某選礦廠尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

牛文博 馮自明 王 巖

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020)

0 引言

尾礦庫(kù)是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所。尾礦庫(kù)通常具有高勢(shì)能，為人造泥石流危險(xiǎn)源，存在潰壩危險(xiǎn)，一旦失事，容易造成重特大事故[1]。我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速的發(fā)展帶動(dòng)了礦山開(kāi)采業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)尾礦庫(kù)的數(shù)量也急劇增加，目前我國(guó)選礦廠尾礦庫(kù)的數(shù)量在6 000座以上[2]，因此對(duì)尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性進(jìn)行合理有效的評(píng)價(jià)與分析，對(duì)礦山的正常安全運(yùn)行有著舉足輕重的影響。本文結(jié)合甘肅天水市某選礦廠尾礦庫(kù)工程實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查分析了該尾礦庫(kù)的特點(diǎn)并采用“Geostudio2007”軟件評(píng)價(jià)了其穩(wěn)定性。

1 尾礦庫(kù)基本特征

選礦廠尾礦庫(kù)位于天水市秦州區(qū)范圍內(nèi)，采取山谷型建壩，在溝口修建尾礦壩。溝口向東，西高東低，溝底為溝道堆積物，尾礦庫(kù)壩體是由初期壩和后期壩組成。初期壩為透水土石壩，壩長(zhǎng)15 m，壩頂寬4.0 m，底寬10 m，高8.0 m，平均外坡比1∶1.2，平均內(nèi)坡比1∶1.6，建筑材料采用當(dāng)?shù)鼐|(zhì)土石，外部采用塊石壓坡。后期壩主要用尾礦作為筑壩材料，壩高21 m，壩長(zhǎng)70 m，壩頂寬2.5 m，底寬10 m，后期庫(kù)容11萬(wàn)m3，壩坡使用1∶4，每升高10 m設(shè)置一條馬道，寬3 m，尾礦沉積面標(biāo)高約1 679 m，灘面呈三角形展布。尾礦庫(kù)分散堆積著礦渣，庫(kù)底200 m處建有公司廠區(qū)；廠區(qū)往東是一條小河，南北流向；臨河邊是G316國(guó)道。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形測(cè)量，尾礦庫(kù)縱長(zhǎng)約198 m，橫寬約70 m，總壩高29 m，堆渣量約13萬(wàn)m3，位于溝口附近，尾礦庫(kù)頂部灘面呈三角形展布，壩頂與壩腳相對(duì)高差約25 m。礦渣堆積物地層自上而下為第四系人工堆積物和第四系溝道堆積物，第四系人工堆積物主要由棱角形的巖石塊體或角礫組成，填充物為粉末狀的巖石細(xì)粒，呈中～微風(fēng)化，最大礦渣厚度約25 m，結(jié)構(gòu)松散。礦渣堆積體底部地層主要是溝道堆積物，以塊石、角礫及粉土為主，屬于溝道沖、洪積物。

2 尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析

尾礦壩坡較緩，坡腳臨空面平均坡度約21°，臨空高差小，地表無(wú)徑流和積水，土體干燥，無(wú)變形位移跡象；坡體結(jié)構(gòu)完整，無(wú)裂縫發(fā)育，坡腹植被情況良好；坡肩發(fā)育情況健康，沒(méi)有位移跡象，壩坡面上設(shè)置了排水渠，壩底設(shè)置了排滲和排洪設(shè)施，不存在積水。目前尾礦庫(kù)整體上沒(méi)有發(fā)生變形跡象，依據(jù)DB62/T 1792—2009地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)程中的斜坡穩(wěn)定性野外判別初步分析該尾礦壩穩(wěn)定性好[3]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，礦渣堆積體主要以礦石碎塊和巖屑為主，粒間填充物為粉末狀的巖粉，骨架呈中～微分化，堆積厚度較大，最大厚度為25 m，未經(jīng)壓實(shí)處理，結(jié)構(gòu)松散，具有一定的沉降量。該尾礦壩可能發(fā)生局部或整體滑動(dòng)破壞，破壞的條件是在強(qiáng)降雨或者地震情況下發(fā)生，破壞位置是在邊坡較為陡峭處，堆積體在強(qiáng)降雨條件下可能形成表面塌陷以及局部滑移等現(xiàn)象。尾礦庫(kù)邊坡局部坡高比差大，可能發(fā)生的變形模式為滑坡，也不排除發(fā)生崩塌的可能性[4]。根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，邊坡類型為土質(zhì)邊坡，選礦廠距礦渣壩200 m，廠內(nèi)有工人作業(yè)，西距250 m為白家和河邊G316國(guó)道，一旦發(fā)生潰壩，可能造成人員傷亡或者財(cái)產(chǎn)損失，破壞后果為嚴(yán)重，安全等級(jí)定為二級(jí)。

