西石门后井尾矿库堆坝材料物理力学特性试验研究.pdf

第5卷 第3期 2009年6月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Journal of Safety Science and Technology Vol . 5 No. 3 Jun. 2009 文章编号 1673 - 193X2009 - 03 - 0073 - 05 西石门后井尾矿库堆坝材料物理力学特性试验研究 3 李全明 1 ,陈 仙 1, 2 ,王云海 1 ,张兴凯 1 1. 中国安全生产科学研究院,北京 100029 2. 首都经济贸易大学,北京 100070 摘 要经调查统计,我国尾矿库存在数量多、 规模小、 安全度水平低及较多中小尾矿库未经过正 规设计等特点,并且绝大多数尾矿库下游为生活区、 工矿企业或重要城镇等,因此加强尾矿库安全 管理,准确把握尾矿坝堆坝材料物理力学特性,对于减少和防止尾矿库溃坝事故的发生,确保尾矿 库的安全运行,使之更好地为矿山安全生产服务,为国民经济健康持续快速发展服务等方面都具 有重要意义。本文在总结有关尾矿库稳定性分析方法的基础上,以西石门后井尾矿库为研究对 象,利用渗透实验、 压缩实验、 三轴试验开展了堆坝材料物理力学特性试验研究,整理并得到了用 于描述堆坝材料物理力学特性的试验数据和实验曲线,系统分析了堆坝材料的变形规律,为系统 分析堆坝材料物理力学特性及开展坝体稳定分析提供依据。 关键词尾矿坝;物理力学特性;渗透实验;压缩实验;三轴试验 中图分类号 X936 文献标识码A Research on material physical and mechan ical characteristics tests in Houjing ta iling reservoir of Xishi men L IQuan2ming 1 , CHEN Xian 1, 2 , WANG Yun2hai 1 , ZHANG Xing2kai 1 1. China Academy of Safety Science and Technology, Beijing 100029, China 2. Capital university of economics and business, Beijing 100070, China AbstractAs a result of investigation and statistics, tailing ponds in China are characterized by large quantity, s mall capacity, low safety level aswell as failure of many tailing ponds to be subjected to for mal design.To make things worse, domestic areas, industrial and mining enterprises ormajor cities and towns, etc. are located downstream most of these tailing ponds . Therefore, it is imperative to strength safetymanagementof the tailing ponds and conduct stud2 y on themechanical characteristic and operation lawsof tailing, whichwillplay a significant role in reducing and pre2 venting the occurrence of tailing dam failing accident, ensuring safe operation of the tailing ponds, making them to better serve safe production of the mines aswell as healthy, steady and rapid development of the national economy, etc. Based on a summary of the stability analysiss of tailing dams, using seepage test, compression test and triaxial test, the research of physicalmechanical characteristic of Hongjing tailing dam in Xishimen was carried out, and the characteristic curves and data were received. The test results could be used to analysis the physical and me2 chanical characteristics and carry out the stability analysis of Houjing tailing dam. Key words tailing dams; physicalmechanics characteristic; seepage test; compression test; triaxial test 收稿日期 2009203215 作者简介李全明1979 - ,男,博士,工程师。 