云南卡房尾礦庫固結試驗與機理研究

楊 天 劉文連 王修峰 費維水 李 俊

（1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明650093；2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南昆明650000；3.昆明理工大學建筑與土木工程學院，云南昆明650000）

尾礦庫是礦山工程的一個重要組成部分，隨著我國工業的不斷發展，國內礦山開采規模不斷擴大，大量尾礦庫的建設，致使尾礦庫的穩定性及安全問題越來越受到關注。尾礦顆粒的固結特性對尾礦壩體穩定性有著很重要的影響，所以對其進行研究很有必要。近年來，眾多學者通過對尾礦固結規律進行研究，得出了一些重要結論。劉文連等［1］通過對某尾礦庫尾礦砂土靜力、動力基本特性的研究，建立了3 種固結作用靜力抗剪強度中權重分配的數學表達式；曹凈等［2-3］以馬家田尾礦壩的巖土勘察及試驗數據為基礎，對其淋濾及化學固結作用進行了綜合分析評價，得出了滲透力及毛細力作用下的淋濾固結特征；費維水［4］在太沙基固結理論的基礎上，進行了尾礦壩不同階段的固結應力分析，認為垂向滲流淤堵是導致尾礦庫滲透系數產生差異的原因；魏寧等［5］運用廣義流變記憶理論建立了尾礦土體的非線性彈—黏彈本構模型，并通過數值分析手段，研究了尾礦固結過程中孔隙水壓力及位移隨時間的變化規律及對尾礦壩的影響；顏學軍［6］在尾礦沉積固結試驗的基礎上，探討了尾礦排放濃度、流量、流速等因素對尾礦壩穩定性的影響規律。此外，不少學者也在尾礦滲流分析［7-9］、沉積規律［10-13］、固結特性及規律［14-18］等方面進行了大量卓有成效的研究。

通過對已有研究成果的總結歸納，發現對尾礦顆粒固結程度影響因素的試驗研究較少。本研究通過室內試驗模擬尾粉砂及尾粉土的淋濾固結過程，并控制淋濾時間、淋濾次數、淋濾液成分、固結形式等變量，研究不同因素對尾礦固結程度的影響及變化規律。同時，通過對尾礦顆粒的微觀結構觀測及水化學場變異分析來推演其化學固結過程。結合卡房尾礦庫特殊的“環形交替放礦”模式，對其多種固結機理進行綜合分析，為尾礦顆粒固結特性的理論研究及實踐應用提供有益參考。

1 淋濾固結試驗

1.1 試驗裝置及試樣制備

本研究淋濾固結試驗裝置［19］主要由土樣箱、噴淋設備、集液設備三部分。①土樣箱，規格為500 mm×500mm×600 mm（長×寬×高），由木板黏結而成，后端擋板底部設泄水縫，泄水縫內側鋪碎石起到反濾層的作用，防止淋濾液將尾礦顆粒帶出，土樣箱內側標記紅線以便測量沉降；②噴淋設備，蠕動泵規格為3 L/min，為保證淋濾液可被均勻噴淋在尾礦樣表面，通過計算及調整，最終確定噴頭距土樣箱頂約30 cm；③集液設備，將泄水縫流出的淋濾液收集在集液桶內進行簡單過濾，通過蠕動泵將過濾后的濾液抽至噴淋設備進行循環噴淋。試驗裝置見圖1。

卡房尾礦庫淺部堆積物主要為尾粉砂（埋深0～13 m）及尾粉土（埋深0.3～33.2 m），其余地層堆積物主要為黏土，由于黏土堆積量較少，且短期內淋濾固結效果不明顯，所以本研究選取尾粉砂及尾粉土作為試驗對象。在卡房尾礦庫區多個具有代表性的取樣點分別取尾粉砂、土各250 kg，密封保存運回實驗室，剔除樣品中的雜質后，裝入土樣箱內。在密封條件下靜置數天，使重塑尾礦樣在自重應力作用下先進行一定程度的固結沉降，以排除自重固結作用對淋濾試驗的影響。

