尾礦庫(kù)壩體的穩(wěn)定性影響因素和整治措施

黃 雷

（河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營(yíng)鐵礦有限公司，河北 唐山 063021）

我國(guó)是礦業(yè)大國(guó)，但由于近幾年礦山開(kāi)采的規(guī)模不斷擴(kuò)大，每年丟棄的尾礦數(shù)量不斷增加，每年丟棄的大部分尾礦被儲(chǔ)存在尾礦池中，只有一小部分被再利用。隨著尾礦庫(kù)數(shù)量的不斷增加，在尾礦充填或綜合利用、回收過(guò)程中產(chǎn)生了很大的安全隱患[1]。如果尾礦壩發(fā)生故障，不僅會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到破壞，還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，尾礦庫(kù)中已經(jīng)被處理利用的尾礦僅占全部尾礦庫(kù)數(shù)量的七成，還有將近三分之一的尾礦庫(kù)未得到處理，危險(xiǎn)性較高，不僅如此，這些尾礦庫(kù)由于儲(chǔ)存量大[2]，尾礦庫(kù)設(shè)施老舊，因此目前的形勢(shì)非常不利。尾礦庫(kù)中經(jīng)常由于某些不可抗力的原因產(chǎn)生問(wèn)題，因此，目前我國(guó)尾礦庫(kù)的運(yùn)行效率偏低，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也非常高，急需進(jìn)行處理。

尾礦雖然是礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)后，主要的礦體被提煉后剩下的礦渣，但這些礦渣中包含著非常多的元素和化合物，這些元素和化合物有很大一部分都不能被有效回收[3]，不僅如此，在提取主礦物的同時(shí)，還會(huì)向礦體中加入酸堿等有害成分，這些有害成分與尾礦中的其他化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生更有害的產(chǎn)物，這些有害產(chǎn)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，尾礦長(zhǎng)期堆放還會(huì)與空氣發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致環(huán)境污染，因此只能被放在尾礦庫(kù)。尾礦庫(kù)為了節(jié)省成本一般都被建立在公路和河流附近，一旦尾礦庫(kù)壩體坍塌，會(huì)造成嚴(yán)重的河流污染，導(dǎo)致下游人員的生命和財(cái)產(chǎn)遭受災(zāi)難性損失，因此本文研究了尾礦庫(kù)壩體的穩(wěn)定性因素和整治措施。

1 尾礦庫(kù)壩體的穩(wěn)定性影響因素

尾礦的穩(wěn)定性影響因素有很多，首先從安全穩(wěn)定性概念來(lái)進(jìn)行研究，安全穩(wěn)定性概念是根據(jù)尾礦事故整合出的，該概念提出了尾礦產(chǎn)生事故的主要原因是尾礦壩體的穩(wěn)定性不足或穩(wěn)定性遭到破壞產(chǎn)生的礦壩崩塌，帶來(lái)安全事故。

壩體失穩(wěn)一般有兩種情況，一種是壩體沿地基整體滑動(dòng)，這種失穩(wěn)的壩體多數(shù)是整體剛性強(qiáng)，如：混凝土壩體；另一種是壩坡滑動(dòng)、坍塌破壞，這種失穩(wěn)的壩體柔性強(qiáng)，如：土石壩。尾礦壩多為細(xì)砂尾礦堆筑，屬于柔性材料，一般不會(huì)出現(xiàn)整體滑動(dòng)，易出現(xiàn)壩體邊坡坍塌或局部滑動(dòng)破壞。尾礦壩的安全穩(wěn)定性一般不考慮整體滑移問(wèn)題，只考慮壩體邊坡穩(wěn)定性。

因此，假設(shè)此時(shí)礦壩的穩(wěn)定性系數(shù)為F ，此時(shí)對(duì)礦壩穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行求解，求解式如（1）所示。

F=總抗滑力/總滑動(dòng)力（1）

根據(jù)尾礦的狀態(tài)，設(shè)計(jì)了尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，如表1所示

