何錦龍 伍躍勝 劉澤東 劉 磊

(1.江西理工大學繼續(xù)教育學院，江西 贛州341000;2.江西應用技術(shù)職業(yè)學院資源環(huán)境工程系，江西 贛州341000)

尾礦是選礦作業(yè)產(chǎn)物的一部分，常堆存于尾礦庫。對于礦山的安全生產(chǎn)，尾礦庫是礦山的一個重要危險源，其壩體的穩(wěn)定性至關(guān)重要;影響尾礦壩的穩(wěn)定性因素有很多，其中降雨是對尾礦壩的穩(wěn)定性影響最大的［1-6］。某尾礦庫由東尾礦庫和西尾礦庫組成，本次主要研究該尾礦庫降雨對其尾礦壩穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 計算方法的選擇

尾礦壩穩(wěn)定性分析的計算方法有很多種，常用的分析方法極限分析法、滑移線場法、極限平衡法［7-11］。根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》［12］中的相關(guān)要求，尾礦庫的穩(wěn)定性計算推薦的是極限平衡法，一般采用有效應力法進行計算［13］。本次穩(wěn)定性計算采用極限平衡法中的瑞典圓弧法、畢肖普法和簡布法?？紤]到降雨是影響尾礦庫穩(wěn)定性的重要因素，本次研究將尾礦庫的滲流性狀考慮到穩(wěn)定性的計算當中，以提高尾礦庫的穩(wěn)定性計算真實度。計算采用Geo Studio 軟件中的邊坡穩(wěn)定性分析模塊(Slop/w 模塊)結(jié)合滲流分析模塊(Seep/w 模塊)同步計算。

2 氣象資料概述

庫區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，有充足的陽光和充沛的雨量。據(jù)當?shù)貧庀笳?0 a 觀察資料，歷年極端最高氣溫40.7 ℃，最低氣溫－9.9 ℃，年降雨量在1 882 mm，年最大降雨量2 550 mm，日最大降雨量331 mm，降雨多在3—7 月，占全年降雨量的48.4%;年平均蒸發(fā)量1 282 mm，相對濕度為80%。年均無霜期達260 d。全年主導風向為EN風，平均風速為1.4 m/s。年最大積雪深度420 mm，冬季多霧。該地氣象相關(guān)數(shù)據(jù)見表1 和表2。

表1 庫區(qū)氣象資料Table 1 Meteorological data of the reservoir area

表2 庫區(qū)多年逐月平均降雨統(tǒng)計表Table 2 Monthly average rainfall of the reservoir areamm

3 計算剖面的建立

為了便于尾礦庫的穩(wěn)定性計算分析，分別在東尾礦庫和西尾礦庫選取一個離尾礦庫中心線距離較近的剖面作為計算用剖面，此剖面也是地質(zhì)鉆探資料最為完全的剖面。計算剖面的相關(guān)地質(zhì)資料來源于礦山的前期地質(zhì)鉆探資料與本次研究的鉆探資料相結(jié)合。得出東尾礦庫最終計算剖面見圖1，西尾礦庫最終計算剖面見圖2。各剖面的尾砂相關(guān)物理力學參數(shù)也是參考礦山的相關(guān)地質(zhì)資料，并對所獲取資料中類別相同、埋藏位置相近的尾砂的物理力學參數(shù)取平均值，最終結(jié)果見表3 和表4。

圖1 東尾礦庫計算剖面Fig.1 Calculation cases of east tailings reservoir

圖2 西尾礦庫計算剖面Fig.2 Calculation cases of west tailings reservoir

表3 東尾礦庫計算剖面的分層物理力學參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of calculation cases of east tailings reservoir layered

表4 西尾礦庫計算剖面的分層物理力學參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of calculation cases of west tailings reservoir layered

東尾礦庫的1 號剖面長320.4 m，高52.6 m，西尾礦庫的4 號剖面長679.2 m，高78.5 m。將上述模型導入Geo studio 的Seep/w 模塊結(jié)合Slop/w 模塊建模，并利用相關(guān)尾砂的物理力學參數(shù)對模型定義材料屬性。

4 不同工況穩(wěn)定性計算

為了解不同降雨條件下的尾礦庫的穩(wěn)定性，本次研究分別選取正常水位的工況、20 a 一遇24 h 最大降雨量的工況、50 a 一遇24 h 最大降雨量的工況和100 a 一遇24 h 最大降雨量的工況進行穩(wěn)定性計算分析。

