葉自歡，李世濤

（江西銅業(yè)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(jīng)選礦廠選出有價值的精礦后產(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(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產(chǎn)損失外，往往還將造成嚴重的環(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)基本源于壩體的強度不足，而發(fā)生災(zāi)難性的事故，尤其是在汛期。因此國內(nèi)外對尾礦穩(wěn)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(wěn)定性［2］。王飛躍在深入剖析尾礦壩浸潤線影響因素的基礎(chǔ)上，建立了浸潤線疊加影響函數(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線矩陣［3］。運用多項式回歸分析浸潤線觀測數(shù)據(jù)，擬合得出浸潤線觀測孔水位與庫水位的函數(shù)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(jié)合對其尾礦壩進行穩(wěn)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(shù)值模擬等多種方法，對其動力反應(yīng)與靜、動力穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)研究［5］。獲得了因動孔隙水壓力的產(chǎn)生和增長而使尾礦壩的動力安全系數(shù)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(guī)則尾砂的直剪力學特性，發(fā)現(xiàn)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(wěn)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(jié)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(jié)果可為尾礦壩的設(shè)計及穩(wěn)定性評價提供參考。

2 試驗材料及方法

2.1 尾砂樣參數(shù)

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(shù)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(shè)備采用中國科學院武漢巖土力學研究所應(yīng)變控制式SJ-1A.G 三軸儀，如圖3 所示。試驗系統(tǒng)包括圍壓控制器，反壓控制器和三軸試驗腔室?？蛇M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(jù)實際工況情況，將經(jīng)過0.075mm 篩下的細粒尾礦作為細粒組，將庫內(nèi)取出的原樣作為粗粒組，采用濕式制樣法制備試樣，三軸試驗尾砂樣尺寸直徑為39.1 mm、高80 mm。根據(jù)尾礦的實際賦存條件，固結(jié)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(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試樣進行充分飽和，飽和之后緩慢施加圍壓進行等壓固結(jié)。試驗設(shè)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(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

粗細尾砂樣在不同固結(jié)壓力下進行不排水試驗，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。

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

（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)，稱之為臨界狀態(tài)唯一性。

由圖5 可知：細粒組的應(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，加載過程中，很快進入塑性屈服階段，之后進入應(yīng)變硬化階段。

3.2 破壞主應(yīng)力線

在p′-q 平面內(nèi)，將粗細尾礦試樣的應(yīng)力路徑中峰值連接起來，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，粗粒尾礦的峰值強度明顯比細粒尾礦的峰值強度小，根據(jù)破壞主應(yīng)力線可求得粗細尾礦的強度參數(shù)指標［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）求得的粗細尾礦的內(nèi)摩擦角 及內(nèi)聚力 值見表1，比較粗粒組與細粒組強度參數(shù)可知：粗粒組內(nèi)摩擦角大于細粒組內(nèi)摩擦角，粗粒組內(nèi)聚力小于細粒組內(nèi)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(nèi)部。

表1 粗細尾礦強度參數(shù)

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(jié)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(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粒粗的變形。這說明粗粒尾礦的剪切過程中，剪脹效應(yīng)明顯大于細粒尾礦，從而使得粗粒尾礦表現(xiàn)出更大的峰值強度。

圖7 粗、細試樣變形圖

4 結(jié)論

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

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

（3） 粗細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粒粗的變形明顯要大。