化學(xué)環(huán)境下的應(yīng)力-滲流耦合對(duì)尾礦庫(kù)穩(wěn)定性影響試驗(yàn)*

程曉亮，楊　鵬，呂文生，王　昆

(1北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083;2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.北京市信息服務(wù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101;4.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100020)

0　引言

金屬和非金屬礦山開(kāi)采出的礦石，選出有價(jià)值的精礦以后，剩下的“廢渣”稱(chēng)為尾礦[1]。目前國(guó)家對(duì)尾礦的綜合處理提出相應(yīng)對(duì)策，但尾礦庫(kù)貯存仍是目前尾礦主要的處置方式[2]。在過(guò)去的100年內(nèi)，尾礦庫(kù)的潰壩率高達(dá)1.2%[3]，遠(yuǎn)高于國(guó)際大壩協(xié)會(huì)(ICOLD)2001年公布的擋水壩約0.01%的潰壩率[4]，20世紀(jì)60年代尾礦庫(kù)事故發(fā)生數(shù)量急劇增加[5]，尾礦壩潰壩問(wèn)題引起國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注，并于近期列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外大量專(zhuān)家學(xué)者從不同角度采用不同方法對(duì)尾礦壩失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究[6]，總結(jié)了尾礦壩失穩(wěn)的發(fā)生機(jī)理和計(jì)算模型，但考慮到尾礦庫(kù)堆積過(guò)程中時(shí)間、空間的復(fù)雜性，有些研究往往忽視應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和位移場(chǎng)等多場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，導(dǎo)致不能得到完善、全面的致災(zāi)計(jì)算模型[7]。尾礦壩潰壩主要是由洪水漫壩、地震液化、滲流破壞等引起，受礦物殘余成分、選礦試劑、露天氧化等因素的影響，尾礦庫(kù)受水環(huán)境中各種化學(xué)離子的影響比較嚴(yán)重，而化學(xué)因素作為滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)影響因素之一，其復(fù)雜的影響機(jī)制被大多數(shù)研究所忽視。加拿大有學(xué)者[8]曾經(jīng)對(duì)108個(gè)廢礦進(jìn)行持續(xù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)尾礦庫(kù)在關(guān)閉幾百年后仍存在大量酸性水滲漏的現(xiàn)象，說(shuō)明酸性水對(duì)尾礦庫(kù)與環(huán)境的影響是持久的。劉庭發(fā)等[9]研究指出由于尾礦料中可能含有某些不穩(wěn)定化合物以及較多的金屬氧化物成分，其化學(xué)變化會(huì)改變土料的物理力學(xué)性質(zhì)。馮夏庭等[10]、吳恒等[11]對(duì)化學(xué)環(huán)境下尾礦壩的淤堵問(wèn)題、堤岸邊坡的腐蝕問(wèn)題和巖石破裂隨時(shí)間發(fā)展的基本規(guī)律進(jìn)行了研究，說(shuō)明化學(xué)因素對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響不可忽視。張鵬等[12]將堤壩邊坡的安全系數(shù)與污染物遷移建立聯(lián)系，指出10年間酸性污染物腐蝕使堤壩邊坡安全系數(shù)減小約10%。李長(zhǎng)洪等[13]指出在目前國(guó)內(nèi)外的研究中，很少涉及到考慮水化學(xué)作用對(duì)于尾礦壩穩(wěn)定變形機(jī)理的影響和尾礦的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)隨時(shí)間逐漸衰減的演化規(guī)律的研究。國(guó)內(nèi)針對(duì)尾礦庫(kù)內(nèi)化學(xué)因素影響的研究較國(guó)外多，但尚處于起步階段。

1　化學(xué)因素對(duì)尾礦性狀影響的試驗(yàn)

尾礦廢水中含有復(fù)雜的化學(xué)離子成分，其中含有各種有毒成分，礦石、殘存的選礦藥劑(硫化物、氯化物、氰化物[14])和不斷進(jìn)行的氧化還原作用是其主要的來(lái)源。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制酸性和堿性2種模擬尾礦庫(kù)的化學(xué)試液，研究尾礦顆粒的性狀變化情況。

1.1　尾砂沉降及粒徑級(jí)配分析

將尾礦試樣分成3組，分別在pH=4的酸性、pH=10的堿性以及中性蒸餾水試液中進(jìn)行為期40 d的浸泡，將浸泡液體搖勻后進(jìn)行沉降試驗(yàn)，現(xiàn)象如圖1所示。酸性環(huán)境下上層細(xì)顆粒沉積層更厚，堿性條件下，上層細(xì)顆粒沉積層顏色更深。采用LMS-30激光粒度分布測(cè)定儀測(cè)定其粒徑級(jí)配分布的變化情況，結(jié)果如圖2所示。

