某磷礦尾礦料分層固結(jié)特性試驗*

張慧穎 楊 松 鄭沖泉

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院;2.云南水投牛欄江滇池補水工程有限公司)

尾礦壩是由尾礦堆積碾壓而成的壩體，主要用于堆存礦石選別后排出的尾礦或冶煉后的工業(yè)廢渣。尾礦壩一層一層分期筑壩，每層尾礦料的固結(jié)度不同，這種特殊的筑壩形式使得分層固結(jié)對研究其變形特性尤為重要。另一方面，壩體在自然條件下不斷的干濕循環(huán)，不僅需要考慮飽和固結(jié)問題，還需要考慮非飽和尾礦料的固結(jié)問題。陳敬松等[1]通過飽和尾礦砂的動三軸液化試驗發(fā)現(xiàn)，固結(jié)圍壓對動剪應(yīng)力比的影響不大。阮元成等[2]通過飽和尾礦料試驗發(fā)現(xiàn)，在往返加荷條件下，同一種尾礦料對于不同的固結(jié)比，其壓力效應(yīng)的試驗結(jié)果可以近似用同一條直線來表示。劉庭發(fā)等[3]通過試驗得到了尾礦料的比重、滲透系數(shù)、強度、固結(jié)系數(shù)等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。鞠潔[4]通過銅礦尾礦料的三軸試驗發(fā)現(xiàn)，動強度隨固結(jié)應(yīng)力比的增大而增大。保華富等[5]通過鉛鋅礦尾礦料的試驗得出了尾礦料在不同固結(jié)壓力、不同孔隙比下的滲透系數(shù)與破壞比降。于浩等[6]通過尾礦壩料的固結(jié)不排水動力三軸試驗發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)振動荷載下，對同一固結(jié)比，動剪應(yīng)力隨圍壓的增大而增大；同一圍壓下，動剪應(yīng)力隨固結(jié)比的增大而增大。本文針對某磷礦尾礦料的分層固結(jié)特性，對不同干密度、不同飽和度的非飽和尾礦料試樣進行壓縮試驗和分層固結(jié)試驗，以期獲得磷礦尾礦料的力學(xué)性質(zhì)。

1 某磷礦尾礦料物化性質(zhì)

某磷礦屬于沉積礦床，由風(fēng)化、沉積作用形成，經(jīng)過分異作用的影響，與內(nèi)生礦相比，礦物成分單一，主要為膠磷礦和白云石，膠磷礦在精選過程中被選走，留下磷礦尾礦料，粒度很細(xì)小。因此，磷礦尾礦料中白云石為主要礦物成分，通過X射線熒光光譜儀檢測結(jié)果(表1)可以看出，尾礦料中MgO、CaO的含量明顯高，P2O5含量較高。與金屬礦床相比，磷礦尾礦料的成分中硅質(zhì)含量明顯較低，硬度也明顯低于金屬尾礦料，而且磷礦尾礦料中的成分不如金屬礦尾礦料復(fù)雜，化學(xué)性能具有很大差異性，從而導(dǎo)致顆粒組成結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)特征都有所不同。磷礦尾礦料的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 磷礦尾礦料化學(xué)成分 %

表2 磷礦尾礦料基本物理力學(xué)指標(biāo)

2 壓縮固結(jié)試驗

尾礦料顆分試驗結(jié)果表明,尾礦料的顆粒組成級配連續(xù)，結(jié)合尾礦料的液限、塑限測試結(jié)果，確定尾礦料顆粒為粉粒?？紤]尾礦壩的分層特性，在固結(jié)試驗中，設(shè)計了5個干密度：1.3，1.4，1.5，1.6，1.7 g/cm3。制樣過程中發(fā)現(xiàn)，隨著飽和度的增大，尾礦料強度急劇降低，試樣流動性增大，成樣困難。為保證試樣的完整性，飽和度設(shè)計為30%、40%、50%；垂直壓力逐級增大，分別為25，50，100，200，300，400 kPa，每級壓力下的固結(jié)時間為24 h，24 h后試樣變形不大于0.005 mm/h認(rèn)為穩(wěn)定。