1.2 試驗方法

淋濾固結作用強度受多種因素控制，為研究淋濾時間及淋濾液成分對其的影響，設計了單一變量的對照試驗。試驗方案為：將土樣箱分成兩組，1～8號箱裝入尾粉砂試樣，9～16 號箱裝入尾粉土試樣。將1、2、9、10 號土樣箱用清水進行淋濾，其余土樣箱用尾礦澄清液作為淋濾液，以研究淋濾液成分對固結作用的影響。1、3、9、11 號土樣箱每天控制淋濾時間8 min（約10 L 淋濾液），其余土樣箱為1 h（約75 L 淋濾液），以研究淋濾時間及淋濾液流量對固結作用的影響。同時對8 號、16 號箱不進行處理，作為僅存在自重固結的對照組。通過對各土箱最終沉降量的觀測，來區分其淋濾固結作用的強弱，試驗方案的變量對照設置如表1 所示。試驗結束后在規定的時間段內對尾粉砂及尾粉土分別進行取樣，并依照相關規范［20-21］進行直剪試驗測定其C、φ 值，取樣時間見表2。

2 試驗結果及分析

依據上述方案進行試驗后，通過觀測，各土箱的最終沉降量如表3所示。

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2.1 淋濾時間及濾液成分對淋濾固結的影響

針對卡房尾礦庫特殊的放礦形式，本研究通過反復淋濾，從而模擬出符合現場情況的干濕交替的氧化還原環境。為研究不同淋濾時間及淋濾液成分對淋濾固結作用的影響，對1、2、3、4、9、10、11、12 號土樣箱淋濾15 d 后的最終沉降量及力學指標進行了測試，各土樣箱最終沉降量之間的關系如圖2 所示。直剪試驗結果對比如圖3和圖4所示。

由于淋濾試驗過程中表層尾礦容易受到擾動等干擾因素的影響，抗剪強度指標離散性較大，因此在不同土樣箱之間的橫向對比中本研究均使用取樣深度最深的40 cm 處的尾礦試樣進行對比分析。由圖2、圖3及圖4可以看出：

（1）尾礦的淋濾固結程度與淋濾時間呈正相關。淋濾時間為1 h 的尾礦試樣的最終沉降量與抗剪強度指標均明顯大于淋濾8 min 時的取值，尾粉砂黏聚力C 值1 h 組較8 min 組大68.3%左右，內摩擦角φ 值大13.3%左右；尾粉土的C值1 h組較8 min組大4.1%左右，較φ 值大5.7%左右。說明尾礦淋濾時間越長，尾礦的沉降量越大，同時固結程度隨之升高，抗剪強度指標也相應提高。

（2）尾礦的淋濾固結程度與淋濾液的化學成分也存在一定的關系。相較于用水作為淋濾液，尾礦澄清液組尾礦的沉降量與抗剪強度指標均更大。使用尾礦澄清液進行淋濾時，尾粉砂的黏聚力C、內摩擦角φ 較使用水進行淋濾時分別大74.7%、16.2%；尾粉土黏聚力C、內摩擦角φ分別大31.3%、31.2%。

（3）淋濾液成分對尾礦沉降量的影響遠小于淋濾時間對其的影響，且兩者對尾粉砂的影響明顯大于尾粉土，這是由于尾粉砂的密實度更小，其淋濾固結效果短期內更明顯。

2.2 自重固結與淋濾固結影響效果對比分析

為研究固結形式對固結程度的影響。此次試驗單設8、16號箱，分別裝入尾粉砂和尾粉土，不進行任何處理，作為自重固結作用對照組。將5、6、7、8號箱與13、14、15、16號箱進行對比，淋濾固結與自重固結影響下的最終沉降量對比如圖5 所示，直剪指標（黏聚力C、內摩擦角φ）值對比見圖6。

