原地浸矿过程中注液边界的应力路径变化规律 sup ① _sup _王钰霖.pdf

原地浸矿过程中注液边界的应力路径变化规律 ① 王钰霖1， 胡世丽1， 洪本根2， 刘 剑2， 姚 康1， 王观石1 1.江西理工大学 建筑与测绘工程学院,江西 赣州 341000； 2.江西理工大学 资源与环境工程学院,江西 赣州 341000 摘 要 以福建屏南某离子型稀土矿山注液分界线所在区域为研究对象,通过原地浸矿过程中这一区域不同深度处土压力强度实 测数据,运用 p-q 空间应力图,描述了此位置不同深度处的应力路径,并阐述了由原地浸矿引起的边坡变形和矿山内部液位变化对 该区域不同深度处应力路径的影响。 结果表明处于液位以上的矿体,其应力路径主要受边坡变形的影响,当边坡破坏形式为推移 式破坏或者牵引式破坏时,空间应力图相应表现出平均主应力 p 和广义剪应力 q 增大或者 p 减小、q 增大；处于液位以下的矿体,其 应力路径主要受液位高度的影响,随着液位高度增大或者减小,空间应力图相应表现出 p 减小、q 不变或者 p 增大、q 不变。 关键词 离子型稀土矿； 原地浸矿； 液位； 土体； 边坡变形； 土压力强度； 应力路径 中图分类号 P642文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.04.005 文章编号 0253-6099201904-0020-05 Variation of Stress Path within Fluid Injection Boundary in In-Situ Leaching Process WANG Yu-lin1, HU Shi-li1, HONG Ben-gen2, LIU Jian2, YAO Kang1, WANG Guan-shi1 1.School of Architectural and Surveying Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China； 2.School of Resources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China Abstract Aiming at an ionic-type rare earth mine in Pingnan County of Fujian Province, the area within fluid-injection boundary was taken for investigating the stress path variation during the in-situ leachingISL. The stress path at the different depth was depicted with a plot of p-q spatial stress using the practical measured data of earth pressure at the different depth of this area during the ISL. And the slop deation caused by the ISL and the influence of inner liquid level variation on the stress path on the different depth are discussed. It is found that as for the orebody above the liquid level, the stress path variation is principally attributed by the slope deation. When the slope deation cons to the advancing landslide or retrogressive landslide, the plot of spatial stress correspondingly presents an increase in the average primary stress p and generalized shear stress q, or a fall of p while a rise in q. As for the orebody below the liquid level, the stress path variation depends on the liquid level height. With the rise or fall of the liquid level, the plot of spatial stress correspondingly presents that p decreases while q keeps unchanged, or p increases while q keeps unchanged. Key words ionic-type rare earth mine； in-situ leaching； liquid level； earth body； slope deation； earth pressure strength； stress path 应力路径是一种描述土体在外力作用下应力变化 情况或过程的方法。 