一、引言

尾矿库是是矿山的重要生产设施，由筑坝拦截或围地构成，用以存放金属矿或者非金属矿选矿后排出尾砂的场所，其中尾矿坝是尾矿库的外围构筑物，用以拦截库内的尾矿与水。近 100 年来世界上18401个尾矿库的溃坝率约为1.2% ，为水坝溃坝率的120倍。截至2020年 5 月底，我国共有尾矿库 7278 座，尾矿库的平稳运行对矿山的生产以及对下游居民的生命财产安全影响巨大，尾矿坝进行稳定性分析尤为重要本文以尾矿坝稳定性分析为重点，对目前尾矿坝稳定性评估进行综述。

二、尾矿坝稳定性分析发展现状

尾矿库的溃坝不是某一个因素引起的，往往是多个因素共同作用的结果，就其本质而言，是由于外界环境的影响（尾矿坝增高加载、地震、降雨、洪水、坝基沉陷等），使尾矿库中应力场和渗流场发生变化，从而导致尾矿坝的破坏失稳，主要包括渗流场直接诱发尾矿坝失稳、尾矿坝坝基失稳导致尾矿库溃坝、洪水漫顶导致尾矿坝坡失稳而溃坝以及地震作用下导致尾矿库溃坝等。

（一） 降雨、浸润线分析

尾矿坝渗流浸润线又称为坝体地下水位线，或饱和线，其高度对于尾矿坝的安全稳定具有至关重要的作用。影响尾矿坝浸润线高度的因素很多，其中主要的外界因素为库内水位，而库内水位主要受降雨影响，主要的内在因素涉及很多，主要包括干滩长度、坝体的渗透性等。

（二） 固结度分析

随着时间变化，土体体积被缓慢压缩的过程被称为沉积固结。尾矿库随着堆积时间的增长，土体强度特性和流变特性会发生变化，孔隙水排出，尾矿密实度增大。在实际生产中由于尾矿坝加高过快，导致尾矿的沉积固结不够充分，不利于尾矿库的平稳运行。田园等研究由于尾矿坝不同部位固结状态不同，对其稳定性产生影响，通过按固结度分区，对不同干密度的各层进行建模分析，对比不同方案尾矿坝安全系数的变化情况来分析边坡滑移面与安全系数，通过干密度分布形式来表明尾矿坝安全系数。Alvaro Videla等设计了不同的沉降实验，并制造了旋转沉降系统，其中包括装有电声换能器的沉降管，在沉降过程中以各种方式刺激系统进行沉降，评估了激励频率和传感器位置对沉降的影响。其中模型的建立采用概化剖面理论，计算中运用笛卡儿直角坐标系，分别将干滩长度分为5 个工况进行数值模拟，模拟了竖直排渗管和水平排渗管失效时的浸润线，研究尾矿坝渗透系数的变化对渗流场的影响。Gao R等对未分级尾矿进行了絮凝沉降试验和浆体流变试验，使用不同絮凝剂、絮凝剂类型、沉降时间和用量对未分级尾矿进行了絮凝沉降试验和浆体流变试验。高峰等使用三维有限元数值模拟方法，研究了尾矿高速筑坝下渗流固结特性变化规律，在尾矿坝高速上升条件下提出了排渗措施方案，并以此方案为基础进行了三维渗流稳定计算和渗流固结分析。Sylvain Bordenave等通过研究油砂尾矿库中的多种厌氧微生物，由于微生物产出甲烷等，导致尾矿沉降量随产甲烷活性增加而增加，得出不同种类的微生物在尾矿库中生长，有助于增加尾矿库的聚集和沉淀，可以通过添加特殊盐来加强尾矿库的沉积。杨天等通过室内试验模拟尾矿库中尾粉砂及尾粉土的淋滤固结过程（淋滤清水、尾矿液等），分析了固结方式、淋滤方式、淋滤次数对砂土体固结程度的影响，得出尾矿液淋滤后的砂土体的沉降量及力学指标比清水淋滤后的砂土体高，固结程度更强，随着单次淋滤时间和总淋滤次数的增加，砂土体的沉降量会逐渐增大，但沉降速率会逐渐降低并最终趋于稳定。Shriful Islam等研究了煤矿尾矿固结沉积，将中等细粒粘性粉砂煤矿尾矿进行分别分析，此固结实验使用了一种新的装置，可以对尾矿样进行加压，最后得出尾矿可形成两种状态，浆状与土状，得出在浆状下，料浆2的体积变化大于料浆1，而在土状态下则相反。李智涵等通过模拟不同时间、不同固结度的溃坝后的尾矿，探究尾矿沉积固结时长对尾矿库溃坝后浆体运动特性的影响，得出堆积区淹没范围随时间的变化规律可以用分段函数准确描述。

