綠松石尾礦堆場邊坡穩定性分析

劉嘉琪 倪曉陽副教授 王天豪 劉 鵬

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

礦產資源是人類發展和生存極為重要的物質基礎之一。我國92%的能源和80%的工業原材料均來自礦產資源，但是尾礦產量也很高，截至2015年全國尾礦總量超過600億噸，且回收率低[1]。我國尾礦的利用率在19%左右，仍然有絕大多數的尾礦是處于擱置狀態，廢石和煤矸石等礦渣多采用地表堆積的方式儲存，形成了各種礦渣山這種極不穩定的邊坡[2-5]。

目前我國建設有各類尾礦庫1.2萬多座，其中部分行業大約44%的尾礦庫處于險、病或超期服役狀態[6]。1976年唐山豐南及2008年四川墳川均發生強烈地震，造成當地許多尾礦庫均出現了不同程度的坍塌甚至潰壩圈[7]。在竹山縣秦古鎮綠松石4000多年的開采歷史中，當地人的安全生態意識淡薄，綠松石礦山亂采、尾礦亂堆，尾礦廢渣堆砌的土坡隨時有滑坡的可能[8-9]。當地安全人員監管不夠，所以該地區尾礦平臺是一個極大的危險源。

1 綠松石尾礦堆場邊坡存在形式及災害原因分析

1.1 綠松石尾礦堆場邊坡的存在形式

通過對秦古鎮的礦區地形實地走訪勘察結果得知，該地綠松石尾礦堆場邊坡主要由碎石和土組成的土石邊坡，大部分屬于斜坡類尾礦堆場邊坡而少數屬于溝谷類尾礦堆場邊坡，此兩種相對平臺類尾礦堆場邊坡較不穩定，更容易發生災害。按形成原因劃分時，應屬于人工邊坡中的礦山邊坡，而按坡度劃分當屬陡坡和急坡較多，按坡高來分主要屬于中高和高邊坡[10]。

1.2 綠松石尾礦堆場邊坡災害原因分析

造成綠松石尾礦邊坡災害的發生是由很多因素引起的，有可能是單一因素，也有可能是多種因素共同作用導致的失穩災害發生。根據安全系統工程的分析方法，運用事故樹分析法對尾礦堆場邊坡災害的原因進行分析歸納[11-13]。基本事件表，見表1，事故樹，如圖1。

圖1 綠松石尾礦邊坡失穩事故樹Fig.1 Turquoise tailings yard slope instability accident tree

表1 基本事件表Tab.1 Basic events table

進行結構重要度分析的結果表明，尾礦堆場邊坡的自然因素以及在尾礦傾瀉過程中邊坡自身形成的堆積狀態是導致邊坡失穩的主要因素，其次考慮管理與制度措施和日常回收作業對邊坡的擾動情況，這與邊坡失穩的發生機理是基本吻合的。

2 綠松石尾礦堆場邊坡模型建立

2.1 三岔溝綠松石礦區尾礦堆場邊坡參數

綠松石尾礦堆場邊坡為三岔溝綠松石礦區，位于湖北省竹山縣秦古鎮，地理坐標東經109°48'27"，北緯 32°27'27"，主要道路為盤山公路。通過對三岔溝綠松石礦區實地探勘得到具體數據，見表2。

表2 三岔溝礦區臺階測量數據Tab.2 Sanchagou mine area step measurement data

2.2 仿真模型的建立

根據邊坡形態的基本數據和巖土力學性質，利用SLⅠDE進行建模，根據邊坡具體數據和數據比例進行建模，建立出三岔溝綠松石礦區尾礦邊坡的模型，如圖2。

圖2 三岔溝綠松石的尾礦邊坡模型Fig.2 Tailrace slope model of the Sanchagou turquoise mine

3 綠松石尾礦堆場邊坡安全穩定性分析

3.1 安全標準

通過調查和計算測得各礦區尾礦的總容量，三岔溝礦區尾礦的庫容全部小于100萬m3，參考尾礦庫分級標準，屬于五級庫。雖然這里的邊坡不是尾礦庫壩坡，但是從安全系數的角度來講，具有通用的價值，所以根據尾礦庫安全系數要求的標準來確定尾礦堆場邊坡的最小安全系數。尾礦堆場邊坡的安全系數在正常工況下要求大于1.15，在降水暴雨工況下要求大于1.05。

3.2 外加載荷下山體的穩定性分析

在礦山開采之前，自然狀態的山坡假定為均質體，通過測量得到的海拔高度和水平距離確定坡上各點的位置，然后減掉尾礦厚度得到山體的坐標。因后期尾礦堆積對山體形成一個載荷，在此假定載荷是均布的，在尾礦堆積范圍內添加均布載荷，搜索山體最小安全系數的滑動面[15-20]。

因山體為均質、單一材料，均布外載荷及地下水的材料工程設置，因此僅適用于圓弧形滑面分析[21-22]。根據建立的模型和劃分的圓弧形搜索網格進行運算并輸出運算結果，得到圖3。

