原状铁尾矿砂工程性质研究_甘德清.pdf

原状铁尾矿砂工程性质研究 甘德清 1， 2 杨曦 1， 2 张云鹏 1， 2 冯志楼 1， 2 （1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063009； 2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河北 唐山 063009） 摘要细粒含量是影响尾矿砂的工程性质的重要因素， 目前的研究成果均主要集中于特定粒径范围的细砂 含量对砂土强度特征的影响， 对原状尾矿砂的工程性质研究较少。为了研究原状尾矿砂的空间级配特征、 孔隙比 变化特征、 渗透特性和力学性质， 通过现场钻孔取样、 筛分试验、 常规物性试验、 渗透试验、 快剪试验和不排水三轴 试验， 确定了0.075 mm以下细粒含量对上述性质的影响。研究表明 0.075 mm以下细粒含量随钻孔深度与距子坝 距离增加而升高， 且和分维值之间具有较高的相关性； 30左右的0.075 mm以下细粒含量是原状尾矿砂工程性质 的分界点。当0.075 mm以下细粒含量小于30时， 随着细粒含量的增加， 孔隙比减小， 黏聚力增大， 内摩擦角减小， 渗透系数快速减小； 当0.075 mm以下细粒含量大于30时， 随着细粒含量的增加， 孔隙比增大， 黏聚力减小， 渗透系 数缓慢减小。同时， 随着细粒含量的增加， 水平渗透系数与垂直渗透系数差值逐渐减小。0.075 mm以下细粒含量 的增加， 是引起尾矿砂工程性质发生变化的主要原因， 其临界值在0.075 mm以下细粒含量30左右。在尾矿坝建 造过程中， 控制0.075 mm以下细粒含量在30左右， 有利于尾矿坝稳定。 关键词原状尾矿细粒含量颗粒级配孔隙特征渗透系数力学性质 中图分类号TD926文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-195-09 DOI10.19614/ki.jsks.201906035 Study of Engineering Properties of Undisturbed Iron Tailings Gan Deqing1， 2Yang Xi1， 2Zhang Yunpeng1， 2Feng Zhilou1， 22 （1. College of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063009， China； 2. Hebei Provincial Key Laboratory of Mine Development and Safety Technology， Tangshan 063009， China） AbstractFine particle content is an important factor affecting the engineering properties of tailings. The current re- search results mainly focus on the influence of strength characteristics of fine content in specific particle size range. But the en- gineering properties of undisturbed tailings have not been studied. In order to study the spatial gradation characteristics， pore ratio variation characteristics，permeability characteristics and mechanical properties of undisturbed tailings，on-site drilling sampling，screening test，conventional physical property test，penetration test，fast shear test and undrained triaxial test are operated. The effect of the fine particle content below 0.075 mm on the above properties has been found. The research shows that the content of fine particles below 0.075mm increases with the distance to the dam，and has a high correlation with the fractal dimension. About 