尾砂灘面上工程設施對壩體安全影響分析

夏洪波 羅志雄 王迪 高尚青 李培良

摘要：針對抱倫金礦在尾礦庫尾砂灘面修建尾砂儲存庫房的問題，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法就尾砂儲存庫房對壩體安全的影響進行分析。結果表明：距離對荷載的敏感性較大，在保證壩體安全系數滿足國家相關標準要求的前提下，給出了尾砂儲存庫房的極限存儲量，為抱倫金礦的安全生產提供參考依據。

關鍵詞：尾礦庫;壩體安全;穩定性;工程設施;灘面;距離

引 言

礦產資源是人類生存和發展的重要物質基礎之一，中國 95 %的能源和85 %的原材料來自礦產資源。隨著國民經濟的飛速發展，對礦產品的需求也大幅度增加，礦產資源的開發規模不斷擴大，尾礦的產出量呈現不斷增加的趨勢。尾礦庫安全（穩定性）問題成為礦山企業的頭等大事[1-3]，尤其是壩體安全。對于停用或已閉庫的尾礦庫，除了履土植被外，有些礦山企業需在灘面上進行一些工程建設，而工程建設對壩體安全是否造成影響需要論證。

海南山金礦業有限公司樂東抱倫金礦（下稱“抱倫金礦”）受產業政策的影響，改變了尾礦處置方式，采用井下充填或外運。為使臨時堆放的尾砂免受雨水、風的侵蝕，保護周邊環境，抱倫金礦根據現有地形條件因地制宜，規劃在Ⅱ號尾礦庫尾砂灘面的壓濾車間外圍修建一座尾砂儲存庫房，因此亟需分析尾砂儲存庫房修建對壩體安全的影響，以保證礦山的安全高效生產。

1 工程概況

抱倫金礦位于海南省樂東縣（抱由鎮）西南約19 km處，行政上隸屬于樂東縣千家鎮。抱倫金礦Ⅱ號尾礦庫初期壩壩頂標高252.5 m，壩高14.5 m，初始設計（2009年）堆積壩壩頂標高270 m，壩高17.5 m，總壩高32 m，總庫容42.68萬m3，排尾方式為濕排。2014年，第一次擴容設計的重大改變是排尾方式由濕排改為干排，最終標高294 m，總壩高56 m，總庫容97.67萬m3;2016年，第二次擴建在第一次擴容最終標高294 m的基礎上擴建至310 m，總壩高72 m，總庫容約116.5萬m3。尾礦庫為三等庫，于2020年進行了閉庫設計并通過驗收。

根據抱倫金礦需要及地形條件，擬修建尾砂儲存庫房，工程建設地點位于壓濾車間外側，現尾礦庫285 m平臺上，靠近壓濾車間，便于尾砂的儲運，且地基條件尚好。工程設計建筑面積約為3 000 m2，為單層鋼結構工程，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，下部2 m為磚墻。地震基本烈度為6度，設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，建筑抗震設防類別為丙類，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。

2 尾砂儲存庫房

尾砂儲存庫房（見圖1）位于主壩與主壩轉角處（見圖2），距主壩約42.8 m，距主壩轉角約19.7 m，主體為鋼架結構，庫房內長度方向和寬度方向上各預留10 m的作業空間，庫房區域內有效尾砂堆存面積為2 000 m2，庫房高度13.5 m，12 m以上為拱形屋面，預留2 m作業空間，實際最大堆存高度為10 m。

3 壩體安全穩定性分析

3.1 基本原理和方法

尾礦壩抗滑穩定性根據壩體材料及壩基的物理力學性質經計算確定。計算采用簡化畢肖普（Bishop）法或瑞典圓弧法[4]。根據計算指標不同，分析方法分為有效應力法和總應力法。因為有效應力法涉及孔隙水壓力，所以本次計算采用總應力法。

