界壳论在尾矿库稳定性研究中的应用-矿业114网 
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界壳论在尾矿库稳定性研究中的应用
2012-03-15
将界壳理论引入到尾矿库管理中,在分析尾矿库界壳结构和各类界门物量交换率的基础上,探讨了通过界壳的物质(水、岩土)对尾矿库稳定性的影响;对于界壳理论中界壳交换率的概念作了延伸。
Series No. 348  金 属 矿 山 总 第 348期 2005年 第 6期   June2005 METAL M INE 界 壳 论 在 尾 矿 库 稳 定 性 研 究 中 的 应 用 1 , 2 郑 怀 昌李明 1, 2 ( 1. 山 东 理 工 大 学 ; 2. 北 京 科 技 大 学 ) 摘 要 将 界 壳 理 论 引 入 到 尾 矿 库 管 理 中 ,在 分 析 尾 矿 库 界 壳 结 构 和 各 类 界 门 物 量 交 换 率 的 基 础 上 ,探 讨 了 通 过 界 壳 的 物 质 (水 、岩 土 )对 尾 矿 库 稳 定 性 的 影 响 ;对 于 界 壳 理 论 中 界 壳 交 换 率 的 概 念 作 了 延 伸 。 关 键 词 界 壳 尾 矿 库 浸 润 线 交 换 率 Application of Boundary Shell Theory in Stability Study of Ta ilings Reservoir 1 , 2 1, 2 Zheng Huaichang L iM ing ( 1. Shandong University of Technology; 2. University of Science and Technology B eijing) AbstractBoundary shell theory is introduced in the management of tailings reservoir. Based on the analysis of the boundary shell structure of tailings reservoir and the matter exchange ratio of various kinds of boundary gates, the effect of the matter (water and rock) of boundary shell on the stability of tailings reservoir is discussed and the concep t of boundary shell exchange ration in the boundary shell theory is extended. KeywordsBoundary shell, Tailings reservoir, Saturation line, Exchange ratio   尾 矿 库 是 非 煤 矿 山 的 2个 重 大 危 险 源 之 一 ,生 关 于 物 质 、能 量 在 界 壳 上 交 换 的 特 征 对 系 统 稳 定 性 WWW.KY114.CN 产 运 行 期 间 尾 矿 库 的 稳 定 性 研 究 对 于 矿 山 安 全 生 产 具 有 重 大 的 现 实 意 义 。 影 响 尾 矿 库 稳 定 性 的 因 素 很 多 ,主 要 包 括 :尾 矿 库 的 工 程 地 质 条 件 、尾 矿 坝 的 结 构 、尾 矿 坝 浸 润 线 高 度 、地 震 等 ;对 于 生 产 运 行 中 的 尾 矿 库 ,其 他 因 素 都 是 确 定 的 ,地 震 是 人 力 不 可 抗 拒 的 天 灾 ,因 此 日 常 管 理 中 对 于 尾 矿 坝 浸 润 线 高 度 控 制 是 保 证 尾 矿 库 稳 定 性 的 一 个 重 要 方 面 。 