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  • CN 62-1112/TF　
  • ISSN 1005-2518　
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2022, 30(1): 54-63 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2022.01.092

采选技术与矿山管理

干湿循环和含水率对尾砂压缩固结特性的影响研究

王仲辉,1, 王千福1, 田亚坤1,2, 伍玲玲1,2, 禹雪阳1, 张志军,1,2

1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001

2.湖南省矿山岩土工程灾害预测与控制工程技术研究中心，湖南 衡阳 421001

Study on Consolidation Characteristics of Tailings with Different Moisture Content Under Dry-Wet Cycle

WANG Zhonghui,1, WANG Qianfu1, TIAN Yakun1,2, WU Lingling1,2, YU Xueyang1, ZHANG Zhijun,1,2

1.School of Resource & Environment and Safety Engineering, University of South China, Hengyang 421001, Hunan, China

2.Hunan Engineering Technology Research Center of Mining Geotechnical Engineering Disaster Prediction and Control, Hengyang 421001, Hunan, China

通讯作者: 张志军（1978-），男，河北邢台人，教授，从事尾矿坝和边坡工程安全评价等方面的研究工作。zzj181@163.com

收稿日期: 2021-07-14   修回日期: 2021-11-18  

基金资助: 国家自然科学基金项目“吸湿—脱湿循环作用下铀尾矿的细观力学特性研究”.  51774187
“微生物注浆加固渗流场作用下的尾矿坝试验及机理研究”.  51804164
湖南省教育厅科研基金项目“基于介观结构及干湿循环作用的尾矿颗粒介质力学行为基础研究”.  20B496
湖南省研究生科研创新项目“干湿循环作用下细粒尾矿细观力学特性及变形机理研究”.  CX20210925
“微生物在致密型砂岩铀矿储层的迁移动力学研究”.  CX20210927
湖南省大学生创新创业训练计划项目“干湿循环条件下不同含水率的尾矿砂固结特性研究”.  202110555083

Received: 2021-07-14   Revised: 2021-11-18  

作者简介 About authors

王仲辉（1997-），男，湖南衡南人，硕士研究生，从事尾矿坝和边坡工程安全评价等方面的研究工作1604309416@qq.com , E-mail：1604309416@qq.com

摘要

为辅助计算尾矿存积的沉降距离，指导放矿、尾矿子坝堆筑，提高尾矿坝的经济效益。研究干湿循环作用和含水率对湖南某金属尾矿库尾砂的压缩固结特性的影响。对含水率为10%、12%、14%、16%和18%的尾砂分别进行0~5次脱湿—吸湿—再脱湿试验，借助GZQ-1型全自动高压固结仪对试样开展了快速固结试验。研究结果表明：（1）相同条件下，孔隙比随着压力的上升而减少；（2）相同循环次数下，压缩系数随着含水率的上升而增加；相同含水率下，压缩系数随着干湿循环次数的增加呈“Λ”型变化；（3）不经干湿循环，固结系数随含水率的增加先上升后下降；在相同含水率条件下，随干湿循环次数的增加，固结系数的变化大致呈M型波动。前期循环过程受力以毛细水压力为主导，待颗粒运动稳定，尾砂孔隙结构发育完全，受力以黏结力和摩擦力为主导。

