云南卡房尾矿库固结试验与机理研究_杨天.pdf

收稿日期2019-09-29 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51874017， 51674018） 。 作者简介杨天 （1994） ， 男， 硕士研究生。通讯作者刘文连 （1964） ， 男， 总工程师， 正高级工程师， 硕士研究生导师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 云南卡房尾矿库固结试验与机理研究 杨天 1 刘文连 2 王修峰 3 费维水 3 李俊 11 （1. 昆明理工大学国土资源工程学院， 云南 昆明 650093； 2. 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司， 云南 昆明 650000； 3. 昆明理工大学建筑与土木工程学院， 云南 昆明 650000） 摘要随着国内矿山的开采规模不断扩大， 尾矿库的安全问题越来越受到关注， 而尾矿颗粒的固结程度又 直接影响着尾矿坝体的稳定性， 所以对其进行研究十分必要。以云南卡房尾矿库为例， 通过室内试验模拟该尾矿 库中尾粉砂及尾粉土的淋滤固结过程， 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。试验结果 表明 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。通过对尾矿颗粒微观 结构的观测和对水化学场的变异分析， 推演了卡房尾矿库的化学固结过程。通过对卡房尾矿多种固结作用机理进 行综合分析得出 卡房尾矿库存在自重固结、 淋滤固结、 化学固结等多种固结形式， 尾矿砂土的沉降及力学指标的 提高是3种形式共同作用的结果， 淋滤及化学固结作用往往发生在饱和非饱和状态交替的区域， 无交替状态的 区域则由自重固结主导； 淋滤固结对于浅部尾矿影响较大， 化学固结对深部尾矿影响大。上述分析对于尾矿颗粒 固结特性的理论研究及实践应用有一定的借鉴意义。 关键词尾矿库淋滤固结试验化学固结固结机理 中图分类号TD926文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-197-08 DOI10.19614/ki.jsks.202003029 Consolidation Test and Mechanism Study of Kafang Tailings Reservoir in Yunnan Province Yang Tian1Liu Wenlian2Wang Xiufeng 3 Fei Weishui3Li Jun12 （1. School of Land and Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China； 2. Kunming Research and Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co.， Ltd.， Kunming 650000， China； 3. School of Architecture and Civil Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650000， China） AbstractWith the continuous expansion of the mining scale of domestic mines， the safety of tailings reservoir has been paid more and more attention， and the degree of consolidation of tailings particles directly affects the stability of tailings dam， so it is of academic value and practical significance to study it.In this paper， taking Kafang tailings reservoir in Yunnan Province as an example， the leaching consolidation process of tailing silt and tailing silt in the tailings reservoir is simulated by laboratory test， and the influence of consolidation