然 而 尾 矿 坝 浸 润 线 高 度 受 尾 矿 库 内 的 水 位 影 响 很 大 ,后 者 是 处 于 不 断 的 动 态 变 化 之 中 ,因 此 有 必 要 研 究 尾 矿 库 中 的 水 与 环 境 之 间 的 交 换 情 况 。 同 时 ,建 设 在 山 区 的 尾 矿 库 可 能 因 为 山 体 滑 坡 造 成 尾 矿 库 溃 坝 。 上 述 都 是 由 于 过 量 的 物 质 或 能 量 进 入 尾 矿 库 造 成 的 尾 矿 库 不 稳 定 问 题 。 影 响 的 有 关 思 想 。 1界 壳 论 的 基 本 思 想 及 延 伸 1. 1  界 壳 论 的 一 般 概 念 自 然 界 中 存 在 着 形 形 色 色 的 系 统 ,通 过 形 式 不 同 的 界 壳 与 环 境 分 离 并 保 持 自 身 的 功 能 、能 量 与 物 质 ,又 通 过 界 壳 与 环 境 进 行 不 断 的 物 质 、能 量 和 信 息 的 交 换 ,保 持 系 统 的 相 对 稳 定 和 不 断 演 化 。 界 壳 可 以 是 有 形 的 ,也 可 以 是 无 形 的 ,无 形 的 界 壳 往 往 是 一 些 概 念 上 的 规 定 。 界 壳 由 界 门 和 界 壁 组 成 。 界 壁 (W ) 起 着 卫 护 系 统 和 环 境 的 生 存 与 发 展 的 作 用 ,或 者 说 限 制 系 统 内 和 环 境 间 物 质 、能 量 的 任 意 交 换 ,保 持 系 统 的 相 对 稳 定 性 。如 尾 矿 库 系 统 的 尾 矿 坝 、拦 水 沟 等 。 界 壳 论 是 我 国 学 者 曹 鸿 兴 于 1988年 首 次 提 出 的 一 个 理 论 ,是 旨 在 研 究 系 统 周 界 的 一 般 理 论 ,主 要 涉 及 界 壳 的 结 构 、功 能 和 行 为 ,界 壳 的 数 学 描 述 ,界 壳 对 系 统 和 环 境 的 保 护 与 交 换 作 用 的 机 理 等 。 其 目 的 在 于 解 决 在 什 么 样 的 界 壳 的 结 构 、功 能 及 行 为 下 , 如 何 通 过 界 壳 对 系 统 和 环 境 的 保 护 与 交 换 作 用 ,实 现 系 统 和 环 境 间 物 质 、能 量 、信 息 的 有 序 交 换 、协 调 发 展 的 问 题 。 界 门 (G) 是 指 系 统 和 环 境 间 物 质 、能 量 和 信 息 的 交 换 通 道 。如 尾 矿 库 系 统 的 排 洪 道 、滤 水 井 系 统 等 。界 门 对 系 统 的 形 成 、生 存 与 发 展 都 有 着 决 定 性 作 用 。 界 壳 开 放 度 (λ ) 是 指 系 统 界 门 所 占 面 积 η 与 周 郑 怀 昌 (1964 - ) ,男 ,山 东 理 工 大 学 资 源 与 环 境 学 院 ,副 教 授 ,北 京 科 技 大 学 博 士 研 究 生 , 255049 山 东 省 淄 博 市 。 浸 润 线 升 高 造 成 尾 矿 库 失 稳 机 理 符 合 界 壳 论 中 分 47分 总 第 348期 金 属 矿 山 2005年 第 6期 界 和 环 境 接 触 的 面 积 μ 之 比 ,即 λ =η /μ 。界 壳 开 放 度 λ 是 用 于 调 控 系 统 和 环 境 之 间 物 量 交 换 的 重 要 界 壳 要 素 。 反 映 界 壳 结 构 的 要 素 有 界 壳 支 撑 度 和 界 壁 抵 抗 力 。支 撑 界 壳 存 在 的 结 构 元 称 为 界 壳 支 撑 ,即 是 什 么 使 界 壳 得 以 存 在 的 。 