NO.19-尾矿库地质环境治理研究与实践(康健等)

1、.2010重庆钢铁年会入选论文尾矿库地质环境治理研究与实践康健 魏红琼 赖维远重钢集团矿业有限公司綦江铁矿摘 要 介绍了重钢集团矿业有限公司綦江铁矿满山红尾矿库存在的安全隐患。重点阐述了尾矿库地质环境治理工程地质条件研究、技术方案分析与计算以及具体措施，对国内其他矿山采用上游法筑坝的尾矿库地质环境治理，保证尾矿库安全运行具有重要的参考意义。关键词 尾矿库 地质环境 治理Tailings geological environment management research and practiceKang Jian WeiHongQiong LaiWeiYuan(Chongqing iron o

2、re mining group Co.LTD. The qijiang count)Abstract Introduces shandonglinyi group mining Co. LTD the qijiang count iron ore tailings dahurian rhododendron security hidden danger. Emphatically expounds tailings geological environment treatment research contents, technical solutions and measures and t

3、he process of practice. For other domestic mine tailings DAMS method using the upstream of geological environment management, ensure the safe operation of the dam has important reference meanings.Keywords tailings;Geological environment;governance重钢集团矿业有限公司綦江铁矿满山红尾矿库于1975年建成投产，基建时期为非常时期，工程建设程序不完善，管理

4、不正规，基本未进行工程地质勘探，属边设计、边施工工程。建成运行后，由于选矿厂在不断改造中，放矿不正常，排入的尾矿量少，至1995年尾矿库堆积高度只超过初期坝5m左右。1996年改为堆存汽车运来的电厂灰渣，现库内堆存的主要为电厂煤灰，并且堆存极不规则，右坝肩留有一个大缺口作为汽车运输通道。目前堆积坝顶标高约495m，堆积坝外坡较陡，平均边坡约1:21:3，且无护坡层，同时排水系统也不完善，无坝肩截水沟和坝坡排水沟，无尾矿库安全监测设施，存在着极大的安全隐患。1 尾矿库地质环境治理工程地质条件研究1.1尾矿沉积规律尾矿库在1995年以前堆存的是选矿厂的尾矿，由水力冲填而成。由于库内沉积尾矿不多，同

5、时受库内地形的影响，沉积规律不是十分明显，但根据中值粒径的统计，其沉积规律符合沉积尾矿上粗、下细，坝前粗，库尾细的普遍规律，且尾矿粒度较粗。由钻孔可知尾矿最大堆积厚度约16m，符合上粗、下细、坝前粗、库尾细的规律。1.2煤灰堆积规律由于煤灰采用汽车运输，就地翻车排出，然后推土机推平而成，所以与尾矿沉积规律完全不同，为无规律堆积。煤灰最大堆积厚度为31.5m左右。1.3物料分类1.3.1 尾矿分类尾矿分类标准采用岩土工程勘察规范（GB50021-2001）进行，根据试验结果尾矿分为尾中砂、尾粉砂、尾粉土三类。1.3.2 煤灰分类煤灰分类标准参考岩土工程勘察规范（GB50021-2001）进行，根

6、据分析试验结果，煤灰为砾砂质煤灰、粉砂质煤灰、粉土质煤灰三类。1.4物料粒度组成1.4.1 煤灰粒度煤灰颗粒组成见表1.4.1。表1.4.1 煤灰层颗粒分析试验成果统计表土样名称及编号统计指标颗粒组成百分比（）中值粒径有效粒径等效粒径界限粒径不均匀系数曲率系数颗 粒 大 小（mm）角粒砂粒粉粒粘粒202 20.050.050.005<0.005d50d10d30d60CuCcmm砾砂质煤灰统计组数58最大值70.361.430.34.04.1000.2202.0005.800200.003.524最小值25.023.64.00.00.1200.0130.0500.50018.4620.0