对于同一种土体,采用不同的试 验手段或不同的加荷方法时,其变形是不同的,故土体 的变形不仅与受力大小有关,还与其应力路径有 关［1］。 不同的应力路径下土体具有不同的变形特性,造 成这些特性差异的根本原因在于不同的应力路径有着 其广义剪应力 q 与平均主应力 p 的比值 q/ p 的不同变 化趋势［2］。 目前,针对应力路径对土体变形的影响研 究成果较多,主要集中在两个方面一是研究单一加载 的应力路径对土体变形的影响［3-4］,二是研究循环加 载的应力路径对土体变形的影响［5-7］。 而对于离子型 ①收稿日期 2019-02-10 基金项目 国家自然科学基金41602311,51664015；江西理工大学优秀博士学位论文培育项目YB2017003 作者简介 王钰霖1993-,男,福建上杭人,硕士研究生,主要研究方向为土的强度及边坡稳定性。 通讯作者 胡世丽1976-,女,山西太谷人,副教授,博士,主要研究方向为特殊土的力学性质。 第 39 卷第 4 期 2019 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №4 August 2019 ChaoXing 稀土矿山,由于原地浸矿的作用,矿山内部液位不断变 化,边坡发生变形,造成了不同位置处的应力路径不 同,而目前相关研究少见。 本文以福建屏南某离子型 矿山注液分界线所在区域为研究对象,通过原地浸矿 过程中这一区域处土压力强度实测数据,通过 p-q 空 间应力图,描述了此位置不同深度处的应力路径,并阐 述了由原地浸矿引起的边坡位移和矿山内部液位的变 化对该区域不同深度处应力路径的影响,由此为室内 应力路径三轴试验提供依据。 1 试验方案 在福建某稀土矿山监测液位、土压力和边坡变形 的变化过程,研究原地浸矿过程的应力路径变化规律。 本次现场试验所选测线位于易发生边坡失稳的山谷 处,表土层平均厚度为 4 m 左右。 测线所在区域地形 可分为第 1 段坡度 9.10,坡面距离 17.72 m；第 2 段 坡度 30.84,坡面距离 15.61 m；第 3 段坡度 10.61,坡 面距离 43.44 m；之后为 2 m 左右的临空面。 山体总高 度为 20.80 m,总宽度为 73.60 m。 注液区域的坡面距 离为29.33 m,未注液区域的坡面距离为47.44 m,注液 区域面积约占 38.20％。 在原地浸矿过程中影响矿体应力路径的因素主要 包括液位［8-9］和变形［10-11］。 由此,在所选测线处,布置 一定数量的位移计、液位计以及土压力计,用于监测山 体的整体情况,仪器布置如图 1 所示。 20.8 m 73.6 m 1-1位移计 1-4位移计 深5.2 m 深9 m 4.5 m 1.5 m 1.5 m 1.5 m 深13.1 m 土压力计 深14 m 注液区分界线 临 空 面 收液巷道 注液孔 液位 观测孔 液位计 山脊 12 m 图 1 测线现场仪器布置示意 位移计布置方法距离山脊线 6 m 作为第 1 个位 移计起始点,沿坡面方向从上到下每隔 12 m 布置 1 个 位移计起始点,每个位移计跨度均为 12 m,共布置 4 个位移计。 位移计从上到下依次命名为1-1 位移计、 1-2 位移计、1-3 位移计、1-4 位移计。 液位计布置方法在矿山钻取 4 个液位观测孔,孔 径 5 cm,而后将数字式液位计放置于孔底。 液位观测 孔沿坡面由上往下方向分别命名为 1 号、2 号、3 号和 4 号。 其中,1 号液位观测孔距山脊线坡面距离约为 9.8 m,孔深 14 m；2 号液位观测孔距山脊线坡面距离 约为 19.14 m,孔深 13.1 m；3 号液位观测孔距山脊线 坡面距离约为 28.14 m,孔深 9 m；4 号液位观测孔距山 脊线坡面距离约为39.14 m,孔深5.2 m图1 中虚线矩 形为液位观测孔,实心矩形为液位计。 