煤矸石尾礦庫壩穩(wěn)定性分析報告

1、煤矸石尾礦庫壩穩(wěn)定性分析以屯蘭礦煤矸石尾庫壩為例摘 要我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國。目前，煤矸石是我國排放量及積存量最大的工業(yè)廢棄物。然而，對煤矸石的綜合利用尚不到矸石排放量的15%。余下矸石都采用圓錐式或溝谷傾倒式自然松散的堆放在礦區(qū)四周。由于矸石堆放的不穩(wěn)固，嚴重威脅到影響區(qū)的生產生活安全。以山西焦煤集團屯蘭礦煤矸石尾礦庫壩為例，通過查閱相關文獻資料、收集整理研究區(qū)的區(qū)域地質資料、現(xiàn)場地質調繪、工程地質勘查、壩體及庫填材料的巖土力學測試、室內的系統(tǒng)總結分析，獲得了該尾礦庫壩區(qū)的基礎地質資料和庫壩的堆庫成壩歷史，查明了庫壩的工程地質條件和影響庫壩穩(wěn)定性的主要因素。研究成果認為：地形地

2、貌條件、巖土結構及其特性等是庫壩形狀的客觀物質基礎；堆壩方式、堆積歷史、堆積質量是影響庫壩穩(wěn)定性的主要因素；不良排水、筑壩的施工質量和不合理開挖是造成庫壩失穩(wěn)的直接誘發(fā)因素。論文結合庫壩穩(wěn)定的定性定量分析結果、附近工程與居民生活條件及附近以往的筑壩維護經驗，提出了采用注漿加固壩體、裂縫補填、坡面格構防護、坡頂與平臺上設置截排水溝、及整個坡上進行種草生物防護等綜合的防治措施的建議。成果對煤礦煤矸石尾礦庫壩及類似干、松的尾庫壩的穩(wěn)定性分析具有借鑒和參考作用。關鍵詞：煤矸石，尾礦庫壩，工程勘察，穩(wěn)定性分析，注漿加固Shanxi coking coal group Abram ore tailings

3、 dam tuen mun coal Stability analysisAbstractChina is the worlds largest producer and consumer of coal. At present, our country emissions coal gangue is the largest stock and product of industrial waste. However, for the comprehensive utilization of coal gangue is still less than 15% of emissions. T

4、he rest are adopted the cone type or waste valleys of natural loose dumping stacked in mining area around. Because of the gangue piled up shaky, a serious threat to the safety of production and life of influence. Taking shanxi coking coal group in tuen mun ore tailings dam Abram gangue as an example

5、, through the literature review material, collect the regional geological material, field geological tone paint, engineering geology exploration, dam and fill in the library materials soil mechanical testing, indoor system summary analysis for the dam foundation of the tailings reservoir geological

6、data and the pile of library into dam, finds out the history of the reservoir conditions of engineering geology and the main factors of influence stability reservoir. Research results think: conditions of landform, geotechnical structure and characteristics of the shape of the reservoir is objective

7、 material base; Way of dam, piling up history, quality is the main factors of influence reservoir stability; Bad drainage, DAMS and quality of the construction of the excavation is not reasonable cause reservoir instability of direct inducing factors. The thesis combines reservoir stable qualitative

8、 and quantitative analysis results, near engineering and living conditions and the nearby residents of past experience, put forward the DAMS maintenance grouting reinforcement, crack fill dam slope surface lattice structure form and protection, top and platform, and the whole set section drain on gr

9、ass slope protection, and so the prevention and control of the biological comprehensive measures Suggestions. Results of the coal mine tailings dam and similar coal gangue dry, loose the tail of the reservoir stability analysis the experience and reference function. Keywords: Tailings dam, coal gang

10、ue, engineering survey, the stability analysis, grouting reinforcement 28目錄摘要IAbstractII1緒論61.1項目研究背景及意義61.2尾礦庫壩穩(wěn)定性國內外研究現(xiàn)狀61.3本文研究思路72研究區(qū)自然地理與地質環(huán)境92.1尾礦庫壩92.1.1尾礦庫壩基本概況92.1.2尾礦物質的組成102.1.3尾礦庫等別及構筑物級別102.2位置與交通112.3氣象與水文122.3.1氣象122.3.2水文122.4地層與巖性122.5構造132.6地震活動與新構造運動133屯蘭礦尾礦庫壩的工程地質條件143.1地形地貌143.2

