云南卡房尾矿库固结试验与机理研究

杨 天 刘文连 王修峰 费维水 李 俊

（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明650093；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明650000；3.昆明理工大学建筑与土木工程学院，云南昆明650000）

尾矿库是矿山工程的一个重要组成部分，随着我国工业的不断发展，国内矿山开采规模不断扩大，大量尾矿库的建设，致使尾矿库的稳定性及安全问题越来越受到关注。尾矿颗粒的固结特性对尾矿坝体稳定性有着很重要的影响，所以对其进行研究很有必要。近年来，众多学者通过对尾矿固结规律进行研究，得出了一些重要结论。刘文连等［1］通过对某尾矿库尾矿砂土静力、动力基本特性的研究，建立了3 种固结作用静力抗剪强度中权重分配的数学表达式；曹净等［2-3］以马家田尾矿坝的岩土勘察及试验数据为基础，对其淋滤及化学固结作用进行了综合分析评价，得出了渗透力及毛细力作用下的淋滤固结特征；费维水［4］在太沙基固结理论的基础上，进行了尾矿坝不同阶段的固结应力分析，认为垂向渗流淤堵是导致尾矿库渗透系数产生差异的原因；魏宁等［5］运用广义流变记忆理论建立了尾矿土体的非线性弹—黏弹本构模型，并通过数值分析手段，研究了尾矿固结过程中孔隙水压力及位移随时间的变化规律及对尾矿坝的影响；颜学军［6］在尾矿沉积固结试验的基础上，探讨了尾矿排放浓度、流量、流速等因素对尾矿坝稳定性的影响规律。此外，不少学者也在尾矿渗流分析［7-9］、沉积规律［10-13］、固结特性及规律［14-18］等方面进行了大量卓有成效的研究。

通过对已有研究成果的总结归纳，发现对尾矿颗粒固结程度影响因素的试验研究较少。本研究通过室内试验模拟尾粉砂及尾粉土的淋滤固结过程，并控制淋滤时间、淋滤次数、淋滤液成分、固结形式等变量，研究不同因素对尾矿固结程度的影响及变化规律。同时，通过对尾矿颗粒的微观结构观测及水化学场变异分析来推演其化学固结过程。结合卡房尾矿库特殊的“环形交替放矿”模式，对其多种固结机理进行综合分析，为尾矿颗粒固结特性的理论研究及实践应用提供有益参考。

1 淋滤固结试验

1.1 试验装置及试样制备

本研究淋滤固结试验装置［19］主要由土样箱、喷淋设备、集液设备三部分。①土样箱，规格为500 mm×500mm×600 mm（长×宽×高），由木板黏结而成，后端挡板底部设泄水缝，泄水缝内侧铺碎石起到反滤层的作用，防止淋滤液将尾矿颗粒带出，土样箱内侧标记红线以便测量沉降；②喷淋设备，蠕动泵规格为3 L/min，为保证淋滤液可被均匀喷淋在尾矿样表面，通过计算及调整，最终确定喷头距土样箱顶约30 cm；③集液设备，将泄水缝流出的淋滤液收集在集液桶内进行简单过滤，通过蠕动泵将过滤后的滤液抽至喷淋设备进行循环喷淋。试验装置见图1。

卡房尾矿库浅部堆积物主要为尾粉砂（埋深0～13 m）及尾粉土（埋深0.3～33.2 m），其余地层堆积物主要为黏土，由于黏土堆积量较少，且短期内淋滤固结效果不明显，所以本研究选取尾粉砂及尾粉土作为试验对象。在卡房尾矿库区多个具有代表性的取样点分别取尾粉砂、土各250 kg，密封保存运回实验室，剔除样品中的杂质后，装入土样箱内。在密封条件下静置数天，使重塑尾矿样在自重应力作用下先进行一定程度的固结沉降，以排除自重固结作用对淋滤试验的影响。

