一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法及系统

摘要

本发明涉及尾矿堆积坝勘测与稳定性评价领域，尤其是一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法及系统，其中，本发明的方法，包括如下步骤：针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器；利用钻头和取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土；检测尾矿砂土的土样原状性；根据土样原状性设定预设标准，并使用预设标准筛选尾矿砂土获得尾矿砂土样本；检测尾矿砂土样本的粒组组分；检测尾矿砂土样本的力学性质；通过粒组组分和力学性质评价目标尾矿堆积坝的稳定性。通过本发明可以掌握上游式尾矿堆积坝实际状态及其稳定性状态，从而为正确管理上游式尾矿堆积坝、处理尾矿事故、维护上游式尾矿堆积坝等提供可靠依据。

权利要求

1.一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器；

利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土；

检测所述尾矿砂土的土样原状性；

根据所述土样原状性设定预设标准，并使用所述预设标准筛选所述尾矿砂土获得尾矿砂土样本；

检测所述尾矿砂土样本的粒组组分，所述粒组组分包括组成尾矿砂土的颗粒直径大小和不同颗粒直径范围内尾矿砂土颗粒数目；

检测所述尾矿砂土样本的力学性质，所述力学性质包括尾矿砂土样本的粘聚力、摩擦强度和抗剪强度；

通过所述粒组组分和所述力学性质评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性；

所述检测所述尾矿砂土的土样原状性，包括如下步骤：根据所述取土器的结构预设尾矿砂土的特征，所述特征包括尾矿砂土的预设体积和预设表面积；

利用所述特征构建初始土样原状判定模型；

测量所述尾矿砂土获得实测体积和实测表面积；

根据所述实测体积、所述实测表面积结合所述初始土样原状判定模型初步判所述尾矿砂土的土样原状性；

测量不同深度的所述尾矿砂土的体应变；

利用尾矿砂土的体应变拟合尾矿砂土体应变‑深度回归曲线方程；

利用所述尾矿砂土体应变‑深度回归曲线方程再次判所述尾矿砂土的土样原状性；

所述初始土样原状判定模型，满足如下公式：

，

其中，表示尾矿砂土的初始土样原状度，表示尾矿砂土的实测表面积，表示尾矿砂土的预设表面积，表示尾矿砂土的实测体积，表示尾矿砂土的预设体积。

2.根据权利要求1所述的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，其特征在于，还包括如下步骤：模拟不同深度的尾矿砂土样本在不同温度下的冻胀状况；

测量所述尾矿砂土样本的含水量；

通过所述含水量结合所述冻胀状况获得保存温度；

设定所述保存温度从而保存所述尾矿砂土样本。

3.根据权利要求1所述的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，其特征在于，所述针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器，包括如下步骤：针对目标尾矿堆积坝模拟不同钻进技术的岩心采取成功率、岩心采取率、钻进操作难易程度和钻孔状况，所述不同钻进技术包括冲击钻进、反循环钻进、无泵反循环钻进、螺旋钻进和螺旋无泵反循环钻进；

根据所述岩心采取成功率、岩心采取率、钻进操作难易程度和钻孔状况选取最优钻进方式，并根据最优钻进方式选取对应的钻头；

针对目标尾矿堆积坝模拟取土器的取土面积、取土器的取土长度、取土器的取土方式与取土回收率的关系函数；

根据所述关系函数设计取土器最优参数，并根据所述最优参数选取对应的取土器。

4.根据权利要求3所述的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，其特征在于，所述利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土，包括如下步骤：在浸水线以上，利用钻头通过螺旋钻进打孔从而生成浅层尾矿采样点；

使用取土器采集浅层尾矿采样点中的尾矿砂土；

在浸水线以下，利用钻头通过螺旋无泵反循环钻进钻打孔从而生成深层尾矿采样点；

使用取土器采集深层尾矿采样点中的尾矿砂土。

5.根据权利要求1所述的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，其特征在于，所述尾矿砂土体应变‑深度回归曲线方程，包括：尾细砂体应变‑深度回归曲线方程： ；

尾粉砂体应变‑深度回归曲线方程： ；

尾粉土体应变‑深度回归曲线方程： ；

其中， 表示体应变值，表示尾矿砂土的深度。

6.根据权利要求1所述的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，其特征在于，所述通过所述粒组组分和所述力学性质评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性，包括如下步骤：根据所述粒组组分结合沉积规律生成颗粒堆积剖面图，所述颗粒堆积剖面图包括初期坝、堆积坝坡面、滩面、浸水线、第一颗粒区、第二颗粒区、第三颗粒区和蓄水区；

根据所述力学性质结合排放尾矿方式搭建固结堆积剖面图，所述固结堆积剖面图包括初期坝、堆积坝坡面、滩面、浸水线、第一固结区、第二固结区、第三固结区和蓄水区；

提取所述颗粒堆积剖面图中第一颗粒区、第二颗粒区和第三颗粒区的第一参数信息，所述第一参数信息包括颗粒分布面积大小、颗粒粒组组分和颗粒分布位置；

提取所述固结堆积剖面图中第一固结区、第二固结区和第三固结区的第二参数信息，所述第二参数信息包括固结的力学性质、同种固结方式的面积大小和同种固结方式的分布位置；

通过所述第一参数信息结合第二参数信息构建稳定性评价函数；

利用稳定性评价函数评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性；

所述稳定性评价函数，满足如下公式：

，

其中， ，表示目标尾矿堆积坝的稳定性，表示第一颗粒区的面积， 表示第二颗粒区的面积， 表示第三颗粒区的面积，表示第一固结区的面积， 表示第二固结区的面积， 表示第三固结区的面积，表示尾矿砂土样本的粘聚力，表示尾矿砂土样本的抗剪强度，表示尾矿砂土样本的受力修正量，表示尾矿砂土样本的摩擦强度系数， 表示第一固结区的面积中第一颗粒区的面积的占比，表示 归一化系数， 表示第二固结区的面积中第二颗粒区的面积的占比，表示 归一化系数， 表示第三固结区的面积中第三颗粒区的面积的占比，表示 归一化系数。

