淋滤固结对尾矿砂土作用试验分析

邹梦超，陈颖辉，2，欧明喜，2，戴志峰，王修峰

(1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防灾重点实验室，云南 昆明 650500)

0 引言

云南个旧卡房尾矿库属于平地型铜矿尾矿库，由8个分坝环绕而成，根据《尾矿设施设计规范》(GB50863—2013)[1]的规定，为三等库。该库尾矿浆沿四周堆积坝坝顶向库区内排放，形成环形交替放矿模式。库区属岩溶洼地、洼塘地貌，地处断层构造发育交汇地段，本项目位于红河与南盘江地表分水岭，库区内地表水不发育，无地表水与尾矿库相连，尾矿颗粒可分为四类：尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土及尾黏土层，干滩面成分主要为尾粉砂及尾粉土。

针对尾矿库稳定性影响因素，国内外学者做了很多相关研究，主要集中于渗流分析[2-3]、抗震性能[4-5]、应力应变规律[6]等方面。目前研究淋滤作用对尾矿固结影响的文献相对较少，而尾矿库稳定性又是影响库区周边人类生命安全的关键因素，且尾矿库排放的尾矿大部分都含矿液，因此，研究淋滤作用对尾矿固结的影响就较有实际工程意义。

KWAK[7]通过分析尾矿排放浓度对其沉积特征的影响，得出尾矿坝抗剪强度随浆液浓度的增大而提高的结论；TAYLOR[8]通过控制堆坝颗粒的沉积位置，发现粗细颗粒均匀沉积可提高尾矿坝稳定性的机理；A TOLOGA等[9]、M T等[10]探究孔隙水压力在尾矿坝稳定性中的作用，发现在相同运行条件下，不同尾矿沉积坝体其孔隙水压力是不同的；刘文连等[11]、曹净等[12]分析某尾矿库尾矿砂固结特征，揭示了尾矿中淋滤固结的形成机理；曹净等[13]通过试验，分析尾矿坝在淋滤下处于饱和-非饱和交替环境的机理，揭示了渗透力作用下的固结特征；魏宁等[14]建立尾矿土体的非线性弹-粘弹本构模型，分析了尾矿固结过程中孔隙水压力及位移随时间的变化规律；徐宏达[15]通过分析细粒尾矿的沉积规律，发现粒径小于0.02 mm的尾矿颗粒仅能够在静水条件下沉积；颜学军[16]在尾矿沉积固结实验基础上，研究了尾矿排放浓度、流量、流速等因素对尾矿坝稳定性的影响规律。

论文将在已有研究成果基础上，针对环形放矿模式下卡房尾矿库，通过使用新型专利中的淋滤固结试验仪[17]，对不同尾矿层土样进行淋滤固结试验，研究卡房尾矿库中除自重固结作用外淋滤固结作用的发展变化规律。

1 试验准备

为模拟真实的固结作用环境，在库区分别选取多个具有代表性的采样点，采取尾粉砂、尾粉土各10袋。试样样品中尾粉砂呈灰褐色、局部为褐红色，处于松散到中密状态，稍湿，局部夹薄层尾粉土；尾粉土呈灰、灰褐色，处于稍密或密实状态，稍湿和很湿之间，局部夹薄层尾粉砂。将土样装入土样箱内，密封条件下静置数天，使重塑尾矿样先在自重应力作用下固结沉降，排除自重固结作用对淋滤试验的影响，提高试验的准确性，试验制备及试验如图1及图2所示。

图1 重塑尾矿样制备图Fig.1 Preparation of reshaped tailings

图2 淋滤固结试验设备工作效果Fig.2 Working effect of leaching and consolidation test equipment

2 淋滤固结试验

根据生产日志，卡房尾矿库每次放矿的时间不超过3 h。针对土样，试验分为两组，每组8个工况，重点研究淋滤时间、流量及淋滤液成分对尾矿固结影响。设计单一变量对照试验方案，试验变量和取样时间如表1、表2所示。