1.2 试验方法

淋滤固结作用强度受多种因素控制，为研究淋滤时间及淋滤液成分对其的影响，设计了单一变量的对照试验。试验方案为：将土样箱分成两组，1～8号箱装入尾粉砂试样，9～16 号箱装入尾粉土试样。将1、2、9、10 号土样箱用清水进行淋滤，其余土样箱用尾矿澄清液作为淋滤液，以研究淋滤液成分对固结作用的影响。1、3、9、11 号土样箱每天控制淋滤时间8 min（约10 L 淋滤液），其余土样箱为1 h（约75 L 淋滤液），以研究淋滤时间及淋滤液流量对固结作用的影响。同时对8 号、16 号箱不进行处理，作为仅存在自重固结的对照组。通过对各土箱最终沉降量的观测，来区分其淋滤固结作用的强弱，试验方案的变量对照设置如表1 所示。试验结束后在规定的时间段内对尾粉砂及尾粉土分别进行取样，并依照相关规范［20-21］进行直剪试验测定其C、φ 值，取样时间见表2。

2 试验结果及分析

依据上述方案进行试验后，通过观测，各土箱的最终沉降量如表3所示。

?

?

?

2.1 淋滤时间及滤液成分对淋滤固结的影响

针对卡房尾矿库特殊的放矿形式，本研究通过反复淋滤，从而模拟出符合现场情况的干湿交替的氧化还原环境。为研究不同淋滤时间及淋滤液成分对淋滤固结作用的影响，对1、2、3、4、9、10、11、12 号土样箱淋滤15 d 后的最终沉降量及力学指标进行了测试，各土样箱最终沉降量之间的关系如图2 所示。直剪试验结果对比如图3和图4所示。

由于淋滤试验过程中表层尾矿容易受到扰动等干扰因素的影响，抗剪强度指标离散性较大，因此在不同土样箱之间的横向对比中本研究均使用取样深度最深的40 cm 处的尾矿试样进行对比分析。由图2、图3及图4可以看出：

（1）尾矿的淋滤固结程度与淋滤时间呈正相关。淋滤时间为1 h 的尾矿试样的最终沉降量与抗剪强度指标均明显大于淋滤8 min 时的取值，尾粉砂黏聚力C 值1 h 组较8 min 组大68.3%左右，内摩擦角φ 值大13.3%左右；尾粉土的C值1 h组较8 min组大4.1%左右，较φ 值大5.7%左右。说明尾矿淋滤时间越长，尾矿的沉降量越大，同时固结程度随之升高，抗剪强度指标也相应提高。

（2）尾矿的淋滤固结程度与淋滤液的化学成分也存在一定的关系。相较于用水作为淋滤液，尾矿澄清液组尾矿的沉降量与抗剪强度指标均更大。使用尾矿澄清液进行淋滤时，尾粉砂的黏聚力C、内摩擦角φ 较使用水进行淋滤时分别大74.7%、16.2%；尾粉土黏聚力C、内摩擦角φ分别大31.3%、31.2%。

（3）淋滤液成分对尾矿沉降量的影响远小于淋滤时间对其的影响，且两者对尾粉砂的影响明显大于尾粉土，这是由于尾粉砂的密实度更小，其淋滤固结效果短期内更明显。

2.2 自重固结与淋滤固结影响效果对比分析

为研究固结形式对固结程度的影响。此次试验单设8、16号箱，分别装入尾粉砂和尾粉土，不进行任何处理，作为自重固结作用对照组。将5、6、7、8号箱与13、14、15、16号箱进行对比，淋滤固结与自重固结影响下的最终沉降量对比如图5 所示，直剪指标（黏聚力C、内摩擦角φ）值对比见图6。

