粗、細尾礦力學特性試驗研究

葉自歡，李世濤

（江西銅業集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334200）

1 引言

尾礦是金屬或非金屬礦山開采的礦石經選礦廠選出有價值的精礦后產生砂一樣的“廢渣”，一般以礦漿狀態排出，以堆存方式處理［1］。由于尾礦量的不斷增加以及可利用土地資源量的日益減小和單位土地資源價值的不斷上升，使得尾礦壩容量不斷增大，壩體不斷增高。同時由于尾礦壩規模較龐大且以含有重金屬等污染物質的尾礦為主要組成部分，一旦發生潰壩等事故，除了造成人員傷亡和財產損失外，往往還將造成嚴重的環境污染，因此確保尾礦壩的安全與環保正日益成為廣受關注且富有挑戰性的研究領域。

全世界每年采出金屬和非金屬礦 石、煤、石材、粘土、砂礫約90 億t，相應排棄廢石和尾礦約300億t。尾礦壩的失穩基本源于壩體的強度不足，而發生災難性的事故，尤其是在汛期。因此國內外對尾礦穩定性及力學特性的研究很多。如王文星運用擬靜力法分析了尾礦壩在地震條件下的穩定性［2］。王飛躍在深入剖析尾礦壩浸潤線影響因素的基礎上，建立了浸潤線疊加影響函數，歸納出與尾礦壩壩體特征相關的階段影響因子，提出反映階段影響因子的浸潤線矩陣［3］。運用多項式回歸分析浸潤線觀測數據，擬合得出浸潤線觀測孔水位與庫水位的函數曲線，求得尾礦壩浸潤線矩陣。李強采用流固耦合和強度折減法相結合對其尾礦壩進行穩定性分析，確定尾礦庫滲流場分布及浸潤線的位置［4］。王文松綜合運用堆壩模型試驗、土工測試、理論分析和數值模擬等多種方法，對其動力反應與靜、動力穩定性進行了系統研究［5］。獲得了因動孔隙水壓力的產生和增長而使尾礦壩的動力安全系數在地震過程中呈波動下降的趨勢。Chen 利用改進后的直剪裝置，研究了自重下落后的不規則尾砂的直剪力學特性，發現強度最差時，界面傾角為45°［6］。巫尚蔚從細觀上描述干灘表層沉積尾礦的幾何特征及其隨沉積距離的變化［7］。

因此研究尾礦的力學特性，對尾礦壩的穩定性評價具有重要的意義。本文以江西某銅礦尾砂為研究對象，進行固結不排水試驗。對粗、細尾砂試樣的力學及變形特征進行分析，試驗結果可為尾礦壩的設計及穩定性評價提供參考。

2 試驗材料及方法

2.1 尾砂樣參數

本試驗采用的尾砂樣取自江西某尾礦壩，取樣點如圖1 所示。原狀尾礦呈淡黃色，礦石金屬礦物成分有黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦，尾礦主要成分以石英砂為主。粒徑分布曲線如圖2 所示，其不均勻系數為21，屬于級配不良的尾礦，且粘粒含量較高。

圖1 尾礦取樣點

圖2 粒徑分布曲線

2.1 試驗儀器

力學試驗設備采用中國科學院武漢巖土力學研究所應變控制式SJ-1A.G 三軸儀，如圖3 所示。試驗系統包括圍壓控制器，反壓控制器和三軸試驗腔室。可進行不固結不排水剪（UU 剪）、固結不排水剪（CU 剪）、固結排水剪（CD 剪）三種類型試驗。試驗機最大圍壓為800 kPa，反壓為800 kPa，軸向最大荷載為30 kN。