在進行各工況穩(wěn)定性計算中，都考慮到初始水位線的影響，其中正常水位工況的水位線與其他工況計算剖面的初始水位線一致。各種降雨工況的降雨時間取24 h，降雨量的大小取對應的氣象資料的降雨量，為了解不同降雨量對尾礦庫穩(wěn)定性的影響，計算中選用極限平衡法與滲流結(jié)合同步計算，滲流計算模塊中，東尾礦庫的計算網(wǎng)格取0.1 m，由于西尾礦庫模型較大，所以西尾礦庫的計算網(wǎng)格取0.2 m，在計算中，將瑞典圓弧法、畢肖普法和簡布法考慮滲流同步計算，瑞典圓弧法、畢肖普法和簡布法所用的水位參數(shù)即由滲流計算得出，由于滲流計算與瑞典圓弧法、畢肖普法和簡布法的計算是同步的，所以計算結(jié)果更貼近實際。

5 計算結(jié)果與分析

通過采用極限平衡法中的瑞典圓弧法、畢肖普法和簡布法3 種不同的計算方法與滲流計算的方法進行同步計算，對東尾礦庫和西尾礦庫的4 種不同工況下的穩(wěn)定性計算，得出在不同工況下的東尾礦庫和西尾礦庫的最小安全系數(shù)，見表5。

表5 不同工況不同計算方法下尾礦庫最小安全系數(shù)Table 5 Minimum safety factor of tailings reservoir by different conditions and calculation method

為了了解降雨量對尾礦庫穩(wěn)定性的影響，將同一個尾礦庫的不同降雨工況的計算結(jié)果與降雨量進行數(shù)據(jù)擬合分析。降雨量的數(shù)值取數(shù)值計算中對應工況所取的總降雨量，通過對東尾礦庫和西尾礦庫3 種極限平衡法計算所得的安全系數(shù)與降雨量的關(guān)系進行線性擬合，擬合公式為y =ax +b，其中x 即為降雨量，mm;y 為降雨量對應的尾礦庫的最小安全系數(shù)。擬合結(jié)果見表6。

表6 尾礦庫最小安全系數(shù)與降雨量的擬合結(jié)果Table 6 The fitting results of minimum safety factor and rainfall of tailings reservoir

從擬合的結(jié)果可以看出，研究區(qū)域的尾礦庫的最小安全系數(shù)與降雨量呈線性相關(guān)，且其相關(guān)系數(shù)都比較大，最小也不小于0.90，由此說明本研究區(qū)域的東尾礦庫和西尾礦庫的穩(wěn)定性與降雨量的大小是呈線性相關(guān)的。從擬合公式的系數(shù)可以看出，東尾礦庫的最小安全系數(shù)與降雨量的變化率較小，而西尾礦庫的最小安全系數(shù)與降雨量的變化率則相對較大。這是因為西尾礦庫的剖面更大，在同樣降雨工況和降雨時間的條件下，西尾礦庫的降雨總量就相對較大。尾礦庫的排水只有在堆石壩才有出口，因此在降雨量相對較大，排水量相差不大的西尾礦庫穩(wěn)定性受同等降雨工況的穩(wěn)定性對最小安全系數(shù)的影響比東尾礦庫更大。

6 結(jié) 論

(1)采用極限平衡法與滲流同步計算得出的尾礦庫的最小安全系數(shù)隨著降雨量的增加而減小，由于西尾礦庫剖面的長度更長，在受降雨的影響下，同一降雨工況的同樣降雨時間下，西尾礦庫的降雨總量更多，而在計算剖面上，尾礦庫的排水只有通過堆石壩進行排水，所以在同樣的降雨工況和降雨時間下，西尾礦庫的穩(wěn)定性受降雨的影響更大。

(2)采用3 種極限平衡法與滲流的同步計算結(jié)果表明東尾礦庫和西尾礦庫在100 a 一遇的24h 最大降雨條件下最小安全系數(shù)均大于1.25，是穩(wěn)定的。

(3)對本次研究采用的3 種不同極限平衡法對4種不同降雨工況下的東尾礦庫和西尾礦庫計算得到的最小安全系數(shù)與降雨量進行線性擬合，擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.90，相關(guān)系數(shù)比較高，說明本次研究的尾礦庫最小安全系數(shù)與降雨量呈線性相關(guān)。

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