工程地質(zhì)第7章

1、第六章 尾礦壩工程 緒1 礦山風(fēng)景 緒2 尾礦庫潰壩事故案例 1 尾礦與尾礦壩 2 尾礦壩事故類型 3 尾礦壩穩(wěn)定性分析返回山西山西“”特別重大尾礦庫潰壩事故特別重大尾礦庫潰壩事故 發(fā)生事故的尾礦庫隸屬山西省臨汾市襄汾縣新塔發(fā)生事故的尾礦庫隸屬山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司塔兒山鐵礦，位于襄汾縣陶寺鄉(xiāng)。該礦業(yè)有限公司塔兒山鐵礦，位于襄汾縣陶寺鄉(xiāng)。該尾礦庫總庫容約萬立方米，壩高約米。尾礦庫總庫容約萬立方米，壩高約米。2008年月日時(shí)許，該尾礦庫發(fā)生潰壩事故，年月日時(shí)許，該尾礦庫發(fā)生潰壩事故，尾砂流失量約萬立方米，沿途帶出大量泥沙，尾砂流失量約萬立方米，沿途帶出大量泥沙，流經(jīng)長度達(dá)公里，最大扇

2、面寬度約米，過流經(jīng)長度達(dá)公里，最大扇面寬度約米，過泥面積泥面積.公頃。截至月日時(shí)，已經(jīng)公頃。截至月日時(shí)，已經(jīng)確認(rèn)人死亡，人受傷。確認(rèn)人死亡，人受傷。9月8日，消防官兵正在被泥石流所埋的房屋里尋找幸存者。 經(jīng)初步調(diào)查，導(dǎo)致發(fā)生事故的主要原因是，企業(yè)違經(jīng)初步調(diào)查，導(dǎo)致發(fā)生事故的主要原因是，企業(yè)違法違規(guī)生產(chǎn)和建庫，隱患排查治理走過場，安全整法違規(guī)生產(chǎn)和建庫，隱患排查治理走過場，安全整改指令不落實(shí)，當(dāng)?shù)卣坝嘘P(guān)部門監(jiān)督管理不得改指令不落實(shí)，當(dāng)?shù)卣坝嘘P(guān)部門監(jiān)督管理不得力。力。 經(jīng)黨中央、國務(wù)院批準(zhǔn)，同意接受孟學(xué)農(nóng)同志引咎經(jīng)黨中央、國務(wù)院批準(zhǔn)，同意接受孟學(xué)農(nóng)同志引咎辭去山西省省長職務(wù)的請(qǐng)求，同意免去

3、張建民同志辭去山西省省長職務(wù)的請(qǐng)求，同意免去張建民同志的山西省副省長職務(wù)。對(duì)此次事故涉及的其他責(zé)任的山西省副省長職務(wù)。對(duì)此次事故涉及的其他責(zé)任人員，由山西省委、省政府提出處理意見；涉嫌犯人員，由山西省委、省政府提出處理意見；涉嫌犯罪的，移送司法機(jī)關(guān)依法追究刑事責(zé)任。罪的，移送司法機(jī)關(guān)依法追究刑事責(zé)任。返回1 尾礦與尾礦壩一、尾礦與尾礦壩概念二、尾礦壩的組成三、尾礦壩的堆積特征四、尾礦堆壩過程及特征返回一、尾礦與尾礦壩概念 尾礦是礦山選礦生產(chǎn)中通過對(duì)礦石的破碎、磨細(xì)、分選，使有用礦物提取之后剩余的排棄物，其成分為巖石的細(xì)小顆粒; 尾礦土是尾礦以礦漿的形態(tài)通過管道輸送自然沉積形成的人工土; 尾礦庫

4、為儲(chǔ)存尾礦的構(gòu)筑物，其初期用當(dāng)?shù)赝潦辖ㄖ膲误w與后期用尾礦材料形成的壩體統(tǒng)稱尾礦壩。返回返回二、尾礦壩的組成 尾礦壩由兩部分組成 1、在原地形上建造的土石壩，用于攔截最初幾年堆放的尾礦，故稱初期壩，亦稱基本壩; 2、由于尾礦本身也可用作筑壩材料，故在初期壩壩頂以上，逐年用尾礦堆積成階梯狀的子壩，稱為尾礦堆壩。返回返回初 期 壩 初期壩的位置應(yīng)選擇在壩軸線短，土石方工程量少，壩基處理簡單，兩岸山坡穩(wěn)定的地段。初期壩的高度與壩型，應(yīng)考慮最終堆壩高度的安全度，根據(jù)滲流規(guī)劃設(shè)計(jì)確定。 一般初期壩高度不應(yīng)少于最終堆壩高度的三分之一。當(dāng)尾礦顆粒很細(xì)，經(jīng)試驗(yàn)證明不能用于堆壩時(shí)，整個(gè)壩體應(yīng)全用土、石筑成。為

