尾矿库资源回采过程中坝体的稳定性分析.pdf

第 卷第期有色金属(矿山部分)年月 d o i:/j i s s n 尾矿库资源回采过程中坝体的稳定性分析肖容,韩追,袁利伟,曹浪,龙皓楠,许云美,王国龙(昆明理工大学 公共安全与应急管理学院,昆明 ;中国水利水电第十四工程局有限公司,昆明 )摘要:为实现尾矿资源的回收利用并确保尾矿库在回采过程中的安全性,以马批邑尾矿库为工程背景,在勘察、室内土工试验数据的基础上运用数值模拟软件M i d a s G T S/N X建立有限元模型并通过F L A C D对其回采过程进行三维静应力场数值分析.结果表明:在回采过程中,最大主应力与最小主应力均为负值,最大剪应力为正值,说明主要受自重的压应力影响,且最小主应力和最大主应力所对应的压力和最大剪应力随着回采高层的降低在减小.库区总体位移随着堆积坝高度的降低在变化,但考虑到库区回采的实际施工是可以忽略的,所以回采过程中尾矿库处于平衡状态.当回采至初期坝顶,尾矿库侧边的山体位移增大,说明要加强尾矿库回采周边山体的监测与防护.该研究结果能为尾矿库资源回采提供重要的理论指导.关键词:尾矿库;资源回采;数值模拟;M i d a s G T S/N X;坝体稳定性中图分类号:T D 文献标志码:A文章编号:()S t a b i l i t ya n a l y s i so fd a mb o d yd u r i n gr e s o u r c ee x t r a c t i o no f t a i l i n g sp o n dX I AOR o n g,HANZ h u i,YUANL i w e i,C AOL a n g,L ONG H a o n a n,XUY u n m e i,WANGG u o l o n g(F a c u l t yo fP u b l i cS e c u r i t ya n dE m e r g e n c yM a n a g e m e n t,K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,K u n m i n g ,C h i n a;S i n o h y d r oB u r e a u C o,L t d,K u n m i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt or e a l i z et h er e c o v e r ya n du t i l i z a t i o no ft a i l i n g sr e s o u r c e sa n de n s u r et h es a f e t yo ft a i l i n g sp o n d sd u r i n gt h ep r o c e s so fm i n i n g T h i sp a p e r t a k e s t h eM a p i y iT a i l i n g sP o n da s t h e e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d B a s e do nt h es u r v e ya n d i n d o o rs o i l t e s td a t a,t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e db yu s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e M i d a s G T S/N X,a n dt h et h r e e d i m e n s i o n a ls t a t i cs t r e s sf i e l dn u m e r i c a la n a l y s i sw a sc a r r i e do u tf o ri t sm i n i n gp r o c e s s t h r o u g hF L A C D T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s sa n dt h em i n i m u mp r i n c i p a ls t r e s sa r eb o t hn e g a t i v ea n d t h em a x i m u ms h e a r s t r e s s i sp o s i t i v ed u r i n g t h em i n i n gp r o c e s s,w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h es t r e s s i sm a i n l ya f f e c t e db yt h ec o m p r e s s i v es t r e s so ft h ed e a d w e i g h ta n dt h ep r e s s u r ea n dm a x i m u ms h e a