摘要
随着矿业的快速发展和资源需求的增加，尾矿库的稳定性及扩容成为了保证矿业可持续发展和环境安全的关键问题，本文以香格里拉市某铜矿尾矿库为研究对象，对库区现状稳定性进行评价及扩容后的适应性进行分析。通过野外踏勘、现场取样及室内土工试验、模拟计算等手段，查明区内地形地貌、地层岩性、水文地质条件和地质构造，分析不同岩土层的物理力学参数，计算现状和尾矿库扩容后不同工况下的稳定性，结果表明：（1）地下水位以上尾粉砂层的黏聚力较地下水位以下的黏聚力偏小，地下水位以上尾粉砂层的内摩擦角较地下水位以下的内摩擦角偏大；（2）地下水位以上尾粉土层的黏聚力较地下水位以下的黏聚力偏小，内摩擦角接近；（3）现状尾矿库库底和库岸及坝体均处于稳定状态，经计算各工况下的坝坡稳定性计算值均满足规范要求；（4）根据拟实施对尾矿库扩容方案，在采用三轴剪切和浸水固结快剪参数的条件下，计算结果表明尾矿库均处于稳定状态，尾矿库适宜扩容。本研究的成功实践为其他尾矿库的稳定性评估和扩容提供了重要的参考和借鉴。
Abstract
With the rapid development of the mining industry and the increasing demand for resources, the stability and expansion of the tailings reservoir have become the key issues to ensure the sustainable development of the mining industry and environmental safety. This paper takes the tailings reservoir of Xuejiping Copper Mine as the research object, evaluates the current stability of the reservoir area and analyzes its adaptability after expansion. By means of field survey, field sampling, indoor soil test and simulation calculation, the terrain and geomorphology, formation lithology, hydrogeological conditions and geological structure in the area were ascertained, the physical and mechanical parameters of different rock and soil layers were analyzed, and the status quo and stability of the tailings pond under different working conditions after expansion were calculated. The results showed that: (1) The cohesion above the water table of the tail silt layer is smaller than that below the water table, and the internal friction Angle above the water table is larger than that below the water table; (2) The cohesion above the groundwater level of the tail silt layer is smaller than that below the groundwater level, and the internal friction Angle is close. (3) The bottom and bank of the tailings pond and the dam body are in a stable state, and the calculated stability values of the dam slope under each working condition meet the requirements of the code; (4) According to the proposed expansion plan for the tailings pond, under the fast shear parameters of triaxial shear and immersion consolidation, the tailings pond is in a stable state and the expansion of the tailings pond is suitable. The successful practice of this study provides an important reference for the stability assessment and expansion of other tailings reservoirs.