7.一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价系统，所述上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价系统适用于权利要求1‑6中任一项所述的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，其特征在于，包括：取土设备模块，所述取土设备模块用于针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器；

尾矿取样模块，所述尾矿取样模块用于利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土；

样本检测模块，所述样本检测模块用于检测所述尾矿砂土的土样原状性、粒组组分和力学性质；

样本筛选模块，所述样本筛选模块用于根据所述土样原状性设定预设标准，并使用所述预设标准筛选所述尾矿砂土获得尾矿砂土样本；

样本保存模块，样本保存模块用于保存所述尾矿砂土样本；

矿坝分析模块，所述矿坝分析模块用于通过所述粒组组分和所述力学性质评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性。

说明书

一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及尾矿堆积坝勘测与稳定性评价领域，尤其是一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法及系统。

背景技术

[0002] 选矿分选作业的产物中有用目标组分含量较低而无法用于生产的部分称为尾矿，由堆贮各种尾矿的场库所建的大坝称为尾矿堆积坝。尾矿堆积坝主要分为上游式尾矿堆积坝、中线式尾矿堆积坝和下游式尾矿堆积坝，对于中线式尾矿坝和下游式尾矿坝，堆积坝体部分均由人工控制分选的粗粒组尾矿构成，堆积坝体有基本明确的轮廓线，于库内造成堆（沉）积细粒尾矿与堆积坝体粗粒组尾矿间界线基本分明，而上游式尾矿坝堆积坝体部分与由流动矿浆中的尾矿颗粒自然沉积形成的尾矿联为一体，堆积坝体的粗粒组尾矿间界线基本模糊。同时，由于尾矿堆积时间短，粒间结构强度差，在钻进时孔壁易坍塌、钻进效益低，并且不同种类和不同结构构造的矿石，需要不同的选矿工艺流程，而不同的选矿工艺流程所产生的尾矿，在工艺性质上，尤其在颗粒形态和颗粒级配上，往往存在一定的差异，进一步给上游尾矿堆积坝勘测以及坝体稳定性评价造成了阻碍。因此，亟需一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法及系统来掌握上游式尾矿堆积坝实际状态及坝体的稳定性状态。

发明内容

[0003] 针对现有技术中的不足以及实际工程需要，第一方面，本发明提供了一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，包括如下步骤：针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器；利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土；检测所述尾矿砂土的土样原状性；根据所述土样原状性设定预设标准，并使用所述预设标准筛选所述尾矿砂土获得尾矿砂土样本；检测所述尾矿砂土样本的粒组组分，所述粒组组分包括组成尾矿砂土的颗粒直径大小和不同颗粒直径范围内尾矿砂土颗粒数目；检测所述尾矿砂土样本的力学性质，所述力学性质包括尾矿砂土样本的粘聚力、摩擦强度和抗剪强度；通过所述粒组组分和所述力学性质评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性。本发明针对目标尾矿堆积坝选取适宜的钻头和取土器进行实际的尾矿砂土采集，减弱了由于不同尾矿堆积坝的颗粒形态和颗粒级配上的差异导致的采样阻力，同时通过检测采集的尾矿砂土的土样原状性以保证后续对该尾矿砂土分析的准确性，通过由实际采集参数构建稳定性评价函数评价对应的目标尾矿堆积坝，确保了评价的质量。通过本发明可以掌握上游式尾矿堆积坝实际状态及其稳定性状态，这为正确管理上游式尾矿堆积坝、处理尾矿事故、维护上游式尾矿堆积坝等提供依据；并且本发明还可以及时发现上游式尾矿堆积坝的不正常的迹象，根据相关数据分析原因，从而及时采取措施防止上游式尾矿堆积坝事故发生。

[0004] 可选地，本发明的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，还包括如下步骤：模拟不同深度的尾矿砂土样本在不同温度下的冻胀状况；测量所述尾矿砂土样本的含水量；通过所述含水量结合所述冻胀状况获得保存温度；设定所述保存温度从而保存所述尾矿砂土样本。由于现场条件所限，成百上千件尾矿原状土须运至室内试验室试验，因尾矿砂土的粒间结构强度较低，长途运输中保持样品的原状性是一个需要克服的难题，本发明通过模拟尾矿砂土样本在不同温度下的冻胀状况进而获得适合尾矿砂土样本的保存温度，从而保存尾矿砂土样本。

[0005] 可选地，所述针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器，包括如下步骤：针对目标尾矿堆积坝模拟不同钻进技术的岩心采取成功率、岩心采取率、钻进操作难易程度和钻孔状况，所述不同钻进技术包括冲击钻进、反循环钻进、无泵反循环钻进、螺旋钻进和螺旋无泵反循环钻进；根据所述岩心采取成功率、岩心采取率、钻进操作难易程度和钻孔状况选取最优钻进方式，并根据最优钻进方式选取对应的钻头；针对目标尾矿堆积坝模拟取土器的取土面积、取土器的取土长度、取土器的取土方式与取土回收率的关系函数；根据所述关系函数设计取土器最优参数，并根据所述最优参数选取对应的取土器。