圖1　中性、弱酸、弱堿環(huán)境下沉淀分層現(xiàn)象Fig.1　Precipitation stratification in neutral, weak acid and weak alkaline environment

圖2　中性、弱酸、弱堿環(huán)境下粒徑級(jí)配分布對(duì)比Fig.2　Comparison of particle size distribution in neutral,weak acid and weak alkaline environment

3組尾礦試樣，浸泡前分類(lèi)都屬于級(jí)配良好土，經(jīng)過(guò)酸、堿浸泡的尾礦試樣通過(guò)粒徑分析試驗(yàn)均變?yōu)榧?jí)配不良土，在酸性條件下，細(xì)微顆粒流失；酸堿環(huán)境下試樣中粗顆粒占比都增加，接下來(lái)針對(duì)流失前后試樣的物質(zhì)組成和微觀形貌進(jìn)行探究。

1.2　XRD分析試驗(yàn)

將浸泡后的尾礦試樣烘干，使用研磨片機(jī)研磨制成標(biāo)準(zhǔn)200～300目粉末狀試樣，稱(chēng)取2 g試樣，利用TTRIII多功能X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行掃描，將獲取的掃描數(shù)據(jù)，使用MDI JADE軟件進(jìn)行分析。

試驗(yàn)測(cè)得原礦石試樣中Fe的總含量約為32.27%，SiO2含量為56.5%；其他成分為K2O，Na2O，Al2O3，CaO等含氧化合物及其衍生物。而尾礦試樣中存在的化合物主要為SiO2，以及含有Fe，Al，Ca，Mg等元素的氧化物及氫氧化物等。從中性、酸性(H+)、堿性(OH-)3種試樣的圖譜以及數(shù)據(jù)得出：酸性試樣的峰值數(shù)少于其他2組試樣，其峰的強(qiáng)度以及積分面積(見(jiàn)圖3)明顯高于其他2組試樣；堿性條件下生成的物質(zhì)主要為Fe(OH)3以及其轉(zhuǎn)化物(如針鐵礦，赤鐵礦，四方纖鐵礦)。

圖3　SiO2峰值強(qiáng)度對(duì)比Fig.3　Peak intensity comparison of SiO2

SiO2作為主要成分不與弱酸弱堿反應(yīng)，其峰值強(qiáng)度以及積分面積可以反映其在試樣中所占的比重，其結(jié)果也反映出在酸性環(huán)境下主要金屬化合物(如含F(xiàn)e，Al，Ca，Mg等元素化合物)流失較多。堿環(huán)境下尾砂顆粒間生成的含鐵氫氧化物使SiO2占比降低，其生成的物質(zhì)形貌將通過(guò)電鏡掃描進(jìn)行描述。

1.3　電鏡掃描分析

浸泡后的試樣進(jìn)行制樣并噴金處理(見(jiàn)圖4)，采用蔡司ZEISS EVO18材料分析掃描電子顯微鏡，并配合布魯克Quantax電制冷能譜儀(見(jiàn)圖5)，兩者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)微觀形貌以及物質(zhì)元素組分分析。將試樣在放大倍率50x下進(jìn)行微觀形貌分析(見(jiàn)圖6)，將生成膠結(jié)物在放大倍率300x下進(jìn)行元素組分分析(見(jiàn)圖7)。

圖4　待噴金處理的試樣Fig.4　The sample to be

圖5　掃描電子顯微鏡Fig.5　Scanning electron sprayed with gold microscope

圖6　中性、酸性、堿性試樣在大倍率50x下微觀形貌Fig.6　Microstructure of neutral, acidic and alkaline samples at high magnification 50x

蒸餾水浸泡的試樣，固體顆粒普遍較大，粒徑由大到小平穩(wěn)過(guò)渡，棱角明顯；酸性條件下的試樣，顆粒的粒徑相差較為明顯，無(wú)明顯棱角；堿性條件下的試樣，形貌與前兩者差距較大，存在黏聚現(xiàn)象，可以看出生成的膠結(jié)物質(zhì)使尾礦顆粒膠結(jié)在一起，呈絮狀和團(tuán)簇狀，顆粒個(gè)體較大并無(wú)棱角，顆粒之間孔隙小至幾微米，對(duì)液體的滲流將會(huì)產(chǎn)生阻礙作用。

針對(duì)膠結(jié)物質(zhì)的元素成分，進(jìn)行能譜分析，選取位置見(jiàn)圖7。

圖7　生成物能譜分析位置Fig.7　Theposition of generation of energy dispersive spectrometer

圖8　生成物元素分析Fig.8　Analysis of the elements of production

圖8顯示膠結(jié)物主要元素組成為Fe，Si，礦石經(jīng)過(guò)選礦廠磁選后，鐵的化合物占比會(huì)減小，但在膠結(jié)物質(zhì)的能譜分析中，鐵元素的占比最高，結(jié)果與XRD試驗(yàn)分析出膠結(jié)物質(zhì)主要為鐵的氫氧化物及其衍生物結(jié)論一致。