讀取圖3的計算結果，并選擇不同的計算方式再次讀取，可知每種方法計算得到的最小安全系數滑面，計算結果，見表3。

圖3 三岔溝礦區山體邊截面模型圓弧滑面搜索結果Fig.3 Sanchagou mining area mountain side section model of the arc slip surface search results

表3 不同極限平衡條分法求得最小安全系數Tab.3 Different limit equilibrium method to find the minimum safety factor

對邊坡穩定性進行概率分析，見表4。

表4 概率分析結果Tab.4 Probability analysis results

根據判別標準和模擬數據分析，因此由表4可知，三岔溝山體是安全的，不易失穩的。

3.3 三岔溝綠松石礦區尾礦堆場邊坡穩定性分析

3.3.1 非圓弧形滑面搜索

選山體作為承載面，在土壤夾層下邊界設置承載多線，在上方進行非圓弧形滑面搜索，得到圖4。

讀取圖4的計算結果，用不同的計算方式得到最小安全系數，見表5。

圖4 三岔溝礦區尾礦臺階邊坡截面Fig.4 Sanchagou mine tailings slope section

表5 模型優化非圓弧滑面計算結果Tab.5 Model optimization of non-circular slip surface calculation results

運用不同方法對優化的非圓弧形滑面進行概率分析，得到的分析結果，見表6。

表6 不同極限平衡條分法求得概率分析結果Tab.6 Probability analysis resulted from different limit equilibrium method

通過篩選安全系數小于1.15的滑面位置可知，處于安全系數以下的滑面集中在三級臺階上，可知三級臺階屬于不穩定邊坡。但是其他臺階上同樣存在接近1.15甚至臨界狀態的滑面，應綜合考慮組合型滑面分析。

3.3.2 組合滑面

該尾礦庫堆積體在重力作用下向臨空方向發生剪切蠕變，造成剪切面上剪應力集中，滑面的具體位置主要受最大剪應力分布控制[23-25]。邊坡破壞的力學模式屬于蠕滑-拉裂模式，其滑動面應進一步用組合滑面分析。

修改原模型的外部邊界，將軟弱層的下邊界作為外部邊界進行計算，結果，見表7。

表7 不同極限平衡條分法求得最小安全系數Tab.7 The minimum safety factor resulted from different limit equilibrium method

運用不同方法對組合型滑面進行概率分析，得到的分析結果，見表8。

表8 不同極限平衡條分法求得概率分析結果Tab.8 Probability analysis resulted from different limit equilibrium method

三岔溝礦區臺階第一、二、三、四級臺階處于不穩定狀態，其中不穩定的滑面主要分布在邊坡中部。利用優化的非圓弧形滑面的最小安全系數為0.809，概率分析的結果中失效概率為15.6%；利用組合型滑面分析的最小安全系數為0.87，概率分析的結果中失效概率為99.9%。

通過篩選安全系數小于1.15的滑面位置可知，在四級臺階上都存在不穩定的滑面，其中以二、三級臺階的不穩定滑面最多。可知本邊坡一、二、三、四級臺階都是屬于不穩定邊坡。

4 結論

本文以三岔溝綠松石尾礦堆場邊坡為研究對象，依據前期實地勘測的數據，采用極限平衡分析理論和SLⅠDE軟件，對該礦區尾礦堆場邊坡的安全穩定性進行分析，得出了以下結論：

（1）根據實地勘測的數據，對綠松石尾礦堆場邊坡的存在形式進行劃分，初步總結了災害原因，得出三岔溝綠松石尾礦堆場邊坡大部分屬于斜坡類尾礦堆場邊坡，而少數屬于溝谷類尾礦堆場邊坡。

（2）綠松石尾礦邊坡本身巖土力學性能較低，引起失穩的基本事件的組合種類非常多，利用事故樹等方法分析了尾礦堆場邊坡發生災害的原因找出造成邊坡失穩的主要因素，分別是自然因素以及在尾礦傾瀉過程中邊坡自身形成的堆積狀態。

（3）利用SLⅠDE軟件對綠松石尾礦堆場邊坡進行建模，研究山體整體和各臺階的力學狀態和穩定性。根據極限平衡理論分析計算結果得知，三岔溝礦區山體是安全不易失穩的，但是第一、二、三、四級臺階均處于不穩定的狀態，其中邊坡第二、三級臺階的失效概率最大，應得到足夠的重視，及時進行相應的安全治理措施，避免災害造成人員傷亡、經濟損失和環境破壞。

在實際應用中，導致失穩災害的因素很多，且多因素的耦合影響更為復雜，本文利用事故樹的結構重要度對這些因素進行計算，找出最重要的因素，對邊坡的研究和治理有重要意義。在分析邊坡穩定性方面，與傳統方法不同的是，本文采用計算機軟件的輔助模擬了較多工況，并結合極限平衡理論對比邊坡的失效概率，提高了研究的精度和廣度，對類似的山體和巖體力學的研究提供了更科學的參考方法。