关键词： 干湿循环 ; 含水率 ; 尾砂 ; e-p曲线 ; 压缩系数 ; 固结系数

Abstract

With the improvement of mineral processing technology，the amount of tailings in storage is increasing year by year，and the particle size of tailings is getting finer and finer.However，such tailings have poor permeability，good water holding performance，long consolidation time and low mechanical strength.Such tailings often have problems such as difficult drainage，slow deposition and poor stability in the process of dam-filling.In the complex climate and geographical environment，rainfall infiltration，water evaporation，repeated rise and fall of saturation line （that is，under the condition of dry-wet cycle），earthquake and so on will be encountered.These factors can not be ignored for the settlement of fine tailings pond.In order to help calculate the settlement distance of tailings deposit and guide ore drawing and tailings dam construction，the influence of dry-wet cycle and moisture content on the compression consolidation characteristics of tailings of a metal tailings pond in Hunan Province was studied.The tailings with water content of 10%，12%，14%，16% and 18% were subjected to 0~5 times of dehumidification-moisture absorption-dehumidification tests respectively，and rapid consolidation tests were carried out on the samples with the help of GZQ-1 automatic high-pressure consolidation instrument.The results show that：（1）Under the same conditions，the void ratio decreases with the increase of pressure.Without the dry-wet cycle，the void ratio of the sample at the optimum moisture content is the smallest，and the void ratio of natural moisture content，optimum moisture content and saturated moisture content changes in a U-shaped curve in turn.After the dry-wet cycle，the volume of tailings sample expands slightly，and the internal water-gas channel changes.After graded loading，the internal particles fill the pores，and finally the structure tends to be stable.（2）Under the same number of cycles，the compression coefficient increases with the increase of water content， Under the same moisture content，the compression coefficient changes in a “Λ” shape with the increase of the number of dry-wet cycles.The number of dry-wet cycles and moisture content can increase the compactness of tailings and reduce the compression coefficient by changing the bonding effect and capillary water pressure of tailings cement.（3）Without drying-wetting cycle，the con-solidation coefficient first rises and then decreases with the increase of water content. At the same moisture content，the change of consolidation coefficient is approximately M-shaped with the increase of the number of dry-wet cycles.The stress in the early cycle process is mainly dominated by capillary water pressure.When the particles move stably and the pore structure of tailings is fully developed，the stress is dominated by cohesive force and friction force.Through the above three points，we can understand the stress characteristics of tailings sand consolidation process，assist in calculating the settlement distance of tailings accumulation，and guide ore drawing and sub-dam construction.Monitoring the environmental temperature and precipitation，controlling the water content of tailings and the accumulation period of tailings can improve the economic benefit and stability of tailings dam.

Keywords： dry-wet cycle ; moisture content ; tailings sand ; e-p curve ; compression coefficient ; coefficient of consolidation

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本文引用格式

王仲辉, 王千福, 田亚坤, 伍玲玲, 禹雪阳, 张志军. 干湿循环和含水率对尾砂压缩固结特性的影响研究[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(1): 54-63 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2022.01.092

WANG Zhonghui, WANG Qianfu, TIAN Yakun, WU Lingling, YU Xueyang, ZHANG Zhijun. Study on Consolidation Characteristics of Tailings with Different Moisture Content Under Dry-Wet Cycle[J]. Gold Science and Technology, 2022, 30(1): 54-63 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2022.01.092

用以储存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所称为尾矿库，其外围构筑物称为尾矿坝（中华人民共和国住房和城乡建设部，2013）。 尾矿坝主要由初期坝和堆积坝（尾矿子坝）组成，对于低成本的上游式筑坝法很难保证在复杂的气候地理环境中按照设计的坡比、压实度和堆坝速度等指标进行筑坝，导致尾矿坝管理部门无法保证筑坝的工期和稳定性（李亮等，2011），对矿山生产效益和下游区域人民群众生命财产安全以及生态环境构成巨大威胁。

在尾矿子坝安全运行过程中，经历多次降雨与水分挥发，其浸润线会反复变化。国内外学者发现干湿循环会使土体出现疲劳迹象（Al-Homoud et al.，1995）、开裂（Julina et al.，2018；谭波等，2021）、持水性能下降（陈勇等，2019），导致土体力学性能下降，并造成地基沉降（李知翰，2019）；含水率通过影响土体的微观结构（巩学鹏等，2019）、土—水特征曲线（Azmi et al.，2019； Gapak et al.，2018； Esta-bragh et al.，2020）、抗剪强度（李怀鑫等，2020）使土体的稳定性发生改变，此过程中也对土体沉降（武亚军等，2018）造成了影响；干—湿循环条件下不同含水率通过影响土体的基质吸力（方瑾瑾等，2021；赵贵涛等，2021）和剪切强度（胡长明等，2018；郝延周等，2021），进而影响土体结构的稳定性。因此，干湿循环和含水率对于尾矿子坝的强度、固结沉降以及稳定性造成的影响不容忽视。

