尾矿库稳定性研究进展

尾矿库稳定性研究进展

闻洪毅

闻洪毅

吉林大学建设工程学院辽宁省110013

摘要：在我国快速发展的过程中，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，本文从尾矿库安全问题、影响尾矿库稳定性的因素、尾矿库稳定性分析、尾矿库安全预警四个方面，通过文献梳理，总结了近年来尾矿库稳定性研究的进展。得出以下结论：国外有关尾矿库稳定性研究主要集中在环境污染与预防治理；影响尾矿库稳定性的因素主要包括坝址地形地质条件、坝体施工工艺、库内尾矿料物理力学性质等；尾矿库坝体稳定性分析方法应用最广的包括有限元法、边界单元法等；目前针对尾矿库水位预警相关资料比较缺乏，预警方面侧重于整个尾矿库系统，缺乏针对性，可行性不强。

关键词：尾矿库；稳定性；研究进展；预警

引言

建国以来，我国矿业开发与生产取得了巨大的发展与进步，但同时也滋生了诸如生态环境破坏、地质环境破坏等危害，甚至有时还对人民生命财产安全造成极大威胁。这其中，尾矿库作为矿山开采生产的重要组成部分，其用于排放尾矿，由初期坝和尾矿排放形成的堆积坝组成，堆积坝是尾矿坝的主体组成部分，一旦发生失稳破坏，尾矿库将发生溃曲灾害，对于坝体是否稳定直接关系到尾矿库的安全运行，并对下游村庄安全及整个矿山的安全生产起着至关重要的作用。许多学者也对此进行了大量的研究，李亚俊、司悦彤、邓敦毅、陈殿强等采用数值模拟的方法，对尾矿库坝体进行稳定性分析，得出尾矿库坝体的安全系数以及变形的基本特点，为尾矿库灾害防治提供理论依据；谢园丁采用极限平衡条分法和有限元强度折减法分别得出基本一致的尾矿库坝体安全系数；魏作安采用物理模型试验、数值模拟和理论分析方法，分析和研究了尾矿库坝体的稳定性。总的来说，关于尾矿库坝体稳定性的研究还是相对较少，再加上尾矿库大多处于地质环境复杂地区，有其特殊性与独一性，重要程度不言而喻。因此，对本文所提及尾矿库仍然是值得深入研究的，不仅仅关乎矿山安全生产，还为该尾矿库维护设计与施工提供安全、合理的方法参考。

1尾矿坝稳定性影响因素

1.1坝体材料对稳定性的影响

材料固有的物理力学性质是影响坝体稳定性的重要因素，其物理力学性质(包括c、值，渗透性等)不同，尾矿坝抗滑稳定性也不同。例如初期坝采用粘土坝和碎石坝会对尾矿库稳定性有重要影响。对尾砂及堆坝材料的c、值对坝体稳定性的影响进行了研究，得出c、值越大，坝体越稳定，且c、之间具有一定的相关性，值的影响大于c值。

1.2坝坡比对稳定性的影响

坡比的大小对尾矿坝的稳定性及受力形态有显著影响。探讨了细粒尾矿坝安全稳定性影响因素并通过试验得出:堆积坝坡度每增大10°，其坝体承载能力至少减至原来的1/5-1/6，表明堆积坝的坡度对尾矿坝的稳定性影响较大。坡比的大小对坝体材料掉落的位移距离也有着较敏感的影响。

1.3坝高对稳定性的影响

随着尾矿排放量的增大，现今尾矿库堆筑越来越高。随着坝顶高度的增高，尾矿坝抗滑稳定性随之降低，但降低趋势较缓慢，降幅很小。用FLAC软件模拟堆积坝高度对尾矿坝稳定性的影响，得出尾矿坝的安全系数随堆积坝高度升高而降低。

