高 鹏 常来山 姜元美

(辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁 鞍山 114051)

尾矿砂是矿石分选提纯后的抛弃物,多采用水力方式运输至矿山尾矿库堆砌。尾矿库多建于山谷中,沟口用尾矿坝拦截,尾矿坝的基础坝一般采用碎石筑坝,而后随尾矿库的增高采用尾矿粗砂筑坝加高,尾矿坝溃决等地质灾害会严重威胁矿山生产及人身安全[1-2]。

杨凯等[3]对尾砂的研究表明增加尾砂的密实度可以提高坝体的强度和坝体的稳定性。甘德清等[4]研究认为细粒含量是影响尾矿砂工程性质的重要因素,尾矿坝建造过程中若控制0.075 mm以下细粒含量在30%左右,则有利于尾矿坝稳定。

黄鑫等[5]选取云南某铜矿尾矿库的两种尾矿砂,通过三轴固结排水剪切试验得到了邓肯—张模型10个参数。黄鑫等[6]通过对中线法尾矿库的饱和底流尾矿砂和饱和溢流尾矿砂开展动三轴试验,认为当固结围压和动荷载较小时,沈珠江残余变形模型能很好地反映两种尾矿砂的残余变形发展规律。

针对风水沟尾矿库的尾矿粗砂和细砂,应用三轴不排水剪试验技术研究探讨了尾矿砂干密度对其强度的影响,确定尾矿砂邓肯—张非线性模型以及强度的随机分布参数,用于尾矿坝的可靠性分析。

1 试样粒度组成与试验方案

试验所用尾矿砂取自风水沟尾矿库,通过砂土筛分试验,获得了尾矿粗砂和细砂试验样的粒径级配分布(表1)以及对应的级配曲线(见图1)。

表1 尾矿砂筛分试验结果Table 1 Results of screen test of tailings sand

图1 尾矿砂级配曲线Fig.1 Tailings sand grading curves

砂样1颗粒分布较广,粒径比较大,Cu=7.474,Cc=2.154,范围在1～3之间,是级配良好的粗砂,堆积在尾矿坝附近,是自然分级作用结果;砂样2粒径较小,颗粒分布范围窄且不均匀,Cu=2.844,Cc=0.907,是级配不良的细砂,分布在尾矿库的中心部位,远离尾矿坝[7-9]。

图2所示为SLB-1型三轴剪切渗透试验仪。最大围压为2MPa,最大轴向荷载可达20 kN,反压力最大能达到1 MPa。

图2 三轴仪Fig.2 Triaxial apparatus

风水沟尾矿粗砂及细砂主要开展饱和固结不排水CU试验[10-11],探讨砂样干密度对强度的影响,获得邓肯—张非线性模型以及砂样强度的随机分布参数,用于尾矿坝的可靠性分析。

2 干密度对尾矿砂强度的影响

干密度是影响尾矿砂强度的一个主要因素,尾矿砂的松软与密实可能导致不同的破坏机理。根据尾矿砂的现场赋存条件,试验尾矿砂的干密度设定成4种情况,分别为 1.75、1.80、1.85、1.90 g/cm3,依次在围压 100、200、300、400、500 kPa下进行固结不排水三轴试验并进行分析对比。图3为干密度1.75 g/cm3的尾矿细砂在围压100～500 kPa作用下的偏应力与轴向应变曲线。图4为尾矿粗砂在围压200 kPa作用下密度为 1.75、1.80、1.85、1.90 g/cm3的偏应力与轴向应变关系曲线。

图3 尾矿细砂偏应力与轴向应变曲线(干密度1.75 g/cm3)Fig.3 Tailings sand deflection stress and axial strain curves(dry density 1.75 g/cm 3)

图4 尾矿粗砂偏应力与轴向应变曲线(围压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时范围内,尾矿砂粗砂和细砂在100～500 kPa围压作用下均表现为具有峰值但残余强度与峰值强度非常接近的破坏现象,围压越大,峰值点出现越晚,大约在轴应变6%～11%处,随着轴应变的继续增加,偏应力平缓下降,逐渐接近稳定[12-14]。

3 邓肯—张模型参数

邓肯—张(Duncan-Chang)模型是一种建立在增量广义胡克定律基础上的非线性弹性本构模型,目前应用较为广泛。

式中,Et和Bt为切线弹性模量和体积模量;σ1、σ3是土体内最大与最小主应力;Pa为大气压力;其他为模型参数,可由常规三轴试验方便获得。风水沟尾矿砂试验结果如表2所示。

表2 邓肯—张模型参数Table 2 Parameters of Duncan-Chang model

4 尾矿坝可靠性分析

尾矿库的失稳破坏往往带来巨大的人员和财产损失,而尾矿坝是一关键部位。尾矿坝可靠性分析目前是在极限平衡分析的基础上,应用随机理论考虑尾矿砂强度的变异性而进行的不确定性分析,采用蒙特卡洛法进行随机抽样统计是常用方法。

风水沟尾矿坝计算模型(图5)由基岩、初期坝碎石,粗砂、细砂4种材料介质构成,初期坝通常采用的是透水性较好的碎石建筑,后期在其上堆建的尾矿子坝是由粗砂构造而成,由于生产排弃时的自然分级作用,靠近坝体部分处为尾矿粗砂(长度取200 m),远离坝体处属于细砂。

图5 尾矿坝计算模型Fig.5 The computational model of tailings dam

根据多部位取样反复试验统计而确定的尾矿砂强度随机参数如表3所示,服从正态分布。

表3 尾矿砂强度随机参数Table 3 Tailings sand strength random parameter

尾矿坝计算结果见图6。确定性分析的最小安全系数为1.297,随机性分析的最大破坏概率是4×10-14,最小可靠性指标是7.756。说明坝体稳定性良好,从坝体滑坡的角度来看溃坝风险较低[15-17]。

图6 尾矿坝计算结果Fig.6 The computational result of tailings dam

5 结 语

尾矿库是一种特殊的水工构筑物,是矿山选矿厂水力运输、堆积废弃尾砂的场所,其地质灾害类型较多,后果也很严重,对矿山安全生产影响较大。尾矿砂的物理力学特征和堆积形态是尾矿库安全运行的关键,是评价尾矿坝稳定性与可靠性的主要参数。