11、庫區(qū)地層構成143.3不良地質作用153.4物理力學性質指標163.5壩體浸潤線173.6場地水、土對建材腐蝕性評價183.7場地地震效應183.8人類活動184煤矸石尾礦庫壩的穩(wěn)定性分析194.1煤矸石尾礦庫壩穩(wěn)定性分析194.1.1定性分析194.1.2定量分析194.2屯蘭礦煤矸石尾礦庫壩穩(wěn)定性計算214.2.1計算方法214.2.2計算剖面的選取214.2.3參數(shù)選取214.2.4計算工況224.2.5計算成果224.3綜合分析235結論26致謝28參考文獻291 緒論1.1項目研究背景及意義我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，隨開采量逐年增加，其副產品煤矸石的排放量也按比例增加。目

12、前，煤矸石是我國排放量及積存量最大的工業(yè)廢棄物。而煤矸石的綜合利用尚不到矸石排放量的15%。余下矸石對采用圓錐式或溝谷傾倒式自然松散的堆放在礦區(qū)四周。我國多數(shù)礦山對矸石貯存場未經嚴格設計存在許多大型的、堆放極不規(guī)范的矸石山。由于矸石堆放的不穩(wěn)固，嚴重威脅到公共安全。尾礦庫壩是礦山企業(yè)的重要設施，它是筑壩攔截谷口或圍地構成的，用以堆存工業(yè)廢棄物的場所，主要由尾礦庫庫區(qū)和尾礦壩兩部分組成。它的安全和穩(wěn)定對礦山企業(yè)的正常生產和經營至關重要。由于尾礦壩中存放大量的松散尾礦，尾礦庫一旦垮壩，庫內大量高勢能的尾礦就會疾奔而下，必將對庫下游地區(qū)人民生命和財產造成巨大損害，后果觸目驚心。歷史上有慘痛的教訓，山

13、東省棗莊煤礦北煤井一矸石山，1994年發(fā)生坍塌，導致17人死亡，7人受傷。2004年6月5日重慶萬盛區(qū)南桐礦業(yè)公司東林煤礦矸石山垮塌引起滑坡造成民房被毀和重大人員傷亡，此次災害涉及到14戶居民56人，其中17人死亡。2008年9月8日山西襄汾尾礦庫潰壩造成268人死亡或失蹤，以及巨大的財產損失。尾礦庫壩作為尾礦庫設施的重要組成部分。由于壩體材料和庫內物質的特殊性質，使得尾礦堆積壩壩坡體的穩(wěn)定與否直接決定了尾礦庫能否正常使用。為了尾礦存放的安全以及尾礦庫壩對庫下游地區(qū)人民生產生活帶來的威脅，壩體的安全穩(wěn)定就成了尾礦庫建設的重中之重。因此，必須對煤矸石堆積體所形成的的尾礦庫壩的穩(wěn)定性進行研究，解決

14、好尾礦庫壩的穩(wěn)定性問題。1.2尾礦庫壩穩(wěn)定性國內外研究現(xiàn)狀國內，我國大多尾礦庫壩建設都較早，目前存在不同程度的超期運營，面對頻發(fā)的各種尾礦庫事故越來越多的學者開始關注尾礦庫的安全和環(huán)境保護問題，在尾礦庫壩的穩(wěn)定性研究方面：周志斌（2002）從對尾礦物質的性質和庫內滲流情況出發(fā)對白雉山尾礦庫的穩(wěn)定性進行了評價；曹凈（2000）等分析了庫區(qū)地質條件、尾礦淋濾固結和化學固結作用、壩體滲流和洪水等因素對馬家田尾礦堆積壩體穩(wěn)定性的影響，得出了尾礦物質地震液化、壩體滲流破壞、壩肩滑坡促使壩體失穩(wěn)，尾礦淋濾固結和化學固結作用有利壩體穩(wěn)定的結論；陳章友等（2004）分析了尾礦物質固結規(guī)律及尾礦固結對滲流場的影

15、響，提出了尾礦壩固結滲流分析的模型；陳敬松等（2006）分析了飽和尾礦砂往返加荷條件下的動強性特性，得出可通過尾礦料的密實度來增強尾礦壩抗震性能的結論。阮元成（2003）對鐵礦尾礦材料的動力特性和動力參與變形等特性進行了分析。國外，尾礦壩技術研究開始較晚，開始時一些學者認為尾礦壩不以蓄水為目的、設計簡單、工期緩慢，因而不需像真正的大壩一樣進行各種分析和研究。后來大型尾礦壩失事后所造成的嚴重后果逐漸受到了有關人士的重視。到1976年國際大壩委員會（ICOLD）才開始進行專門討論。國外目前對于尾礦壩的研究主要集中在尾礦壩的構筑類型、筑壩方式以及滲流、固結、爆破、地震等因素對尾礦壩的影響等方面。A.