7、96平均值42.642.714.30.31.3930.0490.3972.34866.7831.309标准差9.7877.6257.2170.8960.8810.0450.3791.17139.0300.903变异系数0.2300.1780.5042.6260.6320.9050.9540.4990.5840.690粉砂质煤灰统计组数20最大值23.267.040.11.800.2000.0200.0900.50038.4622.462最小值0.541.517.70.00.0800.0100.0300.0503.8460.312平均值16.251.332.30.10.1530.0140.047

8、0.25318.0650.733标准差6.6317.8486.1110.4070.0400.0030.0180.1008.2170.557变异系数0.4080.1530.1894.4720.2640.1990.3890.3970.4550.760粉土质煤灰统计组数16最大值19.852.970.04.40.0800.0150.0380.14017.5000.802最小值0.026.234.80.00.0060.0080.0170.0403.0770.432平均值5.642.052.00.40.0480.0120.0240.0877.6060.611标准差6.1487.2189.3591.217

9、0.0180.0020.0050.0343.6200.122变异系数1.1030.1720.1802.8650.3820.1640.2190.3880.4760.2001.4.2 尾矿粒度尾矿颗粒组成见表1.4.2。表1.4.2 尾矿颗粒分析试验成果统计表土样名称及编号统计指标颗粒组成百分比（）中值粒径有效粒径等效粒径界限粒径不均匀系数曲率系数颗 粒 大 小（mm）角粒砂粒粉粒粘粒202 20.050.050.005<0.005d50d10d30d60CuCcmm尾中砂统计组数13最大值20.693.016.63.00.4000.0800.2000.52023.8101.563最小值1.

10、060.93.60.90.2700.0210.1200.3104.0000.815平均值5.385.47.81.40.3100.0560.1540.3938.3151.165标准差5.0608.0723.4400.5790.0470.0180.0250.0785.2410.274变异系数0.9500.0940.4420.4010.1510.3160.1600.1980.6300.235尾粉砂统计组数12最大值7.488.125.01.80.2500.0500.1200.32014.0001.276最小值1.169.58.30.50.1100.0200.0680.1605.4000.667平均值

11、3.483.012.51.20.1950.0370.0980.2747.8530.978标准差2.1335.1144.7350.3530.0360.0110.0180.0482.4230.178变异系数0.6290.0620.3790.3030.1860.2950.1870.1740.3090.182尾粉土统计组数20最大值4.652.692.458.40.0590.0140.0300.0708.7501.223最小值0.02.436.80.60.0040.0020.0030.0051.5000.483平均值0.617.672.79.10.02420.0090.0150.0303.5250.8

12、74标准差1.22915.83618.98315.6390.0160.0040.0070.0191.6580.163变异系数1.9930.8990.2611.7140.6480.4180.4780.6330.4700.1861.5物料物理力学性质1.5.1 煤灰物理力学性质煤灰物理力学性质见表1.5.1。1.5.2 尾矿物理力学性质尾矿物理力学性质见表1.5.2。:- 11 -表1.5.1 煤灰物理力学指标统计表及编号土 样 名 称统计指标天然状态土的物理性指标土粒比重土 的 可 塑 性土 的 压 缩 性土的抗剪强度渗透系数含水率密 度孔隙比饱和度孔隙率液 限塑 限塑性指数液性指数快剪(天然)

13、快剪(饱水)固结快剪湿干压缩系数压缩模量内摩擦角凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角凝聚力deSrnGsLPIPILav1-2Es1-2cccK20g/cm3g/cm3MPa -1MPa°kpa°kpa°kpacm/s砾砂质煤灰统计组数49494949494949424210101515191938最大值94.31.461.183.26178.7576.52.711.34612.537.9033.0038.6099.0038.4027.04.9E-03最小值13.21.040.591.11922.5452.82.330.2552.825.303.0026.601.0032

14、.101.03.4E-04平均值45.51.220.862.05254.9166.32.540.5756.332.249.9032.5620.6035.438.321.8E-03标准差17.70.100.150.52410.425.80.100.2592.53.929.774.1628.711.638.889.9E-04变异系数0.40.080.170.2560.190.10.040.4500.40.120.990.131.390.051.070.566粉砂质煤灰统计组数2020202020202015151515181844998818最大值84.71.330.873.12884.575.8

