化學環境下的應力-滲流耦合對尾礦庫穩定性影響試驗*

程曉亮，楊　鵬，呂文生，王　昆

(1北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083;3.北京市信息服務工程重點實驗室, 北京 100101;4.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100020)

0　引言

金屬和非金屬礦山開采出的礦石，選出有價值的精礦以后，剩下的“廢渣”稱為尾礦[1]。目前國家對尾礦的綜合處理提出相應對策，但尾礦庫貯存仍是目前尾礦主要的處置方式[2]。在過去的100年內，尾礦庫的潰壩率高達1.2%[3]，遠高于國際大壩協會(ICOLD)2001年公布的擋水壩約0.01%的潰壩率[4]，20世紀60年代尾礦庫事故發生數量急劇增加[5]，尾礦壩潰壩問題引起國際社會廣泛關注，并于近期列入國家重點研發計劃項目。

迄今為止，國內外大量專家學者從不同角度采用不同方法對尾礦壩失穩機理進行了研究[6]，總結了尾礦壩失穩的發生機理和計算模型，但考慮到尾礦庫堆積過程中時間、空間的復雜性，有些研究往往忽視應力場、滲流場和位移場等多場之間的耦合關系，導致不能得到完善、全面的致災計算模型[7]。尾礦壩潰壩主要是由洪水漫壩、地震液化、滲流破壞等引起，受礦物殘余成分、選礦試劑、露天氧化等因素的影響，尾礦庫受水環境中各種化學離子的影響比較嚴重，而化學因素作為滲流場、應力場影響因素之一，其復雜的影響機制被大多數研究所忽視。加拿大有學者[8]曾經對108個廢礦進行持續調查，發現尾礦庫在關閉幾百年后仍存在大量酸性水滲漏的現象，說明酸性水對尾礦庫與環境的影響是持久的。劉庭發等[9]研究指出由于尾礦料中可能含有某些不穩定化合物以及較多的金屬氧化物成分，其化學變化會改變土料的物理力學性質。馮夏庭等[10]、吳恒等[11]對化學環境下尾礦壩的淤堵問題、堤岸邊坡的腐蝕問題和巖石破裂隨時間發展的基本規律進行了研究，說明化學因素對壩體穩定性的影響不可忽視。張鵬等[12]將堤壩邊坡的安全系數與污染物遷移建立聯系，指出10年間酸性污染物腐蝕使堤壩邊坡安全系數減小約10%。李長洪等[13]指出在目前國內外的研究中，很少涉及到考慮水化學作用對于尾礦壩穩定變形機理的影響和尾礦的力學強度指標隨時間逐漸衰減的演化規律的研究。國內針對尾礦庫內化學因素影響的研究較國外多，但尚處于起步階段。

1　化學因素對尾礦性狀影響的試驗

尾礦廢水中含有復雜的化學離子成分，其中含有各種有毒成分，礦石、殘存的選礦藥劑(硫化物、氯化物、氰化物[14])和不斷進行的氧化還原作用是其主要的來源。實驗室內配制酸性和堿性2種模擬尾礦庫的化學試液，研究尾礦顆粒的性狀變化情況。

1.1　尾砂沉降及粒徑級配分析

將尾礦試樣分成3組，分別在pH=4的酸性、pH=10的堿性以及中性蒸餾水試液中進行為期40 d的浸泡，將浸泡液體搖勻后進行沉降試驗，現象如圖1所示。酸性環境下上層細顆粒沉積層更厚，堿性條件下，上層細顆粒沉積層顏色更深。采用LMS-30激光粒度分布測定儀測定其粒徑級配分布的變化情況，結果如圖2所示。

圖1　中性、弱酸、弱堿環境下沉淀分層現象Fig.1　Precipitation stratification in neutral, weak acid and weak alkaline environment

圖2　中性、弱酸、弱堿環境下粒徑級配分布對比Fig.2　Comparison of particle size distribution in neutral,weak acid and weak alkaline environment