16、M.D Penman(1995)分析了尾礦庫設計的一般原則，R.J Chandler(1995)對意大利Stava尾礦庫垮塌事故的原因進行了研究，1995年K.Mohd Azizli對Malaysia最大的露天銅礦Mamut CopperMine的尾礦設計和管理等方面的情況進行了介紹。在尾礦庫滲流和環(huán)境保護方面，T.Rosner等對尾礦庫內廢水、廢渣中有害成分的組成及其污染物的云翳進行了研究。Kealy等在實驗室模型中研究了沿沉積灘發(fā)生力度分級。Blight G（1997）通過對南非5座環(huán)形尾礦壩潰壩的研究，對尾砂流的運移距離和地表的干濕狀態(tài)的關系進行了分析；Paster M等人利用有限元模擬

17、建立了適合尾礦壩潰壩分析的計算模型，用來研究流體流動隨時間堆積深度的關系。1.3本文研究思路屯蘭礦煤矸石尾礦庫壩主要是由煤矸石筑成的，是一座人工邊坡。一、收集、整理基礎資料主要收集的基礎資料包括：礦區(qū)工程地質資料及有關圖件，如地形地貌、水文地質資料、工程地質資料。礦山以前發(fā)生的邊坡坍塌事故基本情況，場地地震效應等。二、現(xiàn)場探測與取樣現(xiàn)場工作主要有以下內容。（一）尾礦庫壩的各項參數(shù)如尾礦庫壩的結構、表土厚度、尾礦庫壩走向長度、尾礦庫壩高度、各類平臺的寬度等。在搜集場地已有資料的基礎上，通過實地調查，查明場地地形地貌、地質界線，查明庫區(qū)、壩體及其附近有無影響其穩(wěn)定性的不良地質作用，重點對壩體的穩(wěn)定

18、狀況進行調查。采用儀器法或半儀器法進行。（二）采用巖土工程勘探手段，如鉆探、井探、觸探等，對壩體進行勘探。并且進行原位試驗，如標準貫入試驗、重型圓錐動力觸探等。三、測試資料的分析指對現(xiàn)場采取的數(shù)據(jù)、資料進行綜合分析，包括四個方面的內容：（一）根據(jù)工程地質資料和現(xiàn)場對壩體揭露土體及結構面的調查觀測等資料。（二）根據(jù)現(xiàn)場實測的各項參數(shù)對照國家有關規(guī)定，確定其是否符合要求。（三）確定影響壩體穩(wěn)定性的主要因素：壩體各項參數(shù)對壩體穩(wěn)定的影響。（四）室內對取樣進行各種力學實驗，確定壩體所在位置各地層的物理力學參數(shù)。采用工程地質類比法、定量分析方法等進行綜合分析和計算。四、壩體穩(wěn)定性評價根據(jù)各種資料、分析結

19、果以及壩體各剖面圖得出被評估尾礦庫壩是否穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場地質調繪和穩(wěn)定性分析成果提出了該煤矸石尾礦庫壩存在問題的原因，并提出相應的治理措施、建議和注意事項。2 研究區(qū)自然地理與地質環(huán)境2.1尾礦庫壩2.1.1尾礦庫壩基本概況據(jù)礦方提供資料：屯蘭礦煤矸石，由封閉式皮帶走廊全部運送到南梁山排矸場，進行分層碾壓, 自下而上沿溝從底部分層往上回填矸石，推平壓實，壓實后噴、覆蓋黃土。每10米一個臺階，并覆蓋厚500mm的黃土，外露的平臺覆蓋厚1000mm以上的黃土，同時計劃配套進行覆土綠化和防洪排水工程,使矸石山呈現(xiàn)梯田化的水土保持景觀。煤矸石庫為一期堆石庫，1996年開始使用，2009年閉庫，庫容量約為

20、10104m，尾礦壩位于沖溝下游，距溝口亦即居民區(qū)約60m，平均壩長約50m，單極壩高615m，均為上游式壩。從下至上長度約400m，形成階梯式小型庫。尾礦庫其他參數(shù)見下表：表2-1尾礦庫參數(shù)表庫別項目煤矸石尾礦庫尾礦壩類型初期壩漿砌石不透水壩后期壩上游式尾礦堆積壩（階梯式）壩頂高程（最高一級）(m)1121地面高程（最低處）(m)1035最大高差（m)86堆積壩外坡比（綜合坡比）13壩長(m)50-150（多級壩）尾礦庫面積(m2)4300現(xiàn)尾礦堆存量(萬m3)10排滲設施無排滲設施地表排水設施無壩體病害砌石壩局部鼓裂2.1.2尾礦物質的組成據(jù)屯蘭礦所提供資料以及勘察取樣試驗數(shù)據(jù)可見，除了尾

