尾矿坝溃坝原因及安全稳定性分析
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安全工程学院，４２１００１；Ｅｍａｉｌ：ｚｇｚｈｏｕｊ＠１２６．ｃｏｍ 通信作者，Ｅｍａｉｌ：ｕｓｃｚｅｎｇｓ＠１２６．ｃｏｍ，１８７７３４８７８１１
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７４ 安 全 与 环 保
黄 金
等因素引起，因此研究这 ３种因素致使尾矿库及坝体 失稳的机理显得尤为重要，对加强尾矿坝的安全稳定 意义重大。研究学者分别运用理论分析、数值模拟、 模型试验等方法对这 ３种因素引起的溃坝进行了大 量的研究，为工程实践提供理论依据。 １．１ 渗 透
关 键 词 ： 尾 矿 坝 ； 溃 坝 ；稳 定 性 ； 安 全 监 管 ；渗 透 ；洪水；地震
中图分类号：ＴＤ７
文章编号：１００１－１２７７（２０１８）１０－００７３－０５
文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．１１７９２／ｈｊ２０１８１０１６
尾矿库是通过筑坝拦截谷口或围地构成的用以 堆放金属或非金属矿山矿石选别后排出尾矿的场所， 是矿山生产必不可少的设施，是矿山三大控制性工程 之一。尾矿库内堆存的尾矿是一种具有高势能的泥 石流，存在溃坝的危险。相关资料显示，尾矿坝溃坝 的危害仅次于地震、洪水和核武器爆炸等灾害，居于 第 １８位。尽管对于尾矿坝基础设施建设及研究已有 较长历史，并取得了突破性的进展，但尾矿坝溃坝事 故还是频频发生［１－２］。尾矿坝溃坝事故一旦发生，伴 随重大的人员伤亡，巨额的经济损失及不可估量的环 境污染。由此可见，对尾矿坝溃坝主要因素及安全稳 定性研究不容忽视。
２０１８年第 １０期 ／第 ３９卷
黄 金 ＧＯＬＤ
安 全 与 环 保 ７３
尾矿坝溃坝原因及安全稳定性分析
周 杰１，２，曾 晟１，孙 冰３
（１．南华大学资源环境与安全工程学院；２．中建水务环保有限公司；３．南华大学土木工程学院 ）
摘要：尾矿库是矿山安全生产的的重要设施，同时也是重大危险源。尾矿坝溃坝必对下游人民
１ 尾矿坝溃坝原因分析
近 １５年国内尾矿坝较大事故统计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ果见表 １。
尾矿坝溃坝原因统计见图 １。
表 １ ２００１—２０１５年中国尾矿坝事故统计结果
年份 ２００１ ２００２ ２００３ ２００４ ２００５ ２００６ ２００７
尾矿坝事故数 ３ ０ ２ ３ ９
１２ １４
年份 ２００８ ２００９ ２０１０ ２０１１ ２０１２—２０１３ ２０１４ ２０１５
的生命与财产造成巨大危害，对环境造成严重污染，研究尾矿坝溃坝原因显得尤为重要。总结了导
致尾矿坝溃坝的 ３种主要因素，即渗透、洪水及地震，分析了尾砂物理性质、坝坡、坝高、子坝堆积高
度、洪水和地震作用等对尾矿坝稳定性和失稳概率的影响，提出了提高坝体稳定性、建立安全监测
系统、完善安全管理体系等有利于尾矿坝安全的措施，为尾矿坝安全管理提供依据。
在理论研究方面，基于极限平衡法研究尾矿坝的 安全系数，讨论渗流作用对尾矿坝坝体的影响。罗晓 辉等［５］基于 Ｂｉｓｈｏｐ条间力的假定原理，提出一种新 的条间孔隙水压力的分析方法，确定了边坡最小稳定 系数，明确 了 水 在 尾 矿 坝 稳 定 中 具 有 至 关 重 要 的 作 用，以及加快尾矿水及时、合理排出和尾矿固结均能 有效提高坝体的稳定性［６］。考虑到坝体应力场变化 影响渗流，柳 厚 祥 等［７］基 于 应 力 场 与 渗 流 场 耦 合 的 尾矿坝非 稳 定 渗 流 分 析，能 够 更 准 确 地 反 映 实 际 渗 流，计算结果也更可靠。在数值模拟研究方面，采用 有限元数值模拟研究初期坝的透水性，排渗井、排渗 管的增设，盲沟的布设等对尾砂渗透稳定性的影响， 结果表明：透水性好的初期坝、排渗装置及盲沟的合 理布设均有 助 于 提 高 尾 砂 渗 透 稳 定 性 ［８－１１］；尾 矿 库 运营后期，尤 其 是 排 放 的 尾 矿 中 细 粒 尾 矿 含 量 较 高 时，会发生细粒尾矿被渗透水携带进入反滤层，从而 降低反滤层的透水性，导致浸润线上升，影响坝体的 稳定性。金佳旭等［１２］运用局部水平孔排渗的治理方 案降低浸润线，效果显著。通过物理模型试验研究固 结压力、颗粒级配等对尾矿坝渗透系数的影响，结果 表明：固结压力的增大使尾矿孔隙率减小，进而影响 尾矿的渗透系数；粗尾砂渗透性较细尾砂渗透性好， 细尾砂由于渗透性差，使浸润线偏高，造成较大的坝 坡压力水头，易导致尾矿坝渗透破坏 。 ［１３－１５］
