寒区尾矿力学特性的环境响应试验.pdf

第3 4 卷第3 期 2 0 1 4 年0 6 月 矿冶工程 妇N 矾GA N DM 【E T A L L U R G I C A LE N G 姗E R 矾G V 0 1 ．3 4 №3 J u n e2 0 1 4 寒区尾矿力学特性的环境响应试验① 艾凯明，周科平，胡建华，李杰林，刘福萍 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要通过室内冻融循环后的直剪试验，研究了不同次数冻融循环对寒区干堆尾矿物理力学特性的影响。在相同冻融循环条件 下，分别设置了开放和密封的试验环境以研究试样在不同冻融循环次数后的表面龟裂、含水率、抗剪强度、粘聚力和内摩擦角的环 境响应。运用数学拟合函数获取了干堆尾矿力学特性对环境的响应关系。试验结果表明开放组试样表面在经历6 次冻融循环后 开始出现龟裂，而密封组试样表面无明显变化；开放组和密封组试样的含水率分别在1 2 次和9 次冻融循环后趋于稳定；随着冻融 循环次数的增加，开放组试样的抗剪强度、粘聚力和内摩擦角均增大，而密封组试样的抗剪强度、粘聚力和内摩擦角均减小。 关键词干堆尾矿；冻融循环；直接剪切试验；抗剪强度；粘聚力；内摩擦角 中图分类号T D 8 5 3文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／i ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 3 ．0 0 2 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 3 一0 0 0 4 0 5 E x p e r i m e n to nE n V i r o I 衄e n t a lR e s p o n s e0 fT a i H n g s ’M e c h a l l i c a lP r o p e r t i e s i nC o l dR e g i o n s A IK a i m i n g ，Z H O UK e p i n g ，H UJ i a n h u a ，UJ i e l i n ，L I UF u - p i n g ．s c 九o o ZQ 厂R e s o M ，℃e s Ⅱ凡dS 咖耖点_ 召i ，l e e r i ，曙，C e 凡￡，乜fJ s o u 琥E ，h 矗肥，苫i 耖，1 ％口咿 口4 1 0 0 8 3 ，月让n 口n ，C i 凡口 A b s t r a c t T h ed i r e c ts h e a rt e s t sw e r ec o n d u c t e da f t e rl a b o r a t o r yf b e z i n g t h a w i n gc y c l e s ，f o rs t u d y i n gt h ei m p a c to f f r e e z e t h a wc y c l e so np h y s i c o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd r ys t a c kt a i l i n g si nc o l dr e g i o n s ．A f t e rd i f f ．e r e n tf r e e z e t h a w c y c l e s ，t h et e s t e ds a m p l er e s p o n d i n gt ot h eo p e na n ds e a l e de n v i r o n m e n tw i t ht h es a m ec y c l e ，r e s p e c t i v e l y ， w e r ea U s t u d i e di nt e 珊so fi t ss u d ’a c e c r a c k i n g ， m o i s t u r e c o n t e n t ， s h e a rs t r e n 殍h ，c o h e s i o na n di n t e m a l缸c t i o n a n g l e ． M a t h e m a t i c a lf i t t i n gf u n c t i o nw a sa d o p t e dt oo b t a i nar e s p o n s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e c h a n i c a lc h a r a c t 耐s t i c s0 f d r y s t a c kt a i l i n g sa n de n V i r o n m e n t ．