1.4　小結(jié)

在偏酸性的環(huán)境中，尾礦試樣顆粒間的微小膠結(jié)物質(zhì)會(huì)流失，表現(xiàn)在粒徑級(jí)配和物質(zhì)組成、金屬元素占比發(fā)生變化；在偏堿性的環(huán)境中，尾礦顆粒間生成膠結(jié)物質(zhì)，其物質(zhì)組成主要為含鐵化合物，初始物質(zhì)主要為氫氧化鐵，其膠結(jié)物質(zhì)致使顆粒個(gè)體黏連，孔隙變小。

2　耦合模型的確立

應(yīng)力場(chǎng)的改變可直接引起的響應(yīng)因素是體積應(yīng)變，而孔隙比與體積應(yīng)變之間有如下關(guān)系：

(1)

式中：e0；為初始孔隙比：εv應(yīng)力場(chǎng)下的體積應(yīng)變，εv=ΔV/V，V為土體總體積，ΔV為孔隙體積變化量。將土體對(duì)應(yīng)的變形模量E0=Δσi/εv帶入上式可獲得孔隙比與應(yīng)力變化關(guān)系:

(2)

根據(jù)滲流理論以及彈性理論，通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)的滲透系數(shù)與應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式見(jiàn)式(3)[15]：

(3)

式中：k0為試驗(yàn)系數(shù)；σi為土體應(yīng)力；η為試驗(yàn)系數(shù)；p為滲流的靜水壓力。

(4)

(5)

式中：H，Q分別為滲流水頭和滲流場(chǎng)的源或匯；ki為x，z，y方向的滲透系數(shù)；vi為x，z，y方向上的滲流速度；S為給水度。

滲流場(chǎng)理論的公式(4)～(5)與公式(2)～(3)共同組成應(yīng)力-滲流耦合關(guān)系微分方程組。從耦合微分方程可以看出應(yīng)力場(chǎng)作用會(huì)使孔隙比發(fā)生改變，同時(shí)引起滲透系數(shù)的改變，滲透系數(shù)改變影響孔壓分布，土體有效應(yīng)力發(fā)生改變，導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)的分布發(fā)生變化。應(yīng)力-滲流場(chǎng)的耦合作用關(guān)系實(shí)質(zhì)上是孔隙比與滲透系數(shù)的耦合關(guān)系。并且通過(guò)式(2)～(3)可以看出滲透系數(shù)與孔隙比成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

應(yīng)力場(chǎng)決定了尾砂的固結(jié)程度與孔隙狀態(tài)，因此可以建立孔隙比與滲透系數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，用來(lái)表征應(yīng)力-滲流耦合作用。在有限元計(jì)算軟件中，在涉及到應(yīng)力-滲流耦合(流固耦合)計(jì)算時(shí)，需要定義土體滲透系數(shù)，滲透系數(shù)可以依附于飽和度建立函數(shù)，也可以與孔隙比建立函數(shù)，在有限元計(jì)算軟件中土體應(yīng)力-滲流耦合計(jì)算便可以通過(guò)定義滲透系數(shù)與孔隙比的函數(shù)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)，下文將進(jìn)行關(guān)系式的擬合建立。

2.1　試樣制備

現(xiàn)場(chǎng)取樣并通過(guò)試驗(yàn)精確測(cè)定尾礦試樣的含水率與比重，根據(jù)孔隙比計(jì)算公式制備不同空隙比的尾礦試樣見(jiàn)圖9。

圖9　滲透試樣Fig.9　Penetration sample

孔隙比計(jì)算公式如下：

(6)

式中：V為試樣體積；m為試樣質(zhì)量；w為含水量；Gs為比重。

2.2　滲透系數(shù)測(cè)定

為了探究化學(xué)對(duì)應(yīng)力-滲流耦合的影響，建立不同孔隙比與滲流系數(shù)之間的關(guān)系，加入化學(xué)因素進(jìn)行試驗(yàn)，最終可以得到化學(xué)環(huán)境下孔隙比與滲透系數(shù)關(guān)系的定量描述，并運(yùn)用到數(shù)值模擬計(jì)算中。

以孔隙比為0.65的試樣為例，在酸、堿環(huán)境下隨著作用時(shí)間延長(zhǎng)滲透系數(shù)變化情況如圖10所示。

圖10　滲透系數(shù)隨時(shí)間變化擬合曲線(xiàn)Fig.10　Fitting curve of permeability coefficient with time

隨著作用時(shí)間延長(zhǎng)，可以看出酸堿條件下試樣趨于穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)不一致，將不同孔隙比的試樣穩(wěn)定時(shí)的滲透系數(shù)數(shù)據(jù)記錄并進(jìn)行擬合，得到曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11　滲透系數(shù)與孔隙比擬合曲線(xiàn)Fig.11　Fitting curve of permeability coefficient and void ratio

