飽和細粒尾礦砂的物理力學性質(zhì)

劉靜媛，柴修偉

武漢工程大學資源與安全工程學院，湖北武漢430074

當前，由于地區(qū)、環(huán)境以及選礦方式的不同，導致尾礦砂的物理力學性質(zhì)存在較大差異。在研究尾礦壩的穩(wěn)定性前，對其基本力學性質(zhì)進行研究尤為重要。

針對尾礦砂的物理和力學性質(zhì)，趙懷剛等［1］、王鳳江等［2］從尾礦的堆存特征角度進行研究，結(jié)果表明增大尾礦砂的相對密度或者減小其孔隙比，壩體的抗剪強度將得到提高。文獻［3-4］通過室內(nèi)土工試驗和激光粒度分析指出，細粒尾礦含量越高黏聚力越強，內(nèi)摩擦角和滲透性越?。徊⒔柚鶶lide 軟件建立直觀的尾礦壩模型，發(fā)現(xiàn)中值粒徑較大條件下其最小安全系數(shù)相應(yīng)較大，壩體穩(wěn)定性明顯較高，進一步證實了細粒含量對尾礦庫穩(wěn)定性的重要性。朱仁玉［5］認為尾礦砂在飽和狀態(tài)下，隨著細粒含量比占比增大，在同一圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型、應(yīng)變穩(wěn)態(tài)型和應(yīng)變軟化型3 種狀態(tài)。尾礦的沉積和固結(jié)是形成強度的重要依據(jù)［6］，此外，文獻［7-8］指出，在相同干密度、相同圍壓的情況下，細粒砂的偏應(yīng)力峰值較粗粒砂大，黏粒含量小于10%時，隨黏粒含量增大，試樣壓縮性增強。文獻［9-10］通過強度試驗得出：隨著干密度的增大，試樣密實度增大，在發(fā)生破壞時，外力克服骨料間的摩擦力所做的功將增大，使得黏聚力、內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大的趨勢。

目前，已有學者對尾礦的物理力學性質(zhì)進行了一些研究，但對于粒徑對其影響仍存在一定不足。以程潮鐵礦尾礦為實驗材料，針對不同粒度條件下其物理力學性質(zhì)進行室內(nèi)試驗和分析，從受力情況和抗剪強度等方面研究，為提高尾礦強度提供參考。

1 實驗材料及其物理性質(zhì)

1.1 現(xiàn)場取樣

該尾礦砂取自寶武集團程潮鐵礦，沿放礦方向，根據(jù)與放礦位置的距離確定采樣點。現(xiàn)場取樣如圖1 所示，距放礦口1 處0、20、40、60 m，記為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4；距放礦 口2 處20、40、60、70、80 m，記為Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4、Ⅱ5。

圖1 現(xiàn)場取樣示意圖：（a）取樣方向，（b）取樣點分層現(xiàn)象Fig.1 Schematic diagrams of on-site sampling：（a）sampling direction，（b）stratification of sampling points

1.2 含水率試驗

采用烘干法測定尾礦含水率，試驗需要的儀器設(shè)備有烘箱、電子秤、鋁盒等。將裝有試樣的鋁盒放入烘箱中，在105~110 ℃下，烘干時間不得小于6 h 至恒重，待冷卻干燥后按公式計算含水率，見表1。

表1 含水率測定Tab.1 Percentage of moisture content

由表1 可知，隨著沉積時間和滲流作用，距離放礦口越遠尾礦含水率越大，尾礦砂粒徑越??；并且各取樣點上層粒徑較下層大，分層現(xiàn)象明顯。在Ⅱ3處，地形凹陷，大量水份無法流通，匯聚在此處，因此測得含水率為25.6%，出現(xiàn)明顯差異。

2 試驗方法

2.1 尾礦砂的顆粒分析

參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）［11］對尾礦砂進行顆粒分析試驗，圖2 為各取樣點的原始顆粒級配曲線。由于尾礦砂粒徑較小，所以粒徑在0.075 mm 以下的采用激光粒度分析儀進行檢測，粒徑在0.075 mm 以上的采用篩分法。由篩分結(jié)果得出，全尾礦粒徑大于0.074 mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的88.33%、85.96%，超過總質(zhì)量的85%，故采樣處所取尾砂屬于尾細砂［12］。

圖2 各取樣點全尾砂的顆粒級配曲線：（a）放礦口1，（b）放礦口2Fig.2 Grading curves of all tailings at each sampling point：（a）drainage port 1，（b）drainage port 2

判別級配優(yōu)劣的指標有不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，通常也通過平均粒徑d50聯(lián)合不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)進行判別。Cu越大表示粒徑分布越廣，Cc在1~3 范圍內(nèi)表示粒徑分布均勻且連續(xù)，因此，同時滿足Cu≥5，1≤Cc≤3 時尾礦級配良好。該尾礦各項級配參數(shù)見表2。

