尾砂灘面上工程設(shè)施對(duì)壩體安全影響分析

夏洪波 羅志雄 王迪 高尚青 李培良

摘要：針對(duì)抱倫金礦在尾礦庫(kù)尾砂灘面修建尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房的問(wèn)題，采用瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化畢肖普法就尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房對(duì)壩體安全的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明：距離對(duì)荷載的敏感性較大，在保證壩體安全系數(shù)滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，給出了尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房的極限存儲(chǔ)量，為抱倫金礦的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：尾礦庫(kù);壩體安全;穩(wěn)定性;工程設(shè)施;灘面;距離

引 言

礦產(chǎn)資源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，中國(guó) 95 %的能源和85 %的原材料來(lái)自礦產(chǎn)資源。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)品的需求也大幅度增加，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大，尾礦的產(chǎn)出量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。尾礦庫(kù)安全（穩(wěn)定性）問(wèn)題成為礦山企業(yè)的頭等大事[1-3]，尤其是壩體安全。對(duì)于停用或已閉庫(kù)的尾礦庫(kù)，除了履土植被外，有些礦山企業(yè)需在灘面上進(jìn)行一些工程建設(shè)，而工程建設(shè)對(duì)壩體安全是否造成影響需要論證。

海南山金礦業(yè)有限公司樂(lè)東抱倫金礦（下稱“抱倫金礦”）受產(chǎn)業(yè)政策的影響，改變了尾礦處置方式，采用井下充填或外運(yùn)。為使臨時(shí)堆放的尾砂免受雨水、風(fēng)的侵蝕，保護(hù)周邊環(huán)境，抱倫金礦根據(jù)現(xiàn)有地形條件因地制宜，規(guī)劃在Ⅱ號(hào)尾礦庫(kù)尾砂灘面的壓濾車間外圍修建一座尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房，因此亟需分析尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房修建對(duì)壩體安全的影響，以保證礦山的安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

抱倫金礦位于海南省樂(lè)東縣（抱由鎮(zhèn)）西南約19 km處，行政上隸屬于樂(lè)東縣千家鎮(zhèn)。抱倫金礦Ⅱ號(hào)尾礦庫(kù)初期壩壩頂標(biāo)高252.5 m，壩高14.5 m，初始設(shè)計(jì)（2009年）堆積壩壩頂標(biāo)高270 m，壩高17.5 m，總壩高32 m，總庫(kù)容42.68萬(wàn)m3，排尾方式為濕排。2014年，第一次擴(kuò)容設(shè)計(jì)的重大改變是排尾方式由濕排改為干排，最終標(biāo)高294 m，總壩高56 m，總庫(kù)容97.67萬(wàn)m3;2016年，第二次擴(kuò)建在第一次擴(kuò)容最終標(biāo)高294 m的基礎(chǔ)上擴(kuò)建至310 m，總壩高72 m，總庫(kù)容約116.5萬(wàn)m3。尾礦庫(kù)為三等庫(kù)，于2020年進(jìn)行了閉庫(kù)設(shè)計(jì)并通過(guò)驗(yàn)收。

根據(jù)抱倫金礦需要及地形條件，擬修建尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房，工程建設(shè)地點(diǎn)位于壓濾車間外側(cè)，現(xiàn)尾礦庫(kù)285 m平臺(tái)上，靠近壓濾車間，便于尾砂的儲(chǔ)運(yùn)，且地基條件尚好。工程設(shè)計(jì)建筑面積約為3 000 m2，為單層鋼結(jié)構(gòu)工程，柱間距分別為7 m、8 m、9 m，跨度為25 m，高度為13.5 m，屋面采用0.6 mm單層彩鋼板維護(hù)，下部2 m為磚墻。地震基本烈度為6度，設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

2 尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房

尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房（見(jiàn)圖1）位于主壩與主壩轉(zhuǎn)角處（見(jiàn)圖2），距主壩約42.8 m，距主壩轉(zhuǎn)角約19.7 m，主體為鋼架結(jié)構(gòu)，庫(kù)房?jī)?nèi)長(zhǎng)度方向和寬度方向上各預(yù)留10 m的作業(yè)空間，庫(kù)房區(qū)域內(nèi)有效尾砂堆存面積為2 000 m2，庫(kù)房高度13.5 m，12 m以上為拱形屋面，預(yù)留2 m作業(yè)空間，實(shí)際最大堆存高度為10 m。

3 壩體安全穩(wěn)定性分析

3.1 基本原理和方法

尾礦壩抗滑穩(wěn)定性根據(jù)壩體材料及壩基的物理力學(xué)性質(zhì)經(jīng)計(jì)算確定。計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普（Bishop）法或瑞典圓弧法[4]。根據(jù)計(jì)算指標(biāo)不同，分析方法分為有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法。因?yàn)橛行?yīng)力法涉及孔隙水壓力，所以本次計(jì)算采用總應(yīng)力法。

1）瑞典圓弧法。計(jì)算公式為：

F=∑{[（G±V）cos α-ubsec α-Qsin α]tan φ′+c′bsec α}

∑[（G±V）sin α+M/R]

（1）

式中：F為安全系數(shù);G為土條重量（kN）;V、Q分別為垂直和水平地震慣性力（kN）;α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角（°）;u為作用在土條底面的孔隙壓力（kPa）;b為土條寬度（m）;φ′為土條的內(nèi)摩擦角（°）;c′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度（kPa）;M為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩（kN/m）;R為圓弧半徑（m）。

2）簡(jiǎn)化Bishop法。計(jì)算公式為：

F=∑{[（G±V）sec α-ubsec α]tan φ′+c′bsec α}/（1+tan α+tan φ′/k）∑[（G±V）sin α+M/R]（2）

式中：k為假定的安全系數(shù)。

3.2 尾砂灘面荷載分析

按尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房滿堆尾砂高度分別為4 m、8 m、10 m，坡度為自然安息角1∶1計(jì)算，尾礦庫(kù)尾砂灘面荷載分析如下：