rs t r e s sc o r r e s p o n d i n gt ot h em i n i m u ma n dm a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s s e sd e c r e a s ea s t h em i n i n gh e i g h td e c r e a s e s T h eo v e r a l ld i s p l a c e m e n to f t h er e s e r v o i ra r e ac h a n g e sw i t ht h ed e c r e a s ei nt h eh e i g h to ft h ef i l l i n gd a m,b u tc o n s i d e r i n gt h ea c t u a l c o n s t r u c t i o no f t h e r e s e r v o i r a r e am i n i n gc a nb e i g n o r e d T h e t a i l i n g sp o n d i s i ne q u i l i b r i u md u r i n gt h em i n i n gp r o c e s s Wh e nt h em i n i n gr e a c h e st h ei n i t i a ld a mc r e s t,t h em o u n t a i nd i s p l a c e m e n ta tt h es i d eo ft h et a i l i n g sp o n di n c r e a s e s,w h i c hm e a n s t h a t t h em o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o no f t h em o u n t a i na r o u n d t h em i n i n go f t h e t a i l i n g sp o n ds h o u l db es t r e n g t h e n e d T h e r e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d e i m p o r t a n t t h e o r e t i c a l g u i d a n c e f o r t h e r e c o v e r yo f t a i l i n g sp o n dr e s o u r c e s K e yw o r d s:t a i l i n g sp o n d;r e s o u r c ee x t r a c t i o n;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;M i d a s G T S/N X;d a ms t a b i l i t y收稿日期:基金项目:云南省社会发展专项重点研究开发项目(A C )作者简介:肖容(),女,硕士研究生,从事矿山安全方面的研究,q q c o m.尾矿资源绝大部分堆存于尾矿库,尾矿设施是矿山生产要素的重要组成部分,同时也是潜在的危险源.一旦尾矿库发生溃坝,库内物质将会下泄,对坝体下游造成巨大的灾害,而修建尾矿库不仅会增加危险源而且也占用大量的土地.实际上尾矿库也是资源库,要实现尾矿的综合回收利用,首先要面临的问题是尾砂的回采.尾矿库安全规程中明确表示回采尾矿库的坝、坡必须进行稳定性计算,有色金属(矿山部分)第 卷加之马批邑尾矿库已停用多年,部分排洪设施垮塌及杂草淤堵严重,不能有效发挥排水作用.因此,在回采前对尾矿坝坡在不同的回采高程进行稳定性分析尤为重要.我国在尾矿库资源回采方面文献较少.张娜详细描述了回采尾矿的方法及其优缺点,并对回采期间坝体稳定性的影响因素进行了分析,得到了苦果菁尾矿库回采过程中坝体的安全性,预估了苦果菁尾矿库尾矿回采过程中可能出现的问题,并提出了预警.安庆伟对承德金聚尾矿库回采进行了可行性研究,并确立合适的回采方案,分析了尾矿库坝体的稳定性.成建等将飞力D a m s a v e r尾矿回采单元应用于尾矿库尾砂的回采中,飞力D a m s a v e r尾矿回采单元操作简单、成本低且回采安全,在开采中尾矿坝处于稳定状态,满足回采要求.韩孟微等针对未闭库的尾矿库进行尾矿回采,分析了影响尾矿回采安全的要素,依据库区实际情况确定了回采工艺及回采顺序,通过对不同阶段坝体稳定性的分析,对尾矿库尾砂的开采具有一定的指导意义.王光锐对一些地域环境复杂特殊、尾矿沉积规律不合常理、库区尾矿构造复杂又不适宜采用“水采”方式开采的矿山,介绍了单一分层法、直接见底法和组合分层法三种尾矿干采方法,从根本上解决了这类矿山尾矿开采的难题.刘晓峰等通过对尾砂特征的分析,对比了水采和干采两种开采方法,并从多方面分析了尾砂回采的关键工艺技术及安全设施要点.上述研究主要集中在尾矿库坝体二维稳定性分析及回采工艺安全方面,忽略了尾矿库回采对周围山体的稳定性影响.