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式擬合滲透系數(shù)與孔隙比呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

k1=1.3×10-4(eз4e0-1.66-1)R2=0.995 7

(7)

k2=2.3×10-4(eз7e0-2.49-1)R2=0.993 2

(8)

k3=1.3×10-4(eз9e0-1.58-1)R2=0.979 5

(9)

式中：k1，k2，k3為蒸餾水、酸性、堿性條件下滲透系數(shù);e為自然常數(shù);e0為孔隙比;R2為擬合度。

2.3　小結(jié)

在酸、堿因素的影響下，孔隙比與滲透系數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)，建立孔隙比與滲透系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，得到化學(xué)因素作用對(duì)應(yīng)力-滲流兩場(chǎng)耦合的影響的具體量化關(guān)系，為數(shù)值計(jì)算提供依據(jù)。

3　數(shù)值計(jì)算與分析

試驗(yàn)所使用的尾砂試樣選自首鋼礦業(yè)某在建尾礦庫(kù)，根據(jù)其接近壩址區(qū)域的尺寸與力學(xué)參數(shù)進(jìn)行建模，在材料參數(shù)設(shè)置階段，將滲透系數(shù)與孔隙比的函數(shù)關(guān)系作為耦合依據(jù)，將中性、酸性、堿性條件下的函數(shù)關(guān)系分別帶入，通過(guò)浸潤(rùn)線(xiàn)與滲流速度來(lái)表征尾礦庫(kù)能否穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

3.1　浸潤(rùn)線(xiàn)位置分布情況

不同環(huán)境下孔壓分布情況如下，孔壓為零處即為飽和浸潤(rùn)線(xiàn)位置，作為尾礦庫(kù)穩(wěn)定性判據(jù)的“生命線(xiàn)”分布如圖12～13所示。

圖12　不同條件下孔壓分布情況Fig.12　Pore pressure distribution under different conditions

沿模型中初期壩壩頂豎直向下進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，得到飽和度變化情況如下：

圖13　沿路徑飽和度變化情況Fig.13　Variation of saturation along path

可以直觀看出，浸潤(rùn)線(xiàn)位置在堿性、中性、酸性環(huán)境下依次降低，在初期壩頂位置向下，浸潤(rùn)線(xiàn)高度相差接近1 m。

3.2　滲流速度分布情況

從酸、堿條件下的流速分布情況(見(jiàn)圖14)，可以看出，堿性條件下滲流速度較慢，在壩坡下游坡面仍存在滲流速度，此時(shí)極易發(fā)生滲透破壞，滲流液體將會(huì)將細(xì)顆粒帶走，隨著細(xì)顆粒的減少，粗顆粒易形成架空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致發(fā)生沉陷，沉陷造成邊坡結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)牽引式發(fā)展破壞模式[16]，對(duì)尾礦庫(kù)的穩(wěn)定運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

圖14　酸堿條件下流速分布情況Fig.14　Velocity distribution under acid and alkali conditions

圖15　沿路徑滲流速度變化情況Fig.15　The variation of seepage velocity along the path

在壩頂豎直布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖15，由圖15可以看出在不同化學(xué)環(huán)境下，尾礦庫(kù)內(nèi)滲流速度存在差異，酸性環(huán)境滲流速度最高，堿性環(huán)境滲流速度最低。

3.3　小結(jié)

通過(guò)有限元計(jì)算軟件，可以實(shí)現(xiàn)滲透系數(shù)與孔隙比間函數(shù)關(guān)系的定義，并在模型上進(jìn)行運(yùn)用。通過(guò)計(jì)算可以得到：堿性、中性、酸性環(huán)境下浸潤(rùn)線(xiàn)依次降低；尾礦庫(kù)滲流場(chǎng)在酸性環(huán)境下的滲流速度明顯的大于在堿性環(huán)境下的滲流速度。

4　結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明尾礦顆粒的多項(xiàng)性狀受化學(xué)因素的影響，化學(xué)環(huán)境下試樣的粒徑級(jí)配、物質(zhì)組成以及微觀形貌發(fā)生明顯改變；酸性環(huán)境下試樣中金屬元素發(fā)生流失；堿性環(huán)境下試樣的微觀孔隙中出現(xiàn)以氫氧化鐵以及衍生物為主的絮狀、團(tuán)簇狀堵塞物。

2)通過(guò)數(shù)值計(jì)算可知，化學(xué)環(huán)境通過(guò)影響滲透系數(shù)與孔隙比的函數(shù)關(guān)系對(duì)尾礦庫(kù)內(nèi)的浸潤(rùn)線(xiàn)分布以及滲流速度場(chǎng)分布存在明顯的影響作用。

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