对比取样时间均为120 d 的7、8、15、16 号土箱可以看出：①仅自重固结作用下的最终沉降量远小于淋滤固结作用下的沉降量，尾粉砂淋滤固结的沉降量较自重固结大近403%，尾粉土沉降量大506%左右；②淋滤固结作用下的抗剪强度指标（40 cm 深度处指标）比自重固结作用下大，尾粉砂在淋滤固结作用下的C、φ 值较自重固结分别大60%、19.1%，尾粉土的C、φ 值分别大42.7%、5.5%，说明自重固结对抗剪强度指标的影响远小于淋滤固结；③5、6、7号土箱最终沉降量分别为66.5 mm、72 mm、75.5 mm，13、14、15 号土箱最终沉降量分别为41.5mm、46.5 mm、48.5 mm，说明随着淋滤时间的增长，最终沉降量也逐渐增大，两者呈正相关，但增长速率逐渐减小。

2.3 单次淋滤固结过程分析

为研究尾矿的淋滤固结机理，分别选取使用清水作为淋滤液的2 号及10 号土样箱进行沉降数据采集，以排除淋滤液中化学成分对固结的影响，绘制了沉降量与淋滤时间的关系曲线图，如图7所示。由图7 可知：在一个淋滤过程中，尾粉砂、尾粉土的沉降差均呈现先回弹后沉降的趋势，回弹量一般稳定在1～2 mm，尾粉砂单日最大沉降量约8 mm，尾粉土约4 mm，回弹量与沉降量峰值均出现在第1 d，之后随着淋滤次数的增长，单次回弹量与沉降量均逐渐减小，并逐步趋于稳定。

2.4 尾矿颗粒微观结构观测

本研究采用SEM 扫描电镜对不同埋深的尾矿颗粒进行了5 μm 微观结构观测，结果见图8。分析图8可知：尾矿颗粒及其整体结构呈现出条片状和羽毛状，粗颗粒间存在较多大孔隙且较为分散，部分孔隙被细颗粒所填充，颗粒结构间多存在贯通孔隙与喉道，说明尾矿样具有较强的渗透性，同时可以看出有较多的絮状胶结物附着在颗粒表面或粘结于颗粒之间，形成团块结构。

3 卡房尾矿砂土固结作用机理综合分析

卡房尾矿库为平地型环形堆坝尾矿库，采用上游法筑坝，尾矿浆主要沿尾矿库四周的堆积坝坝顶排放，为“环形交替放矿”模式。独特的放矿形式导致库区尾矿干滩面内会频繁且周期性地形成非稳定渗流，致使尾矿频繁处于饱和—非饱和的交替循环状态中。结合其矿液排放方式及堆积特点，将卡房尾矿坝进行了分区（图9），Ⅰ区为干滩面与浸润线之间区域，Ⅱ区为坡面与浸润线之间区域，Ⅲ区为浸润线以下的区域。

3.1 淋滤固结作用

结合卡房尾矿库放矿形式及淋滤固结试验的相关结论，对尾矿的淋滤固结机理进行以下分析：当尾矿处于非饱和状态时，颗粒之间存在水膜，水膜的毛细力使颗粒相互靠近，从而趋于密实；排放尾矿液时，浸润线不断提高，尾矿逐步转向饱和状态，毛细力逐渐消失，尾矿颗粒随之发生一定膨胀，整体会显示出一定回弹；随着饱和区逐渐扩大，形成了稳定的渗流场，颗粒在渗流力的作用下开始发生重排列，部分较小颗粒在渗流场的裹挟下进入了下层尾矿中；停止排放后，尾矿又逐渐转为非饱和状态，颗粒间又重新形成水膜，毛细力开始发挥作用，最终在颗粒自重应力以及毛细力的共同作用下，使得尾矿变得密实（图10）［3］。淋滤固结作用会使浅部尾矿体出现较为明显的沉降，增大密实度，提高内摩擦角φ［1］。

3.2 化学固结作用

卡房尾矿库坝顶管道排出的尾矿液经过干滩面的流淌，其中部分尾矿液汇集在库区，另一部分渗入到干滩面以下的Ⅰ区，Ⅱ区会有极少的尾矿液渗入，最终，库区内的尾矿液通过Ⅲ区后经坝足以及排水系统排出。不同区域的水化学分析结果见表4。由表4 可知：从库区到坝体外渗口及坡脚排水口，尾矿水的pH 值从6.1增加到6.9。排水口的尾矿水中各离子含量较库区变化不大，这是由于排水口的尾矿水是经库区排水系统排出，并未通过尾矿坝内的渗流场，表明尾矿液化学元素含量的变化是由于其在渗流场中发生了多种化学反应所致。

?