由表2 可知：隨距放礦口的距離逐漸增大，有效粒徑d10、平均粒徑d50、限制粒徑d60均呈現(xiàn)減小的趨勢；不同取樣點顆粒分析結(jié)果顯示Cu約為3.765，Cc約為0.932，粒徑分布不均勻且不連續(xù)，級配不良。

表2 尾礦各項級配參數(shù)Tab.2 Various grading parameters of tailings

2.2 尾礦砂的成分分析

除了顆粒分布形態(tài)會對尾礦強度特性造成影響，其組成成分也會影響在承載過程中尾礦的力學行為、變形規(guī)律和聲學特征等［13］。對試樣進行X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）實驗，分析其礦物組成。采用MDI jade 軟件對XRD 數(shù)據(jù)進行處理，圖3 為全粒徑尾礦的衍射圖譜與物相分析。

圖3 全粒徑尾礦XRD 圖譜Fig.3 XRD pattern of full size tailings

礦物的硬度在一定程度上可以反映其抗剪強度的大小［14］，分析發(fā)現(xiàn)該尾礦中的主要礦物成分為石英、鐵、沸石、硫酸銅等。并且隨粒徑的減小石英含量也呈減小趨勢，而石英的硬度相對其他礦物成分較高，這也進一步說明了細粒含量不利于尾礦的強度提高。

2.3 尾礦砂的力學特性

抗剪強度的大小取決于砂土的組成成分、顆粒排列方式以及所受的應(yīng)力組合等，因此，以直剪試驗和三軸試驗為主，研究不同粒徑的尾礦力學參數(shù)的變化趨勢。

（1）試驗設(shè)備

為研究尾礦砂在不同受力情況下的抗剪強度，選用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀和TSZ-3 型應(yīng)變控制式三軸儀進行剪切試驗。

（2）試驗過程

按照《土工試驗規(guī)程》要求，由＜0.075 mm、0.075~0.100 mm、0.100~0.250 mm、0.250~0.500 mm、0.500~1.000 mm 五個粒徑組進行試驗。

直剪試驗分別施加軸向荷載50、100、150、200 kPa，在0.8 mm/min 的剪切速率下進行剪切直至破壞，繪制ΔL-τ曲線和p-S曲線，計算黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ等強度指標。三軸不固結(jié)不排水試驗在圍壓分別為50、100、200 kPa 條件下，控制剪切速率ν=0.04 mm/min 進行剪切，至軸向應(yīng)變達到15%以上，將數(shù)據(jù)進行處理，繪制應(yīng)力莫爾圓，得出在不同圍壓作用下，粒徑與抗剪強度之間的關(guān)系。

3 結(jié)果與討論

3.1 直剪試驗結(jié)果分析

在直剪試驗中，取最大剪應(yīng)力作為該軸向荷載對應(yīng)的抗剪強度S，并擬合直線，計算得出該粒徑組的內(nèi)摩擦角和黏聚力。圖4 為不同粒徑組試樣直剪試驗中的應(yīng)力應(yīng)變曲線及強度曲線。

圖4 不同粒徑組試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線及強度曲線：（a，b）＜0.075 mm，（c，d）0.075~0.100 mm，（e，f）0.100~0.250 mm，（g，h）0.250~0.500 mm，（i，j）0.500~1.00 mmFig.4 Stress-strain curves and strength curve of samples with different particle sizes：（a，b）＜0.075 mm，（c，d）0.075-0.100 mm，（e，f）0.100-0.250 mm，（g，h）0.250-0.500 mm，（i，j）0.500-1.000 mm

從單一粒徑組的試驗結(jié)果曲線圖中得出：隨著剪切位移的增大，試樣的剪應(yīng)力逐漸增大，當剪切位移達到4 mm 時，剪應(yīng)力增長緩慢并趨于不變，且軸向荷載越大抗剪強度越大。說明軸向荷載在一定時間內(nèi)對試樣有固結(jié)效果，在同一時間段內(nèi)由于軸向荷載的增大固結(jié)程度相應(yīng)增大，顆粒之間的相互作用力增強，表現(xiàn)出的抗剪切能力相應(yīng)增強。

對比不同粒徑組試樣，試樣所達到的最大剪應(yīng)力隨粒徑增大而增大，大顆粒具有較高的強度，不易發(fā)生破碎，但是顆粒較大的同時表面無黏性砂附著，會造成顆粒間黏聚力減小、內(nèi)摩擦角增大。

砂樣的抗剪強度是通過顆粒間的內(nèi)摩擦力與黏性物質(zhì)及水分子間的黏聚力所組成［15-16］。根據(jù)圖4擬合結(jié)果，計算出不同粒徑組的c、φ值，見表3。