15、2.5995.483.541.31.421.3549.034.505.0034.1014.0035.7036.002.5E-03最小值45.80.980.571.84550.064.92.1862.035.810.50.200.3882.928.901.0027.701.0028.402.003.4E-05平均值62.71.170.722.41863.970.52.4578.156.621.50.520.8154.632.233.7531.833.8932.1111.137.9E-04标准差11.50.110.080.33710.42.80.109.814.99.70.390.2721.62.

16、411.891.824.012.7214.487.6E-04变异系数0.20.090.100.1390.20.00.040.10.30.50.740.3340.30.070.500.061.030.081.301.0粉土质煤灰统计组数161616161616161515151514141110105516最大值93.41.420.842.67299.472.82.5591.667.542.51.271.0199.231.2134.706.0033.204.002.3E-03最小值53.51.010.641.88450.665.32.1961.633.918.50.200.3243.031.21

17、25.301.0030.201.004.6E-05平均值69.91.240.732.21774.568.82.3577.348.229.10.810.7335.031.2129.373.2032.082.605.0E-04标准差12.90.120.050.23714.52.30.108.110.47.00.340.2232.03.091.811.261.345.5E-04变异系数0.20.100.070.1070.20.00.040.10.20.20.420.3040.40.110.570.040.521.1表1.5.2 尾矿物理力学指标统计表及编号土 样 名 称统计指标天然状态土的物理性指标

18、土粒比重土的可塑性土 的 压 缩 性土的抗剪强度渗透系数 含水率密 度孔隙比饱和度孔隙率液 限塑 限塑性指数液性指数快剪(天然)快剪(饱水)固结快剪湿干压缩系数压缩模量内摩擦角凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角凝聚力deSrnGsLPIPILav1-2Es1-2cccK20 g/cm3 g/cm3MPa -1MPa °kpa°kpa°kpacm/s尾中砂统计组数101010101010108833552210最大值17.71.861.691.31544.256.83.780.4809.732.303.0032.409.0036.203.005.7E-03最小值8.31.

19、551.390.97326.249.33.050.2124.729.902.0029.101.0032.802.009.8E-04平均值11.71.731.551.12634.052.83.280.3226.930.802.3330.503.6034.502.502.5E-03标准差2.60.100.100.1150.1026.12.50.200.0861.61.310.581493.442.400.701.7E-03变异系数0.20.060.070.1020.20.00.060.2660.20.040.250.050.950.070.280.7尾粉砂统计组数10101010101010101

20、011445510最大值17.92.041.821.38249.558.03.560.36510.131.7331.74.0032.405.002.9E-03最小值9.01.591.350.79732.944.33.020.1906.231.7327.12.0028.902.004.6E-04平均值12.41.851.650.96341.548.73.210.2687.531.7329.553.2530.603.001.6E-03标准差2.40.130.140.1926.24.40.170.0541.32.060.961.341.227.4E-04变异系数0.20.070.080.1990.2

21、0.10.050.2020.20.070.290.040.410.5尾粉土、尾粉质粘土统计组数2020202020202020202020181888996617最大值45.42.161.741.50599.860.13.2545.429.416.91.820.47216.028.015.0029.9014.0030.3025.002.4E-04最小值22.51.871.290.84370.445.73.0222.115.65.40.420.1274.110.64.0010.103.0026.803.002.3E-07平均值20.72.021.551.05192.150.93.1731.722

22、.98.81.070.2818.322.769.1321.808.3327.8511.503.6E-05标准差6.10.080.110.1757.23.80.075.84.03.10.410.1053.45.613.407.254.091.307.566.9E-05变异系数0.20.040.070.1660.10.10.020.20.20.40.380.3730.40.250.370.330.490.050.661.91.5.3 物料的静三轴剪切试验物料的静三轴剪切试验成果见表1.5.3。表1.5.3 物料静三轴试验成果表尾矿名称密度CuCDCC煤灰砾砂质试验值1.061934.52239.4