3組尾礦試樣，浸泡前分類都屬于級配良好土，經過酸、堿浸泡的尾礦試樣通過粒徑分析試驗均變為級配不良土，在酸性條件下，細微顆粒流失；酸堿環境下試樣中粗顆粒占比都增加，接下來針對流失前后試樣的物質組成和微觀形貌進行探究。

1.2　XRD分析試驗

將浸泡后的尾礦試樣烘干，使用研磨片機研磨制成標準200～300目粉末狀試樣，稱取2 g試樣，利用TTRIII多功能X射線衍射儀進行掃描，將獲取的掃描數據，使用MDI JADE軟件進行分析。

試驗測得原礦石試樣中Fe的總含量約為32.27%，SiO2含量為56.5%；其他成分為K2O，Na2O，Al2O3，CaO等含氧化合物及其衍生物。而尾礦試樣中存在的化合物主要為SiO2，以及含有Fe，Al，Ca，Mg等元素的氧化物及氫氧化物等。從中性、酸性(H+)、堿性(OH-)3種試樣的圖譜以及數據得出：酸性試樣的峰值數少于其他2組試樣，其峰的強度以及積分面積(見圖3)明顯高于其他2組試樣；堿性條件下生成的物質主要為Fe(OH)3以及其轉化物(如針鐵礦，赤鐵礦，四方纖鐵礦)。

圖3　SiO2峰值強度對比Fig.3　Peak intensity comparison of SiO2

SiO2作為主要成分不與弱酸弱堿反應，其峰值強度以及積分面積可以反映其在試樣中所占的比重，其結果也反映出在酸性環境下主要金屬化合物(如含Fe，Al，Ca，Mg等元素化合物)流失較多。堿環境下尾砂顆粒間生成的含鐵氫氧化物使SiO2占比降低，其生成的物質形貌將通過電鏡掃描進行描述。

1.3　電鏡掃描分析

浸泡后的試樣進行制樣并噴金處理(見圖4)，采用蔡司ZEISS EVO18材料分析掃描電子顯微鏡，并配合布魯克Quantax電制冷能譜儀(見圖5)，兩者相結合實現微觀形貌以及物質元素組分分析。將試樣在放大倍率50x下進行微觀形貌分析(見圖6)，將生成膠結物在放大倍率300x下進行元素組分分析(見圖7)。

圖4　待噴金處理的試樣Fig.4　The sample to be

圖5　掃描電子顯微鏡Fig.5　Scanning electron sprayed with gold microscope

圖6　中性、酸性、堿性試樣在大倍率50x下微觀形貌Fig.6　Microstructure of neutral, acidic and alkaline samples at high magnification 50x

蒸餾水浸泡的試樣，固體顆粒普遍較大，粒徑由大到小平穩過渡，棱角明顯；酸性條件下的試樣，顆粒的粒徑相差較為明顯，無明顯棱角；堿性條件下的試樣，形貌與前兩者差距較大，存在黏聚現象，可以看出生成的膠結物質使尾礦顆粒膠結在一起，呈絮狀和團簇狀，顆粒個體較大并無棱角，顆粒之間孔隙小至幾微米，對液體的滲流將會產生阻礙作用。

針對膠結物質的元素成分，進行能譜分析，選取位置見圖7。

圖7　生成物能譜分析位置Fig.7　Theposition of generation of energy dispersive spectrometer

圖8　生成物元素分析Fig.8　Analysis of the elements of production

圖8顯示膠結物主要元素組成為Fe，Si，礦石經過選礦廠磁選后，鐵的化合物占比會減小，但在膠結物質的能譜分析中，鐵元素的占比最高，結果與XRD試驗分析出膠結物質主要為鐵的氫氧化物及其衍生物結論一致。

