尾礦庫防滲土特性實驗測試和數(shù)值模擬研究

史硯春

（江西省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，江西 南昌 330008）

尾礦庫是采礦工程中的一種特殊的工業(yè)建筑物，是礦產(chǎn)資源在開采施工過程中必須建設(shè)的生產(chǎn)設(shè)施之一，對尾礦庫自身而言，經(jīng)過大力開采活動后尾礦庫地質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，其次因外部因素的影響，包括降雨、地震、刮風(fēng)、過度開采等，都將導(dǎo)致尾礦庫地質(zhì)結(jié)構(gòu)或地質(zhì)構(gòu)造有著不同程度的損壞，一旦尾礦庫建筑結(jié)構(gòu)遭到破壞，將會嚴(yán)重威脅到采礦施工作業(yè)的安全，嚴(yán)重的還會危害到尾礦庫周邊居民的生命安全和財產(chǎn)全。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全國每年發(fā)生的尾礦庫安全事故將近26460起，占采礦施工事故的56.8%，造成的經(jīng)濟(jì)損失將近16.42億人民幣，因事故造成的死亡人員數(shù)量達(dá)2640人，受傷人員數(shù)量高達(dá)6460人。根據(jù)國內(nèi)、外礦山尾礦庫事故資料分析，絕大多數(shù)尾礦庫事故的發(fā)生都與防滲土特性有關(guān)，也就是說尾礦庫的防滲土特性是其穩(wěn)定性的重要影響因素之一，如果尾礦庫具有良好的防滲土特性，說明采礦施工具有較高的安全性，反之如果尾礦庫的反滲透特性較差，則無法保證采礦施工安全以及尾礦庫周圍居民生命和財產(chǎn)安全，為此提出尾礦庫防滲土特性實驗測試和數(shù)值模擬研究，對更好的保障尾礦庫建筑安全和礦產(chǎn)資源開采施工安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1 尾礦庫防滲土特性實驗測試

尾礦庫防滲土特性主要與尾礦庫建筑材料配比有關(guān)，而尾礦庫建筑用料基本來源于礦場周圍土料場，不同用料建筑而成的尾礦庫，其防滲土特性是不同的，因此此次實驗主要是測試不同用料建筑的尾礦庫防滲土特性，實驗過程嚴(yán)格安全《土工實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，此次實驗測試主要分為三部分，首先是對尾礦庫防滲土特性實驗設(shè)備及參數(shù)確定，然后對實驗具體流程進(jìn)行了設(shè)計，最后對實驗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，以下將對尾礦庫防滲土特性實驗測試進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 尾礦庫防滲土特性實驗前的準(zhǔn)備、使用設(shè)備及參數(shù)設(shè)定

用四點分法取一定量的代表性風(fēng)干土樣，放在橡皮板上用木碾碾散，或用碾土機(jī)械碾散，碾散后過5mm篩，將篩下土樣拌勻，并測定土樣的風(fēng)干含水率。根據(jù)土的塑限預(yù)估最優(yōu)含水率，配制一定含水率的試樣，將一定量土樣平鋪于不吸水的盛土盤內(nèi)，其中小型擊實筒所需擊實土樣約為2.5kg，大型擊實筒所需擊實土樣約為5.0kg，按預(yù)定含水率用噴水設(shè)備往土樣上均勻噴灑所需加水量，拌勻并裝入塑料袋內(nèi)或密封于盛土器內(nèi)靜置備用。

