葉自歡，李世濤

（江西銅業(yè)集團(tuán)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(kāi)采的礦石經(jīng)選礦廠選出有價(jià)值的精礦后產(chǎn)生砂一樣的“廢渣”，一般以礦漿狀態(tài)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(jià)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(shí)由于尾礦壩規(guī)模較龐大且以含有重金屬等污染物質(zhì)的尾礦為主要組成部分，一旦發(fā)生潰壩等事故，除了造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失外，往往還將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此確保尾礦壩的安全與環(huán)保正日益成為廣受關(guān)注且富有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)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(yīng)排棄廢石和尾礦約300億t。尾礦壩的失穩(wěn)基本源于壩體的強(qiáng)度不足，而發(fā)生災(zāi)難性的事故，尤其是在汛期。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)尾礦穩(wěn)定性及力學(xué)特性的研究很多。如王文星運(yùn)用擬靜力法分析了尾礦壩在地震條件下的穩(wěn)定性［2］。王飛躍在深入剖析尾礦壩浸潤(rùn)線影響因素的基礎(chǔ)上，建立了浸潤(rùn)線疊加影響函數(shù)，歸納出與尾礦壩壩體特征相關(guān)的階段影響因子，提出反映階段影響因子的浸潤(rùn)線矩陣［3］。運(yùn)用多項(xiàng)式回歸分析浸潤(rùn)線觀測(cè)數(shù)據(jù)，擬合得出浸潤(rùn)線觀測(cè)孔水位與庫(kù)水位的函數(shù)曲線，求得尾礦壩浸潤(rùn)線矩陣。李強(qiáng)采用流固耦合和強(qiáng)度折減法相結(jié)合對(duì)其尾礦壩進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定尾礦庫(kù)滲流場(chǎng)分布及浸潤(rùn)線的位置［4］。王文松綜合運(yùn)用堆壩模型試驗(yàn)、土工測(cè)試、理論分析和數(shù)值模擬等多種方法，對(duì)其動(dòng)力反應(yīng)與靜、動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究［5］。獲得了因動(dòng)孔隙水壓力的產(chǎn)生和增長(zhǎng)而使尾礦壩的動(dòng)力安全系數(shù)在地震過(guò)程中呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。Chen 利用改進(jìn)后的直剪裝置，研究了自重下落后的不規(guī)則尾砂的直剪力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度最差時(shí)，界面傾角為45°［6］。巫尚蔚從細(xì)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(xué)特性，對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要的意義。本文以江西某銅礦尾砂為研究對(duì)象，進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)。對(duì)粗、細(xì)尾砂試樣的力學(xué)及變形特征進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果可為尾礦壩的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 尾砂樣參數(shù)

本試驗(yàn)采用的尾砂樣取自江西某尾礦壩，取樣點(diǎn)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(shù)為21，屬于級(jí)配不良的尾礦，且粘粒含量較高。

圖1 尾礦取樣點(diǎn)

圖2 粒徑分布曲線

2.1 試驗(yàn)儀器

力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所應(yīng)變控制式SJ-1A.G 三軸儀，如圖3 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)包括圍壓控制器，反壓控制器和三軸試驗(yàn)腔室?？蛇M(jìn)行不固結(jié)不排水剪（UU 剪）、固結(jié)不排水剪（CU 剪）、固結(jié)排水剪（CD 剪）三種類(lèi)型試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)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(yàn)儀器

2.3 試驗(yàn)方案

為了解粗細(xì)粒尾礦的力學(xué)特性及變形特性。根據(jù)實(shí)際工況情況，將經(jīng)過(guò)0.075mm 篩下的細(xì)粒尾礦作為細(xì)粒組，將庫(kù)內(nèi)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(yàn)尾砂樣尺寸直徑為39.1 mm、高80 mm。根據(jù)尾礦的實(shí)際賦存條件，固結(jié)不排水對(duì)尾礦試樣進(jìn)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(jìn)行低溫凍結(jié)，凍結(jié)后再將試樣安裝在三軸壓力室內(nèi)，采用反壓飽和的方法對(duì)試樣進(jìn)行充分飽和，飽和之后緩慢施加圍壓進(jìn)行等壓固結(jié)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)圍壓為100 kPa，200 kPa，400 kPa，剪切速率為0.074 mm/min，軸向變形達(dá)到15%停止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

