尾礦庫防滲土特性實驗測試和數值模擬研究

史硯春

（江西省地礦局水文地質工程地質大隊，江西 南昌 330008）

尾礦庫是采礦工程中的一種特殊的工業建筑物，是礦產資源在開采施工過程中必須建設的生產設施之一，對尾礦庫自身而言，經過大力開采活動后尾礦庫地質結構遭到嚴重破壞，其次因外部因素的影響，包括降雨、地震、刮風、過度開采等，都將導致尾礦庫地質結構或地質構造有著不同程度的損壞，一旦尾礦庫建筑結構遭到破壞，將會嚴重威脅到采礦施工作業的安全，嚴重的還會危害到尾礦庫周邊居民的生命安全和財產全。據有關數據統計，全國每年發生的尾礦庫安全事故將近26460起，占采礦施工事故的56.8%，造成的經濟損失將近16.42億人民幣，因事故造成的死亡人員數量達2640人，受傷人員數量高達6460人。根據國內、外礦山尾礦庫事故資料分析，絕大多數尾礦庫事故的發生都與防滲土特性有關，也就是說尾礦庫的防滲土特性是其穩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安全，為此提出尾礦庫防滲土特性實驗測試和數值模擬研究，對更好的保障尾礦庫建筑安全和礦產資源開采施工安全具有重要的現實意義。

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，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，實驗過程嚴格安全《土工實驗方法標準》（GB/T50123-2019）中規定的標準進行，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備及參數確定，然后對實驗具體流程進行了設計，最后對實驗結果進行詳細分析，以下將對尾礦庫防滲土特性實驗測試進行詳細分析。

1.1 尾礦庫防滲土特性實驗前的準備、使用設備及參數設定

用四點分法取一定量的代表性風干土樣，放在橡皮板上用木碾碾散，或用碾土機械碾散，碾散后過5mm篩，將篩下土樣拌勻，并測定土樣的風干含水率。根據土的塑限預估最優含水率，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，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，按預定含水率用噴水設備往土樣上均勻噴灑所需加水量，拌勻并裝入塑料袋內或密封于盛土器內靜置備用。

此次實驗涉及到的設備有電動數控擊實儀(JDS-1型號)和滲透儀(TST-55型號)，下表為兩個實驗設備參數表。

表1 電動數控擊實儀與滲透儀實驗參數表

表2 尾礦庫防滲土力學性能試驗成果

1.2 尾礦庫防滲土特性實驗測試流程設計

尾礦庫建筑用料主要來自礦場周圍土料場，材質主要有白泥、風化土和亞粘土三種。

首先對選取的尾礦庫建筑材料進行烘干和碾碎，將碾碎后的材料過5mm篩，并將三種建筑用料根據比例進行混合制作成尾礦庫建筑用料，利用電動數控擊實儀(JDS-1型號)對建筑用料進行擊實和分層擊實，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進行檢測。得出尾礦庫防滲土特性實驗測試結果，測得白泥/風化土夾層結構的滲透系數K20=5.6 10-8 cm/s，白泥/亞粘土夾層結構的滲透系數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性能檢測結果。

從表2可知，尾礦庫防滲土上、平、下線，在反濾保護下，防滲土的滲透系數在i×10-7～i×10-8，臨界坡降大于50，透水性較弱，符合《尾礦庫在線安全監測系統工程技術規范》（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值模擬

圖1 尾礦庫建筑材料結構圖

此次采用有限元數值模擬軟件對尾礦庫防滲土特性進行數值模擬，從上文分析得到，尾礦庫建筑材料為白泥、風化土和亞粘土，而影響尾礦庫防滲土特性的因素有多種，根據影響因素做出以下設定：①假設尾礦庫滲流狀態為層流，層流的滲流狀態滿足達西定律。②假設尾礦庫土體壓縮性能穩定，即尾礦庫建筑土體的孔隙率不會發生改變。③尾礦庫地基不會出現透水現象。根據以上假設選取有限元數值模擬軟件中飽和-非飽和模型和飽和模型兩種作為尾礦庫防滲土特性數值計算模型，為了保證數值模擬結果的準確性，需要根據尾礦庫建筑材料結構來確定模型，圖1為尾礦庫建筑材料結構圖。

根據建筑材料的物理性質選取相應的模擬模型，其中白泥和風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；d為白泥和風化土材料的總水頭；k為尾礦庫建筑材料的滲透系數。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；[X]為有限元系統的滲透矩陣；{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值模擬結果，施工方可以根據該數值模擬結果對尾礦庫建筑材料配比參數進行調整，以此完成尾礦庫防滲土特性數值模擬，進而實現了對尾礦庫防滲土特性實驗測試和數值模擬研究。

3 結語

此次結合相關文獻資料，對尾礦庫防滲土特性實驗測試和數值模擬進行了研究，有利于提高尾礦庫防滲土性能以及建筑結構的安全性和穩定性，為采礦施工安全和周圍居民生命安全和財產安全提供了保障，可以為尾礦庫建設施工提供數據依據，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值模擬進行進一步研究。