1.4　小結

在偏酸性的環境中，尾礦試樣顆粒間的微小膠結物質會流失，表現在粒徑級配和物質組成、金屬元素占比發生變化；在偏堿性的環境中，尾礦顆粒間生成膠結物質，其物質組成主要為含鐵化合物，初始物質主要為氫氧化鐵，其膠結物質致使顆粒個體黏連，孔隙變小。

2　耦合模型的確立

應力場的改變可直接引起的響應因素是體積應變，而孔隙比與體積應變之間有如下關系：

(1)

式中：e0；為初始孔隙比：εv應力場下的體積應變，εv=ΔV/V，V為土體總體積，ΔV為孔隙體積變化量。將土體對應的變形模量E0=Δσi/εv帶入上式可獲得孔隙比與應力變化關系:

(2)

根據滲流理論以及彈性理論，通過試驗總結的滲透系數與應力經驗關系式見式(3)[15]：

(3)

式中：k0為試驗系數；σi為土體應力；η為試驗系數；p為滲流的靜水壓力。

(4)

(5)

式中：H，Q分別為滲流水頭和滲流場的源或匯；ki為x，z，y方向的滲透系數；vi為x，z，y方向上的滲流速度；S為給水度。

滲流場理論的公式(4)～(5)與公式(2)～(3)共同組成應力-滲流耦合關系微分方程組。從耦合微分方程可以看出應力場作用會使孔隙比發生改變，同時引起滲透系數的改變，滲透系數改變影響孔壓分布，土體有效應力發生改變，導致應力場的分布發生變化。應力-滲流場的耦合作用關系實質上是孔隙比與滲透系數的耦合關系。并且通過式(2)～(3)可以看出滲透系數與孔隙比成指數函數關系。

應力場決定了尾砂的固結程度與孔隙狀態，因此可以建立孔隙比與滲透系數之間的數學模型，用來表征應力-滲流耦合作用。在有限元計算軟件中，在涉及到應力-滲流耦合(流固耦合)計算時，需要定義土體滲透系數，滲透系數可以依附于飽和度建立函數，也可以與孔隙比建立函數，在有限元計算軟件中土體應力-滲流耦合計算便可以通過定義滲透系數與孔隙比的函數關系來實現，下文將進行關系式的擬合建立。

2.1　試樣制備

現場取樣并通過試驗精確測定尾礦試樣的含水率與比重，根據孔隙比計算公式制備不同空隙比的尾礦試樣見圖9。

圖9　滲透試樣Fig.9　Penetration sample

孔隙比計算公式如下：

(6)

式中：V為試樣體積；m為試樣質量；w為含水量；Gs為比重。

2.2　滲透系數測定

為了探究化學對應力-滲流耦合的影響，建立不同孔隙比與滲流系數之間的關系，加入化學因素進行試驗，最終可以得到化學環境下孔隙比與滲透系數關系的定量描述，并運用到數值模擬計算中。

以孔隙比為0.65的試樣為例，在酸、堿環境下隨著作用時間延長滲透系數變化情況如圖10所示。

圖10　滲透系數隨時間變化擬合曲線Fig.10　Fitting curve of permeability coefficient with time

隨著作用時間延長，可以看出酸堿條件下試樣趨于穩定的時長不一致，將不同孔隙比的試樣穩定時的滲透系數數據記錄并進行擬合，得到曲線如圖11所示。

圖11　滲透系數與孔隙比擬合曲線Fig.11　Fitting curve of permeability coefficient and void ratio

根據經驗公式擬合滲透系數與孔隙比呈指數函數關系：

k1=1.3×10-4(eз4e0-1.66-1)R2=0.995 7

(7)

k2=2.3×10-4(eз7e0-2.49-1)R2=0.993 2

(8)

k3=1.3×10-4(eз9e0-1.58-1)R2=0.979 5

(9)