3 基金项目清华大学水沙科学及水利水电工程国家重点实验室开放基金项目编号 sklhse220072C201 ;国家自然科学基金 项目编号 50709031 ;中国安科院基本科研业务费专项资金项目编号 2007JBKY02 1 引言 尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆 存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场 所,是维持矿山正常生产的必要设施,但也是金属非 金属矿山的重大危险源 [1 ]。据统计 , 2004年我国尾 矿库发生事故3起,伤亡5人; 2005年发生事故9 起,伤亡17人; 2006年发生事故12起,伤亡57人; 2007年发生事故14起,伤亡56人; 2008年发生事 故18起,伤亡320人。可见,我国尾矿库事故发生 起数和伤亡人数均呈现逐年上升的趋势,尾矿库安 全生产形势日益严峻。 国内外对尾矿库的设计原则、 溃坝原因、 灾害辨 识等基础理论进行了一些研究,认为对尾矿库溃坝 机理的研究是一个复杂的科学问题,需要针对众多 导致坝体失事成因开展深入研究,进一步通过试验 手段研究尾砂的物理力学特性。 本文通过西石门后井尾矿库室内试验、 尾矿堆 坝材料物理力学特性分析等手段研究了西石门后井 尾矿库尾矿坝堆坝材料的物理力学特性,系统地分 析了尾砂的变形规律,并计算得到了堆坝材料的强 度指标,为系统的稳定性分析奠定基础。 2 尾矿坝稳定性分析方法研究现状 近年来,国内外学者就尾矿库问题开展了一定 的研究,研究认为尾矿库溃坝是由多因素造成的,主 要相关因素有尾矿库设计缺陷、 建造及施工技术质 量不良、 尾矿库尾砂超量堆存、 尾矿库水位过高、 排 洪系统失效、 洪水漫顶、 静力或动力的稳定性不足、 渗流破坏、 内部腐蚀及基础条件差等。其中以极限 平衡理论和传统的安全系数方法为基础,将可靠度 理论引入尾矿坝稳定性分析中,利用有限元方法研 究坝坡稳定性取得了比较多的研究成果。在尾矿坝 变形分析中,众多学者在分析坝体溃坝机理的基础 上,利用有限元技术对尾矿坝进行了渗流和变形 分析。 Penman A D M [2]概述了尾矿库设计的一般性原 则。Chandler R J [3 ]、 Vick S G [4 ]分别介绍了尾矿库 发生垮塌事故的案例并对垮塌原因进行了分析。 Mascaro [5 ]、 Azizli K [6]分别对尾矿库内废水废渣中 有害成分的组成及其对环境与水土的污染等进行了 研究。张建隆 [7 ]对尾矿砂的力学特性和在周围荷 载下的动力特性进行了初探;用瑞典条分等极限平 衡方法研究尾矿坝的稳定性问题在国内非常常见, 例如罗建林等 [8 ]详细介绍了瑞典条分法在尾矿库 安全评价中的应用,然而瑞典条分法属于半定量计 算方法,计算结果受计算者熟练程度等因素的影响 较大。近年来,应用有限元等数值计算方法定量研 究尾矿坝稳定性问题取得了一些进展,例如孙海 涛 [9 ]、 李全明[10～11 ]等对基于有限元法的坝坡稳定 性问题进行了研究。 综上所述,现有尾矿坝坝体稳定性分析方法大 都采用极限平衡方法,以尾矿坝发生坝坡失稳极限 状态为分析对象,缺乏尾矿坝在整个运行过程中渗 透、 变形、 强度过程实验方法的研究。本文在总结有 关尾矿库稳定性分析方法的基础上,利用渗透实验、 压缩试验、 常规三轴试验,以西石门后井尾矿库堆坝 材料物理力学特性为研究对象,开展了尾砂力学特 性试验研究工作,整理并得到了用于描述尾砂应力 变形特性的试验数据和实验曲线,系统分析了堆坝 材料的变形规律。 3 尾矿坝筑坝材料物理力学特性试验研究 为了掌握尾矿坝筑坝材料的渗透特性、 压缩特 性和强度特性,通常需要在室内进行筑坝材料的渗 透试验、 压缩试验和常规三轴实验,为尾矿坝的稳定 性分析提供参数和依据。 311 渗透实验 渗透试验在北京交通大学土建中心的三轴渗透 试验仪器进行,试验所用的渗透试验仪如图1所示, 试验中,试样尺寸为100mm,试验考虑了围压对渗 透系数的影响。 渗透试验得到的西石门铁矿尾矿砂包括尾细 砂和尾粉砂不同围压下的渗透系数,可供尾矿坝 浸润线分析所用,如表1所示。 47 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第5卷 图1 三轴渗透试验仪 表1 尾矿砂不同围压下的渗透系数 编号 试样名称 渗透系数k10 - 3 cm /s 围压50kPa围压100kPa围压200kPa 1尾细砂018101790177 2尾粉砂017101650156 312 压缩试验 压缩试验,是目前最常用的测定土的压缩性的 室内试验方法。用金属环刀从原状土样切取试件。 