某尾矿库的渗流与稳定数值计算分析

科技情报开发与经济SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT＆ECONOMY2010年第20卷第12期
尾矿库是筑坝拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属非金
属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，是矿
山开采的三大控制性建设工程之一，投资较大，一般约占矿山建
设总投资的5％～10％，并且绝大多数尾矿库下游为生活区、工矿
企业或重要城镇。

一旦失事，将影响矿山正常生产，严重时还破
坏下游地区的生态环境，造成巨大的生命财产损失。

我国尾矿库
事故时有发生，据最新的统计数据显示，我国各地金属非金属尾
矿库共计11846座，安全形势不容乐观。

某尾矿库位于一“U”字型冲沟中，场区地貌属沟谷地貌。

该
尾矿库经上游堆坝法填筑而成，初期坝为土石坝，坝高35m，坝
底标高2555m，坝顶高程2590m；堆积坝体为非金属尾矿，堆
积坝平均坡度为1∶3，最终设计标高为2660m。

参考《选矿厂尾
矿设施设计规范》尾矿库等级的分类及防洪标准，将此尾矿库的
等级定为3级。

1计算方法及理论
1.1渗流计算基本理论
根据尾矿库区土石体特性，可将其视为非均质各向同性渗
流模型，当坐标轴与渗透主轴方向一致时，其二维稳定渗流的连
续性基本微分方程为：
坠
K x 坠H
+坠K y坠H
=S s坠H（1）
式中：K
x
、K y分别为x、y方向的渗透系数；H（x，y）为水头函
数；S
s
为储水率或单位贮存量，其值表示单位体积多孔介质，当水头降低1个单位时，有多孔介质压缩及水的膨胀所释放出来的水量。

1.2浸润线方程
根据《选矿厂尾矿设施设计规范》，尾矿库的浸润线计算有一种简化方法。

将尾矿坝视为坝基不透水的均质体，当无排渗设施且下游无水时，浸润线方程可表示为：
y=h i2h i2-a2 L-m2a
1/2（2）其中，a为出逸点高度，按下式计算：
a=
L
2
-
L
2
2-h i
2（3）L=Lc+△L；△L=
m1h i
2m1+1
（4）
h i=H i-Z；H i=H+
L c-L i
m1
（5）
式中：L
i
为引化滩长；L
c
为计算条件下的实际滩长；m
1
为沉
积滩坡度系数；m
2
为下游坡度系数；H为计算条件下实际库水位；Z参照尾矿设施设计参考资料确定。

尾矿坝简化渗流计算示意图见图1。

1.3稳定计算基本理论
目前尾矿库稳定计算中应用最为广泛的是基于极限平衡原理建立的边坡稳定分析方法，极限平衡理论的主要思想是将滑动土体分成若干条，每个土条和滑动土体都要满足力和力矩平衡条件。

在极限平衡法理论形成的过程中，出现过一系列简化计算方法，主要有以下几种。

（1）瑞典法亦称Fellenious法。

该法假定滑裂面为圆弧形，在计算安全系数时，简单地将条块重量向滑面法线方向分解来求得法向力。

（2）简化毕肖普（Bishop）法。

该方法考虑了土条间的作用力，这是对传统的瑞典条分法的重要改进。

该方法忽略各土条之间的切向条间力，认为条间力的合力是水平的，同时假设破坏面是圆弧面，且定义边坡安全系数为沿整个滑动面上的抗剪强度与实际产生的剪应力的比值。

（3）简布（Janbu）法。

该方法提出了同时满足力和力矩平衡的“通用条分法”。

这一方法区别于其他方法的一个重要方面，就是通过假定土条侧向力的作用点而不是作用方向来求解安全系数。

采用非圆弧面，按条块滑动平衡确定条间力，按推力线确定法向力的
文章编号：1005－6033（2010）12－0140-03收稿日期：2010－03－17某尾矿库的渗流与稳定数值计算分析*
胡少华1，王涛1，2，杨凡1，向前1，胡超1，刘大炜1，张烨1（1.武汉大学水利水电学院，湖北武汉，430072；2.长江科学院，水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉，430010）
摘要：运用有限元数值分析方法，对某尾矿库的渗流与稳定进行模拟计算，得到在正
常水位运行和洪水水位运行两种工况下库区地下渗流的分布规律、浸润线的位置和尾
矿坝的安全系数，根据渗流与稳定的计算结果，对该尾矿库的安全稳定性进行了评价。