0 引言
尾矿库作为矿产资源开采过程中不可或缺的组成部分，承担着储存固体废物、尾矿等多种功能 （鲁森等，2024）。随着矿业的持续发展和资源需求的不断增长，尾矿库的稳定性和扩容需求愈发显得重要（刘淑芹等，2021）。在尾矿库的使用中期，进行稳定性校核不仅是确保生态安全和防灾减灾的必要措施，也是管理和扩展计划中的关键环节（张剑，2024）。由于尾矿库在设计、建设和使用过程中都可能受到多种因素的影响，包括自然环境变化、材料老化、设计参数的变化等，这些因素都可能对矿库的稳定性造成负面影响（周志广，2016）。此外，随着对库容量需求的增加，扩容成为了解决矿库容量不足问题的有效方式。然而，扩容过程中必须充分考虑到尾矿库的稳定性，以避免引发安全事故（王同涛等，2011）。因此，尾矿库使用中期稳定性校核及扩容研究，不仅关乎矿业的可持续发展，也是保护环境、保障安全的重要课题（宋志飞等， 2021）
从国内矿业发展趋势来看，库区稳定性与扩容技术的研究和应用已经成为矿业工程领域的热点 （刘化江和李坚第，2022）。通过采用先进的监测技术、改进设计方法和加强管理措施，可以有效提高尾矿库的使用安全和经济效益（郭钰颖等，2019; 罗灿，2024）。因此，探讨尾矿库现状稳定性评价及扩容的理论基础、技术方法和管理策略，对于促进矿业的可持续发展具有重要意义（刘云超等，2017；董光玉，2019）。
目前对于尾矿库评价研究多集中于现状稳定性评价，随着矿山开采和选厂选矿能力的扩大，老尾矿库无法承担选矿厂的尾矿处理，尾矿库扩容是一项必要工作，但对于扩容后的尾矿库稳定性评价研究较少。本文选取香格里拉市某铜矿尾矿库作为研究对象，在充分调查库工程地质条件和岩土体力学性质的基础上，利用数值模拟法对现状和扩容后的尾矿库稳定性进行分析。
1 区域地质及工程概况
云南省香格里拉市某铜矿属山谷型尾矿库，库区从上游至下游逐渐开阔，平面形态略呈喇叭型，左右岸地形基本对称，河谷剖面形态呈宽大的“U” 字型，该处总体为高中山构造侵蚀地貌（王承洋等， 2015）。根据地质调查及钻探揭露，尾矿库场地地层由上至下主要岩性为耕土（①）、尾粉砂（②1）、尾粉土（单元层代号为②2 ）、尾粉质黏土（单元层代号为②3）、碎石填土（单元层代号为②4）、填土（单元层代号为②5）、含黏性土砾砂（单元层代号为③1）、碎石（单元层代号为③2）、强风化板岩（单元层代号为 ④1）、中等风化板岩（单元层代号为④2）（胡廷银和王宏，2016），其岩土层分布情况见图1。新构造运动时期，滇西北地区断裂活动最显著的特点是表现出明显的水平运动，斜贯全区的红河断裂是右旋走滑最强烈的北西向断裂，第四纪以来的水平位错速率近7～8 mm/a（沙建泽等，2016）。中甸地区自有地震记载以来共发生9次M≥5.0级地震，其中MS≥ 6.0级地震3次，这些地震高度集中在北北西向的中甸断裂附近，可见该断裂活动剧烈（陈文德等， 2021）。
现状该尾矿库设计初期坝高28.00 m，堆积坝高 60.00 m，总坝高88.00 m，有效库容553.34万 m3，尾矿库等别为Ⅲ等，现状尾矿库由初期坝、副坝、排水斜槽-排水管、截洪沟、尾矿输送管、回水系统组成。根据矿山原矿储量情况，结合技改工程，扩容设计从原设计最终标高3240.00 m增加高度50.00 m，最终堆积标高3290.00 m，增加总库容1218.29万 m3，增加的有效库容为1035.55万 m3，可延长服务年限 12.5 a，最终尾矿库总库容1833.11万 m3，有效库容 1588.89万 m3，总坝高138.00 m，尾矿库的等别为Ⅱ 等。
现状尾矿范围内的钻孔则全部揭露了地下水，稳定水位为0.20～15.40 m，相应标高为3226.87～3225.764 m（表1）。从所测地下水位埋深位置看，堆积体主要含水层为尾粉砂及尾粉土，浸润线监测点位实测数据可验证数值模拟得到的浸润线结果。预测研究尾矿库扩容后的浸润线位置，以数值模拟结果为主。
2 岩土体物理力学性质
2.1 库底岩土的物理力学性质
为获取场地岩、土层的物理力学指标，分别对岩、土层采取岩、土样进行室内分析，并进行了原位测试，本次勘察采取扰动土样29件、岩石试样12 组，进行室内试验项目分析，进行室内中型剪切试验2组，同时对取样钻孔压水试验、注水试验，各试验成果分层统计（表2）。尾矿库库底表部覆盖耕土、尾矿、碎石填土、含砾粉质黏土及碎石层，其下为板岩。库盆无软弱地层分布，基岩中无软弱夹层，岩体强度稍高，岩层稳定，不会产生震陷和较大差异沉降。总体上看，尾矿库库底是稳定的。
2.2 堆积尾矿的物理力学性质
本次对199件尾矿样物理性试验，对63件尾矿原状样进行了常规力学试验和三轴试验，对试验结果进行统计分析，计算样品的标准差和变异系数，并根据修正系数得到标准值，堆积尾矿最终物理力学指标结果见表3和表4。根据尾矿样物理性试验结果可以看出，尾矿的比重较大，这与尾矿所含矿物成分有关，地下水位以上的湿密度较地下水位以下的湿密度偏小；尾粉砂和尾粉土的孔隙比较接近，其地下水位以上的孔隙比较地下水位以下的孔隙比偏大。尾粉砂、尾粉土的压缩系数平均值较接近，地下水位以上较地下水位以下的偏小，但差别不大；尾粉质黏土的压缩系数较尾粉砂、尾粉土偏大；尾粉砂、尾粉土及尾粉质黏土均为中压缩性土。根据尾矿的抗剪强度指标，受毛细作用的影响，尾粉砂层地下水位以上的黏聚力较地下水位以下的黏聚力偏小，地下水位以上的内摩擦角较地下水位以下的内摩擦角偏大，表明含水量是影响内摩擦角的主要因素。