界 壳 交 换 率 (δ ) 是 指 通 过 界 门 的 实 际 交 换 量 ψ 界 壳 的 卫 护 能 力 称 为 界 壁 抵 抗 力 , 界 壁 抵 抗 力 R的 大 小 ,反 映 了 界 壳 对 系 统 和 环 境 卫 护 作 用 的 强 弱 ;它 包 括 界 壁 结 构 C、内 外 攻 击 A、系 统 和 环 境 状 态 需 求 D 的 函 数 ,即 R = f (C, A, D ) 。 s 与 环 境 和 系 统 间 可 交 换 物 量 ψ . 2  界 壁 与 界 门 的 物 量 交 换 率 按 照 界 壳 论 的 基 本 观 点 ,界 壳 内 (或 系 内 ) 物 质 之 比 ,即 δ =ψ /ψ 。 e s e 1 通 过 界 门 与 环 境 产 生 物 量 交 换 , 系 统 与 环 境 产 生 物 衡 量 支 撑 的 大 小 用 支 撑 度 来 表 征 。 支 撑 度 大 的 界 壳 能 更 强 地 抵 御 外 部 物 量 的 侵 入 或 内 部 物 量 的 溃 出 ,有 厚 度 无 支 撑 度 ,或 无 厚 度 有 支 撑 度 均 难 以 卫 护 系 统 的 安 全 ,只 有 具 有 一 定 厚 度 和 支 撑 度 的 界 壳 才 能 有 效 地 抵 御 外 部 物 量 的 侵 入 或 内 部 物 量 的 溃 出 , 保 持 系 统 的 稳 定 性 。 量 交 换 的 数 量 不 但 取 决 于 系 统 内 具 有 的 可 供 交 换 的 物 量 数 量 ,还 受 到 界 门 能 够 通 过 的 物 量 数 量 的 限 制 。 即 界 门 决 定 了 系 统 与 环 境 间 物 量 交 换 的 效 率 。这 点 和 一 般 系 统 理 论 、控 制 论 、耗 散 结 构 等 是 有 区 别 的 , 后 者 认 为 系 统 与 环 境 间 的 物 量 交 换 没 有 上 述 界 壳 交 换 率 的 限 制 。 2尾 矿 库 界 壳 结 构 然 而 ,在 许 多 自 然 系 统 和 人 造 工 程 系 统 中 ,绝 对 不 产 生 能 量 和 物 质 交 换 的 界 壁 是 一 个 非 常 严 格 的 条 件 ,即 很 多 情 况 下 ,物 质 或 能 量 可 以 通 过 界 壁 进 行 部 分 的 交 换 ;如 一 个 制 造 合 格 的 保 温 瓶 ,在 瓶 口 规 范 密 封 的 情 况 下 ,瓶 中 的 热 水 经 过 一 段 时 间 后 温 度 下 降 了 ,即 完 好 的 界 壳 有 物 量 交 换 。为 严 格 起 见 我 们 做 进 一 步 延 伸 :界 壳 的 交 换 率 包 括 通 过 界 门 进 行 交 换 的 尾 矿 库 的 功 能 :尾 矿 库 与 环 境 相 分 离 ,并 保 持 系 统 稳 定 (不 产 生 溃 坝 、跑 砂 等 危 害 ) 。 尾 矿 库 的 界 壳 结 构 :尾 矿 库 与 环 境 分 离 的 部 分 主 要 包 括 尾 矿 坝 、渗 滤 系 统 、进 砂 口 、上 游 边 坡 (含 建 在 边 坡 上 的 拦 水 沟 )、底 板 面 、临 空 面 、排 洪 道 。 其 界 门 、界 壁 构 成 及 各 部 分 的 作 用 见 表 1。 表 1尾 矿 库 系 统 界 壳 结 构 及 界 壳 上 物 量 交 换 率 情 况 界 壳 部 位 名 称 作 用 物 量 交 换 率 备 注 通 过 交 换 率 δ 放 度 λ 很 大 时 ,δ 度 λ 较 小 时 ,δ 的 作 用 必 须 予 以 计 算 ,否 则 系 统 内 物 质 或 能 量 的 计 算 将 会 出 现 很 大 的 误 差 。 . 3  界 壳 的 结 构 和 W 通 过 界 壁 W 的 交 换 W 率 δ ;当 . 