風(fēng)水溝尾礦砂力學(xué)特性試驗(yàn)與尾礦壩可靠性分析

高 鵬 常來山 姜元美

(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)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(yùn)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(chǔ)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(zhì)災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重威脅礦山生產(chǎn)及人身安全[1-2]。

楊凱等[3]對(duì)尾砂的研究表明增加尾砂的密實(shí)度可以提高壩體的強(qiáng)度和壩體的穩(wěn)定性。甘德清等[4]研究認(rèn)為細(xì)粒含量是影響尾礦砂工程性質(zhì)的重要因素,尾礦壩建造過程中若控制0.075 mm以下細(xì)粒含量在30%左右,則有利于尾礦壩穩(wěn)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(jié)排水剪切試驗(yàn)得到了鄧肯—張模型10個(gè)參數(shù)。黃鑫等[6]通過對(duì)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(dòng)三軸試驗(yàn),認(rèn)為當(dāng)固結(jié)圍壓和動(dòng)荷載較小時(shí),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(fā)展規(guī)律。

針對(duì)風(fēng)水溝尾礦庫的尾礦粗砂和細(xì)砂,應(yīng)用三軸不排水剪試驗(yàn)技術(shù)研究探討了尾礦砂干密度對(duì)其強(qiáng)度的影響,確定尾礦砂鄧肯—張非線性模型以及強(qiáng)度的隨機(jī)分布參數(shù),用于尾礦壩的可靠性分析。

1 試樣粒度組成與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用尾礦砂取自風(fēng)水溝尾礦庫,通過砂土篩分試驗(yàn),獲得了尾礦粗砂和細(xì)砂試驗(yàn)樣的粒徑級(jí)配分布(表1)以及對(duì)應(yīng)的級(jí)配曲線(見圖1)。

表1 尾礦砂篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of screen test of tailings sand

圖1 尾礦砂級(jí)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(jí)配良好的粗砂,堆積在尾礦壩附近,是自然分級(jí)作用結(jié)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(jí)配不良的細(xì)砂,分布在尾礦庫的中心部位,遠(yuǎn)離尾礦壩[7-9]。

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

圖2 三軸儀Fig.2 Triaxial apparatus

風(fēng)水溝尾礦粗砂及細(xì)砂主要開展飽和固結(jié)不排水CU試驗(yàn)[10-11],探討砂樣干密度對(duì)強(qiáng)度的影響,獲得鄧肯—張非線性模型以及砂樣強(qiáng)度的隨機(jī)分布參數(shù),用于尾礦壩的可靠性分析。

2 干密度對(duì)尾礦砂強(qiáng)度的影響

干密度是影響尾礦砂強(qiáng)度的一個(gè)主要因素,尾礦砂的松軟與密實(shí)可能導(dǎo)致不同的破壞機(jī)理。根據(jù)尾礦砂的現(xiàn)場(chǎng)賦存條件,試驗(yàn)尾礦砂的干密度設(shè)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(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)并進(jìn)行分析對(duì)比。圖3為干密度1.75 g/cm3的尾礦細(xì)砂在圍壓100～500 kPa作用下的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)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(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖3 尾礦細(xì)砂偏應(yīng)力與軸向應(yīng)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(yīng)力與軸向應(yīng)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(shí)范圍內(nèi),尾礦砂粗砂和細(xì)砂在100～500 kPa圍壓作用下均表現(xiàn)為具有峰值但殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度非常接近的破壞現(xiàn)象,圍壓越大,峰值點(diǎn)出現(xiàn)越晚,大約在軸應(yīng)變6%～11%處,隨著軸應(yīng)變的繼續(xù)增加,偏應(yīng)力平緩下降,逐漸接近穩(wěn)定[12-14]。

3 鄧肯—張模型參數(shù)

鄧肯—張(Duncan-Chang)模型是一種建立在增量廣義胡克定律基礎(chǔ)上的非線性彈性本構(gòu)模型,目前應(yīng)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(nèi)最大與最小主應(yīng)力;Pa為大氣壓力;其他為模型參數(shù),可由常規(guī)三軸試驗(yàn)方便獲得。風(fēng)水溝尾礦砂試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

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

4 尾礦壩可靠性分析

尾礦庫的失穩(wěn)破壞往往帶來巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失,而尾礦壩是一關(guān)鍵部位。尾礦壩可靠性分析目前是在極限平衡分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)用隨機(jī)理論考慮尾礦砂強(qiáng)度的變異性而進(jìn)行的不確定性分析,采用蒙特卡洛法進(jìn)行隨機(jī)抽樣統(tǒng)計(jì)是常用方法。

風(fēng)水溝尾礦壩計(jì)算模型(圖5)由基巖、初期壩碎石,粗砂、細(xì)砂4種材料介質(zhì)構(gòu)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(gòu)造而成,由于生產(chǎn)排棄時(shí)的自然分級(jí)作用,靠近壩體部分處為尾礦粗砂(長(zhǎng)度取200 m),遠(yuǎn)離壩體處屬于細(xì)砂。

圖5 尾礦壩計(jì)算模型Fig.5 The computational model of tailings dam

根據(jù)多部位取樣反復(fù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)而確定的尾礦砂強(qiáng)度隨機(jī)參數(shù)如表3所示,服從正態(tài)分布。

表3 尾礦砂強(qiáng)度隨機(jī)參數(shù)Table 3 Tailings sand strength random parameter

尾礦壩計(jì)算結(jié)果見圖6。確定性分析的最小安全系數(shù)為1.297,隨機(jī)性分析的最大破壞概率是4×10-14,最小可靠性指標(biāo)是7.756。說明壩體穩(wěn)定性良好,從壩體滑坡的角度來看潰壩風(fēng)險(xiǎn)較低[15-17]。

圖6 尾礦壩計(jì)算結(jié)果Fig.6 The computational result of tailings dam

5 結(jié) 語

尾礦庫是一種特殊的水工構(gòu)筑物,是礦山選礦廠水力運(yùn)輸、堆積廢棄尾砂的場(chǎng)所,其地質(zhì)災(zāi)害類型較多,后果也很嚴(yán)重,對(duì)礦山安全生產(chǎn)影響較大。尾礦砂的物理力學(xué)特征和堆積形態(tài)是尾礦庫安全運(yùn)行的關(guān)鍵,是評(píng)價(jià)尾礦壩穩(wěn)定性與可靠性的主要參數(shù)。