5、了延緩?fù)顿Y，也可分期修筑。當(dāng)最終堆壩高度為 100m或更高時(shí)，初期壩宜采用堆石壩或能控制滲流的土石混合壩，不宜采用均質(zhì)土壩。當(dāng)?shù)匦?、地質(zhì)處于下列有利條件時(shí)，可用定向爆破方法修筑初期壩：河谷較窄，岸坡陡峻，坡角達(dá)45以上；爆破岸山體有一定高度和厚度，巖性較為均勻，巖石露頭好，覆蓋層薄，巖石性質(zhì)適于筑壩;地質(zhì)構(gòu)造簡單。返回返回三、尾礦壩的堆積特征 尾礦壩是由采出的礦石經(jīng)選礦廠選出有價(jià)值的精礦后，產(chǎn)生的“廢渣”在水力分選后按一定坡角沉積而成的散體結(jié)構(gòu)。尾礦壩的壩高一般都較高，多在40m以上，有些高達(dá)100-200m，甚至更高。和土壩相比，尾礦壩只有一面臨空，另一面是堆積的尾礦。隨壩坡的不斷加高，尾礦

6、壩的體積是逐漸增大的。按壩頂軸線和初期母壩的相對(duì)位置，尾礦壩的堆積方法有上游法、中心線法、下游法、高濃度尾礦堆積法和水庫式尾礦堆積法(尾礦庫攔水壩)5種主要形式。其中，上游式堆壩法由于工藝簡單、便于管理、經(jīng)濟(jì)合理而被合理廣泛采用，我國85%以上的尾礦庫采用上游法筑壩工藝。返回返回上游式堆壩法 這是我國目前普遍采用的方法，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國有色金屬礦山尾礦的80%是采用該法筑壩 (圖）。該法筑壩工藝簡單，一般在沉積干灘面上，取庫區(qū)內(nèi)粗尾礦砂堆筑高度為13m的子壩，將放礦支管分散放置在子壩上進(jìn)行分散放礦，待庫內(nèi)充填尾砂與子壩面平齊時(shí)，再在新形成的尾礦干灘面上，按設(shè)計(jì)堆壩外坡向內(nèi)移一定的距離再筑子壩。然后

7、，再將放礦管移至新的子壩上繼續(xù)放礦，如此循環(huán)，一層一層往上堆筑。如果遇見尾礦粒度較細(xì)時(shí)，可采用水力漩流器進(jìn)行分級(jí)堆壩，或用池填法、渠槽法等方法筑壩。 上游式尾礦堆積壩的穩(wěn)定性，取決于沉積干灘面的顆粒組成及固結(jié)度。干灘面坡度由礦漿流量、濃度、尾礦粒度、庫內(nèi)水位等諸多因素決定。坡度與距離的關(guān)系一般呈指數(shù)分布規(guī)律。礦漿流量大、濃度低、尾礦粒徑粗、庫內(nèi)水位低(干灘面長)，則干灘面坡度就陡。反之，干灘坡面坡度就緩。返回返回 上游式堆壩法的不足是容易形成復(fù)雜的、混合的壩體結(jié)構(gòu)，致使壩體內(nèi)的浸潤線抬高或從壩面逸出，從而引起壩體產(chǎn)生滲透破壞或滑坡、滑塌。尤其是在地震時(shí)容易引起液化，降低壩體的穩(wěn)定性。返回返回下

8、游式堆壩法尾礦堆積壩在初期下游方向移動(dòng)和升高，而不是坐落在松軟細(xì)粒的尾砂沉積物上，基礎(chǔ)較好，尾礦排放堆積易于控制。采用水力漩流器分出濃度高的粗粒尾礦堆壩，粗顆粒(d0.074.m)含量不宜小于70%，否則應(yīng)進(jìn)行筑壩試驗(yàn)。壩體可分層碾壓，根據(jù)需要設(shè)置排滲，滲流控制比較容易，可將飽和尾礦區(qū)限制在一定的范圍，壩體穩(wěn)定性較好，容易滿足抗震和其他要求。我國僅有峨口鐵礦第二尾礦庫屬此種壩型。返回返回中線式堆壩設(shè)計(jì)地震烈度為8一9度的地區(qū)，宜采用下游式和中線式堆壩法。返回返回高濃度尾礦堆積法(圓錐法) 近年來，國外興起了一種濃縮尾礦的堆積方法。與傳統(tǒng)方法不同，此方法將尾礦漿濃縮到50%以上的濃度，由砂泵輸送

