叶自欢，李世涛

（江西铜业集团有限公司 德兴铜矿，江西 德兴 334200）

1 引言

尾矿是金属或非金属矿山开采的矿石经选矿厂选出有价值的精矿后产生砂一样的“废渣”，一般以矿浆状态排出，以堆存方式处理［1］。由于尾矿量的不断增加以及可利用土地资源量的日益减小和单位土地资源价值的不断上升，使得尾矿坝容量不断增大，坝体不断增高。同时由于尾矿坝规模较庞大且以含有重金属等污染物质的尾矿为主要组成部分，一旦发生溃坝等事故，除了造成人员伤亡和财产损失外，往往还将造成严重的环境污染，因此确保尾矿坝的安全与环保正日益成为广受关注且富有挑战性的研究领域。

全世界每年采出金属和非金属矿 石、煤、石材、粘土、砂砾约90 亿t，相应排弃废石和尾矿约300亿t。尾矿坝的失稳基本源于坝体的强度不足，而发生灾难性的事故，尤其是在汛期。因此国内外对尾矿稳定性及力学特性的研究很多。如王文星运用拟静力法分析了尾矿坝在地震条件下的稳定性［2］。王飞跃在深入剖析尾矿坝浸润线影响因素的基础上，建立了浸润线叠加影响函数，归纳出与尾矿坝坝体特征相关的阶段影响因子，提出反映阶段影响因子的浸润线矩阵［3］。运用多项式回归分析浸润线观测数据，拟合得出浸润线观测孔水位与库水位的函数曲线，求得尾矿坝浸润线矩阵。李强采用流固耦合和强度折减法相结合对其尾矿坝进行稳定性分析，确定尾矿库渗流场分布及浸润线的位置［4］。王文松综合运用堆坝模型试验、土工测试、理论分析和数值模拟等多种方法，对其动力反应与静、动力稳定性进行了系统研究［5］。获得了因动孔隙水压力的产生和增长而使尾矿坝的动力安全系数在地震过程中呈波动下降的趋势。Chen 利用改进后的直剪装置，研究了自重下落后的不规则尾砂的直剪力学特性，发现强度最差时，界面倾角为45°［6］。巫尚蔚从细观上描述干滩表层沉积尾矿的几何特征及其随沉积距离的变化［7］。

因此研究尾矿的力学特性，对尾矿坝的稳定性评价具有重要的意义。本文以江西某铜矿尾砂为研究对象，进行固结不排水试验。对粗、细尾砂试样的力学及变形特征进行分析，试验结果可为尾矿坝的设计及稳定性评价提供参考。

2 试验材料及方法

2.1 尾砂样参数

本试验采用的尾砂样取自江西某尾矿坝，取样点如图1 所示。原状尾矿呈淡黄色，矿石金属矿物成分有黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、黄铁矿，尾矿主要成分以石英砂为主。粒径分布曲线如图2 所示，其不均匀系数为21，属于级配不良的尾矿，且粘粒含量较高。

图1 尾矿取样点

图2 粒径分布曲线

2.1 试验仪器

力学试验设备采用中国科学院武汉岩土力学研究所应变控制式SJ-1A.G 三轴仪，如图3 所示。试验系统包括围压控制器，反压控制器和三轴试验腔室。可进行不固结不排水剪（UU 剪）、固结不排水剪（CU 剪）、固结排水剪（CD 剪）三种类型试验。试验机最大围压为800 kPa，反压为800 kPa，轴向最大荷载为30 kN。

图3 三轴试验仪器

2.3 试验方案

为了解粗细粒尾矿的力学特性及变形特性。根据实际工况情况，将经过0.075mm 筛下的细粒尾矿作为细粒组，将库内取出的原样作为粗粒组，采用湿式制样法制备试样，三轴试验尾砂样尺寸直径为39.1 mm、高80 mm。根据尾矿的实际赋存条件，固结不排水对尾矿试样进行三轴。为方便试样的安装，制备好的试样在真空抽气饱和后需进行低温冻结，冻结后再将试样安装在三轴压力室内，采用反压饱和的方法对试样进行充分饱和，饱和之后缓慢施加围压进行等压固结。试验设计围压为100 kPa，200 kPa，400 kPa，剪切速率为0.074 mm/min，轴向变形达到15%停止试验。

3 试验结果分析

3.1 应力-应变曲线

粗细尾砂样在不同固结压力下进行不排水试验，可获得轴向变形ε及偏应力 q=σ′1-σ′3，据此可得到粗细尾矿的应力应变关系。粗粒组应力应变曲线如图4 所示。细粒组应力应变曲线如图5 所示。

图4 粗粒组应力应变曲线

图5 细粒组应力应变曲线

由图4 可知：粗粒组应力应变关系存在三个阶段，弹性线性阶段、塑性屈服阶段、临界状态不变阶段。

（1）弹性线性阶段：在弹性线性阶段，应力应变关系呈直线型增长。

（2）塑性屈服阶段：应力应变关系呈曲线型增长，试样由体积压缩转为扩容，该阶段的上界应力对应着峰值强度。

（3）临界状态不变阶段：该阶段应力不随着应变的增加而增加，是一种常体积、常有效应力、常剪切应力、常速度的一种连续变形状态，称之为临界状态唯一性。

由图5 可知：细粒组的应力应变关系与粗粒组应力应变关系不同，应力应变关系表现为应变硬化型。弹性直线段较短，加载过程中，很快进入塑性屈服阶段，之后进入应变硬化阶段。

3.2 破坏主应力线

在p′-q 平面内，将粗细尾矿试样的应力路径中峰值连接起来，可得到破坏主应力线。破坏主应力线如图6 所示。

图6 破坏主应力线

由图6 可知：粗细尾矿的破坏主应力与平均主应力呈线性关系，粗粒尾矿的峰值强度明显比细粒尾矿的峰值强度小，根据破坏主应力线可求得粗细尾矿的强度参数指标［8］。

破坏主应力线一般式为：

式中： qmax为平均峰值偏应力，kPa；φ 为内摩擦角，°；c 为内聚力，kPa。

根据式（1）求得的粗细尾矿的内摩擦角 及内聚力 值见表1，比较粗粒组与细粒组强度参数可知：粗粒组内摩擦角大于细粒组内摩擦角，粗粒组内聚力小于细粒组内聚力。因此可采用分级的方法，将粗粒尾矿进行筑坝，细粒尾矿堆积于尾矿库内部。

表1 粗细尾矿强度参数

3.3 变形特征

试样加载过程中，伴随着试样的变形。通过对试样的变形特征分析，能定性的确定粗细尾矿的强度差别。固结不排水条件下的粗细尾矿试样变形图如图7 所示。由图7 可知，粗、细粒试样都呈现为中间大，两端小的鼓胀变形。并且粗粒组的鼓胀变形明显大于细粒粗的变形。这说明粗粒尾矿的剪切过程中，剪胀效应明显大于细粒尾矿，从而使得粗粒尾矿表现出更大的峰值强度。

图7 粗、细试样变形图

4 结论

（1） 粗粒尾矿的应力应变关系存在三个阶段，即弹性、塑性、临界状态三个阶段。细粒尾矿的应力应变关系的弹性阶段较短，呈应变硬化型。

（2） 粗粒尾矿的峰值强度明显大于细粒尾矿，粗粒组内摩擦角大于细粒组内摩擦角，粗粒组内聚力小于细粒组内聚力。

（3） 粗细粒尾矿试样变形都呈现为中间大，两端小的鼓胀变形，且粗粒组的变形比细粒粗的变形明显要大。