为研究不同淋滤液成分对固结作用的影响，将1、2、9、10号土样箱用清水作为淋滤液，其余样本采用尾矿澄清液。而1、3、9、11的土样箱每天控制淋滤总流量为10 L(约8 min)，其余样本每天控制淋滤总时间为1 h，以研究淋滤时间及淋滤流量对固结作用的影响。同时8号、16号箱不进淋滤试验，为自重固结沉降(图3)。

根据表1、表2试验方案，在固定时间段进行淋滤，试验结束后在规定的时间对尾粉砂及尾粉土进行取样，并进行直剪试验。室内的物理力学指标测定方法及原位试验方法依据《土工试验规程(SL237—1999)》[18]和《土工试验方法标准(GB/T50123—1999)》[19]执行。试验采用四联自动直剪仪，分级施加垂直荷载：100 kPa、200 kPa、300 kPa及400 kPa，得出各试样的抗剪强度指标。

表1 试验变量对照表

表2 取样时间表

图3 淋滤固结试验沉降采集器Fig.3 Leaching consolidation test settlement collector

3 试验结果与分析

3.1 淋滤作用对尾矿单日沉降效果影响分析

为使沉降差仅由淋滤作用产生，消除尾矿液中矿物成分的影响，试验采用2号、10号土样箱沉降监测数据，整理得到尾粉砂土ΔS～t关系曲线图(图4、图5)。

图4 尾粉砂淋滤固结试验ΔS～t关系曲线图Fig.4 Tail-sludge leaching test ΔS～t relationship curve

图5 尾粉土淋滤固结试验ΔS～t关系曲线图Fig.5 Tail-soil leaching consolidation test ΔS～t relationship curve

图4和图5给出了在多个淋滤过程中，尾粉砂、尾粉土的沉降特征：两者均呈现先回弹后沉降的趋势，尾粉砂土的回弹量分别稳定在1～2 mm和0.5～1.5 mm，单日最大沉降量约为8 mm和4 mm，均发生在第一天，随着淋滤次数的增加，两者的单日沉降量均逐渐减小。淋滤时出现回弹，这是由于在排矿之前尾矿处于非饱和状态，尾矿粗颗粒间水膜的毛细力使颗粒相互靠近趋于密实，当向饱和状态过渡时，水膜的毛细力逐渐消失，尾矿颗粒间孔隙变大产生回弹[13]。

3.2 淋滤时间、流量及滤液成分对尾矿固结影响分析

通过测量1、2、3、4号土样箱和9、10、11、12号土样箱的15d时的最终沉降量，得出尾粉砂土在不同变量下最终沉降量关系如图6和图7所示。

图6 尾粉砂土不同流量最终沉降量对比Fig.6 Comparison of final settlement of different flow rates of tailin

图7 同滤液成分最终沉降量对比 Fig7 Comparison of final sedimentation of different filtrate components

3.3 淋滤时间、流量及滤液成分对抗剪强度影响分析

为防止淋滤试验中表层尾矿受扰动及其他因素影响，干扰尾矿抗剪强度指标，采用40cm深度处的尾矿试样进行对比分析，如图8～图11所示。

图8 尾粉砂土不同流量直剪试验黏聚力Fig.8 Different flow straight shear test cohesion of tailings

图9 尾粉砂土不同流量直剪试验内摩擦角Fig.9 Inner friction angle of different flow straight shear test

图10 尾粉砂土不同滤液直剪试验黏聚力Fig.10 Straight shear test cohesion of different filtrates of tailings

图11 尾粉砂土不同滤液直剪试验内摩擦角Fig.11 Inner friction angle of direct filtrate test of different filtrates of tailings