mode， leaching mode and leaching times on the consolidation degree of sand and soil is studied.The test results show that the settlement and shear test inds of the sand soil after the leaching of tailings liquid are higher and the degree of consolidation is stronger than that of the sand soil after the leaching of clear water； with the increase of single leaching time and total leaching times， the settlement of the sand soil will gradually increase， but the settlement rate will gradually decrease and eventually tend to be stable.In addition， the chemical consolidation process of Kafang tailings reservoir is deduced by observing the microstructure of tailings particles and analyzing the hydrochemical field.The comprehensive analysis of various consolidation mechanism of Kafang tailing show that there are various consolida- tion s such as self-weight consolidation， leaching consolidation and chemical consolidation in Kafang tailings reservoir. The settlement of tailing sand and the improvement of mechanical index are the result of joint action of the above three consol- idation s.Leaching and chemical consolidation often occur in the area of alternate saturated unsaturated state， the region of unsaturated unsaturated alternating state is dominated by self-weight consolidation.Leaching consolidation has a greater im- pact on shallow tailings， while chemical consolidation has greater influence on deep tailings.The above study results have cer- Series No. 525 March 2020 197 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 tain reference for the theoretical study and practical application of the consolidation characteristics of tailings. KeywordsTailings reservoir， Leaching consolidation test， Chemical consolidation， Consolidation mechanism 尾矿库是矿山工程的一个重要组成部分， 随着 我国工业的不断发展， 国内矿山开采规模不断扩大， 大量尾矿库的建设， 致使尾矿库的稳定性及安全问 题越来越受到关注。尾矿颗粒的固结特性对尾矿坝 体稳定性有着很重要的影响， 所以对其进行研究很 有必要。近年来， 众多学者通过对尾矿固结规律进 行研究， 得出了一些重要结论。