基于此，研究人员分别对分段循环荷载作用（张添等，2020）、控制气压条件（李晓宁等，2019）、水力耦合作用（葛苗苗等，2021）和变荷载全耦合作用下（叶梓等，2021）非饱和土的固结沉降特性进行了分析，同时将尾矿的颗粒性质（巫尚蔚等，2017）、浓密度（侯贺子等，2019）与压缩固结特性、颗粒沉降特性进行关联研究。但在干—湿循环条件下含水率对于尾砂这类特殊土体的影响及其压缩固结性质的研究较少，而在湿式尾矿库安全运行过程中需控制降水、孔隙水压对尾砂的影响（国家市场监督管理总局，2020）。本文通过探索干—湿循环和不同含水率下渗透性差、持水性能好、固结时间长及力学强度低的细粒尾砂（巫尚蔚，2017）的固结沉降过程，优化干湿循环试验方案，设计无扰动制样装置，研究尾砂的固结压缩特性。同时，以研究结果为基础，控制尾砂堆积周期，指导放矿、尾矿子坝堆筑，提高尾矿坝的经济效益，避免沉降影响尾矿坝的稳定性。

1 试验方案

1.1 试验材料物理性质

根据《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》取样方法（中华人民共和国住房和城乡建设部，2010），对湖南某金属尾矿库尾砂进行取样。通过实验室测定尾砂天然含水率为9%，对尾砂进行最佳含水率测量和粒径级配试验，尾砂的粒径级配曲线如图1所示。该尾砂0.25~1 mm之间的颗粒级配尚可，0.075~0.25 mm之间的颗粒级配不良。通过表1尾砂级配参数，得到该尾砂的不均匀系数Cu=1.37<5，曲率系数Cc=1.04（在1~3之间），综合说明该尾砂整体级配不良。根据图2和表2，得到最佳含水率为16.0%。

图1

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图1   尾砂的粒径级配曲线图

Fig.1   Particle size distribution curve of tailings


表1   尾砂级配参数

Table 1  Tailings grading parameters

参数数值
有效粒径d10/mm0.152
中值粒径d30/mm0.181
限制粒径d60/mm0.208
不均匀系数Cu1.370
曲率系数Cc1.040

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图2

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图2   干密度曲线图

Fig.2   Dry density curve


表2   尾砂基本物理性质参数

Table 2  Basic physical property parameters of tailings

参数数值
自然干密度ρd/（g·cm-3）1.734
最优含水率ω/%16%
自然含水率ωop/%9%
比重Gs2.66
孔隙比e0.517

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1.2 试样制备

与以往的干—湿循环试验试样制样不同，为充分模拟现场实践中的吸湿—脱湿过程，防止取样过程中人为因素对土壤的扰动，采取预埋试样装置进行吸湿—脱湿试验。在尺寸为188 mm×138 mm×38 mm的长方体铁盒内分层埋入尾砂并进行标准击实，同时将尾砂分三层标准击实击入环刀内。为保证水在环刀内自然渗透，同时防止因尾砂的胀缩变形而导致试样破坏，试验中在环刀底部绑上止砂透水的土工布，在环刀顶部铺设一层滤纸。最后，将环刀埋入铁盒击实一层尾砂，这样经过若干次吸湿—脱湿试验后与现场环境无异还能保证试样不被扰动。试样、模具如图3所示，试验装置如图4 所示。