2.1 30%飽和度

飽和度為30%時，不同干密度尾礦料的壓縮特性的試驗結(jié)果見圖1。為消除初始加壓時試驗儀器帶來的誤差，在固結(jié)壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線上，壓縮系數(shù)從25 kPa算起，圖中50 kPa所對應(yīng)的點是壓力差為25 kPa所對應(yīng)的孔隙比，以此類推。

從圖1可以看出：

圖1 飽和度為30%時不同干密度尾礦料的壓縮特性

(1)當(dāng)土樣飽和度為30%時，隨著垂直壓力的增大，試樣的孔隙比不斷減小。

(2)孔隙比的變化范圍主要集中在0.65～0.75，在尾礦料的壓縮過程中,初始干密度的變化并沒有顯著地改變顆粒的孔隙比,即初始固結(jié)壓力的施加能消除初始干密度對尾礦料的壓縮特性的影響。

(3)尾礦料的壓縮特性對應(yīng)力歷史不敏感。

(4)固結(jié)壓力為50 kPa時，各干密度下的壓縮系數(shù)相差不大；隨著固結(jié)壓力的增大，壓縮系數(shù)略有變化，但仍然只是在小范圍內(nèi)波動，尾礦料在壓縮過程中，初始固結(jié)壓力對孔隙比影響很大。

2.2 40%飽和度

飽和度為40%時，不同干密度尾礦料的壓縮特性試驗結(jié)果見圖2?？梢钥闯觯?/p>

(1)當(dāng)土樣飽和度為40%時，壓縮規(guī)律與飽和度為30%時一致，即隨著垂直壓力的增大，試樣的孔隙比不斷減小。此時試樣孔隙比的變化范圍主要集中在0.59～0.68，與飽和度為30%時的試驗結(jié)果相比，孔隙比的變化范圍仍然不大，初始干密度的變化在尾礦料的壓縮過程中并沒有顯著地改變顆粒的孔隙比。只是飽和度提高后，在相同的固結(jié)壓力下，試樣的密實程度顯然更好，顆粒的間距縮小，孔隙比降低。但仍然反映出尾礦料的壓縮特性對應(yīng)力歷史不敏感。

(2)固結(jié)壓力為50 kPa時，壓縮系數(shù)還比較分散，但隨著固結(jié)壓力的增大，各初始干密度下的壓縮系數(shù)逐漸逼近，當(dāng)固結(jié)壓力達(dá)到400 kPa時，壓縮系數(shù)都在0.05左右。

2.3 50%飽和度

飽和度為50%時，不同干密度尾礦料的壓縮特性試驗結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯?/p>

(1)當(dāng)試樣飽和度為50%時，不同干密度下的e-p曲線，其變化規(guī)律基本一致。在初始固結(jié)壓力加載后，基本能消除干密度所帶來的差異。即在初始階段，非飽和尾礦料迅速壓縮，到達(dá)一個相當(dāng)?shù)拿軐嵍取Ｔ陲柡投葹?0%、40%、50%的尾礦料中都出現(xiàn)了這個現(xiàn)象。這表明，非飽和尾礦料中基質(zhì)吸力對其壓縮固結(jié)特性影響不大。

(2)當(dāng)飽和度為50%時，壓縮系數(shù)相對于飽和度30%、40%明顯降低。這表明，當(dāng)尾礦料中的含水率增加時，試樣在較小的固結(jié)壓力下，就能得到較好的密實程度。當(dāng)固結(jié)壓力增大到300，400 kPa時，不同干密度下的壓縮系數(shù)相差不大。這也進一步表明，應(yīng)力歷史對尾礦料影響不大。

