不同降雨量對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響規(guī)律分析

何錦龍 伍躍勝 劉澤東 劉 磊

(1.江西理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，江西 贛州341000;2.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)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(duì)于礦山的安全生產(chǎn)，尾礦庫是礦山的一個(gè)重要危險(xiǎn)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(duì)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(duì)其尾礦壩穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 計(jì)算方法的選擇

尾礦壩穩(wěn)定性分析的計(jì)算方法有很多種，常用的分析方法極限分析法、滑移線場(chǎng)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(jì)算推薦的是極限平衡法，一般采用有效應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算［13］。本次穩(wěn)定性計(jì)算采用極限平衡法中的瑞典圓弧法、畢肖普法和簡(jiǎn)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(jì)算當(dāng)中，以提高尾礦庫的穩(wěn)定性計(jì)算真實(shí)度。計(jì)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(jì)算。

2 氣象資料概述

庫區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)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(dāng)?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(duì)濕度為80%。年均無霜期達(dá)260 d。全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋N風(fēng)，平均風(fēng)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(jì)表Table 2 Monthly average rainfall of the reservoir areamm

3 計(jì)算剖面的建立

為了便于尾礦庫的穩(wěn)定性計(jì)算分析，分別在東尾礦庫和西尾礦庫選取一個(gè)離尾礦庫中心線距離較近的剖面作為計(jì)算用剖面，此剖面也是地質(zhì)鉆探資料最為完全的剖面。計(jì)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(jì)算剖面見圖1，西尾礦庫最終計(jì)算剖面見圖2。各剖面的尾砂相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)也是參考礦山的相關(guān)地質(zhì)資料，并對(duì)所獲取資料中類別相同、埋藏位置相近的尾砂的物理力學(xué)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(jì)算剖面Fig.1 Calculation cases of east tailings reservoir

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

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

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

東尾礦庫的1 號(hào)剖面長320.4 m，高52.6 m，西尾礦庫的4 號(hào)剖面長679.2 m，高78.5 m。將上述模型導(dǎo)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(xué)參數(shù)對(duì)模型定義材料屬性。

4 不同工況穩(wěn)定性計(jì)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(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。

在進(jìn)行各工況穩(wěn)定性計(jì)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(jì)算剖面的初始水位線一致。各種降雨工況的降雨時(shí)間取24 h，降雨量的大小取對(duì)應(yīng)的氣象資料的降雨量，為了解不同降雨量對(duì)尾礦庫穩(wěn)定性的影響，計(jì)算中選用極限平衡法與滲流結(jié)合同步計(jì)算，滲流計(jì)算模塊中，東尾礦庫的計(jì)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(jì)算網(wǎng)格取0.2 m，在計(jì)算中，將瑞典圓弧法、畢肖普法和簡(jiǎn)布法考慮滲流同步計(jì)算，瑞典圓弧法、畢肖普法和簡(jiǎn)布法所用的水位參數(shù)即由滲流計(jì)算得出，由于滲流計(jì)算與瑞典圓弧法、畢肖普法和簡(jiǎn)布法的計(jì)算是同步的，所以計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際。

5 計(jì)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(jiǎn)布法3 種不同的計(jì)算方法與滲流計(jì)算的方法進(jìn)行同步計(jì)算，對(duì)東尾礦庫和西尾礦庫的4 種不同工況下的穩(wěn)定性計(jì)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(jì)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(duì)尾礦庫穩(wěn)定性的影響，將同一個(gè)尾礦庫的不同降雨工況的計(jì)算結(jié)果與降雨量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析。降雨量的數(shù)值取數(shù)值計(jì)算中對(duì)應(yīng)工況所取的總降雨量，通過對(duì)東尾礦庫和西尾礦庫3 種極限平衡法計(jì)算所得的安全系數(shù)與降雨量的關(guān)系進(jìn)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(duì)應(yīng)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(duì)較大。這是因?yàn)槲魑驳V庫的剖面更大，在同樣降雨工況和降雨時(shí)間的條件下，西尾礦庫的降雨總量就相對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)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(shí)間下，西尾礦庫的降雨總量更多，而在計(jì)算剖面上，尾礦庫的排水只有通過堆石壩進(jìn)行排水，所以在同樣的降雨工況和降雨時(shí)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(jì)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(duì)本次研究采用的3 種不同極限平衡法對(duì)4種不同降雨工況下的東尾礦庫和西尾礦庫計(jì)算得到的最小安全系數(shù)與降雨量進(jìn)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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