30 of the fines content below 0.075 mm is the demarcation point of the engineering properties of the original tailings. When the content of particles below 0.075 mm is less than 30， as the content of fine particles increas- es，the void ratio decreases，the cohesive force increases，the internal friction angle decreases，and the permeability coeffi- cient decreases rapidly；when the content of particles below 0.075 mm is greater than 30，as the grain content increases， the void ratio increases，the cohesive force decreases，and the permeability coefficient decreases slowly. At the same time， with the increase of fine particle content， the difference between the horizontal and vertical permeability coefficients decrease. The threshold of the fine particle content below 0.075 mm is approximately 30 according to the difference in contact state. During the construction of the tailings dam， control the fine content below 0.075 mm to about 30， which is conducive to the stability of the tailings dam. KeywordsUndisturbed tailings， Fine particle content， Grain size gradation， Pore characteristics， Permeability coeffi- cient， Mechanical properties 收稿日期2019-04-20 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51774137） ， 国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0804609） ， 河北省研究生创新资助项目 （编号 CXZZBS2018126） 。 作者简介甘德清 （1962） ， 男， 教授， 博士， 博士生导师。通讯作者杨曦 （1991－） ， 男， 博士研究生。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 195 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 我国尾矿坝以上游式为主， 其尾矿颗粒粒度在 空间上的分布存在差异， 这导致尾矿坝体不同位置 处的尾矿砂呈现出不同的力学性质和渗透特性。目 前， 针对尾矿砂相关工程性质的研究较少， 若将砂土 的工程性质研究经验应用于尾矿砂， 必将导致相关 工程计算的误差。因此， 开展不同细粒含量尾矿砂 的工程性质研究具有较大的理论意义和现实价值。 目前， 国内外不少专家学者已经开展了对细粒 尾矿砂的研究工作。刘雪珠 ［1］、 朱建群［2］、 衡朝阳［3］、 张超 ［4］等对不同黏粒含量的砂土进行动力性能试验 研究， 得到了砂土动强度与黏粒含量之间的关系。V. T.A.Phan等 ［5］对粉粒含量在0～60范围内的粉砂 进行固结不排水三轴试验， 确定了粉砂的临界粉粒含 量为50。张超等 ［6］对细粒含量对尾矿材料液化特 性的影响进行了研究， 结果表明， 细颗粒含量为35 时， 铜矿类尾矿材料的抗液化性能最佳。S.Prakash和 P.Dakoulas ［7］对粉砂混合土的抗液化强度进行研究后 发现， 细粒含量增加会导致抗液化强度的降低。以 上研究结果表明， 细粒含量对砂土的影响十分复杂， 其性状并不稳定 ［8］， 由此导致的试验结果也有较大变 化， 有进一步研究的必要。 国内外众多专家学者的研究成果均主要集中于 特定粒径范围的细砂含量对砂土强度特征的影响， 对原状尾矿砂的工程性质研究较少。