9、到尾礦堆積場的某一部位排放。由于高濃度尾礦成漿狀膏狀，分級(jí)作用較差，在排放口可以形成錐形堆積體，堆積體的坡度由礦漿的性質(zhì)所決定。如加拿大一些礦山采用該法沉積體坡度為6%左右，實(shí)際上形成的尾礦堆場像干渣堆場一樣。為了排放尾礦，需要修筑一些坡道，隨著堆積體的增高，逐步抬高坡度。為了收集尾礦的離析水以及攜帶的少量細(xì)粒礦泥，在堆積區(qū)下游一定部位應(yīng)建立尾礦水沉積池，沉積后的澄清水可以回收利用。為了防止雨水沖刷及砂土流失，應(yīng)設(shè)周邊堤和排水溝。這種堆存方式適用于在較大面積的平地或丘陵地區(qū)采用。 高濃度堆壩法在我國尚處于研究階段。目前，應(yīng)用這種方法的困難在于礦漿濃縮和高濃度礦漿的輸送，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上尚需要做出進(jìn)

10、一步研究。返回返回水庫式尾礦堆積法(尾礦擋水壩)該法不用尾礦堆壩，而是用其他材料像修水庫那樣修建大壩。這種尾礦庫和一般蓄水的水庫工作條件基本相同，但壩前水位升降變化幅度較小，尾礦堆積是逐步推進(jìn)的。水庫式尾礦庫庫容一般都比較小，但基建投資較高。攔擋壩多采用當(dāng)?shù)赝潦匣驈U石建造。當(dāng)尾礦粒度過細(xì)，不宜用尾礦堆壩或其他特殊原因時(shí)才采用該方法。放礦位置在壩前不經(jīng)濟(jì)或困難大，必須在壩后放礦;礦漿水對(duì)環(huán)境危害很大，不容許泄漏。水庫式尾礦庫的攔擋壩稱為尾礦庫攔水壩，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按水庫壩的要求進(jìn)行。返回返回四、尾礦堆壩過程及特征 尾礦壩的形成過程是首先建立初期壩，尾礦填滿后再利用尾礦土按設(shè)計(jì)的子壩高度及壩坡比筑子壩

11、，一般尾礦壩堆積速度為約35米/年，在逐漸升高的過程中，庫內(nèi)水位和壩體內(nèi)的浸潤線也逐漸抬高，尾礦的力學(xué)特性也是不斷變化的。由于尾礦是由礦漿自然流動(dòng)分選沉積形成的，因而粗粒土沉積在壩前，在壩體土結(jié)構(gòu)分布上呈現(xiàn)上粗下細(xì)、壩前粗庫內(nèi)細(xì)的特點(diǎn)。另外由于放礦周期的變化，使尾礦呈層狀分布的特點(diǎn)。從上可見，尾礦的類型和分布與尾礦原成分有關(guān)，與輸尾礦的類型和分布與尾礦原成分有關(guān)，與輸送的礦漿濃度、流量有關(guān)送的礦漿濃度、流量有關(guān)。而且在壩體中飽和土與非壩體中飽和土與非飽和土、正常固結(jié)土與欠固結(jié)土同時(shí)存在，土的力學(xué)飽和土、正常固結(jié)土與欠固結(jié)土同時(shí)存在，土的力學(xué)特性隨著時(shí)間和工程地質(zhì)條件的變化而變化特性隨著時(shí)間和工

12、程地質(zhì)條件的變化而變化。尾礦堆積主要由尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂、尾亞砂、尾輕亞粘和尾重亞粘等構(gòu)成。返回返回2 尾礦壩事故類型 尾礦壩發(fā)生事故，大體上分為三種類型: 1.由于大雨，溢洪道發(fā)生故障或設(shè)計(jì)泄洪量不夠等原因，導(dǎo)致壩頂漫溢（舉例）。 2.壩體、壩基或壩肩，由于水力坡降，發(fā)生細(xì)粒尾礦的侵蝕、滲漏等，引起潰堤（舉例） 。 3.由于地震，使壩基和壩體內(nèi)松散的飽和粉細(xì)砂或粉土中產(chǎn)生過大的孔隙水壓力，致使局部甚至整體產(chǎn)生液化，進(jìn)而導(dǎo)致潰壩或嚴(yán)重沉陷和變形（舉例） 。返回尾礦壩事故類型一 例如我國東坡有色金屬礦尾礦壩，因遇暴雨，洪水量超過了溢洪道的過水能力，洪水漫頂而潰堤。淹沒了大片農(nóng)田，毀壞了下游的

