高浓度尾矿上游式堆坝基础性问题研究及坝体稳定性分析

摘要

尾矿库是堆存矿山选厂排出的尾矿的场所，是矿山必需的生产设施，也是一个具有高势能的人造泥石流危险源。尾矿库运营的好坏，不仅直接影响到矿山企业的经济效益，而且与库区下游人民的生命财产安全和生态环境息息相关。我国矿山有超过80％的尾矿库是采用低浓度（20%-30%）上游法构筑尾矿坝，这种方式运行成本最低。但低浓度排放尾矿浆时，会导致干滩面以下的尾矿一直处于饱和状态，使得坝体的浸润线埋深较高，造成尾矿坝的稳定性差及地震液化风险高，易发生坝体失稳、溃坝等灾害事故；另外，会有大量的尾水排放到库内，不仅降低了尾矿库的防洪储备性能，而且加大了回水量，增加了运行成本。如何从安全、环保和经济角度出发，寻求更好的尾矿处理方法是矿山企业亟待解决的重点问题。为此，提出了高浓度尾矿排放堆存处理的方法。高浓度尾矿排放可以节省大量的水资源，减少环境污染，而且库区利用率比较高。但采用这种方式堆筑的坝体的稳定性如何？尾矿的流动性、干滩面处的尾矿在自然条件的水分蒸发情况，等等，一些基础性问题需要研究。
　　本文采用室内试验、理论分析、数值模拟和工程案例相结合的综合性研究方法，以云锡公司新建的象冲尾矿库为工程背景（该尾矿库为二等库，可研设计采用高浓度尾矿上游式堆坝，为国内首例），先是针对高浓度尾矿上游式堆坝的基础性问题开展研究，研究内容包括高浓度的流动性、尾矿的沉积固结和蒸发脱水特性、孔隙结构，以及纤维加筋提高尾矿力学性能等；然后，采用大型堆坝物理模型试验，研究了高浓度尾矿上游式堆坝和高浓度分级尾矿上游式（改进型）堆坝，演绎了两种方法堆坝的尾矿库形成过程；在堆坝物理模型试验结果的基础，采用数值模拟方法对高浓度尾矿堆坝坝体的静、动力稳定性进行了系统分析。结果表明，高浓度分级尾矿上游式堆坝方法更能显著提高坝体的稳定性。为此，建议云锡公司象冲尾矿库设计采用高浓度分级尾矿上游式堆坝，有利于尾矿库的稳定与安全，解决矿山企业生产中的实际难题。论文的主要工作和取得的成果如下：
　　①针对不同类尾矿在不同浓度条件下的流变性质和流动特性进行了试验研究。以云锡公司卡房选矿厂的全尾矿（尾粉砂）、旋流分级沉砂尾矿（尾细砂）和溢流尾矿（尾黏土）为研究对象，采用塌落度法和三维激光扫描技术相结合试验方案，测量了不同浓度条件下三类尾矿的塌落度结果，经过理论计算，得到了高浓度尾矿流变参数（屈服应力）及其随浓度变化的规律。同时，采用小型流槽试验，研究了高浓度矿浆排放的流动特性和沉积剖面形态以及尾矿颗粒组成等。
　　②针对高浓度尾矿在自然条件下的蒸发脱水性能进行了试验研究。以尾细砂和尾黏土为研究对象，分别开展了室内恒温条件和自然环境下高浓度尾矿的蒸发脱水试验，分析了初始浓度、颗粒大小、层厚等因素对高浓度沉积尾矿蒸发脱水效果的影响，建立了能有效表征沉积滩面上尾矿蒸发脱水过程的理论模型，采用数值模拟方法对该理论模型进行了验证。同时，开展了蒸发脱水过程中的原状尾矿样抗剪强度的直剪试验，获得了蒸发脱水过程中尾矿的力学性能的变化规律。
　　③针对高浓度尾矿沉积固结规律、尾矿孔隙结构特征及其渗透特性进行了系统研究。先是采用沉降柱试验研究了不同类高浓度尾矿的自重沉积固结过程，揭示了高浓度尾矿沉积固结规律；之后，采用 MacroMR核磁共振（NMR）技术研究了不同固结应力下尾矿的孔隙结构及变化特征；采用改进的应力渗流试验装置，研究了不同应力状态下尾矿的渗流特征，构建了尾矿孔隙结构与渗透性之间的函数关系，并从微观上揭示了尾矿的渗流机理。
　　④甄选出玄武岩纤维可作为尾矿加筋的理想材料。通过三轴试验和渗透试验研究得出，在尾矿中掺入玄武岩纤维不仅能有效地提高加筋尾矿的力学性能，改善加筋尾矿的渗透性，而且随着纤维长度和掺入量的增加，力学指标也会显著提高。利用SEM扫描电镜技术研究了纤维与尾矿颗粒间的界面作用特征，从微观角度揭示了纤维材料改善加筋尾矿力学性能的作用机理。
　　⑤提出了高浓度尾矿上游式堆坝和高浓度分级尾矿上游式堆坝（改进型）方法。获得了两种堆坝方法的坝体结构等基础资料，以及两种方法堆坝的坝体渗流场和坝体稳定性结果及其影响因素。利用大型堆坝物理模型试验，分别演绎了象冲尾矿库两种高浓度尾矿堆坝方法的堆坝过程，获得了干滩面坡度变化