土压力计布置方法对于全覆式稀土矿山,由于巷 道收液工程的作用,未注液区域受注液区域的影响有 限,故未注液区域对注液区域提供抗滑力,由此认为注 液区域与未注液区域的特定区应力变化较大,故在最 后一排注液孔沿坡面以下 2 m 处钻取孔孔距山脊线坡 面距离为31.33 m,在孔深9.0 m、7.5 m、6.0 m、4.5 m 处 分别布置两个土压力计,其中一个土压力计的受力面 竖直向上,另一个土压力计的受力面面向山脊线。 2 试验数据及分析 2.1 矿山内部液位随注液时间的变化规律 在浸矿开始后,随着注液时间增加,矿体含水率逐 步增加并达到饱和含水率,之后矿山内部开始出现液 位,如图 2 所示。 临 空 面 收液巷道 液位 观测孔 山脊 79天 21天 33天 64天 43天58天 图 2 液位随注液时间的变化规律 浸矿过程大致分为 5 个阶段。 第 1 阶段注液第 1～20 d,矿山内部未出现液位, 原因是初始时,矿体含水率较低,浸矿液进入矿体后 填充矿体孔隙,使得矿体含水率上升,逐步由非饱和状 态进入饱和状态。 第 2 阶段注液第 21～33 d,矿山内部液位开始缓 慢上升,原因是此时矿体大部分处于饱和状态,而随 着浸矿液持续注入,部分浸矿液不能及时通过收液工 程排出而储存在矿体内部,使得矿体内部开始出现液 位,并随着注液时间延长,液位逐步抬升。 第 3 阶段注液第 34～43 d,矿山陡坡与缓坡交界 处的液位快速上升液面距地面 6.5 m,其他区域的 液位上升缓慢,原因是① 陡坡与缓坡交界处地势低, 山谷两边的汇水作用使得液位抬升速度快于其他区域； ② 陡坡与缓坡交界处平均渗透系数仅有 0.23 m/ d,其 他区域的平均渗透系数为 0.38～0.43 m/ d,这导致在 均匀注液的情况下,该区域的液位上升速度大于其他 区域。 12第 4 期王钰霖等 原地浸矿过程中注液边界的应力路径变化规律 ChaoXing 第 4 阶段注液第 44～58 d,矿山内部液位下降, 原因是这段时间内屏南地区持续降雨,同时山体表面 出现细小裂缝,为防止出现滑坡,人为调小了矿山整体 注液强度。 第 5 阶段注液 59 d 以后,矿山内部液位开始逐 渐上升,并最终趋于稳定,原因是先人为不断增大矿 山整体注液强度,致使矿山内部液位开始上升,当矿体 表面出现新的裂缝时,则不再增大注液强度,故矿山内 部液位增大至一定值后保持稳定。 对于某一位置处的应力路径,一般采用 p-q 空间 应力图来描述。 对于 p 和 q 这两个参数,在文献［1］中 已给出明确的定义和计算方法,其计算公式为 p σ1 σ 2 σ 3 3 q σ1 - σ 3 2 式中 p 为平均主应力,kPa；q 为广义剪应力,kPa。 对于液位以下的矿体,由文献［8］可知,液位降低 导致该处矿体所受横向和竖向土压力强度增大,液位 抬升导致该处矿体所受横向和竖向土压力强度减小。 同时,矿体内部液位的变化主要引起液位以下矿体所 受孔隙水压力发生变化,故由液位升降引起的横向和 竖向土压力强度变化量相等。 若用 p-q 空间应力图描 述其应力路径,则随着液位抬升或下降,p 对应着减小 或者增大,q 始终保持不变。 对于液位以上的矿体,在注液作用下,矿体含水率 逐步增加并趋于稳定。 由文献［9］可知,在非饱和状 态下,矿体的应力路径不随矿体含水量增加而改变,原 因是矿体含水率增大,一方面将引起矿体容重增大, 从而引起其压缩变形；另一方面引起矿体基质吸力下 降,从而引起其变形的回弹,综合作用下,矿体所受横向 和竖向土压力强度基本不变,则其所受应力路径不变。 2.2 边坡位移随注液时间的变化规律 为便于数据分析,本文将 1-1 位移计和 1-2 位移 计所在位置看成注液区域,1-3 位移计所在位置看成 特定区域,1-4 位移计所在位置看成未注液区域。 测 线位于山谷位置处,注液初期,各位移计监测的矿山边 坡位移变化不大,随着注液时间增加,边坡位移变化增 大,如图 3 所示。 为便于后期分析,同样以注液时间为标准,将位移 随注液时间的变化规律按照上述时间节点对应划分为 5 个阶段。 第 1 阶段注液第 1 ～ 20 d,对应于图 3 中的 OA 段,由 1-1 至 1-4 位移计监测数据可知,边坡整体变 形量小,这是由于矿山初步注液时,矿体含水率逐步增 注液时间/d 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 20 O A B C D E 4006080 位移变化/mm 1-1位移计 1-2位移计 1-3位移计 1-4位移计 图 3 位移随注液时间的变化规律 大,矿体自重增加,在自重作用下,矿山发生整体沉降 变形,故由位移计监测的矿山边坡整体变形量小。 第 2 阶段注液第 21～33 d,对应于图 3 中的 AB 段,位于注液区域的边坡首先发生拉伸,表现为 1-1 位移计和 1-2 位移计读数增大,在第 29 d 时峰值分别 为4.6 mm 和4.1 mm；特定区域发生压缩,表现为1-3 位 移计读数减小,在第 29 d 时减小至-2.1 mm；其余未注 液区域基本未发生变形,表现为 1-4 位移计读数基本 不变。 