T e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a t ， c r a c k sw e r eo b s e r v e dw h e nt h eu n s e a l e dg r o u ps p e c i m e n s w e r es u b j e c t e dt os i xf k e z e t h a wc y c l e s ．I nc o n t r a s t ，n oo b v i o u sc h a n g ew a sf o u n do nt h es u r f a c eo fs e a l e d g r o u p s p e c i m e n s ．T h ew a t e rc o n t e n to fu n s e a l e da n ds e a l e ds p e c i m e n st e n d e dt ob es t a b l ea f t e r1 2a n d9f r e e z e 一山a wc y c l e s ， r e s p e c t i V e l y ．A s f } e e z e t h a wc y c l e s i n c r e a s i n g ， t h es h e a rs t r e n 砂h ，c o h e s i o na n di n t e m a l 缸c t i o na n 9 1 eo fu n s e a l e d s p e c i m e n sa U 黟e w ．0 nt h ec o n t r a r y ，t h e s ei n d e x e so ft h es e a l e ds p e c i m e n sa l ld e c r e a s e d ． K e yw o r d s d r ys t a c kt a i l i n g s ；f r e e z e t h a wc y c l e ；d i r e c ts h e a rt e s t ；s h e a rs t r e n 斟h ；c o h e s i o n ；a n d eo fi n t e m a lm c t i o n 随着全世界第一座浓缩干堆尾矿场在加拿大安略 省K i d dC r e e k 。矿山的建立，尾矿干堆作为尾矿地表 堆存的一种新的处理技术出现在人们的视野中。细粒 尾矿堆积坝的稳定性比较差心J ，采用传统的堆积方式 安全问题突出。采用尾矿干堆的方式能提高尾矿堆积 的稳定性，能较好地解决这一问题。近年来，国内外对 尾矿干堆进行了大量的研究∞娟o 。前人的研究主要集 中在尾矿干堆相对于传统尾矿堆积方式在安全和环保 方面的优势、干堆尾矿场的设计与管理以及所需脱水 设备的研究，而对干堆尾矿力学特性的研究较少。 我国冻土区可分为多年冻土区、季节冻土区和瞬 时冻土区三大类，其中多年冻土面积位居世界第 三一1 。位于寒区的矿山如果采用尾矿干堆的尾矿堆 积方式，则还需考虑寒区特殊的环境效应，如冻融循环 作用。在尾矿冻融方面，国内外学者进行了一定的研 究‘1 0 。12 I 。 本文开展了开放和密封条件下的冻融循环试验， 模拟了寒区干堆尾矿表层和内层的冻融环境。对经历 不同冻融循环周期的干堆尾矿试样进行了直剪试验， 分析了干堆尾矿的力学特性对冻融环境的响应。 ①收稿日期2 0 1 3 1 2 2 1 基金项目“十二五”国家科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A B l 4 8 0 1 ；“十二五”国家科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A c 0 9 8 0 2 作者简介艾凯明 1 9 8 8 一 ，男，江西鹰潭人，硕士研究生，从事矿山充填和尾矿处理方面的研究。 通讯作者周科平 1 9 6 4 一 ，男，湖南衡阳人，教授，主要从事深部采矿与矿山岩石力学与工程等方面的研究。 万方数据 第3 期 艾凯明等寒区尾矿力学特性的环境响应试验 1 试验材料与方案 1 ．1 试验材料 本试验所用尾矿取自贵州某金矿选厂排放的尾渣 饼，试验所用水为长沙市自来水。根据土工试验方法 标准 G B ／T5 0 1 2 3 1 9 9 9 0 | ，采用筛析法和密度计法 分析尾矿颗粒大小，尾矿粒径分布情况见图1 ，主要化 学成分见表1 。 粒径／『1 1 m 图1 尾矿粒径分布曲线 0 ．0 0 1 表1 尾矿主要化学成分 质量分数 ／％ 1 ．2 试样制备 将尾矿放入B G z 一1 4 6 型电热恒温鼓风干燥箱中 烘干，再用木碾碾散。根据尾矿的粒径组成，把碾散的 尾矿通过孔径0 ．5m m 的筛，取筛分后的尾矿用于试样 制备。