刘文连等 ［1］通过对某 尾矿库尾矿砂土静力、 动力基本特性的研究， 建立了 3种固结作用静力抗剪强度中权重分配的数学表达 式； 曹净等 ［2-3］以马家田尾矿坝的岩土勘察及试验数 据为基础， 对其淋滤及化学固结作用进行了综合分 析评价， 得出了渗透力及毛细力作用下的淋滤固结 特征； 费维水 ［4］在太沙基固结理论的基础上， 进行了 尾矿坝不同阶段的固结应力分析， 认为垂向渗流淤 堵是导致尾矿库渗透系数产生差异的原因； 魏宁等 ［5］ 运用广义流变记忆理论建立了尾矿土体的非线性弹 黏弹本构模型， 并通过数值分析手段， 研究了尾矿 固结过程中孔隙水压力及位移随时间的变化规律及 对尾矿坝的影响； 颜学军 ［6］在尾矿沉积固结试验的基 础上， 探讨了尾矿排放浓度、 流量、 流速等因素对尾 矿坝稳定性的影响规律。此外， 不少学者也在尾矿 渗流分析 ［7-9］、 沉积规律［10-13］、 固结特性及规律［14-18］等 方面进行了大量卓有成效的研究。 通过对已有研究成果的总结归纳， 发现对尾矿 颗粒固结程度影响因素的试验研究较少。本研究通 过室内试验模拟尾粉砂及尾粉土的淋滤固结过程， 并控制淋滤时间、 淋滤次数、 淋滤液成分、 固结形式 等变量， 研究不同因素对尾矿固结程度的影响及变 化规律。同时， 通过对尾矿颗粒的微观结构观测及 水化学场变异分析来推演其化学固结过程。结合卡 房尾矿库特殊的 “环形交替放矿” 模式， 对其多种固 结机理进行综合分析， 为尾矿颗粒固结特性的理论 研究及实践应用提供有益参考。 1淋滤固结试验 1. 1试验装置及试样制备 本研究淋滤固结试验装置 ［19］主要由土样箱、 喷 淋设备、 集液设备三部分。①土样箱， 规格为 500 mm500mm600 mm （长宽高） ， 由木板黏结而 成， 后端挡板底部设泄水缝， 泄水缝内侧铺碎石起到 反滤层的作用， 防止淋滤液将尾矿颗粒带出， 土样箱 内侧标记红线以便测量沉降； ②喷淋设备， 蠕动泵规 格为3 L/min， 为保证淋滤液可被均匀喷淋在尾矿样 表面， 通过计算及调整， 最终确定喷头距土样箱顶约 30 cm； ③集液设备， 将泄水缝流出的淋滤液收集在集 液桶内进行简单过滤， 通过蠕动泵将过滤后的滤液 抽至喷淋设备进行循环喷淋。试验装置见图1。 卡房尾矿库浅部堆积物主要为尾粉砂 （埋深0～ 13 m） 及尾粉土 （埋深0.3～33.2 m） ， 其余地层堆积物 主要为黏土， 由于黏土堆积量较少， 且短期内淋滤固 结效果不明显， 所以本研究选取尾粉砂及尾粉土作 为试验对象。在卡房尾矿库区多个具有代表性的取 样点分别取尾粉砂、 土各250 kg， 密封保存运回实验 室， 剔除样品中的杂质后， 装入土样箱内。在密封条 件下静置数天， 使重塑尾矿样在自重应力作用下先 进行一定程度的固结沉降， 以排除自重固结作用对 淋滤试验的影响。 1. 2试验方法 淋滤固结作用强度受多种因素控制， 为研究淋 滤时间及淋滤液成分对其的影响， 设计了单一变量 的对照试验。试验方案为 将土样箱分成两组， 1～8 号箱装入尾粉砂试样， 9～16 号箱装入尾粉土试样。 将1、 2、 9、 10号土样箱用清水进行淋滤， 其余土样箱 用尾矿澄清液作为淋滤液， 以研究淋滤液成分对固 结作用的影响。1、 3、 9、 11 号土样箱每天控制淋滤 时间 8 min （约 10 L 淋滤液） ， 其余土样箱为 1 h （约 75 L淋滤液） ， 以研究淋滤时间及淋滤液流量对固结 作用的影响。同时对8号、 16号箱不进行处理， 作为 仅存在自重固结的对照组。通过对各土箱最终沉降 量的观测， 来区分其淋滤固结作用的强弱， 试验方案 的变量对照设置如表1所示。试验结束后在规定的 时间段内对尾粉砂及尾粉土分别进行取样， 并依照 相关规范 ［20-21］进行直剪试验测定其C、 φ值， 取样时 间见表2。 2试验结果及分析 依据上述方案进行试验后， 通过观测， 各土箱的 198 ChaoXing 2020年第3期杨天等 云南卡房尾矿库固结试验与机理研究 最终沉降量如表3所示。 2. 1淋滤时间及滤液成分对淋滤固结的影响 针对卡房尾矿库特殊的放矿形式， 本研究通过 反复淋滤， 从而模拟出符合现场情况的干湿交替的 氧化还原环境。为研究不同淋滤时间及淋滤液成分 对淋滤固结作用的影响， 对1、 2、 3、 4、 9、 10、 11、 12号 土样箱淋滤15 d后的最终沉降量及力学指标进行了 测试， 各土样箱最终沉降量之间的关系如图2所示。 直剪试验结果对比如图3和图4所示。 由于淋滤试验过程中表层尾矿容易受到扰动等 干扰因素的影响， 抗剪强度指标离散性较大， 因此在 不同土样箱之间的横向对比中本研究均使用取样深 度最深的40 cm处的尾矿试样进行对比分析。由图 2、 图3及图4可以看出 （1） 尾矿的淋滤固结程度与淋滤时间呈正相关。 