图3

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图3   试样和模具示意图

Fig.3   Schematic of sample and mold


图4

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图4   试验装置剖面图

Fig.4   Sectional view of test equipment


1.3 试验设计

（1）含水梯度分组设计

通过基本物理试验结果可知，尾砂的自然含水率为9%，最佳含水率为16%，将含水率梯度设计为10%（W1）、12%（W2）、14%（W3）、16%（W4）和18%（W5）共5组，每组含水率设置3个平行样，试验结果取3个均值。对环刀进行编号，配制以上含水率的试样，静置24 h后，将其按标准击实方法分3层击入环刀，层间进行刨毛处理。采用GZQ-1型全自动高压固结仪（图5）对尾砂试样开展了快速固结试验，在试验过程中，用相同含水率的湿毛巾包裹住试样容器，防止在试验过程中试样水分蒸发，含水率发生改变。

图5

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图5   GZQ-1型全自动高压固结仪

Fig.5   GZQ-1 automatic high pressure consolidation instrument


（2）干—湿循环试验设计

按照循环次数，设置经历1次（X1）、2次（X2）、3次（X3）、4次（X4）和5次（X5）干—湿循环的试验，共5组，同时设置1组不经干—湿循环（X0）的对照试验。

①脱湿。将铁盒放入干燥箱，设置温度为40 ℃，干燥至含水率为3%，当铁盒在干燥箱中质量达到含水率为3%的质量时，视为第一阶段脱湿完成。

②吸湿。在铁盒表面的尾砂上铺设一层滤纸，通过喷壶将到达饱和含水率的预定水量喷洒在滤纸表面，便于其自然渗透，喷完后盖上铁盒的盖子，密封24 h以便其水分扩散均匀。

③再脱湿。将达到饱和含水率的试样静置24 h后，在40 ℃的干燥箱中烘干至初始含水率。

上述过程为一次干湿循环，通过前期试验得到40 ℃条件下水分蒸发的函数曲线，控制烘干时间，在其质量快要接近目标质量时，缩短测量质量的间隔直至达到目标质量，即目标含水率。干—湿循环过程如图6所示。

图6

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图6   干—湿循环过程示意图

Fig.6   Schematic diagram of dry-wet cycle process


2 试验结果和分析

2.1 e-p关系曲线

压缩曲线反映了土受压后的压缩特性，它的形状与试样的成分、结构、状态及历史受力有关。通过式（1）、（2）可以得到试样的初始孔隙比e0和各级荷载下的孔隙比ei。

e0=ds⋅ρω1+ω0ρ0-1

式中：ds为土粒比重；ρω为水的密度；ω0为试样初始含水率；ρ0为试样的初始密度。

ei=e0-Sih0(1+e0)

式中：e0为试样初始孔隙比；h0为试样的初始高度。

（1）含水率对e-p曲线的影响

不同含水率下的e-p曲线图如图7所示，随着循环次数的增加，e-p曲线图呈现下降的趋势。特别是在X0到X1和X4到X5的过程中下降幅度较为明显，而在X1到X4过程中下降幅度却非常缓慢。X0到X1过程中，干—湿循环使得初始的试样结构发生改变，随着水分的蒸发，内部形成排气通道［图3（b）］，在经过1 200 kPa后，排气通道被压实，孔隙比下降幅度较大。当含水率为W4时，X0的下降幅度非常突出且降至最低，而X1到X4基本不变，X4到X5的下降幅度有所减缓。这是由于最佳含水率为16%，此时干密度最大，孔隙比小，而在经过干—湿循环后，试样发生轻微膨胀，体积上升质量不变，因此孔隙比增大。

图7

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图7   不同含水率下的e-p曲线图

Fig.7   The e-p curves under different moisture content


（2）干—湿循环过程对e-p曲线的影响

不同循环次数下的e-p曲线图中（图8），孔隙比随着压力的上升而减少，受含水率和循环次数影响不大。这是因为在进行快速固结试验时，在环刀侧壁水平约束条件下，随着分级荷载的不断增加，试样孔隙中的空气和部分水分被排出，同时尾砂胶结体在竖直荷载和水平约束的双重作用下易发生碎裂，并重新黏结分布，提高了尾砂试样的密实度。