2尾矿库稳定性分析方法的进展

极限平衡法是应用最广泛、最经典的分析方法，该方法是基于摩尔库伦强度准则，以分析土体破坏瞬间静力平衡来求解，它通常以安全系数来表示工程的稳定程度。它没有采用应力应变关系来求解静不定问题，而是进行了一些简单假定，从而可以使问题能够得到解决，这样虽然会降低了它的严密性但并没有对计算结果的精度产生太大的影响。并可大大简化计算工作。因此，国内外在工程上仍广泛使用极限平衡法。目前，国内外广泛使用的主要包括Fellenius法、Bisho法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sarma法、Janbu法以及推力传递法等。近年来，随着计算机科学和计算方法的逐渐发展，该方法的成本日益降低，数值分析方法逐渐被广泛使用。该方法包括有限元方法，边界元方法，离散元方法，快速拉格朗日分析等。其中，有限元法是目前发展比较成熟并且应用最普遍的方法，它起源于结构矩阵分析，能够将结构离散化为有限数量、有限大的单元集合，这些有限单元之间通过结点来连接，并实现关系约束，各单元满足平衡方程和形变协调相容方程，用变换后的结构系统替代实际的系统，然后采用标准的结构分析来进行求解。边界元法与有限元法不同。因而，它所需要输入的数据较少，大大降低了计算量，且误差来源少，计算准确率高。边界单元法的本质是通过形函数对单元进行等参变换，它的未知量仅为边界单元上的函数值。进行边坡稳定性分析通常会出现数据来源受限且数据量不充足的问题。因此，在上世纪开始将非确定性分析应用到问题分析中。在这之后，随着理论研究的深入，非确定性分析方法逐渐成为一种重要问题的解决手段，并将其应用到解释边坡形变过程及失稳形式等。目前非确定性分析方法主要包括：灰色系统评价方法，可靠性方法，模糊综合评价等。其中，灰色系统评价具有解决“样本量少、信息匮乏”问题的优势。因此，利用灰色关联分析方法探讨各种稳定性因素的相关性，并计算其对边坡稳定性的影响程度，以便进行分析。可靠性分析方法基于概率统计和运筹学原理，用概率分析结果，最终分析边坡失稳的状态。该方法将岩体，地下水，荷载，计算模型和失效模式的属性视为不确定性。根据边坡的实际情况，利用可靠指标或损伤概率估计边坡的安全程度。

3尾矿库稳定性预警研究进展

国内外相关领域预警管理的研究理论和经验，对于如何开展尾矿库预警研究工作，在理论指导方面和实践应用方面都有着及其重要的借鉴意义。目前，许多中国学者对尾矿库稳定性预警进行了相关研究。谢旭阳等从尾矿库本身的地形条件、人为影响等维度评价了尾矿库稳定性。根据预警指标筛选条件和尾矿库事故影响的基础上，建立尾矿库预警指标体系，为尾矿库区域预警提供依据。史松海基于现有理论研究，以在线监测系统为基础，进行了尾矿库预警研究，可支持尾矿库在线监测预警。李明、欧阳振华从坝体深部、表面位移，饱和线等方面研究了基于通信网络平台的尾矿库监测数据无线远传技术。采用新的监控技术实现了24h自动化远程监控，建立了集成实时数据采集和实时传输的高精度在线监测系统。但目前针对尾矿库水位预警研究领域的相关研究资料是比较缺乏的。在尾矿库预警方面上侧重于整个尾矿库系统的预警缺乏针对性、可行性不强；侧重于尾矿坝坡的位移变形监测点数据缺少整体稳定性考虑，效果欠佳。对基于坝体浸润线的变化规律及其对尾矿坝稳定性影响的监控、评价、预警管理相关方面系统研究不成熟或尚未展开。

结语

通过本文研究可知，国外有关尾矿坝稳定性研究起步较早，实践类型更丰富，但研究成果并不多，且主要集中在环境污染与预防治理两方面。国内针对尾矿库的研究较国外更多，但环境方面影响研究较少，针对影响尾矿库稳定性因素的研究较多，研究较为完善。而针对尾矿库坝体稳定性分析方法的研究主要集中在极限平衡法、数值分析方法、非确定性分析等，且各类方法又包含多种具体分析方法。目前针对尾矿库水位预警研究领域资料较缺乏。且在尾矿库预警方面上侧重于整个尾矿库系统的预警，缺乏针对性，可行性不强。

参考文献：

［1］于广明，宋传旺，潘永战，等．尾矿坝安全研究的国外新进展及我国的现状和发展态势［J］．岩石力学与工程学报，2014，33(S1):3238－3248．

［2］郑颖人，赵尚毅，孔位学，等．岩土工程极限分析有限元法［J］．岩土力学，2005，26(1):163－168．