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    尾礦庫(kù)壩體的穩(wěn)定性影響因素和整治措施

    2021-12-24 11:07:48
    中國(guó)金屬通報(bào) 2021年19期
    關(guān)鍵詞:尾礦庫(kù)尾礦壩體

    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。

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