式中：k1，k2，k3為蒸餾水、酸性、堿性條件下滲透系數;e為自然常數;e0為孔隙比;R2為擬合度。

2.3　小結

在酸、堿因素的影響下，孔隙比與滲透系數呈指數函數關系。通過試驗，建立孔隙比與滲透系數的數學模型，得到化學因素作用對應力-滲流兩場耦合的影響的具體量化關系，為數值計算提供依據。

3　數值計算與分析

試驗所使用的尾砂試樣選自首鋼礦業某在建尾礦庫，根據其接近壩址區域的尺寸與力學參數進行建模，在材料參數設置階段，將滲透系數與孔隙比的函數關系作為耦合依據，將中性、酸性、堿性條件下的函數關系分別帶入，通過浸潤線與滲流速度來表征尾礦庫能否穩定、安全運行。

3.1　浸潤線位置分布情況

不同環境下孔壓分布情況如下，孔壓為零處即為飽和浸潤線位置，作為尾礦庫穩定性判據的“生命線”分布如圖12～13所示。

圖12　不同條件下孔壓分布情況Fig.12　Pore pressure distribution under different conditions

沿模型中初期壩壩頂豎直向下進行布點監測，得到飽和度變化情況如下：

圖13　沿路徑飽和度變化情況Fig.13　Variation of saturation along path

可以直觀看出，浸潤線位置在堿性、中性、酸性環境下依次降低，在初期壩頂位置向下，浸潤線高度相差接近1 m。

3.2　滲流速度分布情況

從酸、堿條件下的流速分布情況(見圖14)，可以看出，堿性條件下滲流速度較慢，在壩坡下游坡面仍存在滲流速度，此時極易發生滲透破壞，滲流液體將會將細顆粒帶走，隨著細顆粒的減少，粗顆粒易形成架空結構，導致發生沉陷，沉陷造成邊坡結構破壞，出現牽引式發展破壞模式[16]，對尾礦庫的穩定運行將會產生嚴重危害。

圖14　酸堿條件下流速分布情況Fig.14　Velocity distribution under acid and alkali conditions

圖15　沿路徑滲流速度變化情況Fig.15　The variation of seepage velocity along the path

在壩頂豎直布設監測點見圖15，由圖15可以看出在不同化學環境下，尾礦庫內滲流速度存在差異，酸性環境滲流速度最高，堿性環境滲流速度最低。

3.3　小結

通過有限元計算軟件，可以實現滲透系數與孔隙比間函數關系的定義，并在模型上進行運用。通過計算可以得到：堿性、中性、酸性環境下浸潤線依次降低；尾礦庫滲流場在酸性環境下的滲流速度明顯的大于在堿性環境下的滲流速度。

4　結論

1)實驗結果表明尾礦顆粒的多項性狀受化學因素的影響，化學環境下試樣的粒徑級配、物質組成以及微觀形貌發生明顯改變；酸性環境下試樣中金屬元素發生流失；堿性環境下試樣的微觀孔隙中出現以氫氧化鐵以及衍生物為主的絮狀、團簇狀堵塞物。

2)通過數值計算可知，化學環境通過影響滲透系數與孔隙比的函數關系對尾礦庫內的浸潤線分布以及滲流速度場分布存在明顯的影響作用。

[1]周漢民. 尾礦庫建設與安全管理技術[M].北京:化學工業出版社，2012.

[2]閻文慶. 國內外尾礦貯存堆放方法及應用[J]. 金屬礦山，2016，45(9)：1-14.

YAN Wenqing. Tailings disposal methods and applications at home and abroad[J]. Metal Mine,2016,45(9):1-14.

[3]SHAHID AZAM, QIREN LI. Tailings dam failures: a review of the last one hundred years[J]. Waste Geotechnics,2010，11：50-53.

[4]International Commission On Large Dams， Tailings dams: risk of dangerous occurrences: lessons learnt from practical experiences[M]. New York: United Nations Publications，2001.

[5]李全明，王云海，張興凱,等. 尾礦庫潰壩災害因素分析及風險指標體系研究[J]. 中國安全生產科學技術，2008，4(3): 50-53.