[0006] 可选地，所述利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土，包括如下步骤：在浸水线以上，利用钻头通过螺旋钻进打孔从而生成浅层尾矿采样点；使用取土器采集浅层尾矿采样点中的尾矿砂土；在浸水线以下，利用钻头通过螺旋无泵反循环钻进打孔从而生成深层尾矿采样点；使用取土器采集深层尾矿采样点中的尾矿砂土。

[0007] 可选地，所述检测所述尾矿砂土的土样原状性，包括如下步骤：根据所述取土器的结构预设尾矿砂土的特征，所述特征包括尾矿砂土的预设体积和预设表面积；利用所述特征构建初始土样原状判定模型；测量所述尾矿砂土获得实测体积和实测表面积；根据所述实测体积和所述实测表面积，结合所述初始土样原状判定模型初步判定所述尾矿砂土的土样原状性；测量不同深度的所述尾矿砂土的体应变；利用尾矿砂土的体应变拟合尾矿砂土体应变‑深度回归曲线方程；利用所述尾矿砂土体应变‑深度回归曲线方程再次判定所述尾矿砂土的土样原状性。

[0008] 进一步可选地，所述初始土样原状判定模型，满足如下公式：

[0009] ，

[0010] 其中，表示尾矿砂土的初始土样原状度，表示尾矿砂土的实测表面积，表示尾矿砂土的预设表面积，表示尾矿砂土的实测体积，表示尾矿砂土的预设体积。

[0011] 进一步可选地，所述尾矿砂土体应变‑深度回归曲线方程，包括：

[0012] 尾细砂体应变‑深度回归曲线方程： ；

[0013] 尾粉砂体应变‑深度回归曲线方程： ；

[0014] 尾粉土体应变‑深度回归曲线方程： ；

[0015] 其中，表示体应变值，表示尾矿砂土的深度。

[0016] 可选地，所述预设标准包括上界曲线方程和下界曲线方程；

[0017] 其中，上界曲线方程包括：

[0018] 尾细砂上界曲线方程： ；

[0019] 尾粉砂上界曲线方程： ；

[0020] 尾粉土上界曲线方程： ；

[0021] 下界曲线方程包括：

[0022] 尾细砂下界曲线方程： ；

[0023] 尾粉砂下界曲线方程： ；

[0024] 尾粉土下界曲线方程： ；

[0025] 其中，表示体应变值，表示尾矿砂土的深度。

[0026] 可选地，所述通过所述粒组组分和所述力学性质评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性，包括如下步骤：根据所述粒组组分结合沉积规律生成颗粒堆积剖面图，所述颗粒堆积剖面图包括初期坝、堆积坝坡面、滩面、浸水线、第一颗粒区、第二颗粒区、第三颗粒区和蓄水区；根据所述力学性质结合排放尾矿方式搭建固结堆积剖面图，所述固结堆积剖面图包括初期坝、堆积坝坡面、滩面、浸水线、第一固结区、第二固结区、第三固结区和蓄水区；提取所述颗粒堆积剖面图中第一颗粒区、第二颗粒区和第三颗粒区的第一参数信息，所述第一参数信息包括颗粒分布面积大小、颗粒粒组组分和颗粒分布位置；提取所述固结堆积剖面图中第一固结区、第二固结区和第三固结区的第二参数信息，所述第二参数信息包括固结的力学性质、同种固结方式的面积大小和同种固结方式的分布位置；通过所述第一参数信息结合第二参数信息构建稳定性评价函数，利用稳定性评价函数评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性。

[0027] 进一步可选地，所述稳定性评价函数，满足如下公式：

[0028] ，

[0029] 其中， ，表示目标尾矿堆积坝的稳定性， 表示第一颗粒区的面积， 表示第二颗粒区的面积，表示第三颗粒区的面积，表示第一固结区的面积， 表示第二固结区的面积， 表示第三固结区的面积，表示尾矿砂土样本的粘聚力，表示尾矿砂土样本的抗剪强度，表示尾矿砂土样本的受力修正量，表示尾矿砂土样本的摩擦强度系数，表示第一固结区的面积中第一颗粒区的面积的占比，为 归一化系数， 表示第二固结区的面积中第二颗粒区的面积的占比，为 归一化系数， 表示第三固结区的面积中第三颗粒区的面积的占比，为 归一化系数。

[0030] 第二方面，本发明还提供了一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价系统，所述上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价系统适用于第一方面所述的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，包括：取土设备模块，所述取土设备模块用于针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器；尾矿取样模块，所述尾矿取样模块用于利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土；样本检测模块，所述样本检测模块用于检测所述尾矿砂土的土样原状性、粒组组分和力学性质；样本筛选模块，所述样本筛选模块用于根据所述土样原状性设定预设标准，并使用所述预设标准筛选所述尾矿砂土获得尾矿砂土样本；样本保存模块，样本保存模块用于保存所述尾矿砂土样本；矿坝分析模块，所述矿坝分析模块用于通过所述粒组组分和所述力学性质评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性。本发明通过多个功能性模块协同合作，实现了对上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法的稳定实施，鲁棒性强，提升了本发明的实际效益和商业价值；同时也为正确管理上游式尾矿堆积坝、处理尾矿事故、维护上游式尾矿堆积坝等提供工具。