此次實驗涉及到的設(shè)備有電動數(shù)控?fù)魧崈x(JDS-1型號)和滲透儀(TST-55型號)，下表為兩個實驗設(shè)備參數(shù)表。

表1 電動數(shù)控?fù)魧崈x與滲透儀實驗參數(shù)表

表2 尾礦庫防滲土力學(xué)性能試驗成果

1.2 尾礦庫防滲土特性實驗測試流程設(shè)計

尾礦庫建筑用料主要來自礦場周圍土料場，材質(zhì)主要有白泥、風(fēng)化土和亞粘土三種。

首先對選取的尾礦庫建筑材料進(jìn)行烘干和碾碎，將碾碎后的材料過5mm篩，并將三種建筑用料根據(jù)比例進(jìn)行混合制作成尾礦庫建筑用料，利用電動數(shù)控?fù)魧崈x(JDS-1型號)對建筑用料進(jìn)行擊實和分層擊實，通常情況下尾礦庫建筑第一層為白泥，第二次為風(fēng)化土，第三層為亞粘土，第四次（建筑表面）為三種混合材料。然后利用滲透儀(TST-55型號)對各個建筑材料修建的尾礦庫基本物理性質(zhì)進(jìn)行檢測。得出尾礦庫防滲土特性實驗測試結(jié)果，測得白泥/風(fēng)化土夾層結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)K20=5.6 10-8 cm/s，白泥/亞粘土夾層結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)K20=4.7 10-8 cm/s。

1.3 尾礦庫防滲土特性分析

表2為滲透儀(TST-55型號)對三種不同建筑材料修建的尾礦庫防滲土力學(xué)性能檢測結(jié)果。

從表2可知，尾礦庫防滲土上、平、下線，在反濾保護(hù)下，防滲土的滲透系數(shù)在i×10-7～i×10-8，臨界坡降大于50，透水性較弱，符合《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108-2015），以此完成了尾礦庫防滲土特性實驗測試。

2 尾礦庫防滲土特性數(shù)值模擬

圖1 尾礦庫建筑材料結(jié)構(gòu)圖

此次采用有限元數(shù)值模擬軟件對尾礦庫防滲土特性進(jìn)行數(shù)值模擬，從上文分析得到，尾礦庫建筑材料為白泥、風(fēng)化土和亞粘土，而影響尾礦庫防滲土特性的因素有多種，根據(jù)影響因素做出以下設(shè)定：①假設(shè)尾礦庫滲流狀態(tài)為層流，層流的滲流狀態(tài)滿足達(dá)西定律。②假設(shè)尾礦庫土體壓縮性能穩(wěn)定，即尾礦庫建筑土體的孔隙率不會發(fā)生改變。③尾礦庫地基不會出現(xiàn)透水現(xiàn)象。根據(jù)以上假設(shè)選取有限元數(shù)值模擬軟件中飽和-非飽和模型和飽和模型兩種作為尾礦庫防滲土特性數(shù)值計算模型，為了保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要根據(jù)尾礦庫建筑材料結(jié)構(gòu)來確定模型，圖1為尾礦庫建筑材料結(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)建筑材料的物理性質(zhì)選取相應(yīng)的模擬模型，其中白泥和風(fēng)化土建筑材料的模擬模型為飽和模型，其計算公式如下：

公式（1）中，K為飽和函數(shù)；d為白泥和風(fēng)化土材料的總水頭；k為尾礦庫建筑材料的滲透系數(shù)。亞粘土建筑材料的模擬模型選取為飽和-非飽和模型，其公式如下所示：

公式（2）中，L為飽和-非飽和函數(shù)；[X]為有限元系統(tǒng)的滲透矩陣；{S}為亞粘土水頭向量。利用上述兩個公式模擬計算出尾礦庫防滲土特性數(shù)值模擬結(jié)果，施工方可以根據(jù)該數(shù)值模擬結(jié)果對尾礦庫建筑材料配比參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以此完成尾礦庫防滲土特性數(shù)值模擬，進(jìn)而實現(xiàn)了對尾礦庫防滲土特性實驗測試和數(shù)值模擬研究。

3 結(jié)語

此次結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對尾礦庫防滲土特性實驗測試和數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，有利于提高尾礦庫防滲土性能以及建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，為采礦施工安全和周圍居民生命安全和財產(chǎn)安全提供了保障，可以為尾礦庫建設(shè)施工提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時對研究尾礦庫防滲土特性具有一定的參考價值。由于此次研究時間有限，在研究內(nèi)容上還存在一些不足之處，今后仍會對尾礦庫防滲土特性實驗測試和數(shù)值模擬進(jìn)行進(jìn)一步研究。