（三） 溃坝分析、评估

尾矿库在生产运行过程中的最主要问题还是溃坝事故问题，对于尾矿坝的评估以及溃坝的致因分析是非常重要的。杨蓉等总结了尾矿库溃坝原因，主要分为渗流破坏、洪水漫顶、地震液化、坝体失稳。董光玉等介绍了尾矿坝体安全稳定性相关概念，总结了我国尾矿库坝体稳定性影响因素主要为坝体沿地基整体滑动与坝坡滑动、坍塌破坏，最后通过计算出坝坡抗滑稳定最小安全系数，从而确定坝体边坡是否处于危险状态。Jane Palmer通过剖析Córrego do Feijão铁矿的尾矿坝的溃坝，得出导致尾矿坝溃决的原因为物质泄漏、地震、降雨导致浸润线升高。张超等调查了尾砂安全筑坝与井下充填之间由于矿石越磨越细，尾矿的细黏粒含量也越来越大的矛盾，通过堆积进行模拟尾矿库，划分6个粒径组，用三轴剪力仪进行了固结不排水三轴试验来探究粒径对尾矿强度的影响。郑学鑫等总结了我国发生尾矿库溃坝的主要事故类型，主要分为边坡失稳、结构破坏、洪水漫顶、渗流破坏，然后对尾矿库安全风险进行了二次分解，了解尾矿库工程全生命周期所面临的安全风险。李涛等利用蒙特卡罗模拟法，通过工程勘察得到参数，考虑土层主要参数的空间变异性，对陕南某尾矿坝进行了基于概率的坝体稳定性分析，验证了仅靠安全系数来衡量坝体是否失稳是不可取的。

（四） 利用软件模拟分析

尾矿坝和水坝一样是人造坝，但它与一般水坝又有所不同，是一种更加特殊的水工建筑物，在使用期间尾矿坝的断面会发生变化，情况比一般水坝复杂，且由于实际使用情况，坝体大多都是欠固结状态，运用软件进行数值模拟且使用物理模拟试验可揭示尾矿坝溃坝形成与发展的机理和规律，并可以对尾矿坝进行稳定性分析。目前常用的模拟软件主要为ABAQUS有限元软件、流体力学软件CFD、PCA主成分分析、Geo-studio 软件、CATIA、计算流体力学软件Flow-3D、MIDAS岩土工程分析软件、Flac3D软件等。

ABAQUS有限元软件主要是通过网格建模，建立尾矿库主坝三维数值模型, 选取所需剖面进行数值计算，计算和分析尾矿库主坝在正常运行条件下和地震作用条件下的稳定性。

流体力学软件CFD是通过对尾矿库溃坝进行数值模拟，分析尾矿库漫顶溃坝后的淹没范围及影响程度。

（五） 综合稳定性分析方法

尾矿坝综合稳定性分析方法是一种通过定量分析综合判定“薄弱环节”的安全程度，为尾矿库的安全管理提供侧重点依据，从而得出降低尾矿库事故发生几率的一种方法。

（六）其他方面分析

排渗设施设计是维持尾矿坝稳定性的主要装置之一，通过理论和实际对排渗前后坝体分析，得到排渗治理的效果，从而使尾矿坝的安全稳定得到保证。主要研究工作如表1所示。

除排渗方面研究之外， García-Meza J Viridian等研究了生物在高浓度尾矿中的生存情况，通过多波长脉冲调幅荧光法进行实验，得出单个的生物膜光合细胞的存活被发现从黏液结构的嵌入恢复，黏液结构在细胞外固定金属，得出混合金属暴露下生物膜的存活在尾矿修复中具有实际应用价值。Ross de Kretser等研究了膨胀黏土对煤矿尾砂压缩脱水特性的阻碍作用，通过离心试验制备不同尾矿料悬浮液，对其进行分析，认为尾矿具有不随时间变化、剪切变稀、屈服应力流动的特性。李涛、王仪心等利用蒙特卡洛方法对尾矿坝进行稳定性概率分析，估算了溃坝事故损失，评价尾矿坝风险水平。

三、 建议与展望

本文对尾矿坝稳定性分析的相关研究工作进行了综述，主要涉及降雨、浸润线分析、固结度分析、溃坝分析、评估、利用软件模拟分析等内容。很多学者都取得了相对较好的研究成果，在对尾矿坝进行稳定性分析的同时，也揭示尾矿坝溃坝形成与发展的机理和规律，对尾矿库的平稳运行以及对下游居民的生命财产安全提供了保障。但相关研究工作仍存在一些提升空间，可以考虑在这个尾矿库固结试验的基础上进行渗流模拟，可以将浸润线分析和结度分析相结合进行更加全面的分析。目前在尾矿模拟方面使用较多的都是岩土工程方面的软件，例如通过ABAQUS有限元软件网格建模，然后使用Flac3D软件进行模拟，但使用流体力学软件对尾矿坝进行数值模拟研究较少，可以考虑使用CFD软件、GMS软件进行数值模拟。总之，对尾矿坝进行稳定性分析是非常重要的，为了发现和降低尾矿坝溃坝风险，仍需进行诸多系统性、深入性的研究，未来多专业融合进行分析是重点研究方向之一。

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