系 统 K 的 开 Y114.CN 1 2 尾 矿 坝 渗 滤 系 统 进 砂 口 隔 绝 库 内 尾 矿 外 溢 将 尾 矿 库 内 的 水 渗 滤 出 去 不 断 向 尾 矿 库 注 入 尾 矿 和 水 尾 矿 库 边 界 δ δ δ 2 极 小 较 大 很 大 界 壁 界 门 界 门 2 可 以 忽 略 不 计 ,反 之 当 系 统 的 开 放 1 2 1 上 游 边 坡 拦 水 沟 减 少 进 入 尾 矿 库 中 的 水 量 防 止 水 、尾 砂 漏 失 或 避 免 环 境 污 染 大 气 降 雨 、水 蒸 发 δ δ δ 2 极 小 极 小 很 大 很 大 界 壁 界 壁 界 门 界 门 1 底 板 面 2 有 形 的 界 壳 具 有 一 定 的 空 间 结 构 和 强 度 。此 处 的 强 度 是 广 义 的 ,包 括 力 学 意 义 上 的 材 料 强 度 、抵 抗 电 击 穿 的 绝 缘 度 、防 止 化 学 物 质 腐 蚀 的 耐 腐 蚀 度 等 , 即 抵 御 系 统 外 或 系 统 内 物 量 过 量 释 放 的 能 力 , 以 d ( t) 表 示 ,自 然 界 中 物 质 某 种 能 力 一 般 是 会 放 生 退 化 或 衰 变 的 ,因 此 其 强 度 是 时 间 的 函 数 。 临 空 面 1 排 洪 道 泄 洪 δ 1 3 尾 矿 库 的 稳 定 性 分 析 . 1可 能 导 致 尾 矿 库 失 稳 的 物 量 因 素 分 析 对 于 正 常 运 营 时 期 的 尾 矿 库 ,可 能 造 成 尾 矿 坝 3 失 稳 的 物 量 因 素 主 要 包 括 以 下 几 个 方 面 。 界 壳 结 构 的 研 究 包 括 界 壳 空 间 结 构 形 态 、总 体 结 构 性 能 、微 结 构 性 能 、结 构 及 其 性 能 的 演 变 等 ; 反 映 界 壳 结 构 性 能 的 特 征 有 多 个 方 面 , 其 中 关 键 在 于 研 究 界 壳 对 物 质 、能 量 通 过 (开 放 ) 和 交 换 特 性 相 对 应 的 特 征 。如 :结 构 的 强 度 、稳 定 性 等 。界 壳 结 构 有 时 候 是 分 层 的 ,靠 近 系 统 部 分 与 系 统 具 备 相 近 的 特 征 , 靠 近 环 境 的 部 分 与 环 境 有 部 分 共 同 的 特 征 , 在 界 壳 空 间 结 构 上 沿 法 线 有 一 定 变 化 梯 度 , 这 个 梯 度 对 界 壳 的 物 质 与 能 量 交 换 率 产 生 影 响 。 3. 1. 1  系 统 内 物 料 输 入 输 出 失 衡 尾 矿 库 内 的 水 如 果 得 不 到 及 时 排 出 将 使 库 内 水 位 上 升 ,从 而 导 致 尾 矿 坝 浸 润 线 升 高 ,降 低 尾 矿 坝 的 稳 定 性 ,甚 至 因 水 位 过 高 将 可 能 导 致 漫 坝 事 故 发 生 。 (1) 排 滤 系 统 功 能 下 降 。 因 为 滤 水 层 为 细 粒 尾 矿 充 填 ,渗 滤 能 力 下 降 ,使 排 滤 系 统 排 水 能 力 降 低 (界 壳 交 换 功 能 退 化 ) ,造 成 尾 矿 库 中 水 位 上 升 ,进 而 造 成 尾 矿 坝 浸 润 线 升 高 ,使 尾 矿 坝 稳 固 性 下 降 ,造 成 尾 矿 库 失 稳 ,这 是 常 见 的 尾 矿 库 病 害 。 界 壳 的 交 换 率 随 着 时 间 的 增 长 其 性 能 可 能 会 发 生 退 化 ,因 此 ,界 壳 的 交 换 率 还 可 能 是 时 间 的 函 数 。 分 48分 (2) 降 雨 量 大 ,排 洪 能 力 不 足 。 