本文通过在某 铁矿尾矿坝现场钻探取样， 对原状尾矿砂的空间级 配特征、 孔隙比变化特征、 渗透特性和力学性质进行 了分析， 得到了不同细粒含量下原状尾矿砂的工程 性质规律。 1细粒原状尾矿砂级配与孔隙特征分析 1. 1不同深度原状尾矿砂级配分析 在某铁矿尾矿库内不同位置处进行钻探取样， 得到不同深度处尾矿砂级配特征如表1所示 （ZK为 “钻孔” 编号， SD为 “深度” 编号； ZK1、 ZK4、 ZK2和ZK3 距子坝距离依次为20 m、 40 m、 60 m和80 m） 。 从表1可以看出， 在尾矿砂不断沉积的过程中， 随着深度加大， 粉粒与黏粒质量百分比 （0.075 mm以 下颗粒质量百分比） 均呈不断增大的趋势。 1. 2不同深度原状尾矿砂分形特征分析 应用分形数学理论可以对尾矿砂的级配特征进 行较为准确的表示。当不同粒径的尾矿砂采用质量 分布函数表示时， 则有 Pd md m0 ，（1） 式中，Pd为粒径d以下尾矿砂试样的质量通过率； md为粒径d以下的尾矿砂试样的质量；m0为尾矿砂 试样的总质量。 尾矿砂试样的颗粒分形公式为 196 ChaoXing 甘德清等 原状铁尾矿砂工程性质研究2019年第6期 Pd d 3-D -d 3-D min d 3-D max -d 3-D min ，（2） 式中，dmin为最小粒径，dmax为最大粒径， D为分维值。 相对于有效粒径， 尾矿砂的最小粒径可以忽略， 则上式变为 Pd ■ ■ ■ ■ ■ ■ d dmax 3-D ，（3） 对上式两边取对数， 则有 lgPdC13-Dlgd，（4） 式中，C1为回归参数， D为分维值。 尾矿砂的孔隙大小与分布特征直接影响到尾矿 砂的结构特征， 而尾矿砂的颗粒直径分维值能反映 其孔隙结构特征。因此， 尾矿砂的粒径分布特征直 接影响到其孔隙结构特征 ［9， 10］。 对不同孔位的尾矿砂分维值进行计算， 结果如 图1～图3所示。各尾矿砂试样的分维值随着深度增 加而增加， 这与0.075 mm以下尾矿砂细粒含量随深 度增加变化趋势相似。 对不同孔位的尾矿砂试样分维值与0.075 mm以 下细粒含量进行拟合， 结果如图4～图6所示。可以看 出， 分维值与0.075 mm以下细粒含量有较高的拟合 度， 分维值随着细粒含量的增加而不断增大。 1. 3孔隙特征分析 1. 3. 1不同级配尾矿砂孔隙特征分析 在埋深相同、 距离子坝不同距离处， 取尾矿砂原 状样进行性质分析， 结果如表2所示 （ZK为 “钻孔” 编 号， SD为 “深度” 编号， JL为 “取样点到子坝水平距离” 编号。 ） 。 从表2可以看出， 深度相同时， 0.075 mm以下的细 粒含量均随着距离子坝距离的增大而逐渐增大。 对埋深相同、 距离子坝不同距离处， 取尾矿砂原 状样进行颗粒分布与分维值计算， 图7～图9所示为不 197 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 同深度时孔隙比随分维值的变化趋势。 从图7～图9可以看出 当埋深为10 m和20 m时， 随着分维值的增大， 尾矿砂原状样的孔隙比逐渐减 小； 但是， 当埋深为30 m时， 随着分维值的增大， 尾矿 砂原状样的孔隙比逐渐增大。这主要是由于随着埋 深的增大， 0.075 mm以下的细颗粒含量不断增加， 使 尾矿砂原状样的孔隙比发生了变化。即当0.075 mm 以下的细颗粒含量小于30或分维值小于2.6左右 时， 随着0.075 mm以下的细颗粒含量的增加， 尾矿砂 原状样的孔隙比逐渐减小； 当0.075 mm以下的细颗 粒含量大于30或分维值大于2.6左右时， 尾矿砂原 状样的孔隙比随着0.075 mm以下的细颗粒含量的增 加而增加。出现这种现象， 主要是粗颗粒与细颗粒 的接触与排列方式不同导致的 ［11， 12］。在细颗粒较少 时， 主要由粗颗粒起骨架支撑作用， 细颗粒散乱填充 于粗颗粒之间的孔隙， 使尾矿砂孔隙比随着细粒含 量的增加而降低。当细颗粒含量达到一定量时， 粗 细颗粒之间充分接触， 粗颗粒完全被细颗粒包裹， 粗 细颗粒有序地排列在一起， 此时尾矿砂孔隙比主要 受细颗粒影响。 1. 3. 2不同固结压力下尾矿砂孔隙特征分析 表3为干密度均为2.00 g/cm3时， 尾矿砂原状试 样的粒级组成情况。1、 2、 3和4号试样分别取自距离 子坝10 m、 20 m、 30 m和40 m处。 对表3中尾矿砂原状样进行固结试验， 得到不同 固结压力下孔隙比变化曲线， 如图10所示， 压缩系数 198 ChaoXing 2019年第6期甘德清等 原状铁尾矿砂工程性质研究 与压缩模量如表4所示。 从图10可以看出 0.075 mm以下细粒含量对尾 矿砂原状试样的孔隙比有较大影响； 随着固结压力 的增加， 尾矿砂原状试样的孔隙比均逐渐减小， 整体 趋势相似。 