21、礦庫壩初期表層覆蓋一層黃土外，尾礦庫壩庫區(qū)的尾礦物質主要為煤矸石，成份為煤或灰份較多的煤矸石，偶有少量雜質；類煤狀，粒徑以砂礫為主，220mm粒徑占比40%左右，級配較均勻，偶夾雜有20120mm不等的碎塊，顆粒棱角狀，多成塊狀膠結，相間有松散狀分布，為近年堆積，有機質含量較高。煤矸石表層覆蓋500-1000mm的黃土。2.1.3尾礦庫等別及構筑物級別尾礦庫安全技術規(guī)程對尾礦庫等別及構筑物級別的劃分規(guī)定如下：a.尾礦庫各使用期的設計等別應根據(jù)該期的全庫容和壩高分別按下表確定。當兩者的等差為一等時，以高者為準；當?shù)炔畲笥谝坏葧r，按高者降低一等。尾礦庫失事將使下游重要城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)或鐵路干線遭受嚴

22、重災害者，其設計等別可提高一等。表2-2 尾礦庫等別等別全庫容V（萬m3）壩高H（m）一二等庫具備提高等別條件者二V10000H100三1000V1000060H100四100V100030H60五V100H30b.尾礦庫構筑物的級別根據(jù)尾礦庫等別及其重要性按下表確定。表2-3 尾礦庫構筑物的級別等別構筑物的級別主要構筑物次要構筑物臨時構筑物一134二234三355四455五555依據(jù)尾礦庫安全技術規(guī)程（AQ 2006-2005）的規(guī)定，將本次評價的尾礦庫的尾礦庫等別及構筑物級別劃分如下：表2-4 尾礦庫等別及構筑物級別表項目庫別煤矸石尾礦庫尾礦庫等別五等構筑物級別(尾礦壩)5級2.2位置與交

23、通屯蘭礦是山西焦煤西山煤電集團有限責任公司所屬煤礦，并配有相應生產能力的選煤廠。地處山西省古交市以南6km。 研究區(qū)交通便利，區(qū)內有四條公路與外相通。太原陜西佳縣公路由井田北緣通過；文水開柵古交線沿原平川通過；清徐古交線沿大川河通過；岔口古交線沿屯蘭村通過。國鐵太古嵐鐵路沿井田北沿通過，屯馬鐵路支線由本井田中部工業(yè)廣場通過。屯蘭礦圖2-1 尾礦庫地理位置圖2.3氣象與水文2.3.1氣象古交地區(qū)屬溫帶大陸氣候。四季分明，晝夜溫差懸殊，春多風沙，夏熱多雨，秋季涼爽，冬季干寒。據(jù)寨上水文站25年觀測資料，年最大降水量632.6mm，年最小降水量172.1mm，年平均降水量457.8mm。據(jù)太原氣象臺

24、27年的觀測資料，年平均氣溫9.4，一月份最冷，平均氣溫-7；七月份最熱，平均氣溫23.7，最高達39.4，最低氣溫達-25.5。一般日最低氣溫于10月中旬降至0以下，翌年4月中旬方回升至0以上。降水量約62%集中于7、8、9三個月。全年多偏北風，年平均風速2.4m /s，冬春季大，夏秋季小，最大25m/s，瞬間極大風速曾出現(xiàn)40.5m /s。最大凍土深度77cm。2.3.2水文汾河自西向東流經本區(qū)北緣，谷寬400600米，流量受上游汾河水庫控制，最大流量673m3 /s。汾河支流屯蘭河、原平河、大川河自西南向東北流經本井田，在北緣注入汾河，平時流量僅每秒幾十升，雨季則可形成具有破壞性的洪流。

25、其它次一級的小溝谷多為季節(jié)性河谷，平時干涸或僅有涓涓細流。2.4地層與巖性研究區(qū)地表主要為第四系上更新統(tǒng)黃土，最大厚度26.6m，平行不整合于下伏于諸巖層之上。其下為第三系上新統(tǒng)保德組一至數(shù)層礫石或半膠結的礫巖,有時夾砂層，礫石磨圓度好，其成份以石灰?guī)r及變質巖為主。上部為鮮紅的粘土，其中含鈣質結核。在溝谷兩側出露有二疊系上統(tǒng)上石盒子組陸相地層，由灰白色、紫色長石石英砂巖及紫色泥質巖組成。2.5構造受新華夏系泰山式壓扭性斷裂的影響，本區(qū)構造形跡西部受馬蘭向斜山大斷裂（風聲河斷層、圪僚溝斷層），南部受杜兒坪斷裂帶，北部受賽莊王封斷裂的制約。地層總體走向為北西南東，向南西傾斜，傾角312，一般為5左

