某磷矿尾矿料分层固结特性试验*

张慧颖 杨 松 郑冲泉

(1.云南农业大学水利学院;2.云南水投牛栏江滇池补水工程有限公司)

尾矿坝是由尾矿堆积碾压而成的坝体，主要用于堆存矿石选别后排出的尾矿或冶炼后的工业废渣。尾矿坝一层一层分期筑坝，每层尾矿料的固结度不同，这种特殊的筑坝形式使得分层固结对研究其变形特性尤为重要。另一方面，坝体在自然条件下不断的干湿循环，不仅需要考虑饱和固结问题，还需要考虑非饱和尾矿料的固结问题。陈敬松等[1]通过饱和尾矿砂的动三轴液化试验发现，固结围压对动剪应力比的影响不大。阮元成等[2]通过饱和尾矿料试验发现，在往返加荷条件下，同一种尾矿料对于不同的固结比，其压力效应的试验结果可以近似用同一条直线来表示。刘庭发等[3]通过试验得到了尾矿料的比重、渗透系数、强度、固结系数等物理力学性质指标。鞠洁[4]通过铜矿尾矿料的三轴试验发现，动强度随固结应力比的增大而增大。保华富等[5]通过铅锌矿尾矿料的试验得出了尾矿料在不同固结压力、不同孔隙比下的渗透系数与破坏比降。于浩等[6]通过尾矿坝料的固结不排水动力三轴试验发现，在循环振动荷载下，对同一固结比，动剪应力随围压的增大而增大；同一围压下，动剪应力随固结比的增大而增大。本文针对某磷矿尾矿料的分层固结特性，对不同干密度、不同饱和度的非饱和尾矿料试样进行压缩试验和分层固结试验，以期获得磷矿尾矿料的力学性质。

1 某磷矿尾矿料物化性质

某磷矿属于沉积矿床，由风化、沉积作用形成，经过分异作用的影响，与内生矿相比，矿物成分单一，主要为胶磷矿和白云石，胶磷矿在精选过程中被选走，留下磷矿尾矿料，粒度很细小。因此，磷矿尾矿料中白云石为主要矿物成分，通过X射线荧光光谱仪检测结果(表1)可以看出，尾矿料中MgO、CaO的含量明显高，P2O5含量较高。与金属矿床相比，磷矿尾矿料的成分中硅质含量明显较低，硬度也明显低于金属尾矿料，而且磷矿尾矿料中的成分不如金属矿尾矿料复杂，化学性能具有很大差异性，从而导致颗粒组成结构和孔隙结构特征都有所不同。磷矿尾矿料的物理力学指标见表2。

表1 磷矿尾矿料化学成分 %

表2 磷矿尾矿料基本物理力学指标

2 压缩固结试验

尾矿料颗分试验结果表明,尾矿料的颗粒组成级配连续，结合尾矿料的液限、塑限测试结果，确定尾矿料颗粒为粉粒。考虑尾矿坝的分层特性，在固结试验中，设计了5个干密度：1.3，1.4，1.5，1.6，1.7 g/cm3。制样过程中发现，随着饱和度的增大，尾矿料强度急剧降低，试样流动性增大，成样困难。为保证试样的完整性，饱和度设计为30%、40%、50%；垂直压力逐级增大，分别为25，50，100，200，300，400 kPa，每级压力下的固结时间为24 h，24 h后试样变形不大于0.005 mm/h认为稳定。

2.1 30%饱和度

饱和度为30%时，不同干密度尾矿料的压缩特性的试验结果见图1。为消除初始加压时试验仪器带来的误差，在固结压力与压缩系数关系曲线上，压缩系数从25 kPa算起，图中50 kPa所对应的点是压力差为25 kPa所对应的孔隙比，以此类推。

从图1可以看出：

图1 饱和度为30%时不同干密度尾矿料的压缩特性

(1)当土样饱和度为30%时，随着垂直压力的增大，试样的孔隙比不断减小。

(2)孔隙比的变化范围主要集中在0.65～0.75，在尾矿料的压缩过程中,初始干密度的变化并没有显著地改变颗粒的孔隙比,即初始固结压力的施加能消除初始干密度对尾矿料的压缩特性的影响。

(3)尾矿料的压缩特性对应力历史不敏感。

(4)固结压力为50 kPa时，各干密度下的压缩系数相差不大；随着固结压力的增大，压缩系数略有变化，但仍然只是在小范围内波动，尾矿料在压缩过程中，初始固结压力对孔隙比影响很大。

2.2 40%饱和度

饱和度为40%时，不同干密度尾矿料的压缩特性试验结果见图2。可以看出：

(1)当土样饱和度为40%时，压缩规律与饱和度为30%时一致，即随着垂直压力的增大，试样的孔隙比不断减小。此时试样孔隙比的变化范围主要集中在0.59～0.68，与饱和度为30%时的试验结果相比，孔隙比的变化范围仍然不大，初始干密度的变化在尾矿料的压缩过程中并没有显著地改变颗粒的孔隙比。只是饱和度提高后，在相同的固结压力下，试样的密实程度显然更好，颗粒的间距缩小，孔隙比降低。但仍然反映出尾矿料的压缩特性对应力历史不敏感。

