细粒尾矿模袋充填体的特性试验研究.pdf

6 0 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第l 期 d 确l O ．3 ％9 ／j ．i s 鳓．1 6 7 1 删9 2 ．2 0 1 6 ．0 1 ．0 1 5 细粒尾矿模袋充填体的特性试验研究 崔旋1 ”，周汉民1 ”，郄永波1 ”，吴鹏1 ’2 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 2 6 2 8 ；2 ．金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 摘要设计3 个试验内容，分别从细粒尾矿、模袋体及模袋层问3 个方面开展了细粒尾矿模袋法特性试验研究。研究 表明，模袋与毋j 砬尾矿组成的模袋充填体可获得较高的承载力，模袋层间强度参数较尾砂体亦有较大幅度的提高。最后开展 现场工业试验，进一步揭示了细粒尾矿特性及其模袋法堆坝的适用性，拓宽了尾矿堆坝所要求的粒径范围。该成果对于进一 步研究细粒尾矿模袋法堆坝具有指导意义。 关键词细粒尾矿；模袋法；试验研究 中图分类号T D 9 2 6 ．4 1文献标志码A文章编号1 6 7 1 蛐2 2 0 1 6 0 1 枷6 0 讲 E x p e r i m e n t 毗S t u d yo nU 舱C h a 豫c t e r i s U 鹤o fG e o f a b r 渤m 胁gB o d y 耐mF i mT a i l i n 擎 C 们X ∽n 。’- ，z 日0 U 砌，l m 讥7 ’- ，邮y o 哪0 7 ’- ，删P e n g ’’2 J ．眈彬n g ＆，l e m Z 鼢e 口九娩加t 如讹旷肘涮昭口以』I 砌口比l 盯彰，眈彬n gJ D 2 6 2 8 ，吼i №； 2 ． 彬n g 研儿6 0 九咖形矿Ⅳo 咖肿琊如把玩穸m 施，l i n g 死如加抛y ， 谢，l gJ 舵酗8 ，劬i M A k 帆t 7 1 1 l r e ek i n d so fe x p e r i m e n t ss u c ha sf i n eg r a i n e dt a i l i n g st e s t s ，g e o f a b r i f o mt e s t s 粕di n t e r f a c eo f g e o 蟊d 幽mt e s t sa r ed e s i g n e da n dc o n d u c t e dI ．e s p e c t i v e l yt os t u d yt h ee h 啪c t e r i s t i c so fb a g6 U i n gb o d yw i t hf i n e t a i l i n g s ．卟et e s tr e s u l t si n d i c a t et l l a tf i U i n gb o d yc o m p o s e do fg e o 胁m 珊锄df i n et a i l i n g sh 鹊ah i g h e rb e 撕n g c a p a c 畸，帅dt h ei n t e r f 如i a ls h e a rs t I ．e n g t h 0 fg e o f a b r i f o n nh a sa l s ob e e ng r e a d yi m p m v e d ．F i n a l l y ，t h ei n d u s t r i a l t e s t ，m r t h e rr e V e a l st l l ec h a r a c t e r i s t i c sa n d 印p l i c a b i l i t yo ff i n et a i l i n g sd a mu s i n gg e o f a b I i f o mm e t h o d ，b m a d e n st h e r 蛐g eo f 印p l i c a t i o no fp a n i c l es i z ef o rb u i l d i n gt a i l i n g sd a m ．R e s e a r c hr e s u l t sc a nb ea p p l i e dt og u i d et h er e s e a r c h o n6 n eg m i n e dt a i l i n g sd 砌m i n gu s i n gg e 正l b r i f 0 珊m e t h o d ． 