淋濾固結(jié)對尾礦砂土作用試驗分析

鄒夢超，陳穎輝，2，歐明喜，2，戴志峰，王修峰

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防災(zāi)重點實驗室，云南 昆明 650500)

0 引言

云南個舊卡房尾礦庫屬于平地型銅礦尾礦庫，由8個分壩環(huán)繞而成，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB50863—2013)[1]的規(guī)定，為三等庫。該庫尾礦漿沿四周堆積壩壩頂向庫區(qū)內(nèi)排放，形成環(huán)形交替放礦模式。庫區(qū)屬巖溶洼地、洼塘地貌，地處斷層構(gòu)造發(fā)育交匯地段，本項目位于紅河與南盤江地表分水嶺，庫區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，無地表水與尾礦庫相連，尾礦顆?？煞譃樗念悾何卜凵啊⑽卜弁?、尾粉質(zhì)黏土及尾黏土層，干灘面成分主要為尾粉砂及尾粉土。

針對尾礦庫穩(wěn)定性影響因素，國內(nèi)外學(xué)者做了很多相關(guān)研究，主要集中于滲流分析[2-3]、抗震性能[4-5]、應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律[6]等方面。目前研究淋濾作用對尾礦固結(jié)影響的文獻(xiàn)相對較少，而尾礦庫穩(wěn)定性又是影響庫區(qū)周邊人類生命安全的關(guān)鍵因素，且尾礦庫排放的尾礦大部分都含礦液，因此，研究淋濾作用對尾礦固結(jié)的影響就較有實際工程意義。

KWAK[7]通過分析尾礦排放濃度對其沉積特征的影響，得出尾礦壩抗剪強度隨漿液濃度的增大而提高的結(jié)論；TAYLOR[8]通過控制堆壩顆粒的沉積位置，發(fā)現(xiàn)粗細(xì)顆粒均勻沉積可提高尾礦壩穩(wěn)定性的機理；A TOLOGA等[9]、M T等[10]探究孔隙水壓力在尾礦壩穩(wěn)定性中的作用，發(fā)現(xiàn)在相同運行條件下，不同尾礦沉積壩體其孔隙水壓力是不同的；劉文連等[11]、曹凈等[12]分析某尾礦庫尾礦砂固結(jié)特征，揭示了尾礦中淋濾固結(jié)的形成機理；曹凈等[13]通過試驗，分析尾礦壩在淋濾下處于飽和-非飽和交替環(huán)境的機理，揭示了滲透力作用下的固結(jié)特征；魏寧等[14]建立尾礦土體的非線性彈-粘彈本構(gòu)模型，分析了尾礦固結(jié)過程中孔隙水壓力及位移隨時間的變化規(guī)律；徐宏達(dá)[15]通過分析細(xì)粒尾礦的沉積規(guī)律，發(fā)現(xiàn)粒徑小于0.02 mm的尾礦顆粒僅能夠在靜水條件下沉積；顏學(xué)軍[16]在尾礦沉積固結(jié)實驗基礎(chǔ)上，研究了尾礦排放濃度、流量、流速等因素對尾礦壩穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

論文將在已有研究成果基礎(chǔ)上，針對環(huán)形放礦模式下卡房尾礦庫，通過使用新型專利中的淋濾固結(jié)試驗儀[17]，對不同尾礦層土樣進(jìn)行淋濾固結(jié)試驗，研究卡房尾礦庫中除自重固結(jié)作用外淋濾固結(jié)作用的發(fā)展變化規(guī)律。

1 試驗準(zhǔn)備

為模擬真實的固結(jié)作用環(huán)境，在庫區(qū)分別選取多個具有代表性的采樣點，采取尾粉砂、尾粉土各10袋。試樣樣品中尾粉砂呈灰褐色、局部為褐紅色，處于松散到中密狀態(tài)，稍濕，局部夾薄層尾粉土；尾粉土呈灰、灰褐色，處于稍密或密實狀態(tài)，稍濕和很濕之間，局部夾薄層尾粉砂。將土樣裝入土樣箱內(nèi)，密封條件下靜置數(shù)天，使重塑尾礦樣先在自重應(yīng)力作用下固結(jié)沉降，排除自重固結(jié)作用對淋濾試驗的影響，提高試驗的準(zhǔn)確性，試驗制備及試驗如圖1及圖2所示。

圖1 重塑尾礦樣制備圖Fig.1 Preparation of reshaped tailings

圖2 淋濾固結(jié)試驗設(shè)備工作效果Fig.2 Working effect of leaching and consolidation test equipment

