尾砂滩面上工程设施对坝体安全影响分析

夏洪波 罗志雄 王迪 高尚青 李培良

摘要：针对抱伦金矿在尾矿库尾砂滩面修建尾砂储存库房的问题，采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法就尾砂储存库房对坝体安全的影响进行分析。结果表明：距离对荷载的敏感性较大，在保证坝体安全系数满足国家相关标准要求的前提下，给出了尾砂储存库房的极限存储量，为抱伦金矿的安全生产提供参考依据。

关键词：尾矿库;坝体安全;稳定性;工程设施;滩面;距离

引 言

矿产资源是人类生存和发展的重要物质基础之一，中国 95 %的能源和85 %的原材料来自矿产资源。随着国民经济的飞速发展，对矿产品的需求也大幅度增加，矿产资源的开发规模不断扩大，尾矿的产出量呈现不断增加的趋势。尾矿库安全（稳定性）问题成为矿山企业的头等大事[1-3]，尤其是坝体安全。对于停用或已闭库的尾矿库，除了履土植被外，有些矿山企业需在滩面上进行一些工程建设，而工程建设对坝体安全是否造成影响需要论证。

海南山金矿业有限公司乐东抱伦金矿（下称“抱伦金矿”）受产业政策的影响，改变了尾矿处置方式，采用井下充填或外运。为使临时堆放的尾砂免受雨水、风的侵蚀，保护周边环境，抱伦金矿根据现有地形条件因地制宜，规划在Ⅱ号尾矿库尾砂滩面的压滤车间外围修建一座尾砂储存库房，因此亟需分析尾砂储存库房修建对坝体安全的影响，以保证矿山的安全高效生产。

1 工程概况

抱伦金矿位于海南省乐东县（抱由镇）西南约19 km处，行政上隶属于乐东县千家镇。抱伦金矿Ⅱ号尾矿库初期坝坝顶标高252.5 m，坝高14.5 m，初始设计（2009年）堆积坝坝顶标高270 m，坝高17.5 m，总坝高32 m，总库容42.68万m3，排尾方式为湿排。2014年，第一次扩容设计的重大改变是排尾方式由湿排改为干排，最终标高294 m，总坝高56 m，总库容97.67万m3;2016年，第二次扩建在第一次扩容最终标高294 m的基础上扩建至310 m，总坝高72 m，总库容约116.5万m3。尾矿库为三等库，于2020年进行了闭库设计并通过验收。

根据抱伦金矿需要及地形条件，拟修建尾砂储存库房，工程建设地点位于压滤车间外侧，现尾矿库285 m平台上，靠近压滤车间，便于尾砂的储运，且地基条件尚好。工程设计建筑面积约为3 000 m2，为单层钢结构工程，柱间距分别为7 m、8 m、9 m，跨度为25 m，高度为13.5 m，屋面采用0.6 mm单层彩钢板维护，下部2 m为砖墙。地震基本烈度为6度，设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，建筑抗震设防类别为丙类，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。

2 尾砂储存库房

尾砂储存库房（见图1）位于主坝与主坝转角处（见图2），距主坝约42.8 m，距主坝转角约19.7 m，主体为钢架结构，库房内长度方向和宽度方向上各预留10 m的作业空间，库房区域内有效尾砂堆存面积为2 000 m2，库房高度13.5 m，12 m以上为拱形屋面，预留2 m作业空间，实际最大堆存高度为10 m。

3 坝体安全稳定性分析

3.1 基本原理和方法

尾矿坝抗滑稳定性根据坝体材料及坝基的物理力学性质经计算确定。计算采用简化毕肖普（Bishop）法或瑞典圆弧法[4]。根据计算指标不同，分析方法分为有效应力法和总应力法。因为有效应力法涉及孔隙水压力，所以本次计算采用总应力法。

1）瑞典圆弧法。计算公式为：

F=∑{[（G±V）cos α-ubsec α-Qsin α]tan φ′+c′bsec α}

∑[（G±V）sin α+M/R]

（1）

式中：F为安全系数;G为土条重量（kN）;V、Q分别为垂直和水平地震惯性力（kN）;α为条块重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角（°）;u为作用在土条底面的孔隙压力（kPa）;b为土条宽度（m）;φ′为土条的内摩擦角（°）;c′为土条底面的有效应力抗剪强度（kPa）;M为水平地震惯性力对圆心的力矩（kN/m）;R为圆弧半径（m）。