图1尾矿库工程地质剖面图
表11-1′剖面浸润线位置
表2尾矿库底部的岩土层物理力学指标
表3堆积尾矿的各岩土层物理力学指标
表4堆积尾矿的各岩土层物理力学指标
3 稳定性分析方法
目前，在工程上常用的两种土坡稳定分析方法为Fellenius法（陈文胜等，2021）和bishop法（曹小红等，2024），均属于极限平衡法（周志雄等，2024）。 Fellenius法的土条间作用力的假设不太合理，得出的安全系数明显偏低，而bishop法的假设较为合理，计算也不复杂，因而在工程中得到了十分广泛的应用（杨建民等，2017；王森等，2022）。Bishop法计算公式为：
(1)
4 尾矿库稳定性分析
4.1 现状坝坡稳定性分析
库区地层由耕土①、尾粉砂②1、尾粉土②2、尾粉质黏土②3、碎石填土②4、填土②5、含黏性土砾砂 ③1、碎石③2 及板岩④1、④2 层组成，因为尾矿库为湿排工艺，尾矿的抗剪强度参数选择浸水固结快剪指标为宜，另外，三轴剪切试验一定程度上还原了样品的应力环境，尾矿的三轴剪切试验成果也宜选用，利用Geostudio软件，采用刚体极限平衡分析法中的Bishop法对常态下和地震工况下的坝坡稳定性分析，具体验算指标见表2～表4。
由于1-1’剖面上尾矿堆积厚度最大，以1-1’剖面为例进行计算，具有很强的代表性，在极限分析方法中，地震力是由重力乘上一个地震影响系数得到，一般取水平地震影响系数。地震影响系数有2 种选取方法，根据研究区工程地质条件，按《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203-97），水平地震影响系数取0.08×0.25＝0.02；按《建筑边坡工程技术规范》 （GB 50330-2013）5.2.6 节，综合水平地震系数取 0.025。因尾矿库的设计规范多参照水利规范衍化而来，本次研究中的地震影响系数取0.02。图2为尾矿采用三轴剪切（CU）试验成果算得的常态下坝坡稳定性成果图，图3为尾矿采用三轴剪切（CU）试验成果算得的地震工况下坝坡的稳定性成果图。
如图2、图3采用CU试验成果算得常态下坝坡的安全系数为1.797，地震工况下尾矿坝的安全系数为1.691。如图4、图5采用浸水固结快剪试验成果算得常态下坝坡的安全系数为1.411，地震工况下尾矿坝的安全系数为1.319。
图2尾矿采用CU成果算得的常态下坝坡的稳定性
图3尾矿采用CU成果算得的地震工况下坝坡的稳定性
根据《尾矿设施设计规范》（GB 50863-2013）要求，坝的级别为3时，正常工况下最小安全系数不得低于1.30，地震工况下最小安全系数不得低于1.15。显然，以1-1’剖面为例算得的最小安全系数满足规范的要求，现状尾矿库稳定。尾矿库初期在坝体表面和坝体内部分别布置了位移监测仪器，尾矿库初期坝未见明显位移变形现象，雨水沟大部完好畅通，仅局部开裂变形，堆积坝未见位移变形，可以作证现状尾矿库处于稳定状态，模拟结果基本符合现实情况。
4.2 尾矿库扩容后坝坡稳定性分析
库盆主要覆盖碎石填土、含黏性土砾砂及碎石层，其下为板岩。根据钻探揭露及岩石试验，库底无软弱地层分布，基岩中无软弱夹层，岩体强度较高，岩层稳定，不会产生震陷和较大差异沉降，总体上看，库盆基本稳定。当尾矿库运营后，随尾矿的不断堆积，库岸边坡的相对高度不断降低，尾矿对库岸边坡起到压脚作用，对库岸边坡的稳定有利。
本次扩容后尾矿库稳定性评价仍以1-1’剖面进行扩容稳定性预测分析（图1），稳定性计算采用 Bishop法，扩容设计堆积尾矿综合指标按表5选用。
如图6、图7，扩容后采用CU试验成果算得常态下坝坡的安全系数为1.653，地震工况下尾矿坝的安全系数为1.547。如图8、图9，采用浸水固结快剪试验成果算得常态下坝坡的安全系数为1.358，地震工况下尾矿坝的安全系数为1.265。
根据《尾矿设施设计规范》（GB 50863-2013）的要求，坝的级别为2时，正常工况下最小安全系数不得低于1.35，地震工况下最小安全系数不得低于 1.15。显然，以1-1’剖面为例算得的最小安全系数满足规范的要求。
图4尾矿采用浸水固结快剪试验成果算得的常态下坝坡的稳定性
图5尾矿采用浸水固结快剪试验成果算得的地震工况下坝坡的稳定性
表5扩容设计堆积尾矿综合指标
图6扩容后采用CU成果算得的常态下坝坡的稳定性
图7扩容后采用CU成果算得的地震工况下坝坡的稳定性
图8扩容后采用浸水固结快剪试验成果算得的常态下坝坡的稳定性
图9扩容后采用浸水固结快剪试验成果算得的地震工况下坝坡的稳定性
5 结论与建议
（1）尾矿库库底处于稳定状态，库岸及坝体亦处于稳定状态，分别对浸水固结快剪试验和CU试验的测试结果进行尾矿库坝坡稳定性进行模拟分析，经计算各工况下的坝坡稳定性计算值均满足规范要求，尾矿库现状稳定，但考虑矿区目前各构筑物现存情况完好，推测采用CU试验结果进行坝坡稳定性分析更符合实际工况。
（2）根据拟实施对尾矿库扩容方案，在满足设计拟定的堆筑方式及施工要求等条件下，尾矿库处于稳定状态，尾矿库适宜扩容。
（3）扩容可能诱发坝体变形失稳及崩塌，崩塌规模小但对扩容施工及运营会造成不利影响；尾矿库扩容建设和使用过程中，应尽量减少对植被及场地地形地貌的大规模、大面积破坏，按设计要求对尾矿进行管理和有序堆填。