由此认为,整个矿山有向下滑动的趋势,故在此 阶段矿山边坡破坏属于推移式破坏［10］。 第 3 阶段注液第 34～43 d,对应于图 3 中的 BC 段,注液区域持续拉伸,表现为 1-1 位移计和 1-2 位 移计读数持续增大,分别增大到 8.2 mm 和 7.4 mm；特 定区域发生大范围拉伸,表现为 1-3 位移计读数快速 增大,从-2.1 mm 增大到 10.2 mm；其余未注液区域发 生压缩,表现为 1-4 位移计读数持续减小至-6.9 mm。 由此认为,矿山下部先发生滑动,从而引起矿山上部的 滑动,在此阶段矿山边坡破坏属于牵引式破坏［11］。 第 4 阶段注液第 44～58 d,对应于图 3 中的 CD 段,注液区域持续拉伸,表现为 1-1 位移计和 1-2 位 移计读数持续增大,分别增大到 15.1 mm 和 10.2 mm； 特定区域发生一定的压缩,表现为 1-3 位移计读数有 所减小,从 10.2 mm 减小到 9.1 mm；其余未注液区域 无变形,表现为 1-4 位移计读数基本不变。 由此认 为,在此阶段矿山边坡破坏属于推移式破坏［10］。 第 5 阶段注液 59 d 以后,对应于图 3 中的 DE 段,注液区域持续拉伸,表现为 1-1 位移计和 1-2 位 移计读数持续增大,分别增大到 18.5 mm 和 12.8 mm； 特定区域发生快速拉升,表现为 1-3 位移计读数快速 增大,从 9.1 mm 增大到 22.7 mm；未注液区域发生压 缩,表现为 1-4 位移计读数持续减小至-11.1 mm。 由 此认为,在此阶段矿山边坡破坏属于牵引式破坏［11］。 综合上述分析,在整个原地浸矿过程中,矿山边坡 的破坏机制可能发生改变,从注液前期到注液后期,边 22矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 坡破坏形式在推移式破坏和牵引式破坏之间相互转化。 同时,对于牵引式滑坡,处于坡体中的土体受力状 态为水平卸载状态下的拉伸和剪切状态,由此认为滑 坡体内的土体所受水平方向上的土压力强度减小［12］, 用 p-q 空间应力图描述其应力路径,则 p 减小,q 增大； 对于推移式滑坡,滑坡中、前段为阻滑段,后段为下滑 段,下滑段对阻滑段产生挤压,致使阻滑段土体所受的 水平和竖直方向的土压力强度增大［13］,用 p-q 空间应 力图描述其应力路径,则 p 增大,q 增大。 2.3 注液边界不同深度处的应力路径及其分析 以离子型矿山注液分界线所在区域为研究对象, 通过原地浸矿过程中这一区域处土压力强度实测数 据,得到此位置不同深度处的应力路径。 测线中孔内 土压力传感器埋置孔位于注液陡区下方,不同位置处 的土压力强度随注液时间的变化较大。 为便于后期分 析,同样以注液时间为标准,对应划分成 5 个阶段,如 图 4 和图 5 所示。 注液时间/d 8 6 4 2 0 20 O A B CD E 4006080 横向土压力强度/kPa 9.0 m处 7.5 m处 6.0 m处 4.5 m处 图 4 横向土压力强度随注液时间的变化规律 注液时间/d 20 16 12 8 4 0 20 OA B C D E 4006080 竖向土压力强度/kPa 9.0 m处 7.5 m处 6.0 m处 4.5 m处 图 5 竖向土压力强度变化随注液时间变化规律 由矿山内部液位随注液时间的变化规律可知,该 区域 4.5 m 和 6.0 m 测点在整个监测过程中始终处于 液位以上,并根据图 4～5 可知,4.5 m 和 6.0 m 测点处 的横向和竖向土压力强度变化规律一致,所以 4.5 m 和 6.0 m 测点处的应力路径基本一致；同理 7.5 m 和 9.0 m 测点处在注液 35 d 后始终处于液位以下,两者 的应力路径基本一致,故此处以4.5 m 处和7.5 m 处的 应力路径为例进行分析。 由于土压力计所监测的数据为土压力强度的变化 值,在分析不同深度处矿体的实际应力路径时,需加上 未注液时不同深度处矿体所受的初始应力值,则需要 测试出矿体的密度和抗剪强度参数值。 采用环刀法, 现场各取样 5 个,测其表土和矿体密度,并取其平均 值,结果如表 1 所示。 表 1 表土和矿土密度 土体 土样密度/ gcm -3 12345平均值 表土1.731.641.731.661.711.69 矿层1.721.751.711.661.711.71 根据文献［14］中自重应力的计算方法,可计算出 未注液时各深度处所受的水平和竖直方向的土压力强 度,从而得到初始的 p 和 q,计算结果见表 2。 