2）简化Bishop法。计算公式为：

F=∑{[（G±V）sec α-ubsec α]tan φ′+c′bsec α}/（1+tan α+tan φ′/k）∑[（G±V）sin α+M/R]（2）

式中：k為假定的安全系数。

3.2 尾砂滩面荷载分析

按尾砂储存库房满堆尾砂高度分别为4 m、8 m、10 m，坡度为自然安息角1∶1计算，尾矿库尾砂滩面荷载分析如下：

1）当堆积至4 m高时尾砂约9 000 t，存储量约5 625 m3，加上库房（约3 000 t）合计约12 000 t。

2）当堆积至8 m高时尾砂约18 480 t（以19 000 t计），存储量约11 550 m3，加上库房合计约22 000 t。

3）当堆积至10 m高时尾砂约24 000 t，存储量约15 000 m3，加上库房合计约27 000 t。

4）当堆积至9 m高时尾砂约22 320 t，存储量约13 950 m3，加上库房合计约25 320 t。

3.3 剖面选取及稳定性计算结果

分别以285 m平台的主坝及主坝转角2个方向作为计算剖面，抗滑稳定性计算参照的安全标准见表1，安全稳定性计算结果见图3～10、表2。

由图3～10、表2可知：在不考虑荷载的情况下，主坝方向和主坝转角方向的安全系数都很高;主坝方向即使达到极限荷载，即库内尾砂堆积至10 m时，其安全系数仍然能够满足标准要求，但主坝转角方向当库内尾砂堆积至10 m时，其安全系数低于最小安全系数，坝体将会产生安全隐患，为此降低1 m进行试算，其安全系数分析计算结果见图11、图12。由图11、图12可知：当尾砂堆积至9 m时，主坝转角方向安全系数满足标准要求。DB17EE7C-37E1-454F-8439-2BF2B5A44A55

主坝及主坝转角方向在不考虑荷载时其安全系数都很高。当库内尾砂堆积至4 m时，主坝方向安全稳定系数没有发生变化，说明荷载对主坝方向影响甚Ⅱ—Ⅱ′剖面瑞典圆弧法稳定性计算结果微;主坝转角方向安全系数下降，但安全富余很多。當库内尾砂堆积至8 m时，主坝及主坝转角方向安全系数均满足要求，但安全富余相对较少。当库内尾砂堆积至10 m时，主坝方向安全系数能够满足要求，但主坝转角方向安全系数低于标准允许的最小值，将会产生安全隐患。当库内尾砂堆积高度降至9 m或存储量为13 950 m3时，主坝转角方向安全系数能够满足标准要求。

4 结 论

1）距离对坝体安全的影响很大，主坝方向由于尾砂储存库房距坝体稍远，荷载的敏感性稍弱;主坝转角方向坝体距尾砂储存库房距离较近，荷载的敏感性较强。

2）主坝方向即使尾砂储存库房堆积至极限高度（存储量）时，坝体也是安全的。

3）主坝转角方向堆积至极限高度（存储量）时，坝体安全系数低于标准要求，导致坝体存在安全隐患。

4）尾砂储存库房内尾砂最大堆积高度为9 m（按坡度为自然安息角1∶1计算）或控制存储量不超过13 950 m3时，坝体是安全的。

5）鉴于坝体的安全稳定性与距离相关性较大，因此可考虑在库房内靠近坝体转角一侧留出一定的空间。

[参 考 文 献]

[1] 王泳嘉，邢纪波.离散单元法及其在岩土力学中的应用[M].沈阳：东北工业学院出版社，1991：16-18.

[2] 金钟集，石明.现代尾矿设施设计与管理维护技术及尾矿资源综合利用实用手册[M].北京：当代中国出版社，2005.

[3] 林玉山，张卫.尾矿库地质灾害与危险性评估[J].桂林工学院学报，2006，26（4）：486-490.

[4] 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.尾矿库安全规程：GB 39496—2020[S].北京：中国标准出版社，2020.

Influence of engineering facilities on tailings beach surface on dam safety

Xia Hongbo，Luo Zhixiong，Wang Di，Gao Shangqing，Li Peiliang

（Information Institute of the Ministry of Emergency Management）

Abstract：Swedish circle method and simplified Bishop method are used to analyze the influence of tailings storage warehouse construction on tailings beach surface of tailings pond in Baolun Gold Mine on the dam safety.The results show that distance is sensitive to load.On the premise that the dam safety coefficient meets related national regulations，the max storage of the tailings storage warehouse is given，providing reference for the safe production of Baolun Gold Mine.

Keywords：tailings pond;dam safety;stability;engineering facilities;beach surface;distanceDB17EE7C-37E1-454F-8439-2BF2B5A44A55