淋滤时间为1 h的尾矿试样的最终沉降量与抗剪强 度指标均明显大于淋滤8 min时的取值， 尾粉砂黏聚 力C值1 h组较8 min组大68.3左右， 内摩擦角φ值 大13.3左右； 尾粉土的C值1 h组较8 min组大4.1 左右， 较φ值大5.7左右。说明尾矿淋滤时间越长， 尾矿的沉降量越大， 同时固结程度随之升高， 抗剪强 度指标也相应提高。 （2） 尾矿的淋滤固结程度与淋滤液的化学成分 也存在一定的关系。相较于用水作为淋滤液， 尾矿 澄清液组尾矿的沉降量与抗剪强度指标均更大。使 用尾矿澄清液进行淋滤时， 尾粉砂的黏聚力C、 内摩 擦角φ较使用水进行淋滤时分别大74.7、 16.2； 尾 粉土黏聚力C、 内摩擦角φ分别大31.3、 31.2。 （3） 淋滤液成分对尾矿沉降量的影响远小于淋 滤时间对其的影响， 且两者对尾粉砂的影响明显大 于尾粉土， 这是由于尾粉砂的密实度更小， 其淋滤固 199 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 结效果短期内更明显。 2. 2自重固结与淋滤固结影响效果对比分析 为研究固结形式对固结程度的影响。此次试验 单设8、 16号箱， 分别装入尾粉砂和尾粉土， 不进行任 何处理， 作为自重固结作用对照组。将5、 6、 7、 8号箱 与13、 14、 15、 16号箱进行对比， 淋滤固结与自重固结 影响下的最终沉降量对比如图5所示， 直剪指标 （黏 聚力C、 内摩擦角φ） 值对比见图6。 对比取样时间均为120 d的7、 8、 15、 16号土箱可 以看出 ①仅自重固结作用下的最终沉降量远小于 淋滤固结作用下的沉降量， 尾粉砂淋滤固结的沉降 量较自重固结大近 403， 尾粉土沉降量大 506 左 右； ②淋滤固结作用下的抗剪强度指标 （40 cm深度 处指标） 比自重固结作用下大， 尾粉砂在淋滤固结作 用下的C、φ值较自重固结分别大 60、 19.1， 尾粉 土的C、φ值分别大42.7、 5.5， 说明自重固结对抗 剪强度指标的影响远小于淋滤固结； ③ 5、 6、 7号土箱 最终沉降量分别为66.5 mm、 72 mm、 75.5 mm， 13、 14、 200 ChaoXing 2020年第3期杨天等 云南卡房尾矿库固结试验与机理研究 15号土箱最终沉降量分别为 41.5mm、 46.5 mm、 48.5 mm， 说明随着淋滤时间的增长， 最终沉降量也逐渐增 大， 两者呈正相关， 但增长速率逐渐减小。 2. 3单次淋滤固结过程分析 为研究尾矿的淋滤固结机理， 分别选取使用清 水作为淋滤液的2号及10号土样箱进行沉降数据采 集， 以排除淋滤液中化学成分对固结的影响， 绘制了 沉降量与淋滤时间的关系曲线图， 如图7所示。由图 7可知 在一个淋滤过程中， 尾粉砂、 尾粉土的沉降差 均呈现先回弹后沉降的趋势， 回弹量一般稳定在1～2 mm， 尾粉砂单日最大沉降量约 8 mm， 尾粉土约 4 mm， 回弹量与沉降量峰值均出现在第1 d， 之后随着 淋滤次数的增长， 单次回弹量与沉降量均逐渐减小， 并逐步趋于稳定。 2. 4尾矿颗粒微观结构观测 本研究采用SEM扫描电镜对不同埋深的尾矿颗 粒进行了5 μm微观结构观测， 结果见图8。分析图8 可知 尾矿颗粒及其整体结构呈现出条片状和羽毛 状， 粗颗粒间存在较多大孔隙且较为分散， 部分孔隙 被细颗粒所填充， 颗粒结构间多存在贯通孔隙与喉 道， 说明尾矿样具有较强的渗透性， 同时可以看出有 较多的絮状胶结物附着在颗粒表面或粘结于颗粒之 间， 形成团块结构。 3卡房尾矿砂土固结作用机理综合分析 卡房尾矿库为平地型环形堆坝尾矿库， 采用上 游法筑坝， 尾矿浆主要沿尾矿库四周的堆积坝坝顶 排放， 为 “环形交替放矿” 模式。独特的放矿形式导 致库区尾矿干滩面内会频繁且周期性地形成非稳定 渗流， 致使尾矿频繁处于饱和非饱和的交替循环 状态中。结合其矿液排放方式及堆积特点， 将卡房 尾矿坝进行了分区 （图9） ， Ⅰ区为干滩面与浸润线之 间区域， Ⅱ区为坡面与浸润线之间区域， Ⅲ区为浸润 线以下的区域。 3. 1淋滤固结作用 结合卡房尾矿库放矿形式及淋滤固结试验的 相关结论， 对尾矿的淋滤固结机理进行以下分析 当尾矿处于非饱和状态时， 颗粒之间存在水膜， 水 膜的毛细力使颗粒相互靠近， 从而趋于密实； 排放 尾矿液时， 浸润线不断提高， 尾矿逐步转向饱和状 态， 毛细力逐渐消失， 尾矿颗粒随之发生一定膨胀， 整体会显示出一定回弹； 随着饱和区逐渐扩大， 形 成了稳定的渗流场， 颗粒在渗流力的作用下开始发 生重排列， 部分较小颗粒在渗流场的裹挟下进入了 下层尾矿中； 停止排放后， 尾矿又逐渐转为非饱和 状态， 颗粒间又重新形成水膜， 毛细力开始发挥作 201 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 用， 最终在颗粒自重应力以及毛细力的共同作用下， 使得尾矿变得密实 （图10） ［3］。