LI Quanming, WANG Yunhai, ZHANG Xingkai, et al. Analysis of disastrous factors concerning tailing dam failing and research on risk index system[J].Journal of Safety Science and Technolog, 2008，4(3): 50-53.

[6]李全明，陳仙，王云海,等. 西石門后井尾礦庫堆壩材料物理力學特性試驗研究[J]. 中國安全生產科學技術，2009，5(3): 73-77.

LI Quanming,CHEN Xian, WANG Yunhai,et al . Research on material physical and mechanical characteristics tests in Houjing tailing reservoir of Xishime[J].Journal of Safety Science and Technolog,2009，5(3): 73-77.

[7]陳生水. 尾礦庫安全評價存在的問題與對策[J]. 巖土工程學報，2016，38(10): 1869-1873.

CHEN Shengshui. Problems and counter measures of safety evaluation of tailing pond[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2016,38(10):1869-1873.

[8]陳天虎，馮軍會，徐曉春. 國外尾礦酸性排水和重金屬淋濾作用研究進展[J]. 環境工程學報，2001，2(2): 41-46.

CHEN Tianhu, FENG Junhui, XU Xiaochun. The research progress on the acid drainage andheavy metal leaching of foreign mine tailings[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control, 2001,2(2):41-46.

[9]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(S1): 166-169

LIU Tingfa,ZHANG Pengwei,HU Liming.Experimental study on mechanical characteristics of copper tailing materialswith sulfur content[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013,35(S1): 166-169.

[10]馮夏庭，賴戶政宏. 化學環境侵蝕下的巖石破裂特性——第一部分:試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2000，19(4): 403-407

FENG Xiating,Masahiro Seto.Rock fracturing behaviors under chemical corrosion-partⅠ: experimental study[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(4):403-407.

[11]吳恒，張信貴. 水土作用與土體細觀結構研究[J]. 巖石力學與工程學報，2000，19(2): 199-204.

WU Heng, ZHANG Xingui. Research on water-soil interaction and mesostructure of soil mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000,19(2):199-204.

[12]張鵬，李寧，霍潤科. 酸性化學污染物的運移與腐蝕對堤壩邊坡長期穩定性的影響[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版)，2007，35(11): 230-234.

ZHANG Peng, LI Ning, HUO Runke. Effect of transportation and corrosion of acid contamination on the long-term stability of dam-slope[J]. Journal of Northwest A&F University (Natural Science Edition),2007,35(11): 230-234.

[13]李長洪，卜磊，陳龍根. 尾礦壩致災機理研究現狀及發展態勢[J]. 工程科學學報，2016，38(8): 1039-1049

LI Changhong, BU Lei, CHEN Longgen. Research situation of the disaster-causing mechanism of tailing dams and its developing trend[J].Chinese Journal of Engineering,2016,38(8):1039-1049.

[14]冀紅娟，楊春和，張超，等. 尾礦庫環境影響指標體系及評價方法及其應用[J]. 巖土力學，2008，29(8): 2087-2091.

JI Hongjuan, YANG Chunhe, ZHAO Chao,et al. Index system of environmental impact of tailings pond and application of assessment approach[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(8):2087-2091.

[15]柳厚祥，李寧，廖雪，等. 考慮應力場與滲流場耦合的尾礦壩非穩定滲流分析[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23(17): 2870-2875.

LIU Houxiang, LI Ning, LIAO Xue, et al. Unsteady seepage analysis of tailings dams considering coupling of stress and seepage fields[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004,23(17): 2870-2875.

[16]敬小非，尹光志，魏作安，等. 尾礦壩垮塌機制與潰決模式試驗研究[J]. 巖土力學，2011，32(5): 1377-1384.

JING Xiaofei,YIN Guangzhi,WEI Zuoan,et al.Model experimental study of collapse mechanismand broken mode of tailings dam[J]. Rock and Soil Mechanics,2011,32(5):1377-1384.