在 雨 季 ,由 于 短 时 间 内 降 雨 量 很 大 ,且 尾 矿 库 库 区 回 水 面 积 大 ,进 入   郑 怀 昌 等 :界 壳 论 在 尾 矿 库 稳 定 性 研 究 中 的 应 用 2005年 第 6期 尾 矿 库 中 的 水 量 超 出 了 排 洪 道 的 泄 洪 能 力 ,造 成 尾 矿 库 内 水 位 升 高 ,甚 至 出 现 漫 坝 现 象 ,严 重 威 胁 坝 体 安 全 。 有 时 拦 水 沟 不 能 很 好 地 发 挥 作 用 ,更 多 的 大 气 降 水 汇 入 到 尾 矿 库 中 ,大 大 超 过 了 尾 矿 库 系 统 的 排 泄 能 力 ,使 尾 矿 库 内 水 位 急 剧 上 升 ,严 重 影 响 了 尾 矿 坝 的 稳 定 性 。 3. 2  界 壳 支 撑 度 与 尾 矿 库 的 稳 定 性 分 析 尾 矿 库 系 统 界 壳 结 构 可 以 发 现 ,作 为 人 造 界 壁 的 尾 矿 坝 是 尾 矿 库 系 统 稳 定 性 的 薄 弱 区 段 ,由 于 尾 矿 坝 坝 体 是 由 力 度 很 低 的 尾 砂 构 成 ,其 抗 剪 强 度 很 低 ,当 施 加 于 其 上 的 载 荷 较 大 时 ,将 造 成 尾 矿 坝 失 稳 而 溃 坝 。 因 此 提 高 尾 矿 坝 强 度 ,即 界 壳 的 支 撑 度 是 关 键 。 ( 3)滑 坡 体 产 生 滑 坡 ,岩 土 进 入 尾 矿 坝 。 尾 矿 库 周 围 山 体 发 生 滑 坡 ,大 量 岩 土 进 入 尾 矿 库 ,挤 占 空 间 ,使 尾 矿 库 尾 砂 及 水 位 升 高 ,甚 至 产 生 漫 坝 现 象 。 可 以 建 立 尾 矿 库 内 水 的 动 态 平 衡 关 系 如 下 。 汇 入 尾 矿 库 的 水 然 而 ,就 尾 矿 坝 本 身 的 物 料 构 成 看 ,因 其 物 料 颗 粒 极 细 ,颗 粒 间 没 有 粘 结 力 或 粘 结 力 很 小 ,自 然 其 强 度 很 低 ,同 时 由 于 水 的 作 用 ,还 可 能 产 生 局 部 的 液 化 ,这 将 严 重 影 响 其 稳 定 性 。 因 此 ,提 高 尾 矿 坝 稳 定 性 可 以 从 以 下 几 个 方 面 考 虑 。 w i = s l 分 v l + s s 分 v s + s r 分 v r , (1)   渗 滤 排 出 的 水 (1)改 善 尾 矿 坝 结 构 。 特 别 是 在 细 粒 尾 矿 筑 坝 时 更 加 重 要 ,从 岩 土 工 程 实 践 中 总 结 出 的 加 筋 技 术 , 可 以 应 用 到 尾 矿 坝 的 加 固 中 ,文 献 [ 2 ]介 绍 了 细 粒 尾 矿 堆 积 坝 加 固 中 加 筋 技 术 的 应 用 与 力 学 分 析 。 (2)优 化 尾 矿 坝 形 状 。 尾 矿 所 受 载 荷 来 自 库 内 物 料 对 于 坝 体 的 作 用 ,作 用 方 向 基 本 与 坝 体 法 线 方 向 垂 直 ,因 此 ,如 果 将 尾 矿 坝 构 筑 成 内 弯 形 坝 ,从 力 学 分 析 可 以 发 现 ,将 可 以 提 高 坝 体 的 强 度 。 i i , w o = ∑ s o v o (2) ( 1)、 (2)式 中 , sl 为 拦 水 沟 破 漏 断 面 面 积 ; ss 为 进 砂 口 的 断 面 面 积 ; s 为 尾 矿 库 的 汇 水 面 积 ; v 、v 为 相 应 r l s i o 水 流 速 度 ; v 为 平 均 降 雨 量 ; s r 为 各 排 渗 口 的 断 面 面 i o 积 ; v 为 相 应 的 水 流 速 度 。 