(2)固结压力为50 kPa时，压缩系数还比较分散，但随着固结压力的增大，各初始干密度下的压缩系数逐渐逼近，当固结压力达到400 kPa时，压缩系数都在0.05左右。

2.3 50%饱和度

饱和度为50%时，不同干密度尾矿料的压缩特性试验结果见图3。可以看出：

(1)当试样饱和度为50%时，不同干密度下的e-p曲线，其变化规律基本一致。在初始固结压力加载后，基本能消除干密度所带来的差异。即在初始阶段，非饱和尾矿料迅速压缩，到达一个相当的密实度。在饱和度为30%、40%、50%的尾矿料中都出现了这个现象。这表明，非饱和尾矿料中基质吸力对其压缩固结特性影响不大。

(2)当饱和度为50%时，压缩系数相对于饱和度30%、40%明显降低。这表明，当尾矿料中的含水率增加时，试样在较小的固结压力下，就能得到较好的密实程度。当固结压力增大到300，400 kPa时，不同干密度下的压缩系数相差不大。这也进一步表明，应力历史对尾矿料影响不大。

图2 饱和度为40%时不同干密度尾矿料的压缩特性

图3 饱和度为50%时不同干密度尾矿料的压缩特性

3 分层固结特性试验

为测量所需要的物理量，尾矿料堆积在一个由有机玻璃制成的透明长方体箱子内，箱子侧面设有排水孔，方便土样堆积过程中排水固结，在透明的有机玻璃箱正面设置了6个观察点，如图4所示。通过测量尾矿料堆积后的沉降量来反映其固结特性。

图4 尾矿料堆积分层固结模型试验

由于尾矿料的土样含水率很大，故配制时含水率为22%，大于尾矿料的液限，尾矿料处于流动状态。由左到右依次将观测点标记为1#、2#、3#、4#、5#、6#；尾矿料分3层堆积，每层堆积时间为72 h。各层堆积厚度见表3。

表3 模型试验各层堆积厚度

第一层尾矿在不同时间的沉降量见表4，第二层、第三层尾矿堆积后，第一层尾矿不同时间下的沉降量分别见表5、表6。

表4 第一层尾矿不同时间下的沉降量

表5 第二层尾矿堆积后第一层尾矿不同时间下的沉降量

表6 第三层尾矿堆积后第一层尾矿不同时间下的沉降量

从表4～表6可以看出：

(1)当第一层尾矿堆积后，在24 h内其固结很快，沉降量很大；随着时间的增长，第一层尾矿的沉降量明显减小，次固结并不明显。

(2)当第二层尾矿加到第一层尾矿上，第一层尾矿也只是在初始阶段有微小的沉降，其后趋于稳定。

(3)当第三层尾矿加到第二层尾矿上，第一层尾矿的沉降也很微小，随时间基本上没有明显的变化。

由此表明，饱和尾矿料具有和非饱和尾矿料相似的性质。在很小的初始固结压力下，土样会趋于稳定，应力历史对尾矿料的影响不大。这是由尾矿料特殊的颗粒结构和孔隙结构所决定的。

4 结 语

针对某磷矿尾矿料分层固结特性，通过对不同干密度、不同饱和度的非饱和尾矿料试样进行压缩试验，得到了饱和度分别为30%、40%、50%时的垂直压力与孔隙比、固结压力与压缩系数关系曲线，同时分析了相同饱和度下不同干密度尾矿料的压缩系数；然后，采用含水率为22%尾矿料进行堆积分层固结模型试验。试验结果表明，施加初始固结压力能消除初始干密度对尾矿料的压缩特性的影响，尾矿料的压缩特性对应力历史不敏感，非饱和尾矿料中基质吸力对其压缩固结特性影响不大。在尾矿坝分期填筑过程中，试验用磷矿尾矿料都具有较好的密实度，能有效保证尾矿坝的安全。

[1] 陈敬松,张家生,孙希望.饱和尾矿砂动强度特性试验结果与分析[J].水利学报,2006,37(5):603-607.

[2] 阮元成,郭 新.饱和尾矿料动力变形特性的试验研究[J].水利学报,2003(4):24-29.

[3] 刘庭发,张鹏伟,胡黎明.含硫铜矿尾矿料的工程力学特性试验研究[J].岩土工程学报,2013,35(1):166-169.

[4] 鞠 洁.尾矿料的动强度和残余应变特性试验研究[J].低温建筑技术,2015(8):120-122.

[5] 保华富,张光科,龚 涛.尾矿料的物理力学性试验研究[J].四川联合大学学报,1999,3(5):115-121.

[6] 于 浩,徐牧明,陈洪全.尾矿料的动强度特性试验研究[J].土工基础,2014,28(2):145-149.