参照该矿山尾渣饼的初始含水率和干密度，按照 G B ／T5 0 1 2 3 1 9 9 9 【l 纠将尾矿制备成含水率为2 3 ．6 ％、 干密度为1 ．8 1 0 3k ∥m 3 的尾矿试样，试样尺寸巾6 1 ．8 m m 2 0m m 。每4 个试样为一组，共1 2 组，试样总数 为4 8 个。 1 ．3 试验方案 干堆尾矿表层为开放环境，而其表层以下至冻融 影响最深处 以下简称内层 为封闭环境。采用尾矿 干堆的地区一般年降雨量较少，干堆尾矿场除降雨外 一般无其他外界水源补给。由于各个地区的年降雨量 不同，试验过程中难以确定具体的水分补给量，试验过 程中对试样不提供水分补给。综上所述，开放不补水 条件下的尾矿试样的冻融循环试验能模拟干堆尾矿表 层受冻融的影响；密封条件下的尾矿试样的冻融循环 试验能模拟干堆尾矿内层受冻融的影响。 冻融试验采用T D S 一3 0 0 型冻融试验机，试验机内 部放一个无盖的水箱。试样放入水箱中，以防止融化 阶段试验机中的水对试样的水分补给。冻融试验共为 1 2 组，其中1 ～6 组在开放不补水条件下进行 以下简 称开放组 ，7 1 2 组在密封条件下进行 以下简称密 封组 ，试样采用塑料密封袋密封。冻结温度为一2 0 ℃，冻结时间为1 2h ，融化温度2 0 ℃，融化时间1 2h ， 一次冻融循环时间为2 4h ，冻融循环次数分别为O 、3 、 6 、9 、1 2 、1 5 次。采用应变控制式直剪仪进行直接剪切 试验，试验方法为快剪试验，剪切速度为0 ．8m H ∥m i n 垂直压力分别为1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0k P a 。 试验时，将经历不同冻融循环次数的试样从冻融 试验机中取出后称重和拍照，以研究试样含水率和表 面龟裂的变化情况，之后将试样进行快剪试验以测定 其在不同正应力条件下的抗剪强度。 2 试验结果与分析 2 ．1 表面龟裂和含水率变化 不同冻融循环次数后，开放组试样的表面变化情 况如图2 所示。由图2 可见，在开放不补水的冻融循 环条件下，试样表面变化十分明显。6 次冻融循环后， 开放组试样表面开始出现龟裂，且随着冻融循环次数 的增加，龟裂越来越发育。 图2 冻融循环条件下开放组试样表面特性 a 0 次冻融循环； b 3 次冻融循环； c 6 次冻融循环 d 9 次冻融循环； e 1 2 次冻融循环 f 1 5 次冻融循环 ∞如舳加砷卯如∞加m 0 零＼籁套忸-軎蟋咎馊N蹬冀麟* 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 图3 为密封组试样经过0 次、6 次和1 5 次冻融循 环后表面变化情况。由图3 可见，与开放组试样不同， 密封组试样的表面没有明显变化，无龟裂现象。 图3 冻融循环条件下密封组试样表面特性 a 0 次冻融循环； b 6 次冻融循环； c 1 5 次冻融循环 冻结阶段，密封组试样与开放组试样所处的状态 相同。融化阶段，开放组试样表面水分持续的蒸发，使 得其表面缺水，从而导致了其表面龟裂的产生。由于 密封袋的封闭作用，密封组试样蒸发的水分留在密封 袋中。当温度下降时，水蒸气遇冷凝结成水，大部分凝 结的水能给密封组试样提供水分补给。所以，密封组 试样表面没有出现龟裂。 试样经历不同冻融循环次数后的含水率如图4 所 示。利用实测数据拟合出开放组和密封组试样经历不 同冻融循环次数后的含水率∞与冻融次数n 的关系， 如式 1 、式 2 所示，其决定系数均为0 ．9 9 。拟合结 果表明，开放组和密封组试样的含水率均呈指数衰减。 冻融循环次数／次 图4 冻融循环对尾矿试样含水率的影响 ∞2 1 6 ．6 4 6 ．9 0 e 一面 2 由图4 可见，当冻融循环次数达到3 次时，开放组 和密封组试样的含水率都有较大幅度的降低。开放组 试样的含水率由2 3 ．6 ％下降到1 9 ．1 ％，密封组试样的 含水率下降到2 1 ．0 ％。9 次冻融循环后，密封组试样 的含水率降低幅度很小，趋于稳定；开放组试样的含水 率降低幅度明显减缓。1 2 次冻融循环后，开放组试样 含水率下降到1 7 ．1 ％，之后缓慢下降且趋向稳定。 开放组试样含水率下降幅度比密封组大，且开放 组试样的含水率达到稳定值所需的冻融循环次数要比 密封组多。开放组试样在融化阶段水分蒸发后没有水 分补充，而密封组试样水分蒸发后仍留在密封袋中，当 温度下降后水蒸气遇冷凝结成水，为密封组试样提供 水分补给。 2 ．2 抗剪强度变化 尾矿坝的破坏绝大多数属于剪切破坏，例如尾矿 坝的滑坡、坍塌等都是某些面上的剪应力超过尾矿本 身的抗剪强度所造成的。因此，尾矿的抗剪强度是决 定尾矿坝体稳定性的关键因素4 I 。 冻融循环作用改变了干堆尾矿中的含水率和孔隙 结构，其宏观表现为冻融循环使得干堆尾矿的抗剪强 度发生变化。