1）瑞典圓弧法。計算公式為：

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;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此條塊底面中點半徑之間的夾角（°）;u為作用在土條底面的孔隙壓力（kPa）;b為土條寬度（m）;φ′為土條的內摩擦角（°）;c′為土條底面的有效應力抗剪強度（kPa）;M為水平地震慣性力對圓心的力矩（kN/m）;R為圓弧半徑（m）。

2）簡化Bishop法。計算公式為：

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。

3.2 尾砂灘面荷載分析

按尾砂儲存庫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計算，尾礦庫尾砂灘面荷載分析如下：

1）當堆積至4 m高時尾砂約9 000 t，存儲量約5 625 m3，加上庫房（約3 000 t）合計約12 000 t。

2）當堆積至8 m高時尾砂約18 480 t（以19 000 t計），存儲量約11 550 m3，加上庫房合計約22 000 t。

3）當堆積至10 m高時尾砂約24 000 t，存儲量約15 000 m3，加上庫房合計約27 000 t。

4）當堆積至9 m高時尾砂約22 320 t，存儲量約13 950 m3，加上庫房合計約25 320 t。

3.3 剖面選取及穩定性計算結果

分別以285 m平臺的主壩及主壩轉角2個方向作為計算剖面，抗滑穩定性計算參照的安全標準見表1，安全穩定性計算結果見圖3～10、表2。

由圖3～10、表2可知：在不考慮荷載的情況下，主壩方向和主壩轉角方向的安全系數都很高;主壩方向即使達到極限荷載，即庫內尾砂堆積至10 m時，其安全系數仍然能夠滿足標準要求，但主壩轉角方向當庫內尾砂堆積至10 m時，其安全系數低于最小安全系數，壩體將會產生安全隱患，為此降低1 m進行試算，其安全系數分析計算結果見圖11、圖12。由圖11、圖12可知：當尾砂堆積至9 m時，主壩轉角方向安全系數滿足標準要求。DB17EE7C-37E1-454F-8439-2BF2B5A44A55

主壩及主壩轉角方向在不考慮荷載時其安全系數都很高。當庫內尾砂堆積至4 m時，主壩方向安全穩定系數沒有發生變化，說明荷載對主壩方向影響甚Ⅱ—Ⅱ′剖面瑞典圓弧法穩定性計算結果微;主壩轉角方向安全系數下降，但安全富余很多。當庫內尾砂堆積至8 m時，主壩及主壩轉角方向安全系數均滿足要求，但安全富余相對較少。當庫內尾砂堆積至10 m時，主壩方向安全系數能夠滿足要求，但主壩轉角方向安全系數低于標準允許的最小值，將會產生安全隱患。當庫內尾砂堆積高度降至9 m或存儲量為13 950 m3時，主壩轉角方向安全系數能夠滿足標準要求。

4 結 論

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

2）主壩方向即使尾砂儲存庫房堆積至極限高度（存儲量）時，壩體也是安全的。

3）主壩轉角方向堆積至極限高度（存儲量）時，壩體安全系數低于標準要求，導致壩體存在安全隱患。

4）尾砂儲存庫房內尾砂最大堆積高度為9 m（按坡度為自然安息角1∶1計算）或控制存儲量不超過13 950 m3時，壩體是安全的。

5）鑒于壩體的安全穩定性與距離相關性較大，因此可考慮在庫房內靠近壩體轉角一側留出一定的空間。

[參 考 文 獻]

[1] 王泳嘉，邢紀波.離散單元法及其在巖土力學中的應用[M].沈陽：東北工業學院出版社，1991：16-18.

[2] 金鐘集，石明.現代尾礦設施設計與管理維護技術及尾礦資源綜合利用實用手冊[M].北京：當代中國出版社，2005.

[3] 林玉山，張衛.尾礦庫地質災害與危險性評估[J].桂林工學院學報，2006，26（4）：486-490.

[4] 國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.尾礦庫安全規程：GB 39496—2020[S].北京：中國標準出版社，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