本次調(diào)查通過(guò)地質(zhì)鉆探取樣尾礦壩土壩10組和礦渣2組，并對(duì)樣品進(jìn)行了顆分實(shí)驗(yàn)和土力學(xué)性質(zhì)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)。由顆分實(shí)驗(yàn)可知，礦渣堆積體顆粒的有效粒徑d10=0.833～2.749，控制粒徑d60=12.947～13.056，不均勻系數(shù)Cu=4.71～15.67，曲率系數(shù)Cc=1.41～3.61，由此可見(jiàn)組成礦渣堆積體的粗顆粒和細(xì)顆粒相差懸殊，礦渣堆積體級(jí)配曲線特性隨取樣位置而異常，級(jí)配曲線時(shí)而連續(xù)，時(shí)而不連續(xù)，該礦渣堆積體中的細(xì)顆粒并沒(méi)有完全充填于粗顆粒所形成的孔隙中，所以不能得出較好的力學(xué)性質(zhì)，堆積體的密度也不夠殷實(shí)。這與現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果一致。因此該選礦廠尾礦壩礦渣堆積體級(jí)配不良，后期發(fā)生不均勻沉降的可能性大。

3 尾礦庫(kù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

利用“GeoStudio2007—SLOPE/W”軟件，編輯輸入計(jì)算斷面和剖面的重度、內(nèi)摩擦角、黏聚力，在計(jì)算機(jī)上經(jīng)多次隨機(jī)確定潛在滑動(dòng)面的入點(diǎn)和出點(diǎn)，搜索計(jì)算得出斜坡潛在滑裂面位置和形狀(見(jiàn)圖1)，剖面計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

采用DZ/T 0218—2006滑坡防治工程勘查規(guī)范推薦的基于極限平衡理論的圓弧形滑動(dòng)面計(jì)算堆積體斜坡穩(wěn)定性[5]，穩(wěn)定系數(shù)Kf計(jì)算公式如下：

式中：Wi——第i條塊的重量,kN/m；

Ci——第i條塊的內(nèi)聚力,kPa；

φi——第i條塊的內(nèi)摩擦角，(°)；

Li——第i條塊滑面長(zhǎng)度,m；

αi——第i條塊滑面傾角，(°)；

βi——第i條塊地下水流向，(°)；

A——地震加速度(單位：重力加速度g)；

Kf——穩(wěn)定系數(shù)。

推力計(jì)算公式如下：

Hs=(Ks-Kf)×∑(Ti×cosαi)。

式中：Hs——推力，kN；

Ks——設(shè)計(jì)的安全系數(shù)；

Ti——條塊重量在滑面切線方向的分力。

經(jīng)土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，初期壩試樣天然容重為19.70 kN/m3，飽和容重為20.50 kN/m3；后期壩試樣天然容重為19.45 kN/m3，飽和容重為20.50 kN/m3。初期壩在天然狀態(tài)下C=20.0 kPa，φ=17.8°；后期壩的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是根據(jù)查閱工程地質(zhì)手冊(cè)確定，后期壩為礦渣壩，堆積而成，沒(méi)有黏土和粉土更沒(méi)有固結(jié)，后期壩在天然狀態(tài)下C=0 kPa，φ=40°。

以1—1′剖面中的尾礦壩潛在滑動(dòng)面位置作為穩(wěn)定性計(jì)算剖面，分別計(jì)算在自重、自重+暴雨兩種工況下的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 穩(wěn)定性驗(yàn)算及推力計(jì)算表

從表1可以看出計(jì)算結(jié)果在自重工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.75，大于邊坡穩(wěn)定時(shí)穩(wěn)定系數(shù)1.15,各個(gè)條塊下滑力均小于抗滑力；自重+暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.39,大于1.15，各個(gè)條塊下滑力均小于抗滑力。綜上所述尾礦壩在自重和自重+暴雨兩種工況下均為穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析在邊坡穩(wěn)定性研究占有較大的比重。尾礦庫(kù)作為礦山生產(chǎn)的重要設(shè)施，對(duì)尾礦庫(kù)做好穩(wěn)定性分析，采取相應(yīng)措施，把尾礦庫(kù)的危險(xiǎn)性降到最低，防患于未然，保證礦山安全生產(chǎn)和礦區(qū)人民生命安全。對(duì)于分析為不穩(wěn)定的尾礦庫(kù)，尾礦庫(kù)礦渣不可繼續(xù)堆高，并降低礦壩的坡腳和在庫(kù)區(qū)種植綠色植被等措施來(lái)提高其穩(wěn)定性。