某磷礦尾礦料分層固結特性試驗*

張慧穎 楊 松 鄭沖泉

(1.云南農業大學水利學院;2.云南水投牛欄江滇池補水工程有限公司)

尾礦壩是由尾礦堆積碾壓而成的壩體，主要用于堆存礦石選別后排出的尾礦或冶煉后的工業廢渣。尾礦壩一層一層分期筑壩，每層尾礦料的固結度不同，這種特殊的筑壩形式使得分層固結對研究其變形特性尤為重要。另一方面，壩體在自然條件下不斷的干濕循環，不僅需要考慮飽和固結問題，還需要考慮非飽和尾礦料的固結問題。陳敬松等[1]通過飽和尾礦砂的動三軸液化試驗發現，固結圍壓對動剪應力比的影響不大。阮元成等[2]通過飽和尾礦料試驗發現，在往返加荷條件下，同一種尾礦料對于不同的固結比，其壓力效應的試驗結果可以近似用同一條直線來表示。劉庭發等[3]通過試驗得到了尾礦料的比重、滲透系數、強度、固結系數等物理力學性質指標。鞠潔[4]通過銅礦尾礦料的三軸試驗發現，動強度隨固結應力比的增大而增大。保華富等[5]通過鉛鋅礦尾礦料的試驗得出了尾礦料在不同固結壓力、不同孔隙比下的滲透系數與破壞比降。于浩等[6]通過尾礦壩料的固結不排水動力三軸試驗發現，在循環振動荷載下，對同一固結比，動剪應力隨圍壓的增大而增大；同一圍壓下，動剪應力隨固結比的增大而增大。本文針對某磷礦尾礦料的分層固結特性，對不同干密度、不同飽和度的非飽和尾礦料試樣進行壓縮試驗和分層固結試驗，以期獲得磷礦尾礦料的力學性質。

1 某磷礦尾礦料物化性質

某磷礦屬于沉積礦床，由風化、沉積作用形成，經過分異作用的影響，與內生礦相比，礦物成分單一，主要為膠磷礦和白云石，膠磷礦在精選過程中被選走，留下磷礦尾礦料，粒度很細小。因此，磷礦尾礦料中白云石為主要礦物成分，通過X射線熒光光譜儀檢測結果(表1)可以看出，尾礦料中MgO、CaO的含量明顯高，P2O5含量較高。與金屬礦床相比，磷礦尾礦料的成分中硅質含量明顯較低，硬度也明顯低于金屬尾礦料，而且磷礦尾礦料中的成分不如金屬礦尾礦料復雜，化學性能具有很大差異性，從而導致顆粒組成結構和孔隙結構特征都有所不同。磷礦尾礦料的物理力學指標見表2。

表1 磷礦尾礦料化學成分 %

表2 磷礦尾礦料基本物理力學指標

2 壓縮固結試驗

尾礦料顆分試驗結果表明,尾礦料的顆粒組成級配連續，結合尾礦料的液限、塑限測試結果，確定尾礦料顆粒為粉粒。考慮尾礦壩的分層特性，在固結試驗中，設計了5個干密度：1.3，1.4，1.5，1.6，1.7 g/cm3。制樣過程中發現，隨著飽和度的增大，尾礦料強度急劇降低，試樣流動性增大，成樣困難。為保證試樣的完整性，飽和度設計為30%、40%、50%；垂直壓力逐級增大，分別為25，50，100，200，300，400 kPa，每級壓力下的固結時間為24 h，24 h后試樣變形不大于0.005 mm/h認為穩定。

2.1 30%飽和度

飽和度為30%時，不同干密度尾礦料的壓縮特性的試驗結果見圖1。為消除初始加壓時試驗儀器帶來的誤差，在固結壓力與壓縮系數關系曲線上，壓縮系數從25 kPa算起，圖中50 kPa所對應的點是壓力差為25 kPa所對應的孔隙比，以此類推。

從圖1可以看出：

圖1 飽和度為30%時不同干密度尾礦料的壓縮特性

(1)當土樣飽和度為30%時，隨著垂直壓力的增大，試樣的孔隙比不斷減小。

(2)孔隙比的變化范圍主要集中在0.65～0.75，在尾礦料的壓縮過程中,初始干密度的變化并沒有顯著地改變顆粒的孔隙比,即初始固結壓力的施加能消除初始干密度對尾礦料的壓縮特性的影響。

(3)尾礦料的壓縮特性對應力歷史不敏感。

(4)固結壓力為50 kPa時，各干密度下的壓縮系數相差不大；隨著固結壓力的增大，壓縮系數略有變化，但仍然只是在小范圍內波動，尾礦料在壓縮過程中，初始固結壓力對孔隙比影響很大。

2.2 40%飽和度

飽和度為40%時，不同干密度尾礦料的壓縮特性試驗結果見圖2。可以看出：

(1)當土樣飽和度為40%時，壓縮規律與飽和度為30%時一致，即隨著垂直壓力的增大，試樣的孔隙比不斷減小。此時試樣孔隙比的變化范圍主要集中在0.59～0.68，與飽和度為30%時的試驗結果相比，孔隙比的變化范圍仍然不大，初始干密度的變化在尾礦料的壓縮過程中并沒有顯著地改變顆粒的孔隙比。只是飽和度提高后，在相同的固結壓力下，試樣的密實程度顯然更好，顆粒的間距縮小，孔隙比降低。但仍然反映出尾礦料的壓縮特性對應力歷史不敏感。