對比取樣時間均為120 d 的7、8、15、16 號土箱可以看出：①僅自重固結作用下的最終沉降量遠小于淋濾固結作用下的沉降量，尾粉砂淋濾固結的沉降量較自重固結大近403%，尾粉土沉降量大506%左右；②淋濾固結作用下的抗剪強度指標（40 cm 深度處指標）比自重固結作用下大，尾粉砂在淋濾固結作用下的C、φ 值較自重固結分別大60%、19.1%，尾粉土的C、φ 值分別大42.7%、5.5%，說明自重固結對抗剪強度指標的影響遠小于淋濾固結；③5、6、7號土箱最終沉降量分別為66.5 mm、72 mm、75.5 mm，13、14、15 號土箱最終沉降量分別為41.5mm、46.5 mm、48.5 mm，說明隨著淋濾時間的增長，最終沉降量也逐漸增大，兩者呈正相關，但增長速率逐漸減小。

2.3 單次淋濾固結過程分析

為研究尾礦的淋濾固結機理，分別選取使用清水作為淋濾液的2 號及10 號土樣箱進行沉降數據采集，以排除淋濾液中化學成分對固結的影響，繪制了沉降量與淋濾時間的關系曲線圖，如圖7所示。由圖7 可知：在一個淋濾過程中，尾粉砂、尾粉土的沉降差均呈現先回彈后沉降的趨勢，回彈量一般穩定在1～2 mm，尾粉砂單日最大沉降量約8 mm，尾粉土約4 mm，回彈量與沉降量峰值均出現在第1 d，之后隨著淋濾次數的增長，單次回彈量與沉降量均逐漸減小，并逐步趨于穩定。

2.4 尾礦顆粒微觀結構觀測

本研究采用SEM 掃描電鏡對不同埋深的尾礦顆粒進行了5 μm 微觀結構觀測，結果見圖8。分析圖8可知：尾礦顆粒及其整體結構呈現出條片狀和羽毛狀，粗顆粒間存在較多大孔隙且較為分散，部分孔隙被細顆粒所填充，顆粒結構間多存在貫通孔隙與喉道，說明尾礦樣具有較強的滲透性，同時可以看出有較多的絮狀膠結物附著在顆粒表面或粘結于顆粒之間，形成團塊結構。

3 卡房尾礦砂土固結作用機理綜合分析

卡房尾礦庫為平地型環形堆壩尾礦庫，采用上游法筑壩，尾礦漿主要沿尾礦庫四周的堆積壩壩頂排放，為“環形交替放礦”模式。獨特的放礦形式導致庫區尾礦干灘面內會頻繁且周期性地形成非穩定滲流，致使尾礦頻繁處于飽和—非飽和的交替循環狀態中。結合其礦液排放方式及堆積特點，將卡房尾礦壩進行了分區（圖9），Ⅰ區為干灘面與浸潤線之間區域，Ⅱ區為坡面與浸潤線之間區域，Ⅲ區為浸潤線以下的區域。

3.1 淋濾固結作用

結合卡房尾礦庫放礦形式及淋濾固結試驗的相關結論，對尾礦的淋濾固結機理進行以下分析：當尾礦處于非飽和狀態時，顆粒之間存在水膜，水膜的毛細力使顆粒相互靠近，從而趨于密實；排放尾礦液時，浸潤線不斷提高，尾礦逐步轉向飽和狀態，毛細力逐漸消失，尾礦顆粒隨之發生一定膨脹，整體會顯示出一定回彈；隨著飽和區逐漸擴大，形成了穩定的滲流場，顆粒在滲流力的作用下開始發生重排列，部分較小顆粒在滲流場的裹挾下進入了下層尾礦中；停止排放后，尾礦又逐漸轉為非飽和狀態，顆粒間又重新形成水膜，毛細力開始發揮作用，最終在顆粒自重應力以及毛細力的共同作用下，使得尾礦變得密實（圖10）［3］。淋濾固結作用會使淺部尾礦體出現較為明顯的沉降，增大密實度，提高內摩擦角φ［1］。