2 淋濾固結(jié)試驗

根據(jù)生產(chǎn)日志，卡房尾礦庫每次放礦的時間不超過3 h。針對土樣，試驗分為兩組，每組8個工況，重點研究淋濾時間、流量及淋濾液成分對尾礦固結(jié)影響。設(shè)計單一變量對照試驗方案，試驗變量和取樣時間如表1、表2所示。

為研究不同淋濾液成分對固結(jié)作用的影響，將1、2、9、10號土樣箱用清水作為淋濾液，其余樣本采用尾礦澄清液。而1、3、9、11的土樣箱每天控制淋濾總流量為10 L(約8 min)，其余樣本每天控制淋濾總時間為1 h，以研究淋濾時間及淋濾流量對固結(jié)作用的影響。同時8號、16號箱不進(jìn)淋濾試驗，為自重固結(jié)沉降(圖3)。

根據(jù)表1、表2試驗方案，在固定時間段進(jìn)行淋濾，試驗結(jié)束后在規(guī)定的時間對尾粉砂及尾粉土進(jìn)行取樣，并進(jìn)行直剪試驗。室內(nèi)的物理力學(xué)指標(biāo)測定方法及原位試驗方法依據(jù)《土工試驗規(guī)程(SL237—1999)》[18]和《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123—1999)》[19]執(zhí)行。試驗采用四聯(lián)自動直剪儀，分級施加垂直荷載：100 kPa、200 kPa、300 kPa及400 kPa，得出各試樣的抗剪強度指標(biāo)。

表1 試驗變量對照表

表2 取樣時間表

圖3 淋濾固結(jié)試驗沉降采集器Fig.3 Leaching consolidation test settlement collector

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 淋濾作用對尾礦單日沉降效果影響分析

為使沉降差僅由淋濾作用產(chǎn)生，消除尾礦液中礦物成分的影響，試驗采用2號、10號土樣箱沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，整理得到尾粉砂土ΔS～t關(guān)系曲線圖(圖4、圖5)。

圖4 尾粉砂淋濾固結(jié)試驗ΔS～t關(guān)系曲線圖Fig.4 Tail-sludge leaching test ΔS～t relationship curve

圖5 尾粉土淋濾固結(jié)試驗ΔS～t關(guān)系曲線圖Fig.5 Tail-soil leaching consolidation test ΔS～t relationship curve

圖4和圖5給出了在多個淋濾過程中，尾粉砂、尾粉土的沉降特征：兩者均呈現(xiàn)先回彈后沉降的趨勢，尾粉砂土的回彈量分別穩(wěn)定在1～2 mm和0.5～1.5 mm，單日最大沉降量約為8 mm和4 mm，均發(fā)生在第一天，隨著淋濾次數(shù)的增加，兩者的單日沉降量均逐漸減小。淋濾時出現(xiàn)回彈，這是由于在排礦之前尾礦處于非飽和狀態(tài)，尾礦粗顆粒間水膜的毛細(xì)力使顆粒相互靠近趨于密實，當(dāng)向飽和狀態(tài)過渡時，水膜的毛細(xì)力逐漸消失，尾礦顆粒間孔隙變大產(chǎn)生回彈[13]。

3.2 淋濾時間、流量及濾液成分對尾礦固結(jié)影響分析

通過測量1、2、3、4號土樣箱和9、10、11、12號土樣箱的15d時的最終沉降量，得出尾粉砂土在不同變量下最終沉降量關(guān)系如圖6和圖7所示。

圖6 尾粉砂土不同流量最終沉降量對比Fig.6 Comparison of final settlement of different flow rates of tailin

圖7 同濾液成分最終沉降量對比 Fig7 Comparison of final sedimentation of different filtrate components

3.3 淋濾時間、流量及濾液成分對抗剪強度影響分析

為防止淋濾試驗中表層尾礦受擾動及其他因素影響，干擾尾礦抗剪強度指標(biāo)，采用40cm深度處的尾礦試樣進(jìn)行對比分析，如圖8～圖11所示。

圖8 尾粉砂土不同流量直剪試驗黏聚力Fig.8 Different flow straight shear test cohesion of tailings

圖9 尾粉砂土不同流量直剪試驗內(nèi)摩擦角Fig.9 Inner friction angle of different flow straight shear test

圖10 尾粉砂土不同濾液直剪試驗黏聚力Fig.10 Straight shear test cohesion of different filtrates of tailings

圖11 尾粉砂土不同濾液直剪試驗內(nèi)摩擦角Fig.11 Inner friction angle of direct filtrate test of different filtrates of tailings