丹县某尾矿库因渗透受阻发生溃坝事故，死亡 ２８人； ２００８年 ９月山西某尾矿库因坝体局部渗透破坏发生 溃坝事故，死亡 ２７７人；１９６５年 ３月智利中部因地震 作用，该 地 区 有 １０座 尾 矿 库 发 生 溃 坝 破 坏，死 亡 ２７０人［４］。
国内外尾矿坝溃坝事故主要由渗透、洪水和地震
收稿日期：２０１８－０５－０７；修回日期：２０１８－０９－２０ 基金项目：湖南省研究生科研创新项目（ＣＸ２０１６Ｂ４３５） 作者简介：周 杰（１９９３—），男，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事尾矿坝安全方面的研究；湖南省衡阳市常胜西路 ２８号，南华大学资源环境与
尾矿坝事故数 １８ ５ ６ ７ １１ ８ １
图 １ 尾矿坝溃坝原因统计［３］
由表 １和图 １可知：２００１年至 ２０１５年，中国尾矿 坝事故共发生 ９９起，尤其是 ２００８年高达 １８起［４］。 而导致尾矿坝溃坝的因素中，渗透引起的溃坝占比较 大，其次为洪水。在国外，地震引起的溃坝也占了很 大的比例。例如：１９６２年 ９月云南某尾矿库因连续 降雨发生溃坝，伤亡近 ３００人；２０００年 １０月广西南
渗透在尾矿坝溃坝因素中占很大比例，表明渗透 对坝体的影响是不可估量的。目前研究主要集中于 渗透稳定性，解决措施为将水及时排出坝体，减少尾 矿水对坝体的危害。渗透破坏主要表现在 ２个方面： 一是在渗透力的作用下，尾砂颗粒流失，坝体内部无 充足尾砂造成局部塌陷，降低了滩顶高程，导致安全 超高不足引发漫顶；二是由于渗透途径被堵塞，水无 法及时排出，使坝体局部变形，最终导致溃坝的发生。
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等因素引起，因此研究这 ３种因素致使尾矿库及坝体 失稳的机理显得尤为重要，对加强尾矿坝的安全稳定 意义重大。研究学者分别运用理论分析、数值模拟、 模型试验等方法对这 ３种因素引起的溃坝进行了大 量的研究，为工程实践提供理论依据。 １．１ 渗 透
关 键 词 ： 尾 矿 坝 ； 溃 坝 ；稳 定 性 ； 安 全 监 管 ；渗 透 ；洪水；地震
中图分类号：ＴＤ７
文章编号：１００１－１２７７（２０１８）１０－００７３－０５
文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．１１７９２／ｈｊ２０１８１０１６
尾矿库是通过筑坝拦截谷口或围地构成的用以 堆放金属或非金属矿山矿石选别后排出尾矿的场所， 是矿山生产必不可少的设施，是矿山三大控制性工程 之一。尾矿库内堆存的尾矿是一种具有高势能的泥 石流，存在溃坝的危险。相关资料显示，尾矿坝溃坝 的危害仅次于地震、洪水和核武器爆炸等灾害，居于 第 １８位。尽管对于尾矿坝基础设施建设及研究已有 较长历史，并取得了突破性的进展，但尾矿坝溃坝事 故还是频频发生［１－２］。尾矿坝溃坝事故一旦发生，伴 随重大的人员伤亡，巨额的经济损失及不可估量的环 境污染。由此可见，对尾矿坝溃坝主要因素及安全稳 定性研究不容忽视。
２０１８年第 １０期 ／第 ３９卷
黄 金 ＧＯＬＤ
安 全 与 环 保 ７３
尾矿坝溃坝原因及安全稳定性分析
周 杰１，２，曾 晟１，孙 冰３
（１．南华大学资源环境与安全工程学院；２．中建水务环保有限公司；３．南华大学土木工程学院 ）
摘要：尾矿库是矿山安全生产的的重要设施，同时也是重大危险源。尾矿坝溃坝必对下游人民
１ 尾矿坝溃坝原因分析