附图说明

[0031] 图1为本发明的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法流程图；

[0032] 图2为本发明的尾细砂体应变‑深度回归曲线图；

[0033] 图3为本发明的尾粉砂体应变‑深度回归曲线图；

[0034] 图4为本发明的尾粉土体应变‑深度回归曲线图，

[0035] 图5为本发明的尾矿砂土（尾细砂）筛选示意图；

[0036] 图6为本发明的尾矿砂土（尾粉砂）筛选示意图；

[0037] 图7为本发明的尾矿砂土（尾粉土）筛选示意图；

[0038] 图8为本发明的颗粒堆积剖面图；

[0039] 图9为本发明的固结堆积剖面图；

[0040] 图10为本发明的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价系统结构图；

[0041] 图11为本发明的高尾矿坝深部钻进取样设备结构示意图。

具体实施方式

[0042] 下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

[0043] 在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

[0044] 在一个实施例中，请参见图1，本发明提供了一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，包括如下步骤：

[0045] S1、针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器。

[0046] 在一个可选的实施例中，所述针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器，包括如下步骤：针对目标尾矿堆积坝模拟不同钻进技术的岩心采取成功率、岩心采取率、钻进操作难易程度和钻孔状况，所述不同钻进技术包括冲击钻进、反循环钻进、无泵反循环钻进、螺旋钻进和螺旋无泵反循环钻进；根据所述岩心采取成功率、岩心采取率、钻进操作难易程度和钻孔状况选取最优钻进方式，并根据最优钻进方式选取对应的钻头；针对目标尾矿堆积坝模拟取土器的面积比、取土器的管靴长度、取土器的取土方式与取土回收率的关系；根据所述关系设计取土器最优参数，并根据所述最优参数选取对应的取土器。

[0047] 具体地，在本实施例中，由于目标尾矿堆积坝在浸润线以上和浸润线以下的尾矿砂土性质差异大，故模拟不同钻进技术效果时将模拟条件分为浸润线以上和浸润线以下。

[0048] 针对浸润线以上尾矿层钻进时不加水和泥浆进行护壁，采用干钻钻进，不同钻进技术模拟详细的模拟结果如下表1：

[0049]

[0050] 通过表1中对浸润线以上的钻进技术模拟结果，在浸润线以上采集尾矿砂土时选择螺旋钻进式钻头，每回次进尺0.8m至1.0m。取原状土时用螺旋组合钻具将孔底8cm至15cm的残留土清干净，取土的深度及质量能保证。

[0051] 针对浸润线以下尾矿砂土呈饱和状态，孔壁坍塌、缩径比较严重，当钻进深度达到浸润下2m至3m时孔内应立即下入套管，用优质泥浆护壁后，不同钻进技术模拟详细的模拟结果如下表2：

[0052]

[0053] 通过表2中对浸润线以下的钻进技术模拟结果，在浸润线以下采集尾矿砂土时选择螺旋无泵反循环钻进式钻头，每回次进尺1.0m至1.2m。同时，在钻进过程中，应定时从孔底送泥浆洗孔，进入浸润线后钻探工作应连续进行，保证了孔壁稳定，岩芯采取率高，钻进效率高。

[0054] 具体地，在本实施例中，由于尾矿砂土沉积时间短、粒间结构强度差，通过取土器采集Ⅰ级原状尾矿砂土的难度大，因此针对目标尾矿堆积坝模拟取土器的面积比、取土器的管靴长度、取土器的取土方式与取土回收率的关系；根据所述关系设计取土器最优参数，并根据所述最优参数选取对应的取土器。

[0055] 针对取土器的面积比和取土器的管靴长度与取土回收率的关系：通过分别模拟面积比为14.8%、管靴长度为75mm的束节式动三轴取土器，面积比为14.8%、管靴长度为160mm的束节式动三轴取土器，面积比为17%、管靴长度为75mm束节式静三轴取土器和面积比为17%、管靴长度为160mm束节式静三轴取土器，压入长度为100mm至700mm的土中的取土回收率，获得对应的模拟结果，模拟结果如下表3：

[0056]

[0057] 由模拟结果可知，在压入土中的长度为100mm至700mm时，面积比大，取土回收率低，即对土的扰动越大。面积比越大的取土器，其壁厚越厚，即取土器的壁厚越薄，取土回收率较高。具体地，在本实施例中，将束节式动三轴取土器的壁厚改制成1.25mm，将束节式静三轴取土器改制成1.5mm。

[0058] 针对取土器的取土方式与取土回收率的关系，在本实施例中，对于堆积时间较长的尾粉质粘土、尾粉砂，标贯击数达25击至50击，用静压法取土有较大的困难，因此，分别对使用锤击法与静压法的取土器的取土回收率进行模拟。第一次试验用8磅重锤锤击取土器，击入40cm至60cm，在尾粉砂、尾细砂中约20击至40击，对面积比较大的束节式动三轴取土器/束节式静三轴取土器，锤击法较静压法取土称量的天然密度小5%至10%。第二次用改制的薄壁束节式动三轴取土器/薄壁束节式静三轴取土器，用63.5kg重锤击入30cm至40cm时，3击至5击，取土回收率达到95%，且此时锤击法获得的尾矿砂土的物理力学指标与静压法取土回收率基本一致，模拟结果如下表4：

[0059]

[0060] 因此，根据实验结果选择用63.5kg重锤击入30cm至40cm时，击数在3击至5击的取土方式。

[0061] 在本实施例中，根据以上模拟测试结果中的各个变量与取土回收率的关系，结合《原状土取样技术标准》设计取土器最优参数，具体地，取土器壁厚1.25mm至1.5mm，内间隙比为0%至1.02%，刃口角度8°，外间隙为0，面积比9.9%至15.38%，取土管长度为188mm至300mm，同时根据所述最优参数选取针对目标尾矿堆积坝的取土器。