表1 安全系數(shù)

由表1可知，此時(shí)在不同運(yùn)行狀態(tài)下，不同等級(jí)的礦壩的安全系數(shù)有一定的差異，設(shè)置1為標(biāo)準(zhǔn)值，在礦壩塌陷研究中，如果在各種運(yùn)行狀態(tài)下，礦壩的安全系數(shù)都大于1，證明此時(shí)壩體穩(wěn)定，反之，如果壩體在不同情況下，出現(xiàn)了低于1的穩(wěn)定系數(shù)，證明此時(shí)礦壩的穩(wěn)定性不符合要求，如果尾礦壩邊坡的穩(wěn)定性達(dá)不到要求，壩坡就會(huì)變滑，導(dǎo)致礦壩與基土一起滑動(dòng)?；瑒?dòng)示意圖如圖1所示。

圖1 滑動(dòng)示意圖

由圖1可知，礦壩與基土滑動(dòng)始終呈弧形，通過(guò)對(duì)尾礦壩體多次破壞的分析研究，如果此時(shí)礦壩與基土之間在一條直線上，證明此時(shí)礦壩使用的材料穩(wěn)定性良好，反之，如果出現(xiàn)了復(fù)雜的曲線，或不在一條直線上則證明此時(shí)的穩(wěn)定性較低。

尾礦庫(kù)壩體的穩(wěn)定性影響因素還包括堆積因素，由于尾礦庫(kù)主要是由尾礦堆積而產(chǎn)生的，因此這些尾礦的組成成分也影響壩體的整體穩(wěn)定性，除此之外還有堆積壩的外部因素，如壩高、壩體長(zhǎng)度等。還包括大壩的工程地質(zhì)和自然條件，基于此，對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)和內(nèi)摩擦角進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下圖2所示。

圖2 分析結(jié)果

由圖2可知，此時(shí)的分析結(jié)果呈一條直線，表示二者之間存在著線性關(guān)系，隨著系數(shù)的增加，摩擦力也在逐漸增加，此時(shí)在同等條件下研究凝聚力敏感性，如下圖 3所示。

圖3 敏感性關(guān)系圖

由圖3可知，凝聚力的敏感關(guān)系圖與分析結(jié)果中的關(guān)系圖類(lèi)似，只是二者的傾角不同，因此此時(shí)凝聚敏感性也呈線性狀態(tài)，即大壩入滲線的位置直接影響大壩的穩(wěn)定性，大壩坡度直接關(guān)系到尾礦壩的穩(wěn)定性?？傊绊懳驳V壩安全穩(wěn)定的因素很多，通過(guò)分析可以看出，尾礦庫(kù)的物理力學(xué)性能、壩體傾角、貫穿線的位置等都是影響壩體穩(wěn)定性的重要影響因素。

2 尾礦庫(kù)壩體的穩(wěn)定性整治措施

根據(jù)上述的穩(wěn)定性影響因素分析，闡述尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性整治措施，首先建礦壩時(shí)要選擇粗顆粒尾礦，根據(jù)前面的分析，尾礦內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力越大，尾礦壩的安全性和穩(wěn)定性越高，因此，尾礦的顆粒越大，整個(gè)礦壩的穩(wěn)定性越高。相同尾礦料的尺寸越大，內(nèi)摩擦力和團(tuán)聚角越大。因此，在建設(shè)尾礦壩時(shí)，應(yīng)選擇粗粒尾礦。為了將粗粒尾礦集中到壩體內(nèi)，需要在壩前卸料，使粗粒尾礦快速沉降在壩區(qū)，細(xì)粒尾礦流入到壩體的水庫(kù)。還可采用旋風(fēng)分離器對(duì)尾礦顆粒進(jìn)行分選，粗尾礦被攔截，細(xì)尾礦直接排入儲(chǔ)存區(qū)。

