿渣处于饱水的状态下，因为矿渣在水状态下自身的容量会有所增加，所以，尾矿坝体的黏聚力以及摩擦角度也会随之发生改变，尾矿坝体的稳定性也会随之发生改变，由于处于饱水状态下，坝体的整体稳定性会变差。通过《尾矿库安全设施设计规范》可以得出，在正常情况下，尾矿坝体主要滑稳定性的安全系数不应该小于1.2，在汛期季节，尾矿坝体处于洪水期时，尾矿坝体自身的抗滑稳定安全系数不应该小于1.1、所以，根据预算结果可以看出，研究的尾矿坝体在不同的情况下都属于安全状态。

4 结语

在文章当中，主要采取强度折减法对于多种工况状态下的尾矿坝稳定性进行研究分析，并且建立相应的研究模型，通过详细的研究结果表明，其一，无论是在自然状态下还是处于饱和水的状态下，尾矿坝都相当来说比较稳定，并且安全系数特相对较高，潜在的位移安全风险主要由初期尾矿坝进行承受，特别实在排水棱体存在很大位移量的时候。在这种情况下，建议在排水棱的地方进行强化加固处理，通过这种方式，可以保证尾矿坝的稳定性。其二，在对于尾矿坝的稳定性进行研究的过程中，无论是增高还是降低尾矿坝的比值都会直接影响尾矿坝自身的稳定性，然而如果是仅仅增加坝的高度。对于尾矿坝自身稳定性影响相对较小，相对来说，尾矿坝的坡度比值则更为敏感。其三，通过详细的研究分析可以得出，在自然条件下以及饱和水的状态下，通过详细的研究可以计算出安全系数为1.68以及1.44，在两种不同的工况条件下，安全系数不同，并且有多降低。在尾矿坝处于饱和水状态下，矿渣更容易发生坝体稳定性破坏。