关键词：尾矿库；渗流；稳定；安全系数
中图分类号：TV697文献标识码：A
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*基金项目：国家大学生创新性实验计划项目（课题编号：081048622）。

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作用点，简化计算条间切向力为零，然后再对稳定系数进行修正。

2计算模型及参数
2.1几何模型及计算参数
几何模型所选剖面为尾矿库最大纵剖面，其数值计算模型见图2。

该剖面一共划分了512个单元，585个节点，为四边形单元。

本次分析采用线弹塑性应力应变本构模型，共划分3个材料区域。

其一为初期坝排水棱体及排水垫层采用砾石土料，其二为不透水的位置采用防渗土料，其三为堆积坝体的尾矿。

各区域的材料计算参数见表1。

2.2计算工况
本次计算考虑正常水位运行和洪水水位运行两种工况：其一，以正常水位运行（干滩长度＞100m）；其二，洪水水位运行（干滩长度＞70m）。

据此确定相应的化引滩长和化引库水位进行计算。

2.3边界条件
（1）第一类边界条件，又称为给定水头边界。

该尾矿库区的这类边界为库区上游边界和初期坝下游边界，库区上游边界为相应工矿的尾矿库上游水位，初期坝下游水位为相应工矿的水池坝水位。

（2）第二类边界条件，又称为给定流量边界。

该尾矿库的这类边界条件为地基面不透水边界，即q＝0。

（3）第三类边界条件，又称混合边界条件，是指含水层边界的内外水头差和交换的流量之间保持一定的线性关系。

3计算结果与分析
对渗流模型进行数值计算，获得正常水位运行和洪水水位运行两种工况下的尾矿库地下水渗流分布规律和浸润线位置，见图3、图4。

（1）两种工况下的浸润线即为孔隙水压力为0的等值线，大致为二次抛物线分布，与理论分析的结果相吻合；在排渗设施正常运行时，溢出点均位于排水棱体部位，没有出现在堆积坝坝坡等部位的情况。

（2）相对于正常水位运行工况，洪水位运行工况的浸润线位置抬高，渗流溢出点位置也随之升高，渗径变短，渗透力变大，发生渗透破坏的可能性增加。

地震设计烈度为6度，参考《水工建筑物抗震设计规范》，计算时不计入地震荷载。

对该模型进行计算求解，获得尾矿坝在两
种工况下的临界滑动面，见图5、图6。

分别用瑞典法、Bishop法、Janbu法计算得到其最小安全系数，并与规范要求的安全值进行比较，计算结果见表2。

从计算结果可知，在正常水位运行下尾矿坝最小安全系数在1.639～1.851之间，大于规范值1.20；在洪水水位运行下尾矿坝最小安全系数在1.615～1.826之间，大于规范值1.10。

因此，在上述两种工况下尾矿库是稳定的。

4结论与建议
（1）本文利用有限元数值分析方法，对某尾矿库的地下渗流和尾矿坝的抗滑稳定进行模拟计算，从而确定其浸润线的位置和稳定安全系数。

（2）通过对尾矿库的渗流与稳定进行数值模拟可知，当排渗设施正常运行时，该尾矿库在现阶段能保持渗流稳定和抗滑稳定。

对于排渗设施失效的情况，需做专门的论证研究。

（3）由于尾矿在堆积过程中，其水理性质和力学性质会发生相应的变化，因此在尾矿库的运行期间，需要加强监测，并将不同时期的力学试验和计算结果进行对比分析，来保证尾矿库的稳定运行。