1）當(dāng)堆積至4 m高時(shí)尾砂約9 000 t，存儲(chǔ)量約5 625 m3，加上庫(kù)房（約3 000 t）合計(jì)約12 000 t。

2）當(dāng)堆積至8 m高時(shí)尾砂約18 480 t（以19 000 t計(jì)），存儲(chǔ)量約11 550 m3，加上庫(kù)房合計(jì)約22 000 t。

3）當(dāng)堆積至10 m高時(shí)尾砂約24 000 t，存儲(chǔ)量約15 000 m3，加上庫(kù)房合計(jì)約27 000 t。

4）當(dāng)堆積至9 m高時(shí)尾砂約22 320 t，存儲(chǔ)量約13 950 m3，加上庫(kù)房合計(jì)約25 320 t。

3.3 剖面選取及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

分別以285 m平臺(tái)的主壩及主壩轉(zhuǎn)角2個(gè)方向作為計(jì)算剖面，抗滑穩(wěn)定性計(jì)算參照的安全標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1，安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～10、表2。

由圖3～10、表2可知：在不考慮荷載的情況下，主壩方向和主壩轉(zhuǎn)角方向的安全系數(shù)都很高;主壩方向即使達(dá)到極限荷載，即庫(kù)內(nèi)尾砂堆積至10 m時(shí)，其安全系數(shù)仍然能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但主壩轉(zhuǎn)角方向當(dāng)庫(kù)內(nèi)尾砂堆積至10 m時(shí)，其安全系數(shù)低于最小安全系數(shù)，壩體將會(huì)產(chǎn)生安全隱患，為此降低1 m進(jìn)行試算，其安全系數(shù)分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12。由圖11、圖12可知：當(dāng)尾砂堆積至9 m時(shí)，主壩轉(zhuǎn)角方向安全系數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。DB17EE7C-37E1-454F-8439-2BF2B5A44A55

主壩及主壩轉(zhuǎn)角方向在不考慮荷載時(shí)其安全系數(shù)都很高。當(dāng)庫(kù)內(nèi)尾砂堆積至4 m時(shí)，主壩方向安全穩(wěn)定系數(shù)沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明荷載對(duì)主壩方向影響甚Ⅱ—Ⅱ′剖面瑞典圓弧法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果微;主壩轉(zhuǎn)角方向安全系數(shù)下降，但安全富余很多。當(dāng)庫(kù)內(nèi)尾砂堆積至8 m時(shí)，主壩及主壩轉(zhuǎn)角方向安全系數(shù)均滿足要求，但安全富余相對(duì)較少。當(dāng)庫(kù)內(nèi)尾砂堆積至10 m時(shí)，主壩方向安全系數(shù)能夠滿足要求，但主壩轉(zhuǎn)角方向安全系數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)允許的最小值，將會(huì)產(chǎn)生安全隱患。當(dāng)庫(kù)內(nèi)尾砂堆積高度降至9 m或存儲(chǔ)量為13 950 m3時(shí)，主壩轉(zhuǎn)角方向安全系數(shù)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 論

1）距離對(duì)壩體安全的影響很大，主壩方向由于尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房距壩體稍遠(yuǎn)，荷載的敏感性稍弱;主壩轉(zhuǎn)角方向壩體距尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房距離較近，荷載的敏感性較強(qiáng)。

2）主壩方向即使尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房堆積至極限高度（存儲(chǔ)量）時(shí)，壩體也是安全的。

3）主壩轉(zhuǎn)角方向堆積至極限高度（存儲(chǔ)量）時(shí)，壩體安全系數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致壩體存在安全隱患。

4）尾砂儲(chǔ)存庫(kù)房?jī)?nèi)尾砂最大堆積高度為9 m（按坡度為自然安息角1∶1計(jì)算）或控制存儲(chǔ)量不超過(guò)13 950 m3時(shí)，壩體是安全的。

5）鑒于壩體的安全穩(wěn)定性與距離相關(guān)性較大，因此可考慮在庫(kù)房?jī)?nèi)靠近壩體轉(zhuǎn)角一側(cè)留出一定的空間。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 王泳嘉，邢紀(jì)波.離散單元法及其在巖土力學(xué)中的應(yīng)用[M].沈陽(yáng)：東北工業(yè)學(xué)院出版社，1991：16-18.

[2] 金鐘集，石明.現(xiàn)代尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)與管理維護(hù)技術(shù)及尾礦資源綜合利用實(shí)用手冊(cè)[M].北京：當(dāng)代中國(guó)出版社，2005.

[3] 林玉山，張衛(wèi).尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害與危險(xiǎn)性評(píng)估[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（4）：486-490.

[4] 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).尾礦庫(kù)安全規(guī)程：GB 39496—2020[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2020.

Influence of engineering facilities on tailings beach surface on dam safety

Xia Hongbo，Luo Zhixiong，Wang Di，Gao Shangqing，Li Peiliang

（Information Institute of the Ministry of Emergency Management）

Abstract：Swedish circle method and simplified Bishop method are used to analyze the influence of tailings storage warehouse construction on tailings beach surface of tailings pond in Baolun Gold Mine on the dam safety.The results show that distance is sensitive to load.On the premise that the dam safety coefficient meets related national regulations，the max storage of the tailings storage warehouse is given，providing reference for the safe production of Baolun Gold Mine.

Keywords：tailings pond;dam safety;stability;engineering facilities;beach surface;distanceDB17EE7C-37E1-454F-8439-2BF2B5A44A55