3.2 化學固結作用

卡房尾礦庫壩頂管道排出的尾礦液經過干灘面的流淌，其中部分尾礦液匯集在庫區，另一部分滲入到干灘面以下的Ⅰ區，Ⅱ區會有極少的尾礦液滲入，最終，庫區內的尾礦液通過Ⅲ區后經壩足以及排水系統排出。不同區域的水化學分析結果見表4。由表4 可知：從庫區到壩體外滲口及坡腳排水口，尾礦水的pH 值從6.1增加到6.9。排水口的尾礦水中各離子含量較庫區變化不大，這是由于排水口的尾礦水是經庫區排水系統排出，并未通過尾礦壩內的滲流場，表明尾礦液化學元素含量的變化是由于其在滲流場中發生了多種化學反應所致。

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卡房尾礦液的流動方式使Ⅰ區形成了干濕頻繁交替環境，該區尾礦長期處于飽和—非飽和的氧化還原交替狀態。當尾礦液滲入時，處于游離態的等離子隨著尾礦液一同滲入該區，通過大量化學反應最終形成了CaSO4·2H2O（石膏）、MgSO4·H2O 和CaCO3等硬化結晶物，包裹在尾礦顆粒表面并填充尾礦顆粒間的孔隙，生成過程可表示為

同時，生產過程中會有大量的H2S 和SO2等硫化物排放，這些硫化物會隨著尾礦液下滲并使下層尾礦處于酸性環境中。在酸性條件下，Fe3+、Al3+濃度增加，發生反應使得Fe（OH）3、Al（OH）3等膠體增多并逐漸沉淀而固化。通過多種化學反應而形成的硬殼體物質及膠團物質會附著在尾礦上或填充在空隙中，形成尾礦團塊結構，使尾礦的黏聚力C 逐漸增加，抗剪強度提高，從而使得尾粉砂、尾粉土具有較好的結構強度。

對3種固結作用進行分區分析可知：Ⅰ區處于飽和—非飽和交替區域，在其淺部區域，淋濾固結作用最顯著，化學固結次之，自重固結影響較小，隨著深度不斷增大，化學固結作用效果會不斷加強，逐漸占據主導；Ⅱ區的尾礦同樣也經歷過長期的化學硬化膠結作用，但隨著尾礦壩逐漸堆積升高，尾礦液無法繼續淋濾，長期處于非飽和狀態，因此該區長期處于較穩定的膠結狀態；Ⅲ區長期處于飽和狀態，該區淋濾固結作用消失，化學固結作用也很微弱。因此，Ⅱ區及Ⅲ區的主要固結形式為自重固結。

4 結 論

（1）尾礦的淋濾固結程度與淋濾時間呈正相關。淋濾時間越長，沉降量越大，尾礦力學指標越好，固結程度越強。淋濾固結程度與淋濾液的化學成分也存在一定的關系，使用尾礦澄清液比清水固結程度更高，黏聚力C、內摩擦角φ 取值也隨之提高。在單次淋濾固結過程中，尾粉砂、尾粉土的沉降差均呈現先回彈后沉降的趨勢，回彈量與沉降量峰值均出現在第1 d，隨著淋濾次數的增加，單次回彈量與沉降量均逐漸減小并最終趨于穩定。

（3）對卡房尾礦砂土固結機理的分析認為：卡房尾礦庫存在自重固結、淋濾固結、化學固結等多種固結形式，尾礦砂土的固結效果和力學指標的提高是3種形式共同作用的結果。淋濾固結及化學固結作用主要發生在飽和—非飽和的交替環境下，淋濾固結對尾礦內摩擦角φ 影響較大，化學固結對黏聚力C 影響較大，自重固結相對于二者影響較小。

（4）對尾礦固結作用進行分區研究，認為Ⅰ區長期處于飽和—非飽和的氧化還原交替狀態，Ⅱ區尾礦長期處于非飽和的氧化狀態，Ⅲ區尾礦長期處于飽和的還原狀態。淋濾及化學固結作用主要發生在Ⅰ區，淺部淋濾固結作用較強，深部化學固結作用較強；Ⅱ區及Ⅲ區淋濾及化學固結作用十分微弱，主要固結形式為自重固結。