鉴于此,本文运用M I D A SG T S/N X软件建立三维模型,再通过F L A C D对不同回采高程的坝体进行静应力场分析,得出各个回采高程内部变化的情况,从而判断坝体稳定性.工程概况尾矿初期坝为堆石坝,坝顶标高约 m,高度为 m,坝 顶 宽 度 为 m,坝 底 外 坡 最 长 m,外坡比约为 ;内坡比约为,后期采用尾矿上游法筑坝,堆积子坝呈阶梯状.现状堆积坝外型完整,坝顶标高约 m,堆积坝总高约 m,平均外坡坡比约为 .现状库区上游除尾部有一个鱼塘外,其他滩面均为干滩,滩面已覆土.尾矿库库区平面呈不规则的“条带形”,现库区总长约 m、平均宽约 m.设计总库容 万m,设计尾矿库为四等库.经勘察研究,堆积坝的地层分布较均一,主要由尾粉砂、尾粉土、回填土、尾粉质黏土组成.回填土主要由粉质黏土组成,含有 左右的砾石,为闭库覆土回填.尾粉砂呈黑色、灰黑色,具有颗粒级配不良特性,夹薄层尾粉土.尾粉土呈黑色、灰黑色,表现为湿润饱和状态.尾粉质黏土层呈灰黑色,具有中等韧性低特性,夹薄层尾黏土、尾粉土.库区两侧岸坡的主要地层为黏性土及强风化角闪斜长片麻岩,其中黏性土主要是含砾粉质黏土,呈褐黄、浅黄色,具有可塑性,含 左右强风化闪长岩砾砂,角闪斜长片麻岩呈灰白、灰色、灰黑色,矿物成分主要为黑云母、角闪石,节理裂隙发育.经现场取样和室内土工试验,分别得出各土层物理力学参数,如表所示.表各岩土层物理力学参数T a b l eP h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f e a c hr o c ka n ds o i l l a y e r岩土层名称弹性模量/(k Nm)泊松比天然重度/(k Nm)黏聚力/k P a内摩擦角/()回填土 初期坝 尾粉砂 尾粉土 尾粉质黏土 含砾粉质黏土 角闪斜长片麻岩 尾矿坝体稳定性理论及三维建模 强度折减法基本原理有限元强度折减法(S RM)的基本原理是将边坡强度参数的值除以系数F以获得一组新值,然后将它们作为新的数据参数输入到计算中,当计算不收敛时,该系数称为最小稳定安全系数.当边坡到达极限时,进行剪切破坏,获得其失稳滑动面.计第期肖容等:尾矿库资源回采过程中坝体的稳定性分析算式如下:C CF()a r c t a n(t a nF)()式中:C岩体的黏聚力,MP a;F折减系数;内摩擦角,();C、折减后的岩体黏聚力和内摩擦角.计算阶段选择尾砂回采的过程,是坝体高度降低的过程,本文结合实际情况,选取比较重要且有代表性的四个高度,分别在各种工况下进行计算即可,这四个关键性的高度分别为:尾矿坝现状高度(标高为 m);尾矿回采到堆积坝体高度三分之一时(标高为 m);尾矿回采到堆积坝体高度三分之二时(标高为 m);初期坝坝顶高度时(标高为 m).三维模型的建立基于马批邑尾矿库的平面与剖面关系,结合工程地质情况,利用M i d a sG T S有限元软件构建三维有限元模型.在C A D中先将原始地形图、地质地形图导入并处理等高线,并低版本另存为D X F文件.再将D X F文件导入M I D A SG T S中的地形数据生成器功能生成三维曲面,如图所示.输出为t m s文件,再从地形数据生成器导入,得到库区地形面,将地形面扩展成实体;结合原始地形图将两实体进行位置吻合,通过切割可得出尾矿库实体.图三维建模过程图F i g Dm o d e l i n gp r o c e s sd i a g r a m 边界条件设置以及网格划分M I D A SG T S内有多种本构模型,选取合适的本构模型对模拟分析至关重要,莫尔库伦准则能够准确地反映土体的弹塑性特征,在岩土领域应用广泛,大 多数研究学 者 都 采 用 此 本 构 模 型.本文所研究尾矿库材料的本构模型选用莫尔库伦模型,具体物理力学参数见表.在网格划分时既要考虑网格的精度,又要考虑计算机的运行效率,将不规则区域按照单元和结点的自然连通方式进行分割.其中X轴、Y轴和Z轴分别为纵向、横向和垂直 方向.根 据 本 文 所 研 究 尾 矿 库 的 特点,只需在坝体底部、X轴、Y轴进行固定约束,模型顶部设为自由边界,建立好的三维模型网格如图所示.图尾矿库三维建模网格图F i g T h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gg r i do f t a i l i n g sp o n d 结果与分析为了解回采过程中库区的变化,对回采过程中有色金属(矿山部分)第 卷的尾矿库进行静力学分析.通过与现有的数值模拟软件分析比较,F L A C D在计算中的优越性在于它可以将离散化技术应用到计算中,可以更加高效、准确地模拟塑性流动和塑性破坏.从力学方面来看,此种处理方式比常规有限元数值积分的合理性更为突出.将建好的三维模型导入F L A C D软件,分别对其回采过程中的坝体进行后处理分析,得到各回采高程的最小主应力、最大主应力、最大剪切应力及总体位移,如图至图 所示.回采高程为 m时当回采高程至 m时,从图分析可知,最小主应力、最大主应力均为负值,说明主要受压应力的影响;最大剪应力在库区从下至上呈减小趋势,说明剪应力主要受自重的影响.