某选矿厂尾矿库稳定性分析与评价

牛文博 冯自明 王 岩

(甘肃省地质矿产勘查开发局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741020)

0 引言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿库通常具有高势能，为人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故[1]。我国经济迅速的发展带动了矿山开采业的迅速发展，我国尾矿库的数量也急剧增加，目前我国选矿厂尾矿库的数量在6 000座以上[2]，因此对尾矿库的稳定性进行合理有效的评价与分析，对矿山的正常安全运行有着举足轻重的影响。本文结合甘肃天水市某选矿厂尾矿库工程实例，通过现场勘查分析了该尾矿库的特点并采用“Geostudio2007”软件评价了其稳定性。

1 尾矿库基本特征

选矿厂尾矿库位于天水市秦州区范围内，采取山谷型建坝，在沟口修建尾矿坝。沟口向东，西高东低，沟底为沟道堆积物，尾矿库坝体是由初期坝和后期坝组成。初期坝为透水土石坝，坝长15 m，坝顶宽4.0 m，底宽10 m，高8.0 m，平均外坡比1∶1.2，平均内坡比1∶1.6，建筑材料采用当地均质土石，外部采用块石压坡。后期坝主要用尾矿作为筑坝材料，坝高21 m，坝长70 m，坝顶宽2.5 m，底宽10 m，后期库容11万m3，坝坡使用1∶4，每升高10 m设置一条马道，宽3 m，尾矿沉积面标高约1 679 m，滩面呈三角形展布。尾矿库分散堆积着矿渣，库底200 m处建有公司厂区；厂区往东是一条小河，南北流向；临河边是G316国道。

根据现场地形测量，尾矿库纵长约198 m，横宽约70 m，总坝高29 m，堆渣量约13万m3，位于沟口附近，尾矿库顶部滩面呈三角形展布，坝顶与坝脚相对高差约25 m。矿渣堆积物地层自上而下为第四系人工堆积物和第四系沟道堆积物，第四系人工堆积物主要由棱角形的岩石块体或角砾组成，填充物为粉末状的岩石细粒，呈中～微风化，最大矿渣厚度约25 m，结构松散。矿渣堆积体底部地层主要是沟道堆积物，以块石、角砾及粉土为主，属于沟道冲、洪积物。

2 尾矿库稳定性分析

尾矿坝坡较缓，坡脚临空面平均坡度约21°，临空高差小，地表无径流和积水，土体干燥，无变形位移迹象；坡体结构完整，无裂缝发育，坡腹植被情况良好；坡肩发育情况健康，没有位移迹象，坝坡面上设置了排水渠，坝底设置了排渗和排洪设施，不存在积水。目前尾矿库整体上没有发生变形迹象，依据DB62/T 1792—2009地质灾害危险性评估规程中的斜坡稳定性野外判别初步分析该尾矿坝稳定性好[3]。

根据现场调查，矿渣堆积体主要以矿石碎块和岩屑为主，粒间填充物为粉末状的岩粉，骨架呈中～微分化，堆积厚度较大，最大厚度为25 m，未经压实处理，结构松散，具有一定的沉降量。该尾矿坝可能发生局部或整体滑动破坏，破坏的条件是在强降雨或者地震情况下发生，破坏位置是在边坡较为陡峭处，堆积体在强降雨条件下可能形成表面塌陷以及局部滑移等现象。尾矿库边坡局部坡高比差大，可能发生的变形模式为滑坡，也不排除发生崩塌的可能性[4]。根据GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范分类分级标准，边坡类型为土质边坡，选矿厂距矿渣坝200 m，厂内有工人作业，西距250 m为白家和河边G316国道，一旦发生溃坝，可能造成人员伤亡或者财产损失，破坏后果为严重，安全等级定为二级。

本次调查通过地质钻探取样尾矿坝土坝10组和矿渣2组，并对样品进行了颗分实验和土力学性质测试的实验。由颗分实验可知，矿渣堆积体颗粒的有效粒径d10=0.833～2.749，控制粒径d60=12.947～13.056，不均匀系数Cu=4.71～15.67，曲率系数Cc=1.41～3.61，由此可见组成矿渣堆积体的粗颗粒和细颗粒相差悬殊，矿渣堆积体级配曲线特性随取样位置而异常，级配曲线时而连续，时而不连续，该矿渣堆积体中的细颗粒并没有完全充填于粗颗粒所形成的孔隙中，所以不能得出较好的力学性质，堆积体的密度也不够殷实。这与现场勘查结果一致。因此该选矿厂尾矿坝矿渣堆积体级配不良，后期发生不均匀沉降的可能性大。

3 尾矿库稳定性评价

利用“GeoStudio2007—SLOPE/W”软件，编辑输入计算断面和剖面的重度、内摩擦角、黏聚力，在计算机上经多次随机确定潜在滑动面的入点和出点，搜索计算得出斜坡潜在滑裂面位置和形状(见图1)，剖面计算简图见图2。

采用DZ/T 0218—2006滑坡防治工程勘查规范推荐的基于极限平衡理论的圆弧形滑动面计算堆积体斜坡稳定性[5]，稳定系数Kf计算公式如下：

式中：Wi——第i条块的重量,kN/m；

Ci——第i条块的内聚力,kPa；

φi——第i条块的内摩擦角，(°)；

Li——第i条块滑面长度,m；

αi——第i条块滑面倾角，(°)；

βi——第i条块地下水流向，(°)；

A——地震加速度(单位：重力加速度g)；

Kf——稳定系数。

推力计算公式如下：

Hs=(Ks-Kf)×∑(Ti×cosαi)。

式中：Hs——推力，kN；

Ks——设计的安全系数；

Ti——条块重量在滑面切线方向的分力。

经土样试验数据计算得到，初期坝试样天然容重为19.70 kN/m3，饱和容重为20.50 kN/m3；后期坝试样天然容重为19.45 kN/m3，饱和容重为20.50 kN/m3。初期坝在天然状态下C=20.0 kPa，φ=17.8°；后期坝的抗剪强度指标是根据查阅工程地质手册确定，后期坝为矿渣坝，堆积而成，没有黏土和粉土更没有固结，后期坝在天然状态下C=0 kPa，φ=40°。

以1—1′剖面中的尾矿坝潜在滑动面位置作为稳定性计算剖面，分别计算在自重、自重+暴雨两种工况下的稳定性，计算结果见表1。

表1 稳定性验算及推力计算表

从表1可以看出计算结果在自重工况下稳定系数为1.75，大于边坡稳定时稳定系数1.15,各个条块下滑力均小于抗滑力；自重+暴雨工况下稳定系数为1.39,大于1.15，各个条块下滑力均小于抗滑力。综上所述尾矿坝在自重和自重+暴雨两种工况下均为稳定状态。

4 结语

尾矿库稳定性分析在边坡稳定性研究占有较大的比重。尾矿库作为矿山生产的重要设施，对尾矿库做好稳定性分析，采取相应措施，把尾矿库的危险性降到最低，防患于未然，保证矿山安全生产和矿区人民生命安全。对于分析为不稳定的尾矿库，尾矿库矿渣不可继续堆高，并降低矿坝的坡脚和在库区种植绿色植被等措施来提高其稳定性。