分析表4可知 0.075 mm以下细粒含量对压缩系 数与压缩模量均有较大影响； 当-0.075 mm粒级含量 小于30时， 随着-0.075 mm粒级含量的增加， 压缩 系数减小， 压缩模量增加； 但是， 当-0.075 mm粒级含 量大于30时， 即使埋深增大， 却呈现压缩系数增大、 压缩模量减小的情况。这与尾矿砂原状样孔隙比 随-0.075 mm粒级含量的变化趋势相似。压缩性质 的变化也主要是由于粗细颗粒之间接触与排列方式 的改变而引起的。细颗粒较少时， 其散乱分布于粗 颗粒之间， 阻碍了粗颗粒的骨架作用， 使得尾矿砂的 抗压强度较低。而当细颗粒含量达到一定程度时， 粗细颗粒充分接触， 有序排列， 细颗粒起主要作用， 故抗压强度升高。 2不同细粒含量原状尾矿砂渗透特性分析 取固结状态相近的尾矿砂原状样进行渗透试 验， 得到渗透数据如表5所示。试样1、 2、 3、 4、 5和6 号分别取自距离子坝20 m、 40 m、 60 m、 90 m、 120 m 和150 m处。 从表5可以看出 随着-0.075 mm粒级含量的增 加， 渗透系数逐渐减小， 但是， 当-0.075 mm粒级含量 达到30左右时， 渗透系数减小的趋势逐渐变缓。 对尾矿砂原状样进行水平渗透系数测量， 发现 其水平渗透系数多大于垂直渗透系数， 这主要是 由于尾矿砂原状样存在分层结构 （图 11） 所致。 当-0.075 mm粒级含量小于30时， 其水平渗透系数 与垂直渗透系数相差较大； 当-0.075 mm粒级含量超 过30时， 则相差较小。尾矿砂水平渗透系数较垂直 渗透系数大， 细粒含量较少时， 这种现象尤为明显， 这主要是由于尾矿砂沉积过程中会形成粗细相间的 一定层状结构， 水平渗透时， 会在粗颗粒处形成优势 渗透通道， 造成水平渗透系数增大。但是， 当细粒含 量增加时， 细粒会填充于粗粒之间的孔隙， 堵塞渗流 通道， 使得水平渗透系数与垂直渗透系数之间的差 距逐渐减小。 3不同细粒含量原状尾矿砂力学性质分析 3. 1不同细粒含量原状尾矿砂力学特征 为对原状尾矿砂力学性质进行分析， 取埋深相 同固结状态相似的原状尾矿砂试样进行剪切试验， 结果如表6所示。ZJ1距子坝距离为10 m， ZJ2-ZJ8依 199 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 次增加10 m。 由表6可知 随着距离子坝距离的增加， -0.075 mm粒级含量逐渐增加， 在尾矿排放过程中， 由于粗 颗粒先于细颗粒沉淀， 故距离子坝越远， 细粒含量越 多； 当-0.075 mm粒级含量达到28左右时， 尾矿砂 试样黏聚力的变化趋势出现转折； 当-0.075 mm 粒 级含量小于28.1时， 黏聚力随-0.075 mm粒级含量 的增加而增大； 当-0.075 mm粒级含量大于28.1时， 黏聚力随-0.075 mm粒级含量的增加而减小； 内摩擦 角随-0.075 mm粒级含量增加而先减小后增大， 但 是， 当-0.075 mm粒级含量大于18.4时， 内摩擦角变 化出现波动， 转折点不明显。当细粒含量较少时， 尾 矿砂主要表现出粗砂的力学性质，， 当细粒含量较高 时， 则表现出黏土的力学性质。 3. 2不同细粒含量重塑尾矿砂力学特征 3. 2. 1强度特征 为对尾矿砂的力学性质进行进一步研究， 对干 密度为2.01 g/cm3的尾砂开展不排水三轴试验， SZ1- SZ4距子坝距离依次为20 m、 40 m、 60 m和80 m， 三轴 试验曲线如图12所示， 其抗剪强度指标如表7所示。 200 ChaoXing 结合表7与图12可知 在低围压情况下， 随着细 粒含量的增加， 剪切力峰值先增加后减小， 这主要是 由于细粒较少时， 粗粒之间咬合较强， 承载了较大的 载荷， 随着细粒含量的逐渐增加， 尾矿砂整体级配趋 于优良， 颗粒之间咬合得更加紧密。但是， 当细粒含 量大于30时， 尾矿砂以细粒为主， 粗颗粒被细颗粒 包裹， 级配区域不良， 颗粒之间咬合力减弱， 使得剪 切峰值下降。在围压增加时， 细颗粒夹杂在粗颗粒 之间， 在围压作用下较容易损伤， 并破坏原有的强力 链， 形成弱力链网络， 造成剪切强度的下降。 不排水三轴试验测得的黏聚力和内摩擦角变化 趋势与抗剪试验结果变化趋势相似； 随着-0.075 mm 粒级含量的增加， 黏聚力增大， 内摩擦角减小； 当- 0.075 mm粒级含量达到30左右时， 随着-0.075 mm 粒级含量的增加， 黏聚力减小， 内摩擦角增大。 3. 2. 2变形特征 图13为尾矿砂试样三轴试验曲线图。 2019年第6期甘德清等 原状铁尾矿砂工程性质研究 由图13可知， 尾矿砂试样在低围压条件下有一 定应力软化现象， 但是随着围压的升高， 有逐渐向应 变硬化方向发展的趋势。抗剪切强度增加， 屈服点 后移。 