回采过程中整个库区会产生位移变化,主要发生在尾矿库库中位置,最大位移为 m,位移量较小.图最小主应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em i n i m u mp r i n c i p a l s t r e s s图最大主应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s s 回采高程为 m时从图 可知,当回采高程为 m时,最图最大剪切应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em a x i m u ms h e a r s t r e s s图总体位移云图F i g O v e r a l l d i s p l a c e m e n tn e p h o g r a m小主应力、最大主应力仍然均为负值,说明库区存在压应力;最大剪应力在库区从下至上呈减小趋势,说明剪应力主要受自重的影响.回采后库区产生位移变化的位置主要发生在尾矿库库中,最大位移为 m,位移量较上次回采过程有偏大趋势,需要做好及时监测与防护.图最小主应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em i n i m u mp r i n c i p a l s t r e s s第期肖容等:尾矿库资源回采过程中坝体的稳定性分析图最大主应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s s图最大剪切应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em a x i m u ms h e a r s t r e s s图 总体位移云图F i g O v e r a l l d i s p l a c e m e n tn e p h o g r a m 回采高程为 m时从图 可 知,当 回 采 高 程 为 m时,最小主应力和最大主应力所对应的压力向地下方向逐渐减小,最大剪应力也随着回采高层的降低在减小,说明回采过程中主要受自重产生的压应力影响.回采至初期坝顶时,仅尾矿库库区的位移量较上次回采过程有减小,但紧挨尾矿库周边的山体位移量为 m,为确保尾矿库安全回采,仍然需要做好回采与周边山体边坡的实时监测与防护.图 最小主应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em i n i m u mp r i n c i p a l s t r e s s图 最大主应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s s图 最大剪切应力云图F i g N e p h o g r a mo f t h em a x i m u ms h e a r s t r e s s由上述对尾矿库回采过程中各阶段的静力学分析可知,回采过程中的尾矿库虽在位移方面有一定有色金属(矿山部分)第 卷图 总体位移云图F i g O v e r a l l d i s p l a c e m e n tn e p h o g r a m的位移量,但考虑到库区回采的实际施工是可以忽略的,所以回采过程中尾矿库是处于平衡状态的.结论)在应力分析方面,最大主应力与最小主应力均为负值,最大剪应力为正值,说明回采过程中主要受压应力的影响,而最大剪应力主要受重力的影响,且最小主应力和最大主应力所对应的压力和最大剪应力随着回采高层的降低在减小.)尾矿库内总体位移随着堆积坝高度的降低在变化,当回采至初期坝顶(即回采高程为 m时),尾矿库侧边的边坡位移为 m,说明要加强尾矿库回采周边山体的监测与防护.)通过对尾矿库各回采阶段进行数值模拟分析可知,回采过程中的尾矿库虽在位移方面有一定的位移量,但考虑到库区回采的实际施工是可以忽略的,所以回采过程中尾矿库是处于平衡状态的.参考文献张 娜苦 果 箐 尾 矿 库 回 采 过 程 中 坝 体 的 安 全 性 分 析 及 研究D昆明:昆明理工大学,Z HAN GN a S a f e t ya n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fd a mb o d yd u r i n gm i n i n go fK u g u o q i n gt a i l i n g sp o n dD K u n m i n g:K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e c ea n dT e c h n o l o g y,王立彬,袁子有,车群,等尾矿库尾砂回采方案分析C/中国冶金矿山企业协会第四届全国尾矿库安全运行技术高峰论坛论文集矿业工程,():WAN G L i b i n,YUAN Z i y o u,C HE Q u n,e ta l A n a l y s i so ft a i l i n g s r e c o v e r yp l a no f t a i l i n g sp o