風水溝尾礦砂力學特性試驗與尾礦壩可靠性分析

高 鵬 常來山 姜元美

(遼寧科技大學礦業工程學院,遼寧 鞍山 114051)

尾礦砂是礦石分選提純后的拋棄物,多采用水力方式運輸至礦山尾礦庫堆砌。尾礦庫多建于山谷中,溝口用尾礦壩攔截,尾礦壩的基礎壩一般采用碎石筑壩,而后隨尾礦庫的增高采用尾礦粗砂筑壩加高,尾礦壩潰決等地質災害會嚴重威脅礦山生產及人身安全[1-2]。

楊凱等[3]對尾砂的研究表明增加尾砂的密實度可以提高壩體的強度和壩體的穩定性。甘德清等[4]研究認為細粒含量是影響尾礦砂工程性質的重要因素,尾礦壩建造過程中若控制0.075 mm以下細粒含量在30%左右,則有利于尾礦壩穩定。

黃鑫等[5]選取云南某銅礦尾礦庫的兩種尾礦砂,通過三軸固結排水剪切試驗得到了鄧肯—張模型10個參數。黃鑫等[6]通過對中線法尾礦庫的飽和底流尾礦砂和飽和溢流尾礦砂開展動三軸試驗,認為當固結圍壓和動荷載較小時,沈珠江殘余變形模型能很好地反映兩種尾礦砂的殘余變形發展規律。

針對風水溝尾礦庫的尾礦粗砂和細砂,應用三軸不排水剪試驗技術研究探討了尾礦砂干密度對其強度的影響,確定尾礦砂鄧肯—張非線性模型以及強度的隨機分布參數,用于尾礦壩的可靠性分析。

1 試樣粒度組成與試驗方案

試驗所用尾礦砂取自風水溝尾礦庫,通過砂土篩分試驗,獲得了尾礦粗砂和細砂試驗樣的粒徑級配分布(表1)以及對應的級配曲線(見圖1)。

表1 尾礦砂篩分試驗結果Table 1 Results of screen test of tailings sand

圖1 尾礦砂級配曲線Fig.1 Tailings sand grading curves

砂樣1顆粒分布較廣,粒徑比較大,Cu=7.474,Cc=2.154,范圍在1～3之間,是級配良好的粗砂,堆積在尾礦壩附近,是自然分級作用結果;砂樣2粒徑較小,顆粒分布范圍窄且不均勻,Cu=2.844,Cc=0.907,是級配不良的細砂,分布在尾礦庫的中心部位,遠離尾礦壩[7-9]。

圖2所示為SLB-1型三軸剪切滲透試驗儀。最大圍壓為2MPa,最大軸向荷載可達20 kN,反壓力最大能達到1 MPa。

圖2 三軸儀Fig.2 Triaxial apparatus

風水溝尾礦粗砂及細砂主要開展飽和固結不排水CU試驗[10-11],探討砂樣干密度對強度的影響,獲得鄧肯—張非線性模型以及砂樣強度的隨機分布參數,用于尾礦壩的可靠性分析。

2 干密度對尾礦砂強度的影響

干密度是影響尾礦砂強度的一個主要因素,尾礦砂的松軟與密實可能導致不同的破壞機理。根據尾礦砂的現場賦存條件,試驗尾礦砂的干密度設定成4種情況,分別為 1.75、1.80、1.85、1.90 g/cm3,依次在圍壓 100、200、300、400、500 kPa下進行固結不排水三軸試驗并進行分析對比。圖3為干密度1.75 g/cm3的尾礦細砂在圍壓100～500 kPa作用下的偏應力與軸向應變曲線。圖4為尾礦粗砂在圍壓200 kPa作用下密度為 1.75、1.80、1.85、1.90 g/cm3的偏應力與軸向應變關系曲線。

圖3 尾礦細砂偏應力與軸向應變曲線(干密度1.75 g/cm3)Fig.3 Tailings sand deflection stress and axial strain curves(dry density 1.75 g/cm 3)

圖4 尾礦粗砂偏應力與軸向應變曲線(圍壓200kPa)Fig.4 Tailings Grit d deflection stress and axial strain curves (confining pressure 200kPa)

在干密度1.75～1.90 g/cm3時范圍內,尾礦砂粗砂和細砂在100～500 kPa圍壓作用下均表現為具有峰值但殘余強度與峰值強度非常接近的破壞現象,圍壓越大,峰值點出現越晚,大約在軸應變6%～11%處,隨著軸應變的繼續增加,偏應力平緩下降,逐漸接近穩定[12-14]。

3 鄧肯—張模型參數

鄧肯—張(Duncan-Chang)模型是一種建立在增量廣義胡克定律基礎上的非線性彈性本構模型,目前應用較為廣泛。

式中,Et和Bt為切線彈性模量和體積模量;σ1、σ3是土體內最大與最小主應力;Pa為大氣壓力;其他為模型參數,可由常規三軸試驗方便獲得。風水溝尾礦砂試驗結果如表2所示。

表2 鄧肯—張模型參數Table 2 Parameters of Duncan-Chang model

4 尾礦壩可靠性分析

尾礦庫的失穩破壞往往帶來巨大的人員和財產損失,而尾礦壩是一關鍵部位。尾礦壩可靠性分析目前是在極限平衡分析的基礎上,應用隨機理論考慮尾礦砂強度的變異性而進行的不確定性分析,采用蒙特卡洛法進行隨機抽樣統計是常用方法。

風水溝尾礦壩計算模型(圖5)由基巖、初期壩碎石,粗砂、細砂4種材料介質構成,初期壩通常采用的是透水性較好的碎石建筑,后期在其上堆建的尾礦子壩是由粗砂構造而成,由于生產排棄時的自然分級作用,靠近壩體部分處為尾礦粗砂(長度取200 m),遠離壩體處屬于細砂。

圖5 尾礦壩計算模型Fig.5 The computational model of tailings dam

根據多部位取樣反復試驗統計而確定的尾礦砂強度隨機參數如表3所示,服從正態分布。

表3 尾礦砂強度隨機參數Table 3 Tailings sand strength random parameter

尾礦壩計算結果見圖6。確定性分析的最小安全系數為1.297,隨機性分析的最大破壞概率是4×10-14,最小可靠性指標是7.756。說明壩體穩定性良好,從壩體滑坡的角度來看潰壩風險較低[15-17]。

圖6 尾礦壩計算結果Fig.6 The computational result of tailings dam

5 結 語

尾礦庫是一種特殊的水工構筑物,是礦山選礦廠水力運輸、堆積廢棄尾砂的場所,其地質災害類型較多,后果也很嚴重,對礦山安全生產影響較大。尾礦砂的物理力學特征和堆積形態是尾礦庫安全運行的關鍵,是評價尾礦壩穩定性與可靠性的主要參數。