分析圖得出:(1)尾礦砂土控流量組的抗剪強度指標(biāo)明顯小于控時間組的強度指標(biāo)，尾粉砂黏聚力，內(nèi)摩擦角值前者較后者分別小約42.1%和12%；尾粉土黏聚力，內(nèi)摩擦角值前者較后者小約5.1%和5.6%。(2)尾礦澄清液下的尾礦砂土抗剪強度指標(biāo)也大于在水淋濾下的強度指標(biāo)，尾粉砂前者的黏聚力、內(nèi)摩擦角值較后者分別大73.9%、16.3%；尾粉土前者的黏聚力、內(nèi)摩擦角值較后者分別大28.9%、27%。

由于卡房尾礦庫特殊放礦模式，尾礦處于非飽和-飽和交替狀態(tài)，尾礦重新進(jìn)入飽和狀態(tài)時，粗顆粒孔隙間的細(xì)顆粒在滲流力的作用下重排列，部分細(xì)顆粒被帶出粗顆粒間孔隙進(jìn)入下層土層中；再次進(jìn)入非飽和狀態(tài)后，水膜的毛細(xì)力使粗顆粒再次相互靠近，使得尾礦變得更加密實，力學(xué)性能也變的更好。在酸性尾礦澄清液淋濾下，尾礦中的Fe3+、Al3+的濃度將會逐漸增加，使得尾礦顆粒孔隙間的Fe(OH)3、Al(OH)3膠體增多并在飽和-非飽和交替環(huán)境中逐漸沉淀而固化，同樣使尾礦力學(xué)性能提高[12]。淋濾固結(jié)機理如圖12所示[13]。

圖12 淋濾固結(jié)作用機理示意圖Fig.12 Schematic diagram of leaching consolidation mechanism

3.4 淋濾固結(jié)與自重固結(jié)對尾礦最終沉降量影響

通過8號與5、6、7號箱，16號與13、14、15號箱取樣試驗的結(jié)果，得出淋濾固結(jié)試驗中尾粉砂土的最終沉降量及抗剪強度指標(biāo)對比圖(圖13～圖15)。

圖13 尾粉砂土最終沉降量對比圖Fig.13 Comparison of final settlement of tailings silt

圖14 尾粉砂土直剪試驗黏聚力對比圖Fig.14 Comparison of cohesion of straight-slurry test of tailings

從圖13得出，僅自重固結(jié)作用下的尾礦最終沉降量遠(yuǎn)小于淋濾固結(jié)作用下的沉降量，尾粉砂前者沉降量較后者小近80%，尾粉土前者沉降量較后者小約83%。由圖14及圖15可得，僅在自重固結(jié)作用下的抗剪強度指標(biāo)也比淋濾固結(jié)作用下的指標(biāo)值小，尾粉砂前者的黏聚力、內(nèi)摩擦角值較后者分別小37.8%、15.1%，尾粉土前者的黏聚力、內(nèi)摩擦角值較后者分別小29.8%、4.8%。試驗可得，淋濾作用能有效增大尾礦砂土的固結(jié)效果和抗剪強度。

圖15 尾粉砂土內(nèi)摩擦角對比圖Fig.15 Comparison of internal friction angle φ of tail powder sand powder

4 結(jié)論

通過試驗分析得出：

(1)尾礦庫經(jīng)過淋濾作用后，其尾礦顆粒固結(jié)效果和抗剪強度指標(biāo)相較于僅自重固結(jié)下有很大的提高。淋濾作用后尾礦顆粒最終沉降量比自重影響下增大約80%

(2)每次淋濾過程中，尾粉砂土體均先出現(xiàn)膨脹回彈，當(dāng)停止淋濾(淋濾時間為60 min)后，因水位下降至尾礦樣頂部以下，淋濾液水頭壓消失，試樣迅速產(chǎn)生收縮沉降，沉降量逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定。

(3)尾礦的淋濾固結(jié)程度與淋濾時間及淋濾流量呈正相關(guān)。隨著尾礦淋濾時間越長，淋濾流量越大，尾礦的沉降量將越大，同時固結(jié)程度隨之升高，抗剪強度指標(biāo)也相應(yīng)提高。

(4)尾礦的淋濾固結(jié)程度與淋濾液的化學(xué)成分也存在相關(guān)關(guān)系。相較于水作為淋濾液，尾礦澄清液組尾礦的沉降量較大，固結(jié)程度和抗剪強度指標(biāo)也較高，說明淋濾固結(jié)中尾礦液的化學(xué)成分在尾礦的固結(jié)進(jìn)程中也起到一定的作用。

論文針對卡房尾礦庫進(jìn)行淋濾試驗，揭示了淋濾固結(jié)作用的積極影響，不僅為卡房尾礦庫今后的使用和管理提供了相關(guān)的理論依據(jù)，也為該地區(qū)同類型尾礦庫的建庫、使用及發(fā)展提供了一定借鑒的經(jīng)驗。