4原状尾矿砂工程性质变化机理分析 0.075 mm以下细粒含量 （FC） 是影响粗细粒混合 料工程性质的重要因素， 为对其进行客观描述， The- vanayagam等 ［13-15］提出了颗粒接触状态的概念。粗细 粒混合料由粒径不同的粗细粒组成， 粗细颗粒含量 不同时， 其接触状态也不相同， 进而其工程性质也会 产生变化。根据其接触状态的不同， 可以分为5种情 况 ［［15］］ （如图14所示） ①混合料由粗颗粒构成， 粗颗粒 之间直接接触， 即混合料为粗粒土； ②0.075 mm以下 细颗粒略有增加时， 粗颗粒仍直接接触， 其孔隙由细 颗粒填充， 但并未填满； ③0.075 mm以下细颗粒含量 增加到特定值时， 细颗粒将粗颗粒之间的空隙填满， 此时， 混合料颗粒处于临界接触状态， 对应的FC即为 阈值细粒含量 FCth（threshold fines content） ； ④0.075 201 ChaoXing mm以下细颗粒含量超过FCth， 粗颗粒不再直接接触； ⑤混合料完全由0.075 mm以下细颗粒组成， 细颗粒 直接接触， 即混合料为细粒土。 骨架孔隙比esk ［16， 17］指土体骨架颗粒间的空隙体 积与土体骨架颗粒体积之比， 常被用来描述混合料 骨架颗粒的接触状态， 细颗粒含量不同时， 骨架孔隙 比的计算方法也不相同。当细颗粒含量较少时， 混 合料为类砂粒土， 则esk的表达式为如式 （5） 所示 esk eFC 1-FC ，（5） 式中，e为土体空隙体积与土体集合体体积之比，FC 为0.075 mm以下细颗粒含量。 当细颗粒含量较少时， 混合料为类细粒土， 则esk 的表达式为 esk e FC ，（6） 因此， 对于不同FC值情况下的砂土混合料， 一般 都存在着一个FCth（threshold fines content） ［18］， 当FC 小于FCth时， 混合料为类砂粒土， 当FC大于FCth时， 混合料为类细粒土。而类砂土与类细粒土的工程性 质相差甚远， 确定FCth值是区分砂类土颗粒接触状态 进而确定其工程性质变化节点的重要手段。Rahman 等 ［24］提出了计算 FCth的经验公式， 具体公式如下 FCth0.40 ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 1expα-βx 1 x ，（7） 式中，α和β分别取0.50和0.13， xD10/d50， D10为纯砂粒 土的有效粒径， d50为纯细粒土的平均粒径。 在细粒含量较少时， 粗粒起到骨架支撑作用， 细 粒夹杂在粗粒之间， 粗粒之间咬合接触， 尾矿砂的工 程性质与砂土类似。当细粒含量达到一定量时， 细 粒将粗粒包裹起来， 细粒和粗粒有序排列在一起。 此时， 尾矿砂的工程性质与黏土类似。 对尾矿砂数据的FCth进行计算， 结果均在30 左右 （表8） ， 与试验结果相吻合。0.075 mm以下细粒 含量的增加， 是引起尾矿砂工程性质发生变化的主 要原因， 其临界值大概在30左右。 5结论 （1） 对尾矿坝不同空间位置处的尾矿砂进行颗 粒分析， 确定了0.075 mm以下细粒含量与颗粒分形 特征及孔隙比的关系。当0.075 mm以下的细颗粒含 量小于30或分维值小于2.6左右时， 随着0.075 mm 以下的细颗粒含量的增加， 尾矿砂原状样的孔隙比 逐渐减小； 当0.075 mm以下的细颗粒含量大于30 或分维值大于2.6左右时， 尾矿砂原状样的孔隙比随 着0.075 mm以下的细颗粒含量的增加而增加。 （2） 对不同细粒含量的尾矿砂原状样进行了渗 透试验分析， 渗透系数总体上随细粒含量的增加而 减小， 但是， 当0.075 mm以下细粒含量超过30时， 下降趋势明显减缓。受细粒含量影响， 尾矿砂水平 渗透系数较垂直渗透系数大， 细粒含量较少时， 这种 现象尤为明显。 （3） 原状样快剪试验和重塑样三轴试验结果表 明 当0.075 mm以下细粒含量小于30时， 黏聚力随 细粒含量增加而增加； 当0.075 mm以下细粒含量大 于30时， 黏聚力随细粒含量增加而减小。内摩擦角 随-0.075 mm粒级含量增加而先减小后增大， 但是， 当-0.075 mm粒级含量大于18左右时， 内摩擦角变 化出现波动， 转折点不明显。 （4） 在尾矿坝建造过程中， 细粒含量的多少直接 影响到尾矿坝的稳定性， 控制0.075 mm以下细粒含 量在30左右， 有利于尾矿坝稳定。 金属矿山2019年第6期总第516期 202 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ 参 考 文 献 刘雪珠， 陈国兴. 黏粒含量对南京粉细砂液化影响的试验研究 ［J］ . 地震工程与工程振动， 2003， 23 （3） 150-155． Liu Xuezhu，Chen Guoxing. 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