参考文献
［1］王媛.求解有自由面渗流问题的初流量法的改进［J］.水利学报，1998，3:68－73.
［2］陈祖煜.土质边坡稳定分析——
—原理,方法,程序［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.
［3］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.2版.北京：中国水利
表1材料力学参数
材料
砾石土尾矿防渗料
密度/
（kg/m3）
1700
1150
1800
内聚力
/kPa
20
6
20
摩擦角
/（°）
28
23 28渗透系数
/（cm/s）
2e-6
3e-5
1e-10
孔隙
率
0.4
0.3
0.1
弹性模
量/MPa
60
15
25
泊松
比
0.25
0.33
0.22
图6洪水水位下尾矿坝滑动面图
表2两种工况下安全系数计算结果
胡少华，王涛，杨凡，向前，胡超，刘大炜，张烨某尾矿库的渗流与稳定数值计算分析本刊E-mail:bjb＠sxinfo．net科技论坛
水位工况
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科技情报开发与经济
SCI -TECH INFORMATION DEVELOPMENT ＆ECONOMY 2010年第20卷第12期
Calculating and Analyzing the Seepage and Stability of a Tailing Pond
HU Shao-hua ，WANG Tao ，YANG Fan ，XIANG Qian ，HU Chao ，LIU Da-wei ，ZHANG Ye
ABSTRACT :This paper makes the simulation calculation of the seepage and stability of a tailing pond with finite element
analysis method ，and obtains the distribution regularities of underground seepage ，the locations of saturation lines and the safety factors of tailing dam under two working conditions of the operation at normal water－level and the operation at flood－level ，and based on the results of seepage and stability calculation ，evaluates the safety and stability of the tailing pond .KEY WORDS :tailing pond ;seepage ;stability ;safety factor
水电出版社，1996.
［4］任魁生.土石坝渗流计算分析［D ］.上海:同济大学，2008.
（本文其他参考文献因著录项目不全被删除）
（责任编辑：张红）
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第一作者简介：胡少华，男，1986年10月生，现为武汉大学水利水电工程专业2006级在读本科生,湖北省武汉市,430072.
大柳塔矿12612－2工作面位于六盘区，主要回采2－2煤，煤层厚度为5.06m ，倾角0°～4°。

本工作面位于2-2煤零度辅运大巷西北侧，
12611工作面的东北侧，12611工作面已回采，本面东北的12613工作面正在形成。

工作面长度239.8m ，推进长度3500.7m ，采用一次采全高，全部垮落后退式综合机械化开采的采煤方法。

工作面布置有进风顺槽、胶带顺槽、回风顺槽，采用二进一回的通风方式，工作面配风量约为1500m 3/min 。

根据地质说明书，平均绝对瓦斯涌出量为0.07m 3/min 。

煤尘爆炸指数为37％，具有爆炸危险。

煤层自然发火期为3个月，自燃倾向性容易自燃。

112612－2综采工作面氮气异常涌出情况
2009年2月11日早班，12612－2综采工作面回采到回顺侧
33联巷距离25m 处时，工作面回风隅角附近氧气的体积分数仅为13％左右，工作面回顺风流中氧气的体积分数为17％左右，严重威胁矿井的安全生产。

大柳塔矿迅速采取措施于12日对综采工作面气体进行采样分析，上隅角氧气的体积分数最低为10.8％，综采面液压支架最后3架支架操作处氧气的体积分数最低仅为7.2％左右。

12日大柳塔矿在综采工作面设1台小局扇稀释上隅角及最后3台支架的氮气，在612－2综采面回顺安设了一趟D N 150mm 卸压管，通过33联巷密闭伸进611采空区，排放611采空区氮气，3月8日中班，又在排放管路上加设了瓦斯抽放泵，氧气的体积分数大部分时间能保持在19％以上。

212612－2综采工作面氮气涌出原因分析
2.1采空区氮气来源分析
大柳塔矿六盘区主采2－2煤层，采空区密闭效果较好，地表裂隙也是区域性的，不会影响整个采空区气体分布；神东矿区采用的
“快采、快掘、快闭、快撤”技术又使得采空区只存在“二带”即散热带和窒息带；综上分析认为：由于采空区密闭好，漏风少，采空区密闭以后由于2－2煤极易吸氧，氧气被采空区遗煤所吸附，但未形成大面积的煤层自燃，采空区只剩下大量的高体积分数的氮气。

2.212612－2工作面采空区及相邻采空区的影响
根据对工作面采空区及上覆的采空区的观测结果表明：本工作面后部氮气的体积分数一般为80％左右，上隅角氧气的体积分数均在18％以上。

因此本工作面采空区大量的高体积分数的氮气涌出的可能性不大，也不会导致上隅角氧气的体积分数偏低。

文章编号：1005－6033（2010）12－0142-03
收稿日期：2010－03－25
大柳塔矿12612－2综采工作面采空区
氮气涌出原因分析及控制技术研究
郭凯，吴玉国
（太原理工大学矿业工程学院，山西太原，030024）
摘要：通过对大柳塔矿12612－2工作面氮气涌出、大气压变化情况的观测与分析，指出大气压变化是引起综采工作面氮气涌出导致氧气的体积分数偏低的主要原因，提出了安装专用抽排风机、增阻调压、密闭堵漏等技术措施，在一定程度上解决了氧气的体积分数低对生产构成严重威胁的问题。

关键词：综采工作面；采空区；氮气涌出；大气压中图分类号：
TD72文献标识码：A
142。