26、右。2.6地震活動與新構造運動研究區(qū)的新構造運動主要特點是山丘區(qū)不斷上升，盆地相對下降，在全區(qū)共分為兩個構造運動區(qū)。上升運動與斷裂伴生區(qū)：因盆地兩側斷裂活動，使西部山區(qū)不斷上升，形成陡峻的中低山地形。相對沉降區(qū)：主要為太原盆地，盆地內地形具有不對稱性，階地不發(fā)育。區(qū)域地處太原斷陷盆地西側，歷史記載為地震區(qū)域。據(jù)山西省地震資料記載，曾發(fā)生過多次地震，最烈者為1038年（宋仁宗景佑四年）忻、代、并三州發(fā)生的7.25級地震。其中在太原市及其附近陽曲、太谷、榆次、壽陽、盂縣、交城、文水、祁縣、清源等縣共死亡1890人；忻州死亡19742人，傷5655人，牲畜死亡5萬頭；代州死亡759人。1368年清源

27、、徐溝一帶發(fā)生過6級地震，雖無人死亡，但有屋倒人傷。1983年前后太原市所發(fā)生的地震烈度最高為5級，1989年1月河西一帶發(fā)生過4.8級地震，但無人員傷亡。依據(jù)現(xiàn)行的中國地震烈度區(qū)劃圖及構筑物抗震設計規(guī)范GB500191-93有關條文，本區(qū)抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.15g。3 屯蘭礦尾礦庫壩的工程地質條件3.1地形地貌根據(jù)周圍地形地貌及鉆探結果推斷尾礦庫區(qū)所在溝谷原為V字形沖溝，且原谷底縱坡坡度較大，整個地勢南高北低，現(xiàn)壩坡面縱向坡度約為22%，尾礦表面平均寬度約100m，溝谷長約1km，谷底最低高程為1010m，尾礦體頂部最高高程1121m。尾礦庫兩側山坡基巖或有出露，或

28、覆蓋黃土層。地貌單元屬低中山區(qū)。附近山脊上分布有排矸廊道及其它建筑設施。壩體情況圖3-1所示。圖3-1 屯蘭礦尾礦庫壩3.2庫區(qū)地層構成根據(jù)研究區(qū)勘探揭露地層，對尾礦庫進行概劃分層。(受堆填方式及鉆探取樣難度影響，大粒徑煤矸石可能取樣偏少)。尾礦體大概劃分層及壩基各地層特征分述如下：1層，素填土（Q42ml）：黃褐色，以粉質粘土為主，可塑，偶夾雜有煤質。層厚0.203.50m。2層，煤矸石（Q42ml）：黑灰色；松散；稍濕；質較純，成份為煤或灰份較多的煤矸石，偶有少量雜質（黃土等）；類煤狀，粒徑以砂礫為主，220mm粒徑占比40%左右，級配較均勻，偶夾雜有20120mm不等的碎塊，顆粒棱角狀，

29、多成塊狀膠結，相間有松散狀分布，中風化，為近年堆積，有機質含量較高。層厚5.510.70m。3層，煤矸石（Q42ml）：黑灰色；稍密；稍濕-濕；質較純，成份為煤或灰份較多的煤矸石，偶有少量雜質（黃土等）；類煤狀，粒徑以砂礫為主，220mm粒徑占比40%左右，級配較均勻，偶夾雜有20120mm不等的碎塊，顆粒棱角狀，多成塊狀膠結，相間有松散狀分布，中風化，為近年堆積，有機質含量較高。層厚2.0013.70m。4層，粉土（Q4）：黃褐色，中密；稍濕-濕；含云母片，搖振反應中等，無光澤反應，干強度低，韌度低。最大厚度6.5m，局部缺失。5層，強風化砂巖：淺灰色雜色，為較軟巖，巖體破碎，巖體基本質量等

30、級為級，礦物成分以石英、長石為主，中粗粒狀結構，巖芯呈碎塊狀短柱狀，裂隙發(fā)育，泥質充填。本次研究未揭穿。6層，強風化泥巖：褐紅紫紅色，為軟巖，巖體破碎，巖體基本質量等級為級，泥質結構，碎塊狀構造，泥質膠結，巖芯呈土狀碎塊狀。本次研究未揭穿。3.3不良地質作用根據(jù)現(xiàn)場與資料調查、工程地質測繪，尾礦庫區(qū)及其附近已發(fā)現(xiàn)影響壩體穩(wěn)定性的潛在不良地質作用主要可能有：黃土或煤矸石尾礦體崩塌、滑坡、采空區(qū)等。還需重點考慮上游及兩岸雨季洪水對尾礦體穩(wěn)定造成的不利因素。矸石庫附近的采空區(qū)情況：研究區(qū)域位于南二盤區(qū)大巷至12203、12205、12207、12209采空區(qū)前200m的范圍內。如下圖所示：圖3-2矸