[0062] S2、利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土。

[0063] 在一个可选的实施例中，根据表1和表2的测试结果，所述利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土，包括如下步骤：在浸水线以上，利用钻头通过螺旋钻进打孔从而生成浅层尾矿采样点；使用取土器采集浅层尾矿采样点中的尾矿砂土；在浸水线以下，利用钻头通过螺旋无泵反循环钻进钻打孔从而生成深层尾矿采样点；使用取土器采集深层尾矿采样点中的尾矿砂土。

[0064] S3、检测所述尾矿砂土的土样原状性。

[0065] 在一个可选的实施例中，所述检测所述尾矿砂土的土样原状性，包括如下步骤：根据所述取土器的结构预设尾矿砂土的特征，所述特征包括尾矿砂土的预设体积和预设表面积，预设表面积与取土器的取土管内径相关，预设体积与取土器的取土管内径和取土管长度相关。利用所述特征构建初始土样原状判定模型，所述初始土样原状判定模型，满足如下公式：

[0066] ，

[0067] 其中，表示尾矿砂土的初始土样原状度，表示尾矿砂土的实测表面积，表示尾矿砂土的预设表面积， 表示尾矿砂土的实测体积，表示尾矿砂土的预设体积；测量所述尾矿砂土获得实测体积和实测表面积，具体地，可以通过拍摄所述尾矿砂土的图片进行图片识别测量，获得通过取土器采取的尾矿砂土的表面积和体积。根据所述实测体积和所述实测表面积，结合所述初始土样原状判定模型初步判定所述尾矿砂土的土样原状性，初始土样原状性由土样原状度 表征，的取值范围在0到100%，土样原状度越高的尾矿砂土越适用于后续模型的搭建。测量不同深度的所述尾矿砂土的体应变，利用尾矿砂土的体应变拟合尾矿砂土体应变‑深度回归曲线方程，在本实施例中，根据尾矿砂土的粒组组分中颗粒间黏着度，将尾矿砂土分为尾细砂、尾粉砂和尾粉土，分别拟合不同深度的尾矿砂土的体应变获得三个回归曲线方程，包括：尾细砂体应变‑深度回归曲线方程： 、尾粉砂体应变‑深度回归曲线方程： 和尾粉土体应变‑深度回归曲线
方程： ，其中， 表示体应变值，表示尾矿砂土的深度，请参见图2至
图4，图2为尾细砂体应变‑深度回归曲线图，图3为尾粉砂体应变‑深度回归曲线图，图4为尾粉土体应变‑深度回归曲线图。利用尾矿砂土体应变‑深度回归曲线方程再次判所定述尾矿砂土的土样原状性。

[0068] S4、根据所述土样原状性设定预设标准，并使用所述预设标准筛选所述尾矿砂土获得尾矿砂土样本。

[0069] 在一个可选的实施例中，通过检测尾矿砂土的初始土样原状性和再次检测尾矿砂土的体应变与深度关系，在设定预设标准时，分为土样原状度C和尾矿砂土的体应变值两项预设标准进行设定（当满足两项预设标准时，即可适用于后续模型的搭建）：①在本实施例中，的取值范围在0到100%，土样原状度越高的尾矿砂土样本越适用于后续模型的搭建，具体地， 作为预设标准之一，取土器对采集的尾矿砂土的边缘可能会造成一定的变形因此会造成图像识别中对于实测体积和实测表面积的误差，但是这并不会影响中心的尾矿砂土样本对于实际的物理受力性质的表征。②根据深度与尾矿砂土的体应变的回归曲线方程再次判定土样原状性。由《岩土工程勘察规范》（GB50021‑2001）（2009年版）的条文说明中提出用体应变作为评价土试样扰动程度评定标准，利用埋深2米以下的尾矿砂土与深度的拟合回归曲线作为上界曲线方程和界曲线方程，在上界曲线方程和下界曲线方程对应的两条曲线划定范围内的体应变值对应的尾矿砂土样本可判定为几乎未扰动土，即回归曲线上表征的尾矿砂土样本不超出上界曲线和下界曲线的边缘，即满足此项预设标准，具体上界曲线方程、下界曲线方程和深度与尾矿砂土的体应变的回归曲线方程如下表5：

[0070]

[0071] 根据表5、图5、图6和图7，其中图5表示尾矿砂土（尾细砂）筛选示意图，图6表示尾矿砂土（尾粉砂）筛选示意图，图7表示尾矿砂土（尾粉土）筛选示意图，图中横坐标表示深度，纵坐标表示体应变值，黑点表示尾矿砂土样本，在上界曲线方程和下界曲线方程中间的黑点所表征的尾矿砂土样本即满足此项预设标准。

[0072] S5、检测所述尾矿砂土样本的粒组组分。

[0073] 所述粒组组分包括组成尾矿砂土样本的颗粒直径大小和不同颗粒直径范围内尾矿砂土颗粒数目。在一个可选的实施例中，尾矿砂土样本的粒组组分根据堆积聚集和粗细粒径具体可以分为粗粒区、较细粒区和细粒区，其中，粗粒区以尾砂类土为主，根据砂类土分类原则，也可进一步分出尾细砂、尾粉砂亚区；较细粒区以尾粉土为主；细粒区以尾粉质粘土为主，库尾局部可存在尾粘土的极细粒亚区。

[0074] 在另一个可选的实施例中，当尾矿粒度变细后，按宏观的粗细粒径分层、分区不满足要求时，根据堆积尾矿沉积规律，选择按某一界限粒径（如d50粒径）的变化范围来分层、分区。