第一點(diǎn)在進(jìn)行尾礦壩堆積時(shí)，需要注意礦壩邊坡的坡角，因此在進(jìn)行堆積之前需要預(yù)先進(jìn)行傾角檢查，按照傾角設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對(duì)。在比對(duì)后，如果此時(shí)的邊坡傾角符合標(biāo)準(zhǔn)需求，則可進(jìn)行堆積，不符合需求需要及時(shí)更改壩坡角度，如果大于標(biāo)準(zhǔn)值，可以選擇放緩堆積，減少坡角。如果低于標(biāo)準(zhǔn)值，需要進(jìn)行壓坡處理，確保整個(gè)礦壩的傾角在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。

第二點(diǎn)是需要控制整個(gè)礦壩在河岸的位置，這就需要根據(jù)礦壩的浸潤(rùn)性來(lái)計(jì)算，首先，浸潤(rùn)性決定了整個(gè)礦壩的高度，對(duì)穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要，其次如果發(fā)現(xiàn)此時(shí)的浸潤(rùn)線超出了標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)立即采取相應(yīng)的措施，即可以降低礦壩周?chē)乃唬ＷC浸潤(rùn)線的范圍，還可以減少周?chē)膲毫?，增加干灘的長(zhǎng)度來(lái)保證浸潤(rùn)線位置穩(wěn)定，除此之外，如果產(chǎn)生了超水位線現(xiàn)象，務(wù)必要將礦壩的滲水全部排出，避免礦壩坍塌。

第三點(diǎn)是控制壩體浸潤(rùn)線位置。因?yàn)榻?rùn)線的高低對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響是頗大的，設(shè)計(jì)時(shí)要給出不同壩高對(duì)應(yīng)的浸潤(rùn)線最高位置?？刂茐误w浸潤(rùn)線位置主要措施有：一是降低庫(kù)內(nèi)水位，保持壩前足夠的干灘長(zhǎng)度，減少壩體內(nèi)的滲透壓力，以便降低壩體的浸潤(rùn)線位置。二是采取壩體排滲的工程措施，如增設(shè)壩體排滲設(shè)施，將壩內(nèi)部滲水及時(shí)排除，降低壩體內(nèi)浸潤(rùn)線。

除了上述措施之外，為了保證尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性，還需要加強(qiáng)日常檢查，及時(shí)檢查整個(gè)尾礦庫(kù)各項(xiàng)設(shè)備參數(shù)是否符合運(yùn)行要求，第一就是檢查尾礦庫(kù)礦壩的排水性能，避免尾礦庫(kù)發(fā)生滲水現(xiàn)象導(dǎo)致礦壩坍塌，第二是在礦壩種植綠色植物，避免礦壩表面出現(xiàn)水土流失現(xiàn)象，第三，定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保礦壩關(guān)鍵指標(biāo)完整，避免數(shù)據(jù)出錯(cuò)帶來(lái)的礦壩異常。第四，在礦壩維護(hù)時(shí)，要對(duì)堆積的尾礦進(jìn)行預(yù)處理，避免堆積尾礦與空氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生有毒的化學(xué)物質(zhì)，危害尾礦庫(kù)周邊的生態(tài)環(huán)境。

另外，對(duì)壩體進(jìn)行定期全面監(jiān)測(cè)，查看是否出現(xiàn)裂隙、滑坡、浸潤(rùn)線逸出等異常情況，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，要進(jìn)行及時(shí)處理。在控制堆積壩筑壩的上升速度時(shí)，防止其上升速度過(guò)快，使下部壩體未能及時(shí)固結(jié)，強(qiáng)度不夠，從而引起壩體的變形、裂縫等

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在礦產(chǎn)資源開(kāi)采規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下，產(chǎn)生了許多尾礦，為了避免尾礦中有害物質(zhì)對(duì)尾礦庫(kù)周?chē)用竦挠绊?，需要分析尾礦庫(kù)壩體的穩(wěn)定性影響因素，闡述穩(wěn)定性整治措施，該整治措施對(duì)維護(hù)尾礦庫(kù)周?chē)鷳B(tài)，保障居民人身安全有重要意義。