】K e yw O r d s f i n eg 阻i n e dt a i l i n g s ；g e o f a b I i f b n _ I lm e t h o d ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 随着矿产资源综合利用水平及选矿工艺技术水 平的日益提高，细粒尾矿的堆存问题成为了尾矿处 理技术遇到的重要难题之一，且广泛存在于我国铜 矿、铅锌矿、氧化铝矿、磷矿等多领域。一般来说，细 粒尾矿堆积坝体孔隙比大、含水量高、固结度低、强 度也低，不利于坝的稳定性⋯。赵晖旧1 指出细粒尾 矿给筑坝带来更大的困难，增加了坝体滑坡、液化失 稳的危险性。为此，魏作安等po 对细粒尾矿堆坝提 出了以加筋法为主的综合加固方案；郭友谦H 1 提出 了将水力旋流器筑坝工艺应用在细粒尾矿筑坝中， 并与分散放矿相结合；然而，陈守义”1 指出国内以往 经验对于细粒尾矿堆低坝是适用的，坝体继续升高 仍无成功经验可供借鉴。 近年来，随着土工合成材料在工程建设领域中 的大量应用，周汉民等∞o 针对水利土工管袋技术进 行了改进，并成功应用于尾矿模袋堆筑子坝中。该 方法被认为是解决细粒尾矿堆坝的新途径。但迄今 为止，对于细粒尾矿模袋法堆坝的研究成果还非常 少。通过试验研究细粒尾矿模袋法作用机理，将有 助于了解在模袋法堆坝过程中，细粒尾矿作用规律、 力学指标以及模袋体间力学特性，为深人研究细粒 尾矿模袋法堆坝技术及其推广奠定基础。 1试验设计 为了研究细粒尾矿模袋法堆坝技术作用机理及 其适用条件，分别采用室内土工试验、单向压缩试验 以及改进的大尺寸直剪试验等方法对细粒尾矿、模 袋体以及模袋体问力学特性进行试验研究。以山西 投稿日期2 0 1 5 J 0 2 J D 2 修回日期2 0 1 5 一l l 一1 8 作者简介崔旋 1 9 8 7 ． ，男，湖北洪湖人，硕士，工程师，主要从事矿山尾矿库方面的研究工作。 万方数据 2 0 1 6 年第1 期崔旋等细粒尾矿模袋充填体的特性试验研究 6 l 某细粒尾矿库现场取样为试验对象，试验设备分别 采用Y A w - 2 0 0 0 型微机控制全自动压力试验机 见 图1 及由刚性垫板、千斤顶、挡板等组成的大型模 袋直剪仪 见图2 ，具体设计下列3 部分试验内容。 图1 单向压缩试验仪 F i g ．1 U n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s td e V i c e I 反力架 I 蔓 传感器『一 固定上部 千斤顶 旗析千后 上部刚性垫板 措施 水平刚 r 、～抖执岳 k ．鬈貉搿鳜甄Z 模袋棣敝兰 霹獭锄酽艚 l固定下部磊磊再琵藏的措施l 图2 模袋剪切试验仪 F i g ．2S h e a r s 眦n g t I It e s tm a c h i n ef o rg e 以l b 舶丌I l 1 细粒尾砂力学试验，根据尾矿沿库内干滩面 粒径分布情况，对现场细粒尾矿进行取样、蜡封并运 送至实验室开展相关细粒尾矿密度试验、颗粒级配 试验及直剪试验等，相应的试验称为1 。试验。 2 模袋体受压试验，根据现场取得细粒尾矿料， 进行实验室内小尺寸灌袋及固结准备，固结时间1 天，制备模袋试样尺寸为2 5c mx 2 5c m 1 0c m ，平 整地置于压力机承压板上。通过油压千斤顶对其施 加均匀竖向压力，直至试件破坏，相应的试验称为2 4 试验。 3 模袋体剪切试验，模拟现场直接剪切试验，在 实验室内采用液压千斤顶分别提供竖向正应力及剪 应力。每次试验需制备四组模袋试样 2 5c m 2 5 c m 1 0c m ，固结ld 水平铺放，其中上下层模袋设 置挡板限制变形；中间两层模袋承受水平剪应力。 竖向正应力施加大小可根据受压试验结果初步确 定，剪应力由水平向千斤顶均匀施加，直至试件破 坏，相应的试验称为3 ’试验。 上述3 部分试验内容分别从尾矿、模袋体以及 模袋层问三个方面开展细粒尾矿模袋法研究。其中 l 。试验可得到所用细粒尾矿各项物理性质，为后续 试验提供基础；2 ’试验是为了反映在模袋作用下，模 袋与尾矿形成结合体的强度变化规律；3 。试验对模 袋层间力学特性进行研究，揭示模袋层间变形规律 及抗剪性能，可为模袋法堆坝稳定性能分析提供 基础。 2 模袋力学试验研究与分析 2 ．1 细粒尾砂力学试验分析 按照前面设计的试验方案，分别开展了颗粒分 级试验、密度试验以及直剪试验，其中颗粒分级试验 结果见图3 所示。 娄 众 怒 耗 嚣 登 七 图3 尾矿颗粒分级试验结果 F i g ．