当 w i = w o ,系 统 汇 入 水 等 于 渗 滤 排 出 水 的 量 , 尾 矿 库 内 水 位 保 持 不 变 ; , 系 统 汇 入 水 大 于 渗 滤 排 出 水 的 量 , ( 3)降 低 坝 体 的 浸 润 线 高 度 。 大 量 研 究 表 明 , 114.CN 尾 矿 坝 浸 润 线 升 高 是 造 成 尾 矿 坝 失 稳 的 重 要 因 素 , 尾 矿 库 内 水 位 升 高 ;尾 矿 库 稳 定 性 变 差 ; < w , 系 统 汇 入 水 小 于 渗 滤 排 出 水 的 量 , 尾 矿 库 内 水 位 降 低 ;尾 矿 库 稳 定 性 增 强 。 . 1. 2  能 量 的 诱 发 与 破 坏 作 用 当 i o w > w WWW.KY 也 是 最 常 见 的 病 坝 根 源 ,因 此 采 取 措 施 提 高 坝 体 排 渗 能 力 ,降 低 浸 润 线 高 度 ,是 提 高 尾 矿 坝 常 用 的 手 段 。 当 w i o 3 4 结 语 尾 矿 坝 安 全 管 理 ,近 年 来 受 到 了 越 来 越 多 的 重 多 数 尾 矿 坝 是 在 子 坝 的 基 础 上 逐 步 堆 积 而 成 的 ,其 坝 体 是 由 尾 砂 构 成 ,其 抗 剪 强 度 很 低 ,当 施 加 于 其 上 的 载 荷 较 大 时 ,将 造 成 尾 矿 坝 失 稳 而 溃 坝 。 在 暴 雨 季 节 山 洪 冲 入 尾 矿 库 带 有 很 大 的 动 能 , 对 尾 矿 坝 产 生 冲 击 ;滑 坡 体 进 入 尾 矿 库 ,或 坡 体 的 巨 大 势 能 由 进 入 尾 矿 库 的 岩 土 通 过 尾 矿 库 内 未 完 全 沉 淀 的 尾 砂 作 用 于 尾 矿 坝 ,产 生 巨 大 的 冲 击 动 能 ;尾 矿 库 附 近 的 爆 破 作 业 所 产 生 的 震 动 以 引 起 介 质 产 生 加 速 度 的 方 式 将 能 量 通 过 尾 矿 和 水 作 用 于 尾 矿 坝 。 严 重 的 时 候 ,当 地 震 发 生 的 时 候 ,产 生 与 爆 破 相 同 的 作 用 机 理 ,只 是 能 量 更 大 。 视 ,通 过 分 析 影 响 尾 矿 库 稳 定 性 的 因 素 ,研 究 尾 矿 库 稳 定 性 动 态 变 化 情 况 ,对 于 尾 矿 库 安 全 管 理 有 重 大 的 指 导 意 义 。 参 考 文 献 1 曹 鸿 兴 . 系 统 周 界 的 一 般 理 论 ——— 界 壳 论 1北 京 :气 象 出 版 社 997 2魏 作 安 ,等 . 细 粒 尾 矿 堆 积 坝 加 固 设 计 与 研 究 1金 属 矿 山 , 2003 8) : 54~ 55 , 1 ( (收 稿 日 期 2005204210) 分 信 息 苑 分   拉 丁 美 州 准 备 重 新 谈 判 铁 矿 石 价 格 拉 丁 美 洲 贸 易 商 透 露 ,各 个 国 家 的 钢 铁 生 产 商 中 。 过 去 2个 星 期 ,拉 丁 美 洲 扁 平 材 离 岸 价 格 跌 了 60美 元 ,热 轧 卷 价 格 跌 至 500~ 520美 元 / t,冷 轧 卷 跌 至 600美 元 ,镀 锌 板 跌 至 700美 元 。 中 厚 板 现 货 价 格 也 跌 了 60美 元 至 440~ 450美 元 (FOB)。 准 备 联 合 起 来 ,重 新 谈 判 2005年 铁 矿 石 价 格 。 主 要 是 因 为 钢 铁 产 品 价 格 下 跌 ,而 且 还 有 进 一 步 下 跌 的 可 能 。 受 扁 平 材 生 产 商 游 说 ,正 式 的 谈 判 正 在 准 备 分 49分
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