表 2 不同深度处的应力值 深度/ mσ1/ kPaσ3/ kPap/ kPaq/ kPa 4.576.5536.7450.0119.90 7.5127.8561.3783.5333.24 由此,根据原地浸矿过程中各测点处土压力强度 的变化规律,结合表 2 中各测点初始值,得到原地浸矿 过程中各测点矿体实际应力路径,如图 6 所示。 p /kPa 27 25 23 21 19 505149 a b O A B D C E O A B D C E 5253555456 q /kPa p /kPa 48 44 40 36 32 8482889094869296 q /kPa 图 6 不同深度处的 p-q 空间应力图 a 埋深 4.5 m； b 埋深 7.5 m 32第 4 期王钰霖等 原地浸矿过程中注液边界的应力路径变化规律 ChaoXing 由图 6 可知,原地浸矿过程中注液分界线处的应 力路径按照前述时间节点划分为 5 个阶段 第 1 阶段,对应于图 6 中的 OA 段,4.5 m 和 7.5 m 处的 p 和 q 基本不变,主要原因是在这段时间内,矿 山内部无液位,矿山边坡整体无变形,故在这一阶段该 区域的横向和竖向土压力强度未发生变化。 第 2 阶段,对应于图 6 中的 AB 段,4.5 m 和 7.5 m 处的 p 和 q 增大,主要原因是在这段时间内,矿山内 部液位缓慢上升,但液位高度远低于 7.5 m 处,而根据 变形分析,此时边坡有发生推移式滑坡的可能性,处于 该区域的边坡发生压缩,由此确定这一阶段该区域的 横向和竖向土压力强度增大。 第3 阶段,对应于图6 中的 BC 段,7.5 m 处的 p 减 小和 q 不变,主要原因是该区域的液位快速增大,液 位上表面距离地表仅6.5 m,矿体内孔隙水压力增大造 成横向和竖向土压力强度同步减小。 4.5 m 处的 p 减 小和 q 增大,主要原因是该区域的地表边坡快速拉 升,远大于注液区域,未注液区域边坡被压缩,有发生 牵引式滑坡的可能性,从而造成侧向泄压,横向土压力 强度减小。 第 4 阶段,对应于图 6 中的 CD 段,4.5 m 和 7.5 m 处的 p 和 q 增大,主要原因是该区域的液位下降约 0.5 m,且注液区域边坡发生拉伸,该区域的边坡发生 一定的压缩,边坡由牵引式破坏转变为推移式破坏。 故这一阶段该区域各个测点的横向和竖向土压力强度 增大。 第 5 阶段,对应于图 6 中的 DE 段,7.5 m 处的 p 减小和 q 不变,主要原因是该区域的液位快速上升约 0.9 m,液位上表面距离地表仅 6.6 m,矿体内孔隙水压 力的进一步增大造成横向和竖向土压力强度的同步减 小。 4.5 m 处的 p 减小和 q 增大,主要原因是该区域 的地表边坡进一步快速拉升,远大于注液区域,未注液 区域边坡被进一步压缩,有发生牵引式滑坡的可能性, 从而造成侧向泄压,横向土压力强度减小。 综合上述分析可知,处于液位以上的矿体,其应力 路径主要受边坡变形的影响,当边坡破坏形式为推移 式破坏或牵引式破坏时,空间应力图表现出 p 和 q 增 大或者 p 减小、q 增大；处于液位以下的矿体,其应力 路径主要受液位高度的影响,随着液位高度增大或者 减小,空间应力图表现出 p 减小、q 不变或者 p 增大、q 不变。 3 结 论 以福建屏南某离子型稀土矿山注液分界线所在区 域为研究对象,通过原地浸矿过程中这一区域不同深 度处土压力强度实测数据,并通过 p-q 空间应力图,描 述了该区域不同深度处的应力路径,并阐述了由原地 浸矿引起的边坡位移和矿山内部液位的变化对该区域 不同深度处应力路径的影响,主要结论如下 1 在整个原地浸矿过程中,矿山边坡的破坏形式 可能发生改变,从注液前期到注液后期,边坡破坏形式 在推移式破坏和牵引式破坏之间相互转化。 2 处于液位以上的矿体,其应力路径主要受边坡 变形的影响,当边坡破坏形式为推移式破坏或者牵引 式破坏时,空间应力图表现出 p 和 q 增大或者 p 减小、 q 增大。 3 处于液位以下的矿体,其应力路径主要受液位 高度的影响,随着液位高度增大或者减小,空间应力图 表现出 p 减小、q 不变或 p 增大、q 不变。 参考文献 ［1］ 李广信. 高等土力学［M］. 北京清华大学出版社, 2004. ［2］ 杨雪强,朱志政,韩高升,等. 不同应力路径下土体的变形特性与 破坏特性［J］. 岩土力学, 2006122181-2185. ［3］ 殷 杰,刘夫江,刘 辰,等. 天然沉积粉质黏土的应力路径试验 研究［J］. 岩土力学, 2013,34123389-3393. ［4］ 孔 亮,季亮亮,曹杰峰. 应力路径和颗粒级配对砂土变形影响的 细观机制［J］. 岩石力学与工程学报, 2013,32112334-2341. ［5］ 孙 磊,王 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