3G r a j n s i 跹a n a l y s i sr e s u ho ft a i h n 伊 从图3 可见，细粒尾矿中粒径d 小于1 9 岬的 粒径含量为4 6 ．1 ％，d 大于3 7 岬的含量为3 3 ．9 ％， d 大于7 4p m 的含量为1 3 ．8 ％。颗粒基本分布在粒 径1 0 7 4 岬，其含量占总量的5 8 ．5 ％。从实验结 果来看，试验材料为细粒尾矿。对其进一步开展相 关物理试验结果见表l 。 表1细粒尾矿物理试验指标 T a b l el P I I y s i c a le x p e l i m e n t 陀s u l t s0 f ‰e 耐n e d t a i l i n I ≯ 物理性质试验剪切试验 试验材料含水率 密度／ g c m - 3 孔隙凝聚力摩擦角 ／％ 土粒密度湿密度干密度比／k P a ／ o 细粒尾矿4 0 ．1 2 ．醯 1 ．8 l 1 ．2 91 ．∞9 ．儡1 7 ．9 8 ∞％踯加∞卯∞如∞m O 万方数据 6 2 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第1 期 尾矿颗粒组成决定着坝体的渗透性能、压缩和 剪切强度性能以及材料的抗液化性能，是影响坝体 稳定性的重要指标。从表3 可见，细粒尾矿含水率 较高，相当于不易排水固结的淤泥。在自然放矿情 况下，材料力学性质指标较低，难以满足堆坝稳定性 的要求。 2 ．2 模袋体受压试验分析 2 ’模袋受压试验竖向应力及竖向应变关系曲线 如图4 所示。 图4 竖向应力及竖向应变关系曲线 F i g ．4 V e r t i c a ls t r e s s s t r a i nr e l a t i o nc u n r e s 盯． I llll lI1Jil Il l 袋子张力r 根据2 4 试验，试件在固结1d 后含水率较高，竖 向低压力作用下，袋体周边存在着少量的水分析出， 表现为应力应变曲线中初始变形较快；随着竖向压 力的不断增大，袋内尾砂逐渐密实，应力应变曲线逐 渐趋于弹性变化；之后随着压力的进一步增大，应力 应变曲线出现了明显的转折点，应变明显增大，说明 达到抗压强度，此时施加的最大竖向压力达2 9 ．2 M P a ，远大于尾矿材料自身的承载力。 分析其原因，模袋与尾砂形成的模袋充填体在 外力作用下，可在袋子中产生一个张力r 。袋子张力 r 反过来又约束袋内尾砂，使得模袋内部尾砂颗粒 问的接触力Ⅳ增大，从而提高其材料强度。相关文 献[ 7 剐认为，模袋的加固作用，相当于在约束尾砂中 引起了一个附加黏聚力 式1 。模袋体在二维状态 下的受力分析见图5 所示。 个，D、 c 粼一札r 一 才爿静‘1 1 从式1 可知，模袋内尾砂强度对模袋体张力r 引起 的附加黏聚力c ，与袋内尾砂强度无直接关系，而是张 力r 、模袋尺寸 召、H 及被动土压力系数K 的综合作 用结果。因此，即使袋内材料强度很低，c ，亦可达到一 个较大值，从而使模袋体具有较高的承载能力。 盯， ll il 』lI j l 3j Il l 仃o l 2 册 a 作用在模袋上的力r b 作用在袋内土体上的力 图5 模袋体受力分析图 F i g ．5 S t r e s s 粕a l y s i sc h a no fg e o f a b m D 劢 2 ．3 模袋体剪切试验分析 根据2 。模袋受压试验结果，拟定剪切试验分别 开展竖向正应力在0 ．2 0 、0 ．3 2 、0 ．4 0 、0 ．5 2 、0 ．7 2 、 0 ．8 8 、1 ．0 0 、1 ．1 2M P a 等条件下的模袋之间抗剪试 验。试验所得剪应力及剪切变形关系曲线见图6 ，抗 剪强度曲线见图7 。 根据以上试验结果，模袋层间材料内摩擦角为 2 8 0 ，黏聚力为0 ．0 4M P a ，均大于细粒尾矿本身材料 强度。采用该方式进行堆坝后，坝体抗滑稳定性能 得到较好的提高。 k N k N k N k N k N k N N N O51 0i 52 02 5 剪切位移，m m 图6 剪应力及剪切变形关系曲线 F i g ．6 S h e a rs t r e s s s t r a i nr e l a t i o nc u r v e s [ 酷∞弱∞筋∞巧如峦∞2 m 呖∞ 0 0 O 0 0 O O 0 O 0 0 O O O B d W ，R 璎容 万方数据 2 0 1 6 年第1 期崔旋等细粒尾矿模袋充填体的特性试验研究 6 3 蛊 善 魁 矮 家 蝠 限膻力／M P o 图7 抗剪强度关系曲线 F i g ．