n dC/C h i n aM e t a l l u r g i c a lM i n i n gE n t e r p r i s eA s s o c i a t i o n P r o c e e d i n g so f t h e t hN a t i o n a lT a i l i n g sP o n dS a f e t yO p e r a t i o n T e c h n o l o g yS u mm i tF o r u mM i n i n gE n g i n e e r i n gM a g a z i n e,():国家市场监督管理总局尾矿库安全规程:G B S北京:中国标准出版社,S t a t eA d m i n i s t r a t i o no f M a r k e tS u p e r v i s i o na n d A d m i n i s t r a t i o n S a f e t yr e g u l a t i o n sf o rt a i l i n g sp o n d:G B SB e i j i n g:C h i n aS t a n d a r d sP r e s s,安庆伟承德金聚尾矿库取砂工艺及边坡稳定性研究D石家庄:石家庄铁道大学,AN Q i n g w e i S t u d yo ns a n de x t r a c t i o nt e c h n o l o g ya n ds l o p es t a b i l i t yo fC h e n g d eJ i n j ut a i l i n g sp o n dD S h i j i a z h u a n g:S h i j i a z h u a n gT i e d a oU n i v e r s i t y,成建,王晓宇,杨松华飞力D a m s a v e r尾矿回采在某尾矿库尾砂回采中的应用J现代矿业,():,C HE N GJ i a n,WAN GX i a o y u,YAN GS o n g h u a A p p l i c a t i o no fF e i l iD a m s a v e r t a i l i n g sm i n i n g i nt a i l i n g s r e c o v e r yo f at a i l i n g sp o n dJ M o d e r nM i n i n g,():,韩孟微,谢贤平,杨茹馨,等非闭库尾矿安全回采工程实践研究J黄金,():HANG M e n g w e i,X I EX i a n p i n g,YAN G R u x i n,e ta l P r a c t i c ea n dr e s e a r c ho ns a f em i n i n go ft a i l i n g si nu n c l o s e dp o n dJG o l d,():王光锐特殊条件下的尾矿开采J现代矿业,():WAN GG u a n g r u i T a i l i n g sm i n i n gu n d e r s p e c i a l c o n d i t i o n sJM o d e r nM i n i n g,():刘晓峰,袁永强尾矿库回采过程中关键工艺技术及安全要点J有色冶金设计与研究,():,L I UX i a o f e n g,YUAN Y o n g q i a n g K e yt e c h n o l o g ya n ds a f e t yp o i n t s i nt h em i n i n gp r o c e s so ft a i l i n g sp o n dJ N o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n g&R e s e a r c h,():,李瀚林,陈晓青基于极限平衡法和强度折减法的边坡稳定性研究J露天采矿技术,():L IH a n l i n,C HE N X i a o q i n g S t u d yo ns l o p es t a b i l i t yb a s e do nl i m i t e q u i l i b r i u m m e t h o da n ds t r e n g t hr e d u c t i o n m e t h o dJO p e n c a s tM i n i n gT e c h n o l o g y,():杜小玉基于F L A C D的关中塬区黄土滑坡稳定性数值模拟D西安:长安大学,D UX i a o y u N u m e r i c a l s i m u l a t i o no f l o e s s l a n d s l i d es t a b i l i t y i nG u a n z h o n gt a b l e l a n db a s e do nF L A C DD X i a n:C h a n g a nU n i v e r s i t y,(编辑:周叶)