分析图得出:(1)尾矿砂土控流量组的抗剪强度指标明显小于控时间组的强度指标，尾粉砂黏聚力，内摩擦角值前者较后者分别小约42.1%和12%；尾粉土黏聚力，内摩擦角值前者较后者小约5.1%和5.6%。(2)尾矿澄清液下的尾矿砂土抗剪强度指标也大于在水淋滤下的强度指标，尾粉砂前者的黏聚力、内摩擦角值较后者分别大73.9%、16.3%；尾粉土前者的黏聚力、内摩擦角值较后者分别大28.9%、27%。

由于卡房尾矿库特殊放矿模式，尾矿处于非饱和-饱和交替状态，尾矿重新进入饱和状态时，粗颗粒孔隙间的细颗粒在渗流力的作用下重排列，部分细颗粒被带出粗颗粒间孔隙进入下层土层中；再次进入非饱和状态后，水膜的毛细力使粗颗粒再次相互靠近，使得尾矿变得更加密实，力学性能也变的更好。在酸性尾矿澄清液淋滤下，尾矿中的Fe3+、Al3+的浓度将会逐渐增加，使得尾矿颗粒孔隙间的Fe(OH)3、Al(OH)3胶体增多并在饱和-非饱和交替环境中逐渐沉淀而固化，同样使尾矿力学性能提高[12]。淋滤固结机理如图12所示[13]。

图12 淋滤固结作用机理示意图Fig.12 Schematic diagram of leaching consolidation mechanism

3.4 淋滤固结与自重固结对尾矿最终沉降量影响

通过8号与5、6、7号箱，16号与13、14、15号箱取样试验的结果，得出淋滤固结试验中尾粉砂土的最终沉降量及抗剪强度指标对比图(图13～图15)。

图13 尾粉砂土最终沉降量对比图Fig.13 Comparison of final settlement of tailings silt

图14 尾粉砂土直剪试验黏聚力对比图Fig.14 Comparison of cohesion of straight-slurry test of tailings

从图13得出，仅自重固结作用下的尾矿最终沉降量远小于淋滤固结作用下的沉降量，尾粉砂前者沉降量较后者小近80%，尾粉土前者沉降量较后者小约83%。由图14及图15可得，仅在自重固结作用下的抗剪强度指标也比淋滤固结作用下的指标值小，尾粉砂前者的黏聚力、内摩擦角值较后者分别小37.8%、15.1%，尾粉土前者的黏聚力、内摩擦角值较后者分别小29.8%、4.8%。试验可得，淋滤作用能有效增大尾矿砂土的固结效果和抗剪强度。

图15 尾粉砂土内摩擦角对比图Fig.15 Comparison of internal friction angle φ of tail powder sand powder

4 结论

通过试验分析得出：

(1)尾矿库经过淋滤作用后，其尾矿颗粒固结效果和抗剪强度指标相较于仅自重固结下有很大的提高。淋滤作用后尾矿颗粒最终沉降量比自重影响下增大约80%

(2)每次淋滤过程中，尾粉砂土体均先出现膨胀回弹，当停止淋滤(淋滤时间为60 min)后，因水位下降至尾矿样顶部以下，淋滤液水头压消失，试样迅速产生收缩沉降，沉降量逐渐增加，最终趋于稳定。

(3)尾矿的淋滤固结程度与淋滤时间及淋滤流量呈正相关。随着尾矿淋滤时间越长，淋滤流量越大，尾矿的沉降量将越大，同时固结程度随之升高，抗剪强度指标也相应提高。

(4)尾矿的淋滤固结程度与淋滤液的化学成分也存在相关关系。相较于水作为淋滤液，尾矿澄清液组尾矿的沉降量较大，固结程度和抗剪强度指标也较高，说明淋滤固结中尾矿液的化学成分在尾矿的固结进程中也起到一定的作用。

论文针对卡房尾矿库进行淋滤试验，揭示了淋滤固结作用的积极影响，不仅为卡房尾矿库今后的使用和管理提供了相关的理论依据，也为该地区同类型尾矿库的建库、使用及发展提供了一定借鉴的经验。