23、0.994133.43436.40.92932.86235.1平均值0.9829.733.639.337.0粉砂质试验值0.771733.32935.60.721632.72934.70.652630.33433.7平均值0.7720.032.130.734.7粉土质试验值0.766023.64633.90.735121.65631.60.696420.45528.4平均值0.7358.021.452.331.3尾矿尾中砂试验值1.622532.82437.11.552231.31736.41.52730.33035.6平均值1.5624.731.523.736.4尾粉砂试验值1.731935

24、.41737.71.652534.23736.61.63032.92136.1平均值1.6624.734.225.036.8尾粉土试验值1.622325.02336.31.552423.41535.81.451820.83134.1平均值1.5421.723.123.035.42 尾矿库地质环境治理技术方案分析与计算2.1坝体稳定性分析根据尾矿库安全技术规程(AQ2006-2005)，尾矿库初期坝与堆积坝坝坡的抗滑稳定性应根据坝体材料及坝基岩土的物理力学性质，考虑各种荷载组合，经计算确定。坝体抗滑稳定计算采用极限平衡法进行稳定分析。计算采用瑞典圆弧法，同时还利用简化毕肖普法，Spencer-斯

25、宾塞法、Morgenstern-摩根斯坦法、Janbu-简布法进行了比较。不同运行情况的荷载组合见表2.1.1。表2.1.1 荷载组合表 荷载类别荷载组合正常高水位的渗透压力坝体自重坝基孔隙压力最高洪水位的渗透压力地震荷载正常运行总应力法有有有效应力法有有有洪水运行总应力法有有有效应力法有有有特殊运行总应力法有有有有效应力法有有有有坝坡抗滑稳定的安全系数不应小于表2.1.2规定。表2.1.2 坝坡抗滑稳定最小安全系数表 坝的级别运用情况1234.5正常运行1.301.251.201.15洪水运行1.201.151.101.05特殊运行1.101.051.051.00尾矿库等别在地质环境治理工程

26、完成后为三等，相应尾矿坝的级别为3级，因此正常运行情况下坝坡抗滑稳定最小安全系数取1.20，洪水运行取1.10，特殊情况下取1.05。2.2 尾矿库坝体渗流分析现状剖面的浸润线计算：由于尾矿场内部地形起伏、沟谷曲折，考虑到渗流水流的主流还是沿主河沟方向流动，所以渗流计算断面选取通过初期坝而沿主河沟的断面，从而获得符合实际的浸润线。在此基础上，根据地质剖面图绘出现状条件相应计算坡面的浸润线。渗流分析采用二维有限元非饱和稳定渗流程序进行计算，现状剖面及最终堆积标高剖面渗流分析结果详见图2.2.12.2.2。(a)正常水位(b)最高洪水位图2.2.1 现状剖面浸润线位置示意图(a) 正常水位(b)(

27、b)最高洪水位图2.2.2最终堆积剖面浸润线位置示意图2.3 稳定计算参数选择根据工程地质条件研究结果，坝体稳定分析物理力学指标见表2.3.1。表2.3.1 稳定计算参数表地层名称天然容重饱和容重抗剪强度渗透系数总应力有效应力(KN/m3)d(KN/m3)固结快剪C(kPa)(°)k(m/s)c(kPa)(°)砾砂质煤灰-112.215.054.734.725351.8×10-5粉砂质煤灰-211.714.241.330.428347.9×10-6粉土质煤灰-312.414.21.530.835305.0×10-6尾中砂17.320.722.0