[0075] S6、检测所述尾矿砂土样本的力学性质。

[0076] 所述力学性质包括尾矿砂土样本的粘聚力、摩擦强度和抗剪强度。其中，粘聚力包括尾矿砂土颗粒间的静电引力、范德华力、颗粒间的胶结以及颗粒间接触点的化合价键、尾矿砂土颗粒间存在相互作用力，其中尾矿砂土颗粒、水和电系统间的相互作用力最为普遍；粘聚力是尾矿砂土颗粒间的引力和斥力的综合。摩擦强度表示尾矿砂土颗粒间的滑动与咬合程度，具体包括尾矿砂土固体颗粒间的滑动摩擦强度以及咬合摩擦强度，由于尾矿砂土颗粒间不可能是平面接触的，因此颗粒间的交错排列、使得在剪切面的尾矿砂土颗粒会发生错动、转动和移位，在机械运动过程中伴随着尾矿砂土的体积变化、颗粒间的重新定向排列以及颗粒本身的损坏或断裂。抗剪强度即是通过粘聚力和摩擦强度表征的尾矿砂土的强度参数。

[0077] S7、通过所述粒组组分和所述力学性质评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性。

[0078] 在一个可选的实施例中，步骤S7包括如下步骤：

[0079] S71、根据所述粒组组分结合沉积规律生成颗粒堆积剖面图，所述颗粒堆积剖面图包括初期坝、堆积坝坡面、滩面、浸水线、第一颗粒区、第二颗粒区、第三颗粒区和蓄水区。

[0080] 在本实施例中，沉积规律表示在坝前地段因滩面坡度较陡，水动力作用相对较大，只有较粗粒级的尾矿颗粒先行沉积，较细和细粒级的尾矿颗粒被带向远处；中间段随滩面坡度逐渐变缓，水动力作用逐渐变小，较细粒级的尾矿颗粒逐渐沉积，而细粒级的尾矿沉积于水动力作用最小的库尾段及水下段。也就是说，尾矿浆液沿滩面沉积规律是：坝前段沉积粗粒为主的尾矿，中间变坡（坡度变缓）段沉积较细粒尾矿，库尾段沉积细粒尾矿和极细粒尾矿。依据尾矿浆液沿滩面沉积规律，随着沉积尾矿的增加，上游式尾矿坝堆积尾矿由坝坡向库形成了不同的粒组区，一般根据粒组可分为三个区：粗粒区(即第一颗粒区)、较细粒区(即第二颗粒区)和细粒区(即第三颗粒区)，由于不同粒级间的分区界线在初期坝顶以下的堆积区域内和初期坝顶以上的堆积坝段的堆积区域内是不同的，在初期坝顶以下的堆积区域内，分区界线与初期坝内坡同向，即倾向堆积坝内；而堆积坝段的堆积区域内分区界线与堆积坝外坡同向，即倾向堆积坝外。初期坝顶沉积滩面部位是这两个堆积区域内的分区界线的拐点，使得两个堆积区域内的分区界线以该拐点为起点呈不对称的剪刀口状向坝内延伸。初期坝高度越大，剪刀口状分区界线表现越显著。请参见图8，图8为颗粒堆积剖面图，其中，T1表示初期坝、T2表示堆积坝坡面、T3表示滩面、T4表示蓄水区、虚线表示为浸水线、A1表示粗粒区、A2表示较细粒区、A3表示细粒区，剪刀口状折线是由于两个堆积区域的分区界线的拐点，黑实线表示两个堆积区域的分区界线用于计算面积的拟合分界线。

[0081] S72、根据所述力学性质结合排放尾矿方式搭建固结堆积剖面图，所述固结堆积剖面图包括初期坝、堆积坝坡面、滩面、浸水线、第一固结区、第二固结区、第三固结区和蓄水区。

[0082] 由于按粒度进行分区未能体现堆积尾矿的固结形式和物理力学性质的差异性，存在片面性，会导致上游式尾矿堆积坝稳定性分析时缺乏针对性，还应考虑堆积尾矿的固结性状。在本实施例中，目标尾矿堆积坝的排放尾矿方式为分时段、分区段由人工控制的排放方式，每次排放尾矿的时间短，一般不超过3小时。这种排放尾矿工艺结合所述力学性质分析可知该尾矿堆积坝堆积尾矿在浸润线以上干滩面浅层堆积尾矿处于频繁交替的非饱和和饱和环境之中；而浸润线以上堆积坝坡面地段的堆积尾矿处于相对稳定的非饱和环境之中；浸润线以下的堆积尾矿则处于相对稳定的饱和环境之中，即浸润线以上堆积尾矿除自重固结外还存在淋滤固结和化学固结作用，而浸润线以下则以自重固结为主。根据排放尾矿方式，从尾矿堆积坝顶引垂线交于浸润线，以该垂线为界，结合滩面、堆积坝坡面、初期坝及浸润线，可将尾矿堆积坝堆积尾矿分为三个不同的水环境区，也即是三个不同的固结区域。分区描述如下：

[0083] 第一固结区：将坝顶垂线、库区干滩面和浸润线围成的区域划分为第一固结区，第一固结区是淋滤固结作用完成区和化学固结作用强化区，一般情况下第一固结区范围相对固定，随尾矿坝的逐渐加高，第一固结区整体相应移向上游。第一固结区为非饱和和饱和频繁交替区。

[0084] 第二固结区：将坝顶垂线、坝坡面、初期坝内坡面线和浸润线围成的区域为第二固结区，第二固结区是淋滤固结作用和化学固结作用稳定区，第二固结区由第一固结区逐渐转化形成，随尾矿坝的逐渐加高，第二固结区相应向上游扩大。第二固结区为非饱和区。