31、石庫附近的采空區(qū)示意圖3.4物理力學性質指標a.物理力學性質指標統(tǒng)計據(jù)室內土工試驗成果及現(xiàn)場試驗成果，將物理力學性質指標按不同成因、不同地質年代劃分的層位作為統(tǒng)計單元，先人工舍棄離散無代表性數(shù)據(jù)，然后再利用計算機采用戈羅貝斯(Grubbs)方法(=0.05)，舍去粗差數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計出結果。b.動力觸探試驗代表值根據(jù)動探試驗結果，經數(shù)理統(tǒng)計得尾礦土體的動力觸探試驗修正擊數(shù)指標統(tǒng)計值列于下表。表3-1修正動力觸探試驗擊數(shù)N值統(tǒng)計號編層地標指)擊N(重型動探范圍值mk170.51.00.60.41.9740.20724520.54.92.32.20.5620.13038742.89.25.85.10.

32、5760.035548.59.18.8638.18.98.6注：-頻數(shù)；m-平均值；k-標準值；-標準差；-變異系數(shù)。c.抗剪強度指標根據(jù)工程地質手冊（第四版）圓礫、礫砂的相關經驗值，以重型動力觸探擊數(shù)確定尾礦庫內煤矸石地層抗剪強度。同時參考煤矸石取樣做的天然休止角試驗。取2層煤矸石內摩擦角k=30，3層煤矸石內摩擦角k=33。對庫底粉土，由于取原狀樣困難，采用性質相近的探井土樣增濕到含水量與庫底粉土一致后進行直剪快剪試驗，試驗結果經統(tǒng)計列入表3-2：表3-2室內抗剪試驗指標統(tǒng)計地層統(tǒng)計指標統(tǒng)計值直剪快剪范圍值mk4粘聚力C（kPa）615.028.020.716.7內摩擦角（）621.725

33、.223.722.5d.滲透性根據(jù)土工試驗對煤矸石的顆粒分析結果，其粒徑級配與礫砂相似。所以參考工程地質手冊（第四版）中的經驗數(shù)值范圍及類似工程經驗，綜合確定本尾礦庫煤矸石堆積體的平均滲透系數(shù)為1.010-1cm/s，屬強透水巖土層。根據(jù)壩肩探井取原狀樣的土工試驗結果，壩肩黃土的滲透系數(shù)為7.410-5cm/s2.010-4cm/s，屬弱透水巖土層。3.5壩體浸潤線研究區(qū)內勘察深度范圍未見尾礦體及壩基地下水。推斷偶然補給源為大氣降水，以蒸發(fā)及在局部尾礦體中以滲流的方式排泄。區(qū)別于庫內有水的尾礦庫，一般不會形成穩(wěn)定連續(xù)的浸潤線。一般正常工況下可不考慮地下水形成的滲透壓力，但特殊工況需考慮局部浸水

34、導致的土體強度降低的影響。3.6場地水、土對建材腐蝕性評價按巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001 2009版）規(guī)范附錄G，場地環(huán)境類別屬類。研究深度范圍內未見穩(wěn)定地下水。根據(jù)土壤易溶鹽檢測報告，按上述規(guī)范判定，煤矸石尾礦對混凝土結構具中等腐蝕性；對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。3.7場地地震效應a.尾礦壩分級及場地分類根據(jù)尾礦庫安全技術規(guī)程（AQ2006-2005）第4.1-4.2規(guī)定，本尾礦壩屬5級構筑物。根據(jù)尾礦庫特性，按構筑物抗震設計規(guī)范（GB50191-93）規(guī)范附錄F規(guī)定，本尾礦壩抗震等級為五級。b.地震動參數(shù)根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2001），庫區(qū)所在區(qū)

35、域抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.15g。地震反應譜特征周期為0.40s。3.8人類活動隨著人類工程活動的次數(shù)頻繁和規(guī)模擴大，對尾礦庫壩穩(wěn)定性的影響越來越顯著，特別是不當?shù)娜祟惞こ袒顒右鸬倪吰率Х€(wěn)事故經常發(fā)生。對邊坡穩(wěn)定性產生明顯影響的人類工程活動包括削坡、坡頂加載、地下開挖等。4 煤矸石尾礦庫壩的穩(wěn)定性分析4.1煤矸石尾礦庫壩穩(wěn)定性分析尾礦庫壩的安全評價還未形成固定的模式，所以一般采用土力學的傳統(tǒng)分析方法。大致采用定性分析方法和定量分析方法以及其他安全評價法。定性分析方法的特點是簡單、容易掌握、操作方便、評價過程及結果直觀。缺點是評價結果不能量化，含有相當高的經驗成分，對系統(tǒng)