7 R e s u l to fs h e a rs t r e n 疹h 3 模袋法堆坝的工业试验 以上针对细粒尾矿模袋法开展了一系列的试验 研究及讨论，为验证该方法在现场实践中能否具有较 好的适用性，本文于该试验对象尾矿库现场开展了细 粒尾矿模袋法堆坝的现场工业试验。试验场地选择 在库内干滩面上，试验步骤包括铺袋、取砂、充灌、排 水固结以及交错堆坝等，试验取砂区位于库内干滩面 尾粉土及尾粉质黏土区域，试验效果图见图8 。 图8 现场堆坝试验效果图 F i g ．8 E 任b c tp i c t u I ℃o ff i e l dd 帅m i n gt e s t 堆坝完成后对模袋内材料进行了现场取样及室 内试验，得到袋内材料颗分曲线见图9 及其它物理 力学指标见表2 。 尾矿牲衽，“m 图9 袋内尾矿粒度曲线 F i g ．9 G r a i n - s i z ea n a l y s i sr e s u l to ft a i l i n g s m a t e r i a l si nt h eI a g 表2细粒尾矿物理试验指标 T a b l e2P h y s i c a l e x p e r i m e n t r e s u l t so ff i n e g m i n e d t a i l i n g si nt h eb a g 物理性质试验剪切试验 试验材料含水率 密度／ g c m 。 孔隙凝聚力摩擦角 ／％ 土粒密度湿密度干密度比／k P a ／ 。 袋内尾矿2 5 ．8 2 ．6 82 ．0 61 ．4 3O ．6 51 4 ．8 82 2 ．3 7 1 袋内尾矿大于7 4 斗m 的粒径含量为 1 6 ．9 5 ％，小于1 9 斗m 的粒径含量为3 3 ．4 ％，大于3 7 仙m 的含量为4 1 ．4 ％。试验结果相较于原尾矿金颗 粒粒径曲线，表现出明显的存粗去细现象，但由于模 袋的作用，仍有较大部分细粒尾矿于模袋内沉积，提 高了尾矿的堆坝利用率。同时试验表明，一7 4 m 含量在8 0 ％一9 0 ％的细粒尾砂可用于模袋法灌袋堆 坝，解决了细粒尾砂不适于直接堆坝的难题。 2 从袋内尾砂强度试验来看，由于模袋材料的 挤压固结排水作用，袋内尾砂干密度较自然堆积提 高了1 0 ．8 ％，含水率降低，材料强度指标亦有不同程 度的提高。 3 通过该试验，形成了生产一放矿一取砂一堆 坝之间有序结合的实施流程，实现了整个技术安 全、高效的工业化实施。 4结论 通过以上3 部分试验内容，以反映细粒尾矿模袋 法堆坝作用机理，就本试验结果而言，得到如下结论 1 根据室内力学特性实验结果可得，灌袋固结 后的模袋体内尾砂力学性质、单独一个模袋体性质 以及模袋体层间的摩擦系数均较高。其中固结模袋 体的单轴抗压强度可达2 9 ．2M P a ；模袋体层问摩擦 系数为粘聚力为4 0k P a ，内摩擦角‘D 2 8 ℃； 2 试验证明了入库细粒尾矿一7 4 恤m 含量在 8 0 ％一9 0 ％的尾矿坝可采用模袋法堆坝方式加高坝 体，拓宽了尾矿堆坝所要求的粒径范围； 3 形成了完整的尾矿库模袋堆坝工艺技术，可 实现技术安全、高效的工业化实施； 4 从试验角度说明了细粒尾矿模袋法堆坝作用 机理，但还不能得出其它复杂工况下的具体机理参 数，有待于设计新的试验方法进行测定。 参考文献 [ 1 ] 徐宏达．我国尾矿库病害事故统计分析[ J ] 。工业建筑， 2 0 l ，3 l 1 6 9 ．7 1 ． [ 2 ] 赵晖．细颗粒尾矿堆坝技术的探索[ J ] ．黄金，1 9 9 0 ， 万方数据 6 4 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第l 期 l l 2 2 7 _ 3 1 ． [ 3 ] 魏作安，尹光志，万玲，等．细粒尾矿堆积坝加固设计与 研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 3 8 5 4 蜘． [ 4 ] 郭友谦．应用水力旋流器进行细粒尾矿堆坝的工艺研究 [ J ] ．矿冶工程，2 0 0 4 ，2 4 4 3 6 _ 3 7 ． [ 5 ] 陈守义．浅议上游法细粒尾矿堆坝问题[ J ] ．岩土力学， 1 9 9 5 。1 6 3 7 0 ．7 6 ． [ 6 ] 周汉民，刘晓非，崔旋，等．偏细粒尾矿新型快速堆坝方 法[ J ] ．现代矿业，2 0 l l ，1 1 1 1 1 2 0 - 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