[0085] 第三固结区：浸润线以下的尾矿堆积区均属于第三固结区。第三固结区是自重固结作用区，而且在浸润线附近因水位升降变化还会形成一个化学固结削弱带。随尾矿坝的逐渐加高，第三固结区也相应向上游扩大。第三固结区为饱和区。

[0086] 请参见图9，图9为固结堆积剖面图，其中，T1表示初期坝、T2表示堆积坝坡面、T3表示滩面、T4表示蓄水区、虚线表示为浸水线、B1表示第一固结区、B2表示第二固结区、B3表示第三固结区（固结堆积模型和尾矿堆积模型中的初期坝、堆积坝坡面、滩面、浸水线处于相同位置，可以通过实地勘探测绘）。

[0087] S73、提取所述颗粒堆积剖面图中第一颗粒区、第二颗粒区和第三颗粒区的第一参数信息，所述第一参数信息包括颗粒分布面积大小、颗粒粒组组分和颗粒分布位置。

[0088] S74、提取所述固结堆积剖面图中第一固结区、第二固结区和第三固结区的第二参数信息，所述第二参数信息包括固结的力学性质、同种固结方式的面积大小和同种固结方式的分布位置。

[0089] S75、通过所述第一参数信息结合第二参数信息构建稳定性评价函数。

[0090] 在一个可选的实施例中，所述稳定性评价函数，满足如下公式：

[0091] ，

[0092] 其中， ，表示目标尾矿堆积坝的稳定性， 表示第一颗粒区的面积， 表示第二颗粒区的面积，表示第三颗粒区的面积，表示第一固结区的面积， 表示第二固结区的面积， 表示第三固结区的面积，表示尾矿砂土样本的粘聚力，表示尾矿砂土样本的抗剪强度，表示尾矿砂土样本的受力修正量，表示尾矿砂土样本的摩擦强度系数，表示第一固结区的面积中第一颗粒区的面积的占比，为 归一化系数， 表示第二固结区的面积中第二颗粒区的面积的占比，为 归一化系数， 表示第三固结区的面积中第三颗粒区的面积的占比，为 归一化系数。具体地，在本实施例中， ，， ，本发明通过稳定性评价函数，将目标尾矿堆积坝的稳定性进行了量
化，使得目标尾矿堆积坝的稳定性能够通过数字直观呈现。

[0093] S76、利用稳定性评价函数评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性。

[0094] 在一个可选的实施例中，步骤S76利用稳定性评价函数获得目标尾矿堆积坝的稳定性数值，即以固结堆积模型为基准，分别计算在颗粒堆积模型中第一固结区、第二固结区和第三固结区相同位置处对应的第一颗粒区、第二颗粒区和第三颗粒区的面积占比，并根据第一颗粒区、第二颗粒区和第三颗粒区的颗粒区分规则和受力分析，获得目标尾矿堆积坝的稳定性数值。具体地， ，即在第一固结区，固结效果强，，其中 ，即较细粒区的面积占比大，此时在第
一固结区区内淋滤固结作用强（淋滤固结作用主要与毛细吸力的作用相关，对较细粒区的尾粉砂和尾粉土尤为明显），即可以在很短的时间内使尾矿砂土的密实度增大，也就是经淋滤固结作用可在较短的时间内使目标尾矿堆积坝中浅部堆积尾矿砂土的具有较高的力学强度，此时的目标尾矿堆积坝稳定性高。

[0095] 本发明通过步骤S1至步骤S7实现了针对目标尾矿堆积坝选取适宜的钻头和取土器进行实际的尾矿砂土采集，减弱了由于不同尾矿堆积坝的颗粒形态和颗粒级配上的差异导致的采样阻力，同时通过检测采集的尾矿砂土的土样原状性以保证后续利用该尾矿砂土数据分析的准确性，通过由实际采集参数所构建的稳定性评价函数对应的目标尾矿堆积坝进行稳定性评价，确保了评价的质量。通过本发明可以掌握上游式尾矿堆积坝实际状态及其稳定性状态，为正确管理上游式尾矿堆积坝、处理尾矿事故、维护上游式尾矿堆积坝等提供依据；并且本发明还可以及时发现上游式尾矿堆积坝的不正常的迹象，根据相关数据分析原因，从而及时采取措施防止上游式尾矿堆积坝事故发生。

[0096] 在又一个实施例中，本发明的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，还包括如下步骤：