圖3 三軸試驗儀器

2.3 試驗方案

為了解粗細粒尾礦的力學特性及變形特性。根據實際工況情況，將經過0.075mm 篩下的細粒尾礦作為細粒組，將庫內取出的原樣作為粗粒組，采用濕式制樣法制備試樣，三軸試驗尾砂樣尺寸直徑為39.1 mm、高80 mm。根據尾礦的實際賦存條件，固結不排水對尾礦試樣進行三軸。為方便試樣的安裝，制備好的試樣在真空抽氣飽和后需進行低溫凍結，凍結后再將試樣安裝在三軸壓力室內，采用反壓飽和的方法對試樣進行充分飽和，飽和之后緩慢施加圍壓進行等壓固結。試驗設計圍壓為100 kPa，200 kPa，400 kPa，剪切速率為0.074 mm/min，軸向變形達到15%停止試驗。

3 試驗結果分析

3.1 應力-應變曲線

粗細尾砂樣在不同固結壓力下進行不排水試驗，可獲得軸向變形ε及偏應力 q=σ′1-σ′3，據此可得到粗細尾礦的應力應變關系。粗粒組應力應變曲線如圖4 所示。細粒組應力應變曲線如圖5 所示。

圖4 粗粒組應力應變曲線

圖5 細粒組應力應變曲線

由圖4 可知：粗粒組應力應變關系存在三個階段，彈性線性階段、塑性屈服階段、臨界狀態不變階段。

（1）彈性線性階段：在彈性線性階段，應力應變關系呈直線型增長。

（2）塑性屈服階段：應力應變關系呈曲線型增長，試樣由體積壓縮轉為擴容，該階段的上界應力對應著峰值強度。

（3）臨界狀態不變階段：該階段應力不隨著應變的增加而增加，是一種常體積、常有效應力、常剪切應力、常速度的一種連續變形狀態，稱之為臨界狀態唯一性。

由圖5 可知：細粒組的應力應變關系與粗粒組應力應變關系不同，應力應變關系表現為應變硬化型。彈性直線段較短，加載過程中，很快進入塑性屈服階段，之后進入應變硬化階段。

3.2 破壞主應力線

在p′-q 平面內，將粗細尾礦試樣的應力路徑中峰值連接起來，可得到破壞主應力線。破壞主應力線如圖6 所示。

圖6 破壞主應力線

由圖6 可知：粗細尾礦的破壞主應力與平均主應力呈線性關系，粗粒尾礦的峰值強度明顯比細粒尾礦的峰值強度小，根據破壞主應力線可求得粗細尾礦的強度參數指標［8］。

破壞主應力線一般式為：

式中： qmax為平均峰值偏應力，kPa；φ 為內摩擦角，°；c 為內聚力，kPa。

根據式（1）求得的粗細尾礦的內摩擦角 及內聚力 值見表1，比較粗粒組與細粒組強度參數可知：粗粒組內摩擦角大于細粒組內摩擦角，粗粒組內聚力小于細粒組內聚力。因此可采用分級的方法，將粗粒尾礦進行筑壩，細粒尾礦堆積于尾礦庫內部。

表1 粗細尾礦強度參數

3.3 變形特征

試樣加載過程中，伴隨著試樣的變形。通過對試樣的變形特征分析，能定性的確定粗細尾礦的強度差別。固結不排水條件下的粗細尾礦試樣變形圖如圖7 所示。由圖7 可知，粗、細粒試樣都呈現為中間大，兩端小的鼓脹變形。并且粗粒組的鼓脹變形明顯大于細粒粗的變形。這說明粗粒尾礦的剪切過程中，剪脹效應明顯大于細粒尾礦，從而使得粗粒尾礦表現出更大的峰值強度。

圖7 粗、細試樣變形圖

4 結論

（1） 粗粒尾礦的應力應變關系存在三個階段，即彈性、塑性、臨界狀態三個階段。細粒尾礦的應力應變關系的彈性階段較短，呈應變硬化型。

（2） 粗粒尾礦的峰值強度明顯大于細粒尾礦，粗粒組內摩擦角大于細粒組內摩擦角，粗粒組內聚力小于細粒組內聚力。

（3） 粗細粒尾礦試樣變形都呈現為中間大，兩端小的鼓脹變形，且粗粒組的變形比細粒粗的變形明顯要大。