粗細(xì)尾砂樣在不同固結(jié)壓力下進(jìn)行不排水試驗(yàn)，可獲得軸向變形ε及偏應(yīng)力 q=σ′1-σ′3，據(jù)此可得到粗細(xì)尾礦的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。粗粒組應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4 所示。細(xì)粒組應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5 所示。

圖4 粗粒組應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 細(xì)粒組應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖4 可知：粗粒組應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在三個(gè)階段，彈性線性階段、塑性屈服階段、臨界狀態(tài)不變階段。

（1）彈性線性階段：在彈性線性階段，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈直線型增長(zhǎng)。

（2）塑性屈服階段：應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈曲線型增長(zhǎng)，試樣由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)容，該階段的上界應(yīng)力對(duì)應(yīng)著峰值強(qiáng)度。

（3）臨界狀態(tài)不變階段：該階段應(yīng)力不隨著應(yīng)變的增加而增加，是一種常體積、常有效應(yīng)力、常剪切應(yīng)力、常速度的一種連續(xù)變形狀態(tài)，稱(chēng)之為臨界狀態(tài)唯一性。

由圖5 可知：細(xì)粒組的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與粗粒組應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不同，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型。彈性直線段較短，加載過(guò)程中，很快進(jìn)入塑性屈服階段，之后進(jìn)入應(yīng)變硬化階段。

3.2 破壞主應(yīng)力線

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

圖6 破壞主應(yīng)力線

由圖6 可知：粗細(xì)尾礦的破壞主應(yīng)力與平均主應(yīng)力呈線性關(guān)系，粗粒尾礦的峰值強(qiáng)度明顯比細(xì)粒尾礦的峰值強(qiáng)度小，根據(jù)破壞主應(yīng)力線可求得粗細(xì)尾礦的強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)［8］。

破壞主應(yīng)力線一般式為：

式中： qmax為平均峰值偏應(yīng)力，kPa；φ 為內(nèi)摩擦角，°；c 為內(nèi)聚力，kPa。

根據(jù)式（1）求得的粗細(xì)尾礦的內(nèi)摩擦角 及內(nèi)聚力 值見(jiàn)表1，比較粗粒組與細(xì)粒組強(qiáng)度參數(shù)可知：粗粒組內(nèi)摩擦角大于細(xì)粒組內(nèi)摩擦角，粗粒組內(nèi)聚力小于細(xì)粒組內(nèi)聚力。因此可采用分級(jí)的方法，將粗粒尾礦進(jìn)行筑壩，細(xì)粒尾礦堆積于尾礦庫(kù)內(nèi)部。

表1 粗細(xì)尾礦強(qiáng)度參數(shù)

3.3 變形特征

試樣加載過(guò)程中，伴隨著試樣的變形。通過(guò)對(duì)試樣的變形特征分析，能定性的確定粗細(xì)尾礦的強(qiáng)度差別。固結(jié)不排水條件下的粗細(xì)尾礦試樣變形圖如圖7 所示。由圖7 可知，粗、細(xì)粒試樣都呈現(xiàn)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(xì)粒粗的變形。這說(shuō)明粗粒尾礦的剪切過(guò)程中，剪脹效應(yīng)明顯大于細(xì)粒尾礦，從而使得粗粒尾礦表現(xiàn)出更大的峰值強(qiáng)度。

圖7 粗、細(xì)試樣變形圖

4 結(jié)論

（1） 粗粒尾礦的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在三個(gè)階段，即彈性、塑性、臨界狀態(tài)三個(gè)階段。細(xì)粒尾礦的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的彈性階段較短，呈應(yīng)變硬化型。

（2） 粗粒尾礦的峰值強(qiáng)度明顯大于細(xì)粒尾礦，粗粒組內(nèi)摩擦角大于細(xì)粒組內(nèi)摩擦角，粗粒組內(nèi)聚力小于細(xì)粒組內(nèi)聚力。

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