图8

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图8   不同循环次数下的e-p曲线图

Fig.8   The e-p curves under different cycle times


在X0到X4条件下，最佳含水率（W4）对应的尾砂试样，e-p曲线的变化幅度最大；从初始含水率（W1）增加到最佳含水率（W4）的过程中，e-p曲线图依次呈现下降的趋势，而从最佳含水率（W4）到饱和含水率的过程中又呈现上升的趋势。这是由于在初始含水率—最佳含水率—饱和含水率的过程中，其干密度曲线呈现正态分布，最佳含水率可以体现最大干密度（图2），根据孔隙比与比重和干密度之间的关系，孔隙比随着干密度的增大而减少，出现了上述的变化趋势。

在X5条件下，含水率在初始含水率和最佳含水率的变化范围内，e-p曲线变化幅度小，有些甚至重叠在一起，而超出最佳含水率后，e-p曲线的变化幅度大。在50~100 kPa和200~400 kPa的压力区间内，有2次断崖式的下降，通过图9试样在试验过程中颗粒变化来解释这种现象，初始试样如图9（a）所示，由固、气、液三相构成，在多次干—湿循环后，原有的试样结构发生了改变，内部排气通道相互连通，从饱和含水率蒸发至初始含水率时，排气通道周围的尾砂比密实部分的水分蒸发快，颗粒间作用力下降，颗粒变得分散［图9（b）］，尽管整体含水率呈现为目标含水率，但其内部并不均匀。在50~100 kPa低压加载时，排气通道周围的尾砂颗粒被压入毛细孔内，但颗粒的不规则形状依然使得毛细孔隙未被填满。随着压力的增加，在200~400 kPa过程中，颗粒接触点之间相互滑动，使形状逐渐变得规则，孔隙被填满［图9（c）］。随着压力的继续增大，试样排出水分，相同压力下，排出水的体积差别较小，因此含水率越大，孔隙比也越大。这也能解释含水率为18%（W5）时，在1 200 kPa时的孔隙比大于前几组试样。

图9

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图9   试样在试验过程中颗粒变化图

Fig.9   Particle change diagram of sample during test


2.2 压缩系数变化特性

压缩系数用来描述土体压缩性大小，按式（3）来计算压缩系数Av。

Av=e1-e2p2-p1

式中：e1、e2分别为100 kPa、200 kPa条件下对应的孔隙比，在现场工程实践中评定土的压缩性通常采用压力间隔由p1＝100 kPa增加至p2＝200 kPa时所得的压缩系数Av1-2来表示。由图10和表3可知，含水率为10%~16%，Av1-2在0.067~0.100 MPa-1之间波动，属于低压缩性土；含水率超过16%，Av1-2>0.1 MPa-1，属于中压缩性土。在不经历干—湿循环时，含水率的增加使得压缩系数缓慢增加，这种影响是水对尾砂的软化作用导致的，含水率增加使得结合水对颗粒的约束力减少，颗粒之间更易滑动。

图10

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图10   不同含水率下的压缩系数图

Fig.10   Compression coefficient diagram under different moisture content


表3   100~200 kPa土压缩系数对应的压缩性

Table 3  Compressibility of soil compressibility coefficient at 100~200 kPa

压缩系数/（MPa-1）土体压缩性
<0.1低压缩土
0.1~0.5中压缩土
>0.5高压缩土

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在X1后，尾砂试样的压缩系数上升约0.1 MPa-1。经历1~4次干—湿循环后，压缩系数逐步提高，而到X5时，压缩系数瞬间下降，且低于0.1 MPa-1。在第一次脱湿过程中，尾砂在水分蒸发后体积收缩，尾砂胶结体的黏结作用变小，尾砂的表面有细微裂缝，在水分入渗过程中，毛细水进入孔隙，在毛细水压力的作用下，尾砂胶结体的黏结被破坏，破碎成小颗粒，颗粒之间的不规则形状使得土体的孔隙变大，因此压缩系数变大。而在X2~X4过程中这种裂隙渐渐发育，到X5时，颗粒间相对滑动使其表面变得规则，填入孔隙，使得试样的密实度增加，压缩系数下降。