在不同正应力条件下，开放组和密封组 试样的冻融循环次数与抗剪强度的关系分别如图5 和 图6 所示。 芒 』 ＼ 型 曩 密 堰 冻融循环次数／次 图5 冻融循环对开放组试样抗剪强度的影响 冻融循环次数／次 图6 冻融循环对密封组试样抗剪强度的影响 ⅪⅪ砌砌的砌mⅪⅪⅪO咖咖咖瑚枷姗枷姗姗瑚。 万方数据 第3 期 艾凯明等寒区尾矿力学特性的环境响应试验 由图5 可见，开放组试样的抗剪强度随着冻融循 环次数增加而增大。在6 ～1 2 次冻融循环之间，开放 组试样的抗剪强度呈线性增长，之后增长缓慢，趋于稳 定。由图6 可见，密封组试样的抗剪强度随冻融循环 次数增加而减小。9 次冻融循环后，密封组试样的抗 剪强度受冻融循环作用影响较小，其值趋于稳定。 融化阶段，开放组试样表面的水分被蒸发，其内部 的水分向表面迁移，造成试样含水率的持续下降。其 含水率的降低使得试样发生融沉与重固结，从而其抗 剪强度增大。 冻融循环前，开放组和密封组试样的含水率相同。 不同冻融循环周期后，开放组试样的含水率一直低于密 封组试样的含水率。随着冻融循环次数的增加，开放组 与密封组试样的含水率的差异性越来越大 见图4 。 冻结过程中，因为开放组试样的含水率低于密封 组试样的含水率，所以开放组试样的冻胀作用相对较 小。较低的含水率使得开放组试样的融沉与重固结作 用大于冻胀作用，因此其抗剪强度随冻融循环次数增 加而增大。相反，密封组试样由于含水率下降幅度较 低，其融沉与重固结作用不显著，无法弥补冻胀作用对 试样抗剪强度的削减作用，从而密封组试样的抗剪强 度随着冻融循环次数的增加而下降。 2 ．3 粘聚力变化 图7 为两组试样的粘聚力随冻融循环次数增加的 变化情况。由图7 可知，随着冻融循环次数增加，密封 组试样的粘聚力发生小幅度下降；而开放组试样的粘 聚力增长十分显著。前6 次冻融循环中，开放组试样 的粘聚力缓慢增长，之后，其粘聚力呈线性增长，1 2 次 冻融循环后，增长幅度明显减缓，趋于稳定。利用实测 数据拟合出开放组试样经历不同冻融循环次数后的粘 聚力c 与冻融次数几的关系，如式 3 所示，决定系数 为0 ．9 5 。 冻融循环次数／次 图7 冻融循环对干堆尾矿试样粘聚力的影响 旷毒等‰ 3 。2 1 e 一州n 一9 2 1 k 。， 2 ．4 内摩擦角变化 图8 为干堆尾矿试样内摩擦角随冻融循环次数增 加的变化情况。利用实测数据拟合出开放和密封组试 样经历不同冻融循环次数后的内摩擦角妒与冻融次 数凡的关系，如式 4 ～ 5 所示，其决定系数分别为 0 ．9 8 和0 ．9 7 。 ￡ 谴 辇 畏 冻融循环次数／次 图8 冻融循环对干堆尾矿试样内摩擦角的影响 妒1 1 2 ．1 7 7 ．7 9 [ 1 熹 2 ’4 5 ] 4 ，．y l 9 2 3 9 ．1 1 一1 9 ．1 0 [ 1 。者 1 。7 4 ] 5 叶．二1 由图8 可见，密封组试样的内摩擦角随冻融循环 次数增加而逐渐减小，9 次冻融循环后，其值缓慢下 降，趋于稳定。开放组试样的内摩擦角随冻融循环次 数的增加而逐渐增大。前6 次冻融循环中，其值增长 幅度较大，之后缓慢增长；1 2 次冻融循环后，其值趋于 稳定。多次冻融循环后，密封组试样的冻胀作用大于 融沉作用，从而试样颗粒孔隙增大，接触点减少。因此， 密封组试样的内摩擦角随冻融循环次数增加而减小。 相反，开放组试样的融沉和重固结作用大于冻胀作用， 颗粒之间咬合的更加紧密，从而其粘聚力显著增加。 3 结语 1 6 次冻融循环后，开放组试样出现龟裂，密封 组试样未出现龟裂。随着冻融循环次数增加，开放组 试样的抗剪强度、粘聚力和内摩擦角都增大，而密封组 试样的抗剪强度、粘聚力和内摩擦角均减小。 2 开放组和密封组试样的物理力学特性如含水 率、抗剪强度、粘聚力和内摩擦角分别在1 2 次和9 次 冻融循环后趋于稳定。这说明，与干堆尾矿内层相比， 干堆尾矿表层需要更长的冻融循环周期才能达到稳定 状态。 3 多次冻融循环后，寒区干堆尾矿表层抗剪强度 增加，但容易发生龟裂而脱离；寒区干堆尾矿内层抗剪 强度降低，形成软弱夹层。冻融循环作用使得寒区干 弛弘M弛加勰；乌M丝加协撕H心 万方数据 8 矿冶工程 第3 4 卷 堆尾矿的抗剪强度表现出外强内弱的特性，类似于 “夹心饼干”，对寒区尾矿地表堆存不利。 4 研究寒区冻融环境对干堆尾矿的物理力学性 质的影响可为分析寒区干堆尾矿坝的稳定性提供参考 数据，对尾矿干堆在寒区的应用和推广起到积极作用。 参考文献 J e w e URJ ，f ’o u d eAB ．P a s t ea n dT h i c k e n e dT a i l i n g s AG u i d e [ M ] ．P e r t h A u s t r a l i a nc e n t r 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