近 １５年国内尾矿坝较大事故统计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ果见表 １。
尾矿坝溃坝原因统计见图 １。
表 １ ２００１—２０１５年中国尾矿坝事故统计结果
年份 ２００１ ２００２ ２００３ ２００４ ２００５ ２００６ ２００７
尾矿坝事故数 ３ ０ ２ ３ ９
１２ １４
年份 ２００８ ２００９ ２０１０ ２０１１ ２０１２—２０１３ ２０１４ ２０１５
的生命与财产造成巨大危害，对环境造成严重污染，研究尾矿坝溃坝原因显得尤为重要。总结了导
致尾矿坝溃坝的 ３种主要因素，即渗透、洪水及地震，分析了尾砂物理性质、坝坡、坝高、子坝堆积高
度、洪水和地震作用等对尾矿坝稳定性和失稳概率的影响，提出了提高坝体稳定性、建立安全监测
系统、完善安全管理体系等有利于尾矿坝安全的措施，为尾矿坝安全管理提供依据。
在理论研究方面，基于极限平衡法研究尾矿坝的 安全系数，讨论渗流作用对尾矿坝坝体的影响。罗晓 辉等［５］基于 Ｂｉｓｈｏｐ条间力的假定原理，提出一种新 的条间孔隙水压力的分析方法，确定了边坡最小稳定 系数，明确 了 水 在 尾 矿 坝 稳 定 中 具 有 至 关 重 要 的 作 用，以及加快尾矿水及时、合理排出和尾矿固结均能 有效提高坝体的稳定性［６］。考虑到坝体应力场变化 影响渗流，柳 厚 祥 等［７］基 于 应 力 场 与 渗 流 场 耦 合 的 尾矿坝非 稳 定 渗 流 分 析，能 够 更 准 确 地 反 映 实 际 渗 流，计算结果也更可靠。在数值模拟研究方面，采用 有限元数值模拟研究初期坝的透水性，排渗井、排渗 管的增设，盲沟的布设等对尾砂渗透稳定性的影响， 结果表明：透水性好的初期坝、排渗装置及盲沟的合 理布设均有 助 于 提 高 尾 砂 渗 透 稳 定 性 ［８－１１］；尾 矿 库 运营后期，尤 其 是 排 放 的 尾 矿 中 细 粒 尾 矿 含 量 较 高 时，会发生细粒尾矿被渗透水携带进入反滤层，从而 降低反滤层的透水性，导致浸润线上升，影响坝体的 稳定性。金佳旭等［１２］运用局部水平孔排渗的治理方 案降低浸润线，效果显著。通过物理模型试验研究固 结压力、颗粒级配等对尾矿坝渗透系数的影响，结果 表明：固结压力的增大使尾矿孔隙率减小，进而影响 尾矿的渗透系数；粗尾砂渗透性较细尾砂渗透性好， 细尾砂由于渗透性差，使浸润线偏高，造成较大的坝 坡压力水头，易导致尾矿坝渗透破坏 。 ［１３－１５］
丹县某尾矿库因渗透受阻发生溃坝事故，死亡 ２８人； ２００８年 ９月山西某尾矿库因坝体局部渗透破坏发生 溃坝事故，死亡 ２７７人；１９６５年 ３月智利中部因地震 作用，该 地 区 有 １０座 尾 矿 库 发 生 溃 坝 破 坏，死 亡 ２７０人［４］。
国内外尾矿坝溃坝事故主要由渗透、洪水和地震
收稿日期：２０１８－０５－０７；修回日期：２０１８－０９－２０ 基金项目：湖南省研究生科研创新项目（ＣＸ２０１６Ｂ４３５） 作者简介：周 杰（１９９３—），男，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事尾矿坝安全方面的研究；湖南省衡阳市常胜西路 ２８号，南华大学资源环境与
尾矿坝事故数 １８ ５ ６ ７ １１ ８ １
图 １ 尾矿坝溃坝原因统计［３］
由表 １和图 １可知：２００１年至 ２０１５年，中国尾矿 坝事故共发生 ９９起，尤其是 ２００８年高达 １８起［４］。 而导致尾矿坝溃坝的因素中，渗透引起的溃坝占比较 大，其次为洪水。在国外，地震引起的溃坝也占了很 大的比例。例如：１９６２年 ９月云南某尾矿库因连续 降雨发生溃坝，伤亡近 ３００人；２０００年 １０月广西南
渗透在尾矿坝溃坝因素中占很大比例，表明渗透 对坝体的影响是不可估量的。目前研究主要集中于 渗透稳定性，解决措施为将水及时排出坝体，减少尾 矿水对坝体的危害。渗透破坏主要表现在 ２个方面： 一是在渗透力的作用下，尾砂颗粒流失，坝体内部无 充足尾砂造成局部塌陷，降低了滩顶高程，导致安全 超高不足引发漫顶；二是由于渗透途径被堵塞，水无 法及时排出，使坝体局部变形，最终导致溃坝的发生。