淋滤固结作用会使浅 部尾矿体出现较为明显的沉降， 增大密实度， 提高内 摩擦角φ ［1］。 3. 2化学固结作用 卡房尾矿库坝顶管道排出的尾矿液经过干滩面 的流淌， 其中部分尾矿液汇集在库区， 另一部分渗入 到干滩面以下的Ⅰ区， Ⅱ区会有极少的尾矿液渗入， 最终， 库区内的尾矿液通过Ⅲ区后经坝足以及排水 系统排出。不同区域的水化学分析结果见表4。由 表4可知 从库区到坝体外渗口及坡脚排水口， 尾矿 水的pH值从6.1增加到6.9。排水口的尾矿水中各离 子含量较库区变化不大， 这是由于排水口的尾矿水 是经库区排水系统排出， 并未通过尾矿坝内的渗流 场， 表明尾矿液化学元素含量的变化是由于其在渗 流场中发生了多种化学反应所致。 卡房尾矿液的流动方式使Ⅰ区形成了干湿频繁 交替环境， 该区尾矿长期处于饱和非饱和的氧化 还原交替状态。当尾矿液渗入时， 处于游离态的 Ca2、 Mg2、 SO42-等离子随着尾矿液一同渗入该区， 通 过大量化学反应最终形成了 CaSO42H2O （石膏） 、 MgSO4 H2O和CaCO3等硬化结晶物， 包裹在尾矿颗粒 表面并填充尾矿颗粒间的孔隙， 生成过程可表示为 CaSO4 2H2O CaSO4 2H2O ，（1） MgO H2SO4 MgSO4 H2O ，（2） Na2CO3 CaSO4 2H2O CaCO3 Na2SO4 2H2O .（3） 同时， 生产过程中会有大量的H2S和SO2等硫化 物排放， 这些硫化物会随着尾矿液下渗并使下层尾 矿处于酸性环境中。在酸性条件下， Fe3、 Al3浓度增 加， 发生反应使得Fe （OH） 3、 Al （OH）3等胶体增多并逐 渐沉淀而固化。通过多种化学反应而形成的硬壳体 物质及胶团物质会附着在尾矿上或填充在空隙中， 形成尾矿团块结构， 使尾矿的黏聚力C逐渐增加， 抗 剪强度提高， 从而使得尾粉砂、 尾粉土具有较好的结 构强度。 对3种固结作用进行分区分析可知 Ⅰ区处于饱 和非饱和交替区域， 在其浅部区域， 淋滤固结作用 最显著， 化学固结次之， 自重固结影响较小， 随着深 度不断增大， 化学固结作用效果会不断加强， 逐渐占 据主导； Ⅱ区的尾矿同样也经历过长期的化学硬化 胶结作用， 但随着尾矿坝逐渐堆积升高， 尾矿液无法 继续淋滤， 长期处于非饱和状态， 因此该区长期处于 较稳定的胶结状态； Ⅲ区长期处于饱和状态， 该区淋 滤固结作用消失， 化学固结作用也很微弱。因此， Ⅱ 区及Ⅲ区的主要固结形式为自重固结。 4结论 （1） 尾矿的淋滤固结程度与淋滤时间呈正相关。 淋滤时间越长， 沉降量越大， 尾矿力学指标越好， 固 结程度越强。淋滤固结程度与淋滤液的化学成分也 存在一定的关系， 使用尾矿澄清液比清水固结程度 更高， 黏聚力C、 内摩擦角φ取值也随之提高。在单 次淋滤固结过程中， 尾粉砂、 尾粉土的沉降差均呈现 先回弹后沉降的趋势， 回弹量与沉降量峰值均出现 在第1 d， 随着淋滤次数的增加， 单次回弹量与沉降量 均逐渐减小并最终趋于稳定。 （2） 卡房尾矿库的化学固结过程主要是尾矿液 中的Ca2、 Mg2、 SO 2 - 4 等离子发生化学反应从而形成 CaSO42H2O （石膏） 等硬壳体。由于尾矿液呈酸性， 202 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ 在酸性环境下， 一方面硬化结晶物溶解， 孔隙减小， 使得尾矿沉降量增大， 另一方面Fe3、 Al3继续反应生 成Fe （OH） 3、 Al （OH）3等胶体物质并逐步沉淀下来。 （3） 对卡房尾矿砂土固结机理的分析认为 卡房 尾矿库存在自重固结、 淋滤固结、 化学固结等多种固 结形式， 尾矿砂土的固结效果和力学指标的提高是3 种形式共同作用的结果。淋滤固结及化学固结作用 主要发生在饱和非饱和的交替环境下， 淋滤固结 对尾矿内摩擦角φ影响较大， 化学固结对黏聚力C影 响较大， 自重固结相对于二者影响较小。 （4） 对尾矿固结作用进行分区研究， 认为Ⅰ区长 期处于饱和非饱和的氧化还原交替状态， Ⅱ区尾 矿长期处于非饱和的氧化状态， Ⅲ区尾矿长期处于 饱和的还原状态。淋滤及化学固结作用主要发生在 Ⅰ区， 浅部淋滤固结作用较强， 深部化学固结作用较 强； Ⅱ区及Ⅲ区淋滤及化学固结作用十分微弱， 主要 固结形式为自重固结。 参 考 文 献 刘文连， 张晓玲， 闫鼎熠， 等.某大型尾矿库坝体勘察新技术及 尾矿砂土工程特性初步研究 ［J］ .工程地质学报， 2004， 12 （S1） 523-528. 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