卡房尾矿液的流动方式使Ⅰ区形成了干湿频繁交替环境，该区尾矿长期处于饱和—非饱和的氧化还原交替状态。当尾矿液渗入时，处于游离态的等离子随着尾矿液一同渗入该区，通过大量化学反应最终形成了CaSO4·2H2O（石膏）、MgSO4·H2O 和CaCO3等硬化结晶物，包裹在尾矿颗粒表面并填充尾矿颗粒间的孔隙，生成过程可表示为

同时，生产过程中会有大量的H2S 和SO2等硫化物排放，这些硫化物会随着尾矿液下渗并使下层尾矿处于酸性环境中。在酸性条件下，Fe3+、Al3+浓度增加，发生反应使得Fe（OH）3、Al（OH）3等胶体增多并逐渐沉淀而固化。通过多种化学反应而形成的硬壳体物质及胶团物质会附着在尾矿上或填充在空隙中，形成尾矿团块结构，使尾矿的黏聚力C 逐渐增加，抗剪强度提高，从而使得尾粉砂、尾粉土具有较好的结构强度。

对3种固结作用进行分区分析可知：Ⅰ区处于饱和—非饱和交替区域，在其浅部区域，淋滤固结作用最显著，化学固结次之，自重固结影响较小，随着深度不断增大，化学固结作用效果会不断加强，逐渐占据主导；Ⅱ区的尾矿同样也经历过长期的化学硬化胶结作用，但随着尾矿坝逐渐堆积升高，尾矿液无法继续淋滤，长期处于非饱和状态，因此该区长期处于较稳定的胶结状态；Ⅲ区长期处于饱和状态，该区淋滤固结作用消失，化学固结作用也很微弱。因此，Ⅱ区及Ⅲ区的主要固结形式为自重固结。

4 结 论

（1）尾矿的淋滤固结程度与淋滤时间呈正相关。淋滤时间越长，沉降量越大，尾矿力学指标越好，固结程度越强。淋滤固结程度与淋滤液的化学成分也存在一定的关系，使用尾矿澄清液比清水固结程度更高，黏聚力C、内摩擦角φ 取值也随之提高。在单次淋滤固结过程中，尾粉砂、尾粉土的沉降差均呈现先回弹后沉降的趋势，回弹量与沉降量峰值均出现在第1 d，随着淋滤次数的增加，单次回弹量与沉降量均逐渐减小并最终趋于稳定。

（3）对卡房尾矿砂土固结机理的分析认为：卡房尾矿库存在自重固结、淋滤固结、化学固结等多种固结形式，尾矿砂土的固结效果和力学指标的提高是3种形式共同作用的结果。淋滤固结及化学固结作用主要发生在饱和—非饱和的交替环境下，淋滤固结对尾矿内摩擦角φ 影响较大，化学固结对黏聚力C 影响较大，自重固结相对于二者影响较小。

（4）对尾矿固结作用进行分区研究，认为Ⅰ区长期处于饱和—非饱和的氧化还原交替状态，Ⅱ区尾矿长期处于非饱和的氧化状态，Ⅲ区尾矿长期处于饱和的还原状态。淋滤及化学固结作用主要发生在Ⅰ区，浅部淋滤固结作用较强，深部化学固结作用较强；Ⅱ区及Ⅲ区淋滤及化学固结作用十分微弱，主要固结形式为自重固结。