36、危險性的描述缺乏深度，不同類型評價對象的評價結果沒有可比性。定量分析方法的特點是通過力學原理對邊坡進行穩(wěn)定性分析，嚴格的說，定量分析法目前還未達到完全定量的程度，它還只是半定量的分析方法。4.1.1定性分析工程地質類比法主要是應用自然歷史分析方法去認識了解形成穩(wěn)定的自然邊坡的工程地質因素，用它與人工開挖邊坡的工程地質因素進行對比，提出相似條件下的穩(wěn)定邊坡的有關參數(shù)，作為工程設計的依據(jù)。其對比內容包括發(fā)生條件對比、地貌形態(tài)對比、促發(fā)因素及其變化趨勢分析、滑動跡象分析。4.1.2定量分析由于尾礦性質極為復雜，且尾礦堆壩技術起步較晚，至今未形成自身獨立的分析體系，而是采用土力學的傳統(tǒng)分析方法。選礦廠

37、尾礦設施設計規(guī)范（ZBJ1-90）規(guī)定選用的靜力穩(wěn)定計算方法是瑞典圓弧法。瑞典圓弧法又稱瑞典條分法。瑞典條分法是通過對選定滑面后的土體進行任意條分，建立各條塊的X、Y方向的力的平衡方程矩陣，通過求解所得力矩平衡方程矩陣，得出所取滑坡體的穩(wěn)定性系數(shù)。其分析不考慮土條之間的條間作用力。圖4-1 瑞典圓弧法示意圖穩(wěn)定系數(shù)的表達式為： （4-1）式中：邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)；第i土條土體的有效黏聚力；第i土條在滑面上的滑動邊長；第i土條的重力；第i土條滑動方向和水平面的夾角；底座對第i土條的支撐力；第i土條土體的內摩擦角。當有滑動土體內存在誰的滲流作用時，還應考慮滲流水體壓力對滑體穩(wěn)定性的影響。4.2屯蘭礦

38、煤矸石尾礦庫壩穩(wěn)定性計算4.2.1計算方法屯蘭礦尾礦庫壩穩(wěn)定性計算采用的是瑞典圓弧法計算搜索壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)及最危險滑弧位置，計算模型及公式采用通用瑞典條分法及總應力法。計算軟件采用理正巖土邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)5.6 PB1版。4.2.2計算剖面的選取由于屯蘭礦尾礦壩壩長均較短，因此選取壩中間勘探點連線剖面作為代表性計算剖面。計算時為了分析的需要，對剖面的一些邊界條件做了適當?shù)母呕幚怼?.2.3參數(shù)選取在充分考慮野外原位測試、室內常規(guī)試驗、直剪與休止角等各種試驗條件的基礎上，參考其它性質相近尾礦庫地層參數(shù)和有關規(guī)范給出的經驗性參數(shù)綜合確定計算剖面上各層巖土的重度、粘聚力c、內摩擦角等。

39、如下表：表4-1穩(wěn)定性計算參數(shù)地層編號地層名稱天然重度（kN/m3）抗剪強度指標粘聚力（kPa）內摩擦角（）1素填土155152煤矸石（松散）130303煤矸石（稍密）130334粉土1516.722.55砂巖（強風化）2360266泥巖（強風化）2350264.2.4計算工況根據(jù)尾礦庫安全技術規(guī)程AQ2006-2005有關規(guī)定，尾礦壩穩(wěn)定性計算的荷載分為下列五類：一、筑壩期正常高水位的滲透壓力(庫內有水時)；二、壩體自重；三、壩體及壩基中孔隙壓力（有地下水時）；四、最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力；五、地震慣性力。計算工況分為以下三種：（對庫內有水的尾礦庫）一、正常運行:尾礦庫水位處于正常

40、生產水位的情況；二、洪水運行:尾礦庫水位處于最高洪水位時的運行情況；三、特殊運行:尾礦庫水位處于最高洪水位時的，又遇到設計烈度的地震情況下運行。4.2.5計算成果穩(wěn)定性分析計算模型用瑞典圓弧法分析得出的最危險滑弧位置如下圖。2-2剖面正常運行：滑動安全系數(shù)=1.1852-2剖面洪水運行：滑動安全系數(shù)=0.8362-2剖面特殊運行：滑動安全系數(shù)=0.7514.3綜合分析屯蘭礦煤矸石尾礦壩正常運行工況下基本穩(wěn)定。在滲水達到一定程度下容易失穩(wěn)，遇設防地震也易失穩(wěn)。局部較陡單級壩坡破壞的發(fā)生機率大于大范圍整體滑動的機率。根據(jù)4.3中的穩(wěn)定性計算結果，2-2剖面的穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計下表。表4-5穩(wěn)定性計算結