将试件连同环刀装入侧限压缩仪上,试件上下面各 放一块透水石,通过传压板施加竖向压力,从而测定 土在侧限条件下的压缩系数和压缩模量。 利用北京交通大学压缩试验仪,对后井尾矿 库尾细砂和尾粉砂进行了压缩试验,试验成果如 表2所示,其中,尾粉砂压缩曲线见图2。此外,测 得尾 细 砂 的 回 弹 模 量 为38MPa,回 弹 指 数 为 01017;尾粉砂的回弹模量为38MPa,回弹指数 为01016。 表2 尾矿砂压缩试验结果 类别pkPa 压缩系数a MPa- 1 压缩模量Es MPa 压缩指数 Cc 尾细砂 100～200013285172401123 200～300012716191701154 尾粉砂 100～200011919176501072 200～3000114612176901083 图2 尾粉砂压缩试验成果 313 常规三轴试验 本文以西石门尾矿库堆坝材料为试验对象,研究 尾矿坝堆坝材料的变形特性和强度特性,通过常规三 轴试验测定尾细砂和尾粉砂的应力 ～应变 ～体变 关系。 31311 试验设备 常规三轴试验在北京交通大学土建中心试验室 的常规三轴仪上进行。该三轴仪为浙江土工仪器厂 的STSZ - 1Q型轻型台式三轴仪,最大轴向输出力 为10kN,试样尺寸为 Ф3911mm80mm,最大周围 压力为1MPa,如图3所示。 图3 STSZ - 1Q型轻型台式三轴仪 31312 试验土料 从西石门尾矿库取尾细砂和尾粉砂两种筑坝材 57 第3期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 料,两种材料的级配曲线如图4和图5所示。分别 对这 两种材料 进行 三 轴 试验,最 高 固 结 压 力 取600kPa。 图4 西石门尾细砂的级配曲线 图5 西石门尾粉砂的级配曲线 31313 试验方案 分别对尾细砂和尾粉砂进行常规三轴试验,周 围压力分别取100kPa、200kPa、300kPa和600kPa。 试验方案见表3。 31314 试验成果 常规三轴试验成规汇总于表3。按照摩尔-库 伦准则整理得到了尾细砂和尾粉砂的粘聚力和内摩 擦角等关键强度指标。图6给出了尾粉砂的常规三 轴试验成果。 图6 a给出了轴向应力与轴向应变之间的关 系,试验初期低应力作用下,轴向应力与轴向应变表 现出近似直线关系;随着应力作用的增大,试样产生 不可恢复的塑性变形,轴向应力与轴向应变间表现 出明显的非线性特性;当轴向应力达到应力水平后, 轴向应变显著增大,轴向应力不再增加。通过试验 得到,尾粉砂100kPa下的应力水平为320kPa; 200kPa下的应力水平为610kPa; 300kPa下的应力 水平为960kPa; 600kPa下的应力水平为1365kPa。 图6 尾粉砂试验成果 表3 西石门尾矿库堆坝材料三轴试验成果 土样 组号 序号 围压 kPa 应力水平 σ1-σ3fkPa 粘聚力 ckPa 摩擦角 φ 尾 细 砂 1 1 - 1100270 1 - 2200560 1 - 3300870 1 - 46001602 81235 尾 粉 砂 2 2 - 1100320 2 - 2200610 2 - 3300960 2 - 46001365 141632 图6 b给出了轴向应变与体应变的关系曲线, 67 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第5卷 从曲线可知,轴线应变与体应变之间也存在着显著 的非线性特性。 图 6 c 给出了尾粉砂的莫尔圆和破坏包线,通 过整理尾粉砂的粘聚力为1416kPa,内摩擦角 为32 。 后井尾矿库尾粉砂的常规三轴试验结果表明, 围压固定的情况下,剪应力和剪应变之间存在明显 的非线性变形特性;随着围压的不断增加,尾粉砂表 现出明显的压硬性,即周围压力是影响尾粉砂剪切 强度的重要指标;从体应变和剪应变的关系可知,低 应力下尾粉砂表现出一定的剪胀特性,即随着剪应 变的增加发生体胀现象,而高应力下尾粉砂表现一 定的剪缩特性,即随着剪应变的增加发生体缩现象; 尾粉砂由于颗粒偏细,颗粒之间有一定粘聚作用,故 尾粉砂表现出一定的粘聚力,而尾细砂的内摩擦角 大于尾粉砂的内摩擦角,这是因为粗颗粒之间咬合 程度高的缘故。 尾细砂的试验过程与尾粉砂相同,试验成果见 表3。尾细砂的粘聚力为812kPa,内摩擦角为35 。 4 总结 本文在总结有关尾矿库稳定性分析方法的基础 上,利用渗透实验、 压缩试验、 常规三轴试验,以西石 门后井尾矿库堆坝材料为研究对象,系统研究了后 井尾矿库尾细砂和尾粉砂的物理力学特性,整理了 用于描述堆坝材料物理力学特性的试验数据和实验 曲线,系统分析了堆坝材料的变形规律计算得到了 堆坝材料的强度指标,为系统分析堆坝材料物理力 学特性及开展坝体稳定分析提供了依据。 参考文献 [1] 彭承英.尾矿库事故及预防措施[J ].有色矿山, 1996, 5 38～40 Peng Cheng2ying .Accidents and prevention of tailings reservoir[J ]. 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