13、居民區(qū)，46人死亡。 又如山西塔爾山鐵礦尾礦庫，為回收尾礦澄清水而提高庫內(nèi)水位，導(dǎo)致水位上升過高，造成漫頂而潰堤。返回返回尾礦壩事故類型二 例如江西某礦一號(hào)壩，于 1973年堆積至51m高時(shí)，浸潤線在壩面出露，于6月29日突然在外坡出現(xiàn)大面積沉陷和直徑為0.2m的管涌，導(dǎo)致局部滑塌;30分鐘內(nèi)，壩頂出現(xiàn)8m寬的缺口，壩體迅猛滑塌下去，大量尾礦外泄。幸好在下游還有二號(hào)壩，未造成嚴(yán)重災(zāi)難。 又如南芬老尾礦壩在生產(chǎn)中曾發(fā)生壩端集中滲漏造成缺口，庫內(nèi)尾礦漿和尾礦水流出達(dá)4萬m，嚴(yán)重污染了廟兒溝河道。返回返回尾礦壩事故類型三 例如，智利1928年12月15日地震，使63m高的巴拉哈拿壩壩體液化而滑動(dòng)，流

14、失尾礦400萬m3，54人死亡。 又如1965年3月28日智利中部發(fā)生77.25級(jí)(里氏級(jí))地震，使該地區(qū)11個(gè)尾礦壩中的10個(gè)遭到嚴(yán)重破壞。返回返回3 尾礦壩穩(wěn)定性分析一、壩坡抗滑穩(wěn)定性目前，尾礦壩的壩坡抗滑穩(wěn)定性分析方法主要是圓弧法圓弧法(相關(guān)規(guī)定）。 1、圓弧法簡介 2、受力分析 3、K值計(jì)算二、滲透穩(wěn)定性分析 1、有關(guān)概念 2、穩(wěn)定性系數(shù)尾礦壩穩(wěn)定性分析方法 根據(jù)選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范 (ZBJI-90) 第 3.4.1條規(guī)定：尾礦初期壩與堆積壩壩坡的抗滑穩(wěn)定性應(yīng)根據(jù)壩體材料及壩基土的物理力學(xué)性質(zhì)，考慮各種荷載組合，經(jīng)計(jì)算確定；計(jì)算方法宜采用圓弧法。返回圓弧法簡介 圓弧法早在1916年

15、由瑞典人Pert-tson首先提出.由FeBemus和Taylorls等人不斷改進(jìn)，逐漸完善成為現(xiàn)在通稱的所謂簡單條分法或瑞典圓弧法。它是基于平面應(yīng)變假定，視滑面為一個(gè)圓弧面，分析時(shí)通常將滑體分成許多豎條，以條為基礎(chǔ)進(jìn)行力的分析，各條之間的力大小相等，其方向平行于滑面，以整個(gè)滑面的穩(wěn)定力矩與滑動(dòng)力矩之比作為安全系數(shù)。返回受力分析 穩(wěn)定安全系數(shù)K：取lm長砂堤，將坍塌體分成許多小砂條，使坍塌體滑動(dòng)力為尾礦砂自重和滲透壓力;抵抗其滑動(dòng)的力為滑動(dòng)面上的礦砂摩擦力和凝聚力，取這些力對(duì)滑動(dòng)圓心的抵抗力矩（MR）和滑動(dòng)力矩（Ms)之比，即為穩(wěn)定安全系數(shù)K。返回K值計(jì)算 用剛體平衡法可得: 砂條自重引起的切

16、向力所產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩(對(duì)滑動(dòng)圓心)為:砂條底部抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑力矩為:由瑞典圓弧法得到壩體安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式如下:K-為安全系數(shù)，無量綱; ci-為尾礦凝聚力，單位為:t/m3 ; li-為滑動(dòng)砂條塊下面滑動(dòng)條弧長，單位m;1-砂塊濕重度，單位t/m3; 2-砂塊浮重度，單位t/m3; 3-砂塊飽和重度，單位t/m3;Hi1-為浸潤線以上至坡面或坡頂?shù)酶叨?，單位m;hi2-為浸潤線以下至滑弧下邊線得高度，單位m;bi-為滑塊砂條寬度，單位m;ai-為滑塊中點(diǎn)處圓弧線法與中垂線得夾角，單位為度;-為土壤摩擦角，單位為度。返回滲透穩(wěn)定性分析有關(guān)概念 滲流：尾礦水在壩體、壩肩和壩基土中受重力作用總是由高處向低處滲透流動(dòng)。 浸潤線：在庫水位一定時(shí)，壩體橫剖面上穩(wěn)定滲流的自由水面線(或滲流頂面線) 。 滲透坡降：由于滲流受到土粒的阻力，浸潤線就產(chǎn)生水力坡降，稱為滲透坡降，以IS表示。滲透坡降越大，對(duì)土粒的壓力就越大。