圖2 飽和度為40%時不同干密度尾礦料的壓縮特性

圖3 飽和度為50%時不同干密度尾礦料的壓縮特性

3 分層固結(jié)特性試驗

為測量所需要的物理量，尾礦料堆積在一個由有機玻璃制成的透明長方體箱子內(nèi)，箱子側(cè)面設(shè)有排水孔，方便土樣堆積過程中排水固結(jié)，在透明的有機玻璃箱正面設(shè)置了6個觀察點，如圖4所示。通過測量尾礦料堆積后的沉降量來反映其固結(jié)特性。

圖4 尾礦料堆積分層固結(jié)模型試驗

由于尾礦料的土樣含水率很大，故配制時含水率為22%，大于尾礦料的液限，尾礦料處于流動狀態(tài)。由左到右依次將觀測點標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#、6#；尾礦料分3層堆積，每層堆積時間為72 h。各層堆積厚度見表3。

表3 模型試驗各層堆積厚度

第一層尾礦在不同時間的沉降量見表4，第二層、第三層尾礦堆積后，第一層尾礦不同時間下的沉降量分別見表5、表6。

表4 第一層尾礦不同時間下的沉降量

表5 第二層尾礦堆積后第一層尾礦不同時間下的沉降量

表6 第三層尾礦堆積后第一層尾礦不同時間下的沉降量

從表4～表6可以看出：

(1)當(dāng)?shù)谝粚游驳V堆積后，在24 h內(nèi)其固結(jié)很快，沉降量很大；隨著時間的增長，第一層尾礦的沉降量明顯減小，次固結(jié)并不明顯。

(2)當(dāng)?shù)诙游驳V加到第一層尾礦上，第一層尾礦也只是在初始階段有微小的沉降，其后趨于穩(wěn)定。

(3)當(dāng)?shù)谌龑游驳V加到第二層尾礦上，第一層尾礦的沉降也很微小，隨時間基本上沒有明顯的變化。

由此表明，飽和尾礦料具有和非飽和尾礦料相似的性質(zhì)。在很小的初始固結(jié)壓力下，土樣會趨于穩(wěn)定，應(yīng)力歷史對尾礦料的影響不大。這是由尾礦料特殊的顆粒結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)所決定的。

4 結(jié) 語

針對某磷礦尾礦料分層固結(jié)特性，通過對不同干密度、不同飽和度的非飽和尾礦料試樣進行壓縮試驗，得到了飽和度分別為30%、40%、50%時的垂直壓力與孔隙比、固結(jié)壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線，同時分析了相同飽和度下不同干密度尾礦料的壓縮系數(shù)；然后，采用含水率為22%尾礦料進行堆積分層固結(jié)模型試驗。試驗結(jié)果表明，施加初始固結(jié)壓力能消除初始干密度對尾礦料的壓縮特性的影響，尾礦料的壓縮特性對應(yīng)力歷史不敏感，非飽和尾礦料中基質(zhì)吸力對其壓縮固結(jié)特性影響不大。在尾礦壩分期填筑過程中，試驗用磷礦尾礦料都具有較好的密實度，能有效保證尾礦壩的安全。

[1] 陳敬松,張家生,孫希望.飽和尾礦砂動強度特性試驗結(jié)果與分析[J].水利學(xué)報,2006,37(5):603-607.

[2] 阮元成,郭 新.飽和尾礦料動力變形特性的試驗研究[J].水利學(xué)報,2003(4):24-29.

[3] 劉庭發(fā),張鵬偉,胡黎明.含硫銅礦尾礦料的工程力學(xué)特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2013,35(1):166-169.

[4] 鞠 潔.尾礦料的動強度和殘余應(yīng)變特性試驗研究[J].低溫建筑技術(shù),2015(8):120-122.

[5] 保華富,張光科,龔 濤.尾礦料的物理力學(xué)性試驗研究[J].四川聯(lián)合大學(xué)學(xué)報,1999,3(5):115-121.

[6] 于 浩,徐牧明,陳洪全.尾礦料的動強度特性試驗研究[J].土工基礎(chǔ),2014,28(2):145-149.