由表3 可得：隨著粒徑的增大，尾礦試樣的黏聚力保持減小的趨勢，相反，內(nèi)摩擦角一直保持增大的趨勢，并且從0.100~0.250 mm到0.250~0.500 mm內(nèi)摩擦角急劇增大。根據(jù)內(nèi)摩擦角產(chǎn)生的原理，當粒徑小于0.25 mm 時，粉性尾礦和細粒尾礦為主導，由于粉粒與細粒表面相對光滑、且顆粒間存在一定的黏聚力，故顆粒間產(chǎn)生相互滑動時需要克服由于表面粗糙不平而引起的滑動摩擦較小，表現(xiàn)為發(fā)生剪切時內(nèi)摩擦角變化較??；當粒徑大于0.25 mm 時，試樣屬于尾中砂、尾粗砂，尾礦顆粒大、顆粒間的間隙較大且透水性好，易產(chǎn)生較大的咬合摩擦，因此與粒徑0.25 mm 以下的尾礦相比，該粒徑條件下得出的內(nèi)摩擦角急劇增大，黏聚力也相對最小。

表3 不同粒徑組直剪試驗抗剪強度指標Tab.3 Shear strength indexes of groups with different particle sizes in direct shear tests

3.2 不固結(jié)不排水試驗結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析 以不同圍壓下的主應(yīng)力差為縱坐標，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標，繪制不同粒徑相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖5 所示。

圖5 不同粒徑試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線：（a）＜0.075 mm，（b）0.075~0.100 mm，（c）0.100~0.250 mm，（d）0.250~0.500 mm，（e）0.500~1.000 mFig.5 Stress-strain curves of samples with different particle sizes：（a）＜0.075 mm，（b）0.075-0.100 mm，（c）0.100-0.250 mm，（d）0.250-0.500 mm，（e）0.500-1.000 mm

試驗結(jié)果顯示，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的變化急速達到某值時，主應(yīng)力差開始緩慢增長并隨著應(yīng)變的不斷增大而趨于平穩(wěn)，呈現(xiàn)塑性變形。同時施加圍壓值越大，試樣所達到的最大主應(yīng)力差也越大。尾礦粒徑越大，試樣達到破壞時的主應(yīng)力差越大，剪脹性隨之減小，說明較大粒徑具有較高的強度，不易發(fā)生破壞。

3.2.2 抗剪強度分析 根據(jù)要求，破壞點可取軸向應(yīng)變ε=15%時對應(yīng)的主應(yīng)力差作為破壞強度值。對于不固結(jié)不排水試驗，在橫坐標上以為圓心，以為半徑繪制破壞總應(yīng)力圓，并做各應(yīng)力圓的公切線即應(yīng)力圓強度包絡(luò)線。該包絡(luò)線的傾角為內(nèi)摩擦角，與縱坐標的截距為黏聚力，如圖6（a-e）所示。

以上5 種粒徑尾礦的強度參數(shù)c、φ值，見表4。

表4中，粒徑＜0.075 mm 時，c=22.41 kPa，粒徑為0.075~0.100 mm 時，c=15.83 kPa，變化量為6.58 kPa；粒徑為0.100~0.250 mm 時，c=15.7 kPa，粒徑為0.250~0.500 mm 時，c=9.23 kPa，變化量為6.47 kPa。相較于其它粒徑組，由粉粒到細粒、細粒到粗粒時產(chǎn)生的黏聚力變化非常明顯。

表4 不同粒徑組不固結(jié)不排水試驗c、φ 值Tab.4 c、φ values of groups with different particle sizes in unconsolidated and undrained tests

在三軸試驗中，隨著粒徑的增大，黏聚力保持下降的趨勢，相反，內(nèi)摩擦角保持增長趨勢，這一結(jié)果與直剪試驗結(jié)果保持一致。對比直剪試驗，發(fā)現(xiàn)在三軸試驗中各試驗組得出的黏聚力和內(nèi)摩擦角較大，其中，黏聚力增長幅度比內(nèi)摩擦角大；在圍壓作用下，尾礦相應(yīng)得到固結(jié)作用，因此提高了部分抗剪能力。

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)土工試驗、激光粒度分析和XRD 成分分析，從不同粒徑范圍研究其物理力學性質(zhì)對抗剪強度的影響，得出各項強度系數(shù)與粒徑之間的聯(lián)系。

（1）該尾礦壩粒徑分布不均勻且連續(xù)，屬于級配不良的尾細礦。

（2）粒徑小于0.250 mm 的尾礦顆粒中細粒含量和粉粒含量較多。大于0.250 mm 的顆粒，孔隙較大，石英含量偏多，由于石英硬度偏大，不易發(fā)生破壞，其含量有利于提高尾礦強度。

（3）直剪試驗中，隨著軸向荷載的增大，試樣發(fā)生破壞時的剪切應(yīng)力越大，且粒徑較大的試樣組發(fā)生破壞時的剪切應(yīng)力較大；粒徑為0.250~0.500 mm 時，剪切產(chǎn)生的內(nèi)摩擦角變化明顯，變化量為3.8°，而黏聚力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

（4）三軸不固結(jié)不排水試驗中，圍壓越大，試樣破壞時達到的偏應(yīng)力越大；隨著粒徑的增大，試樣發(fā)生剪切時黏聚力呈減小趨勢，內(nèi)摩擦角呈增大趨勢，粒徑為0.25~0.5 mm 時，黏聚力變化明顯，變化量為6.47 kPa，且三軸作用下尾礦砂的抗剪強度優(yōu)于直剪作用。