28、33.015352.5×10-5尾粉砂18.521.262.029.422351.6×10-5尾粉土20.220.585.026.720343.6×10-7堆石体19.520.58358352×10-2砂岩25.9026.75405540551×10-102.4 坝体稳定分析结果2.4.1.现状剖面稳定验算结果坝体现状剖面静力稳定计算按总应力指标计算，静力稳定计算结果见表2.4.1、表2.4.2，计算结果分别按不同计算方法、计算工况列出。表2.4.1 坝体现状剖面正常水位条件稳定计算结果表计算方法最小安全系数滑弧深度（m）XXYYRR瑞典圆弧法

29、1.899463.99375.6843496.114732.122简化bishop法1.976464.43573.382503.53939.104Spencer-斯宾塞法1.977464.42773.365503.55339.126Morgenstern-摩根斯坦法1.976433.477 88.872 472.595 39.118Janbu简布法1.901463.866 75.498 496.332 32.466表2.4.2 坝体现状剖面最高洪水位条件稳定计算结果表计算方法最小安全系数滑弧深度（m）XXYYRR瑞典圆弧法1.634457.764 89.009 515.138 57.374简化

30、bishop法1.789461.673 81.189 537.202 75.529Spencer-斯宾塞法1.795461.695 81.201 537.154 75.459Morgenstern-摩根斯坦法1.795461.678 80.264 536.865 75.187Janbu简布法1.667460.306 85.518 524.000 63.694由计算结果可知，简化Bishop法获得的安全系数比瑞典法稍大，满足一般规律；同时，Bishop法、Spencer法、Morgenstern法三种方法计算的安全系数比较接近。瑞典圆弧法的计算结果详见图2.4.1及图2.4.2。计算结果表明，坝

31、体现状剖面的稳定安全系数在不同计算条件下均满足规范要求，说明边坡不会出现整体滑移破坏，符合现状情况。2.4.1现状剖面正常水位条件下静力稳定计算结果图图2.4.2现状剖面最高洪水位条件下静力稳定计算结果图2.4.2.堆积标高稳定计算结果为满足服务年限要求，拟将坝体堆积加高至555m标高，由于现状尾矿坝边坡很不规则且局部较陡，加高扩容后，在洪水条件下可能出现局部塌落，故应对现有初期坝和堆积边坡进行修整。最终堆积标高稳定计算参数指标按现状勘探指标参数建议值，取总应力指标进行计算，分析最不利堆积剖面稳定情况。静力稳定计算结果见表2.4.3及表2.4.4。表2.4.3 坝体最终堆积剖面正常水位条件稳定

32、计算结果表计算方法最小安全系数滑弧深度（m）XXYYRR瑞典圆弧法1.273464.434223.473556.66992.235简化bishop法1.611469.905194.403646.300176.395Spencer-斯宾塞法1.619469.904194.415646.336176.432Morgenstern-摩根斯坦法1.613469.902194.361646.237176.335Janbu简布法1.488469.903194.421646.354176.451表2.4.4 坝体最终堆积剖面最高洪水位条件稳定计算结果表计算方法最小安全系数滑弧深度（m）XXYYRR瑞典圆弧法

33、1.175464.437223.341556.56392.126简化bishop法1.512469.900194.375646.282176.382Spencer-斯宾塞法1.521469.968192.473641.845171.877Morgenstern-摩根斯坦法1.517469.912194.318646.066176.154Janbu简布法1.396469.916194.323646.048176.132静力稳定计算瑞典圆弧法的计算结果详见图2.4.3及图2.4.4。计算结果表明，坝体最终堆积标高剖面的稳定安全系数在不同计算条件下均满足规范要求，说明堆积坝加高方案是安全可靠的。图2.4.3 最终堆积剖面正常水位条件稳定计算结果图 图2.4.4 最终堆积剖面最高洪水位条件稳定计算计算结果图3 尾矿库地质环境治理工程措施3.1坝体边坡修复加固3.1.1标高480.00m以下原为爆破堆石坝，坝坡较陡，在工程实施过程中将标高480.00m以下边坡采用抛石反压法对边坡重新修整。边坡坡比调整为1:1.75，每隔10m高设置一个1.5m宽平台。3.1.2标高480.00m高