41、果匯總表尾礦壩剖面號計算條件狀態(tài)最小安全系數(shù)穩(wěn)定性評價壩坡穩(wěn)定性瑞典法煤矸石尾礦壩2-2現(xiàn)狀正常運行1.185穩(wěn)定洪水運行0.836不穩(wěn)定特殊運行0.751不穩(wěn)定據(jù)尾礦庫安全技術規(guī)程AQ2006-2005規(guī)定，按瑞典圓弧法計算壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不應小于下表規(guī)定的數(shù)值。表4-6 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)運用情況壩 的 級 別1234、5正常運行1.301.251.201.15洪水運行1.201.151.101.05特殊運行1.101.051.051.00計算結果表明2-2剖面在所設定的正常運行工況下計算所得的最小安全系數(shù)大于1，且滿足尾礦庫安全技術規(guī)程AQ2006-2005的要求。2-2剖面

42、在所設定的洪水運行工況下考慮滲水導致淺層煤矸石抗剪強度折減后計算所得的最小安全系數(shù)小于1；在所設定的洪水運行工況下再考慮地震荷載作用以后計算所得的最小安全系數(shù)小于1，說明壩在洪水運行工況及特殊運行工況下不穩(wěn)定。局部較陡單級壩坡破壞的發(fā)生機率大于大范圍整體滑動的機率。影響壩體穩(wěn)定性的因素有很多，有筑壩前期勘察設計方面，有筑壩材料和筑壩方式方面，重要的是運行階段的科學管理，此外還可能有現(xiàn)期無法預見的不可抗力，所以即使經過詳細的計算分析、壩體穩(wěn)定性系數(shù)符合規(guī)范要求，也不能就此斷定壩體非常安全，在后期的運行管理中依然不可掉以輕心。經現(xiàn)場調查，庫頂已達原始山脊最大高程。分析主要可能存在的安全隱患如下：（

43、1）最下游砌石初期壩外坡較陡，外坡面稍欠維護，砌石面局部有鼓脹；（2）中上游還有較多坡面未整治及護面；（3）各級壩頂行車的動荷載及偶然沖擊可能造成壩體損害；（4）煤矸石有機質含量較高，若自燃烘燒也會造成強度降低而沿軟弱面滑動破壞；（5）整個庫區(qū)沒有截水、排水及防滲設施，降水、管道泄漏等水體容易沖刷破壞坡面以及下滲引起壩坡局部或整體垮塌。 下面是對屯蘭礦煤矸石尾礦庫壩以后的安全使用給出的幾點建議：（1）對初期砌石壩體裂縫做可靠的修補加固。（2）充分認識截排水設施的重要性。根據(jù)尾礦庫安全技術規(guī)程（AQ2006-2005）中的防洪標準復核洪水總量及尾礦庫現(xiàn)狀防洪能力。統(tǒng)一規(guī)劃增設截洪溝、排水溝等排泄

44、設施。（3）未護面的堆積壩外坡面整坡后采用漿砌石或格構等措施護面再輔以綠化。（4）嚴格控制壩頂車輛的車速、載重以及同時駛上壩頂?shù)能囕v數(shù)量，防止車輛破壞壩體。（5）嚴格禁止掏挖壩坡及庫岸坡腳。（6）對局部壩體穩(wěn)定性不足的，應采取削坡、壓腳、防滲或壩體加固等措施，使壩體穩(wěn)定性滿足尾礦庫安全技術規(guī)程（AQ2006-2005）的要求。（7）完善觀測設施（包括地下水觀測系統(tǒng)及壩體位移觀測系統(tǒng)）等。（8）建議聘請有相關資質的設計單位進行統(tǒng)一閉庫設計。 5 結論本文以山西焦煤西山煤電集團屯蘭礦尾礦庫壩作為研究對象，通過現(xiàn)場工程地質調研、室內土工試驗以及繪圖分析，結合勘探成果和邊坡穩(wěn)定性分析方法，并通過穩(wěn)定性計算，得出以下主要結論和認識：（1）通過閱讀整理尾礦壩穩(wěn)定性分析的相關文獻，詳細歸納了尾礦庫壩穩(wěn)定性分析方法。包括定性分析方法和定量分析方法。定量分析方法主要有極限平衡法、數(shù)值分析法、概率分析法。（2）根據(jù)現(xiàn)場調研成果的進一步分析，可以得出以下結論：屯蘭礦煤矸石尾礦庫壩潛在的一些不良地質現(xiàn)象對整個庫壩的穩(wěn)定性有重大影響。其不良地質作用主要有：黃土或煤矸石尾礦體崩塌、滑坡、采空區(qū)等。重點考慮采空區(qū)和上游、兩岸雨季洪水對尾礦體穩(wěn)定造成的不