2.3 固结系数变化特性

固结系数反映土体在分级荷载下受侧限压力作用的固结速度。本次试验采用Taylor的时间平方根法，对压力在100~200 kPa区间范围内的试样进行图像数据处理，计算得到固结系数Cv。图11为未经干—湿循环不同含水率下的固结系数图，图12为不同循环次数下的固结系数图。

图11

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图11   未经干—湿循环不同含水率下的固结系数图

Fig.11   Consolidation coefficient diagram under different moisture content without dry-wet cycle


图12

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图12   不同循环次数下的固结系数图

Fig.12   Consolidation coefficient diagram under different cycle times


由图11可知，含水率为16%时固结系数最大，从W1到W4固结系数逐渐增大，W4到W5又逐渐减少，这与梁冰等（2018）的试验结果一致，主要影响机制是起初水分对颗粒的润滑作用起主导作用，颗粒易滑动，之后孔隙水压力升高、降低有效应力起主导作用，阻碍了颗粒滑动，表现出固结系数的变化。

由图12可知，随着干湿循环次数的增加，不同含水率的试样呈现出的固结系数变化趋势基本一致，大致呈M型波动，但至X5时，不同含水率的固结系数逐渐收敛于两点。在干湿循环的过程中，尾砂在不断的脱湿、吸湿，在脱湿过程中水分挥发，毛细水压减小，在吸湿过程中水分渗透，毛细水压增大，使得颗粒间的相互作用力不断发生变化，滑动速度随之变化，即固结系数呈M型波动。在经过多次干湿循环后，尾砂的内部孔隙结构发育完全，毛细水压力随吸湿、脱湿变化变小，颗粒之间原有的黏结力和摩擦力占据主导作用，使得颗粒之间相互黏结咬合，不易发生移动，即固结系数下降。

3 结论

尾矿坝中尾砂的压缩固结特性受含水率和多次干—湿循环过程的影响，导致尾砂的压缩固结特性发生改变，进而影响其沉降过程和尾矿坝的稳定性。研究得出如下结论：

（1）相同条件下，孔隙比随着压力的增大而减少。未经干—湿循环，处于最佳含水率的试样孔隙比最小，且从自然含水率、最佳含水率、饱和含水率孔隙比依次呈U型曲线变化。尾砂试样在经历干—湿循环后，体积轻微膨胀，内部水气通道发生改变，分级受载后内部颗粒填充孔隙，结构趋于稳定。

（2）相同循环次数下，压缩系数随着含水率的升高而增加；相同含水率下，压缩系数随着干湿循环次数的增加呈“Λ”型变化。干—湿循环次数和含水率通过改变尾砂胶结体的黏结作用和毛细水压力，增加尾砂的密实度，降低压缩系数。

（3）未经干湿循环，固结系数随含水率的增加先上升后下降；相同含水率下，随干湿循环次数的增加，固结系数的变化大致呈M型波动。前期循环过程受力以毛细水压力为主导，待颗粒运动稳定，尾砂孔隙结构发育完全，受力以黏结力和摩擦力为主导。

通过本研究可以了解尾矿砂固结过程中的受力特征，辅助计算尾矿存积的沉降距离，指导放矿、子坝堆筑。在尾矿坝堆坝过程中监测环境温度与降水，控制好尾砂的含水率及其堆积周期，可以提高尾矿坝的经济效益和稳定性。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2022/1005-2518/1005-2518-2022-30-1-54.shtml

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