(2)固結壓力為50 kPa時，壓縮系數還比較分散，但隨著固結壓力的增大，各初始干密度下的壓縮系數逐漸逼近，當固結壓力達到400 kPa時，壓縮系數都在0.05左右。

2.3 50%飽和度

飽和度為50%時，不同干密度尾礦料的壓縮特性試驗結果見圖3。可以看出：

(1)當試樣飽和度為50%時，不同干密度下的e-p曲線，其變化規律基本一致。在初始固結壓力加載后，基本能消除干密度所帶來的差異。即在初始階段，非飽和尾礦料迅速壓縮，到達一個相當的密實度。在飽和度為30%、40%、50%的尾礦料中都出現了這個現象。這表明，非飽和尾礦料中基質吸力對其壓縮固結特性影響不大。

(2)當飽和度為50%時，壓縮系數相對于飽和度30%、40%明顯降低。這表明，當尾礦料中的含水率增加時，試樣在較小的固結壓力下，就能得到較好的密實程度。當固結壓力增大到300，400 kPa時，不同干密度下的壓縮系數相差不大。這也進一步表明，應力歷史對尾礦料影響不大。

圖2 飽和度為40%時不同干密度尾礦料的壓縮特性

圖3 飽和度為50%時不同干密度尾礦料的壓縮特性

3 分層固結特性試驗

為測量所需要的物理量，尾礦料堆積在一個由有機玻璃制成的透明長方體箱子內，箱子側面設有排水孔，方便土樣堆積過程中排水固結，在透明的有機玻璃箱正面設置了6個觀察點，如圖4所示。通過測量尾礦料堆積后的沉降量來反映其固結特性。

圖4 尾礦料堆積分層固結模型試驗

由于尾礦料的土樣含水率很大，故配制時含水率為22%，大于尾礦料的液限，尾礦料處于流動狀態。由左到右依次將觀測點標記為1#、2#、3#、4#、5#、6#；尾礦料分3層堆積，每層堆積時間為72 h。各層堆積厚度見表3。

表3 模型試驗各層堆積厚度

第一層尾礦在不同時間的沉降量見表4，第二層、第三層尾礦堆積后，第一層尾礦不同時間下的沉降量分別見表5、表6。

表4 第一層尾礦不同時間下的沉降量

表5 第二層尾礦堆積后第一層尾礦不同時間下的沉降量

表6 第三層尾礦堆積后第一層尾礦不同時間下的沉降量

從表4～表6可以看出：

(1)當第一層尾礦堆積后，在24 h內其固結很快，沉降量很大；隨著時間的增長，第一層尾礦的沉降量明顯減小，次固結并不明顯。

(2)當第二層尾礦加到第一層尾礦上，第一層尾礦也只是在初始階段有微小的沉降，其后趨于穩定。

(3)當第三層尾礦加到第二層尾礦上，第一層尾礦的沉降也很微小，隨時間基本上沒有明顯的變化。

由此表明，飽和尾礦料具有和非飽和尾礦料相似的性質。在很小的初始固結壓力下，土樣會趨于穩定，應力歷史對尾礦料的影響不大。這是由尾礦料特殊的顆粒結構和孔隙結構所決定的。

4 結 語

針對某磷礦尾礦料分層固結特性，通過對不同干密度、不同飽和度的非飽和尾礦料試樣進行壓縮試驗，得到了飽和度分別為30%、40%、50%時的垂直壓力與孔隙比、固結壓力與壓縮系數關系曲線，同時分析了相同飽和度下不同干密度尾礦料的壓縮系數；然后，采用含水率為22%尾礦料進行堆積分層固結模型試驗。試驗結果表明，施加初始固結壓力能消除初始干密度對尾礦料的壓縮特性的影響，尾礦料的壓縮特性對應力歷史不敏感，非飽和尾礦料中基質吸力對其壓縮固結特性影響不大。在尾礦壩分期填筑過程中，試驗用磷礦尾礦料都具有較好的密實度，能有效保證尾礦壩的安全。

[1] 陳敬松,張家生,孫希望.飽和尾礦砂動強度特性試驗結果與分析[J].水利學報,2006,37(5):603-607.

[2] 阮元成,郭 新.飽和尾礦料動力變形特性的試驗研究[J].水利學報,2003(4):24-29.

[3] 劉庭發,張鵬偉,胡黎明.含硫銅礦尾礦料的工程力學特性試驗研究[J].巖土工程學報,2013,35(1):166-169.

[4] 鞠 潔.尾礦料的動強度和殘余應變特性試驗研究[J].低溫建筑技術,2015(8):120-122.

[5] 保華富,張光科,龔 濤.尾礦料的物理力學性試驗研究[J].四川聯合大學學報,1999,3(5):115-121.

[6] 于 浩,徐牧明,陳洪全.尾礦料的動強度特性試驗研究[J].土工基礎,2014,28(2):145-149.