[0097] S11、模拟不同深度的尾矿砂土样本在不同温度下的冻胀状况；

[0098] S12、测量所述尾矿砂土样本的含水量；

[0099] S13、通过所述含水量结合所述冻胀状况获得保存温度；

[0100] S14、设定所述保存温度从而保存所述尾矿砂土样本。

[0101] 由于现场条件所限，成百上千件尾矿原状土须运至室内试验室试验，因尾矿粒间结构强度较低，长途运输中保持样品的原状性是一个需要克服的难题。在本实施例中，通过步骤S11至步骤S14保存尾矿砂土样本，具体地，通过模拟不同深度的尾矿砂土样本在不同温度下的冻胀状况。具体地，从试验钻孔中用取土器取出的尾矿砂土样本，连取土器一起密封后置于冰箱中，用冰箱温度计测得不同档的温度分别为‑12℃、‑18℃、‑20℃和‑24℃，并分别用这四档的温度进行冷冻模拟，经20天的连续观察。模拟结果表明：含水量低（＜40%）的尾细砂和尾粉砂在5日至6日的观测未发现冻胀，但尾矿砂土样本的表面结霜；含水量在40%左右的尾粉土和尾粉质粘土，在‑12℃冷冻2小时后见尾矿砂土样本的表面有微薄的霜点，切开尾矿砂土样本内部与未冻的尾矿砂土样本相似，冰冻3小时至4小时也未发现冻胀现象，但在‑24℃冰冻4小时后即发现冻胀现象，尾粉砂在‑24℃冰冻19小时后虽未冻胀，但样品中心已冻成硬块。同时，冰冻对尾矿砂土样本的重要影响因素是含水量。尾细砂和尾粉砂含水量2%至8%，小于其起始冻胀含水量，从冰冻的尾矿砂土样本未发现冻胀；而含水量大（＞8%）的尾粉土和尾粉质粘土冰冻几小时就发现冻胀，温度越低冻胀时间越短，在较短的时间(2小时至3小时)温度在‑12℃时只形成表面稍硬的“壳”，有利于室内制样。因此，对含水量较低的尾细砂、尾粉砂可以采用冰冻法保存及运输，冰冻的温度在‑12℃左右；而含水量较大的尾粉土、尾粉质粘土只能用保湿器保存以防止含水量的丧失，也不能采用冰冻法运输，运输中应有保湿防震装置，到试验室可在‑12℃情况下冰冻1小时至2小时，取出后在自然温度下解冻10‑30分钟即可使用。

[0102] 在一个实施例中，请参见图10，本发明还提供了一种上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价系统，所述上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价系统适用于第一方面所述的上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法，包括：取土设备模块，所述取土设备模块用于针对目标尾矿堆积坝选取钻头和取土器；尾矿取样模块，所述尾矿取样模块用于利用所述钻头和所述取土器采集目标尾矿堆积坝不同深度的尾矿砂土；样本检测模块，所述样本检测模块用于检测所述尾矿砂土的土样原状性、粒组组分和力学性质；样本筛选模块，所述样本筛选模块用于根据所述土样原状性设定预设标准，并使用所述预设标准筛选所述尾矿砂土获得尾矿砂土样本；样本保存模块，样本保存模块用于保存所述尾矿砂土样本；矿坝分析模块，所述矿坝分析模块用于通过所述粒组组分和所述力学性质评价所述目标尾矿堆积坝的稳定性。本发明通过多个功能性模块协同合作，实现了对上游式尾矿堆积坝勘测与稳定性评价方法的稳定实施，鲁棒性强，提升了本发明的实际效益和商业价值。同时这也为正确管理上游式尾矿堆积坝、处理尾矿事故、维护上游式尾矿堆积坝等提供工具。

[0103] 在一个可选的实施例中，取土设备模块选取了如下高尾矿坝深部钻进取样设备，该高尾矿坝深部钻进取样设备包括：钻进组件、砂土提升组件和驱动组件，所述钻进组件包括钻头、空心钻杆和取样筒，所述取样筒的一端和所述钻头固定连接，所述取样筒的另一端和所述空心钻杆固定连接，所述钻头沿中心线方向开有圆形通孔，所述钻头、空心钻杆和取样筒的轴线在同一条直线上，所述钻头、空心钻杆和取样筒内部连通；所述砂土提升组件包括提升螺杆，所述提升螺杆设置在所述空心钻杆内部，所述提升螺杆和所述空心钻杆转动连接；所述驱动组件用于驱动所述空心钻杆和所述螺杆旋转，所述空心钻杆和所述提升螺杆的旋转方向相反。该高尾矿坝深部钻进取样设备通过所述驱动组件带动所述钻进组件和所述砂土提升组件相反的方向旋转，所述钻进组件对尾矿坝进行旋转打孔，所述钻头在钻进的时候对尾矿的砂土进行旋转切割，尾矿砂土沿着钻头的中心通孔进入到所述取样筒中，当所述取样筒中的砂土填充满后，所述砂土进入到空心钻杆中，通过所述提升螺杆旋转把所述空心钻杆中砂土沿着所述空心钻杆提升到地面，所述取样筒中随时保留了最新钻取的砂土样品，在整个取样过程，只需要一次钻探取样，把钻孔和取样两个过程结合在一起，有效防止钻进中孔壁易坍塌问题。

[0104] 在本实施例中，请参见图11，所述钻进组件包括钻头401、空心钻杆402和取样筒403，所述取样筒403的一端和所述钻头401固定连接，所述取样筒403的另一端所述空心钻杆402固定连接，所述钻头沿中心线方向开有圆形通孔，所述钻头401、空心钻杆402和取样筒403的轴线在同一条直线上，所述钻头401、空心钻杆402和取样筒403内部连通；所述砂土提升组件包括提升螺杆501，所述提升螺杆501设置在所述空心钻杆402内部，所述驱动组件
6用于驱动所述空心钻杆402和所述提升螺杆501旋转，所述空心钻杆402和所述提升螺杆
501的钻进方向相反，通过所述驱动组件6带动所述钻进组件和所述砂土提升组件相反的方向旋转，所述钻进组件对尾矿坝进行旋转打孔，所述钻头401在钻进的时候对尾矿的砂土进行旋转切割，尾矿砂土沿着钻头401的中心通孔进入到所述取样筒403中，当所述取样筒403中的砂土填充满后，所述砂土进入到所述空心钻杆402中，通过所述提升螺杆501旋转把所述空心钻杆402中砂土沿着所述空心钻杆402提升到地面，所述取样筒403中随时保留了最新钻取的砂土样品，在整个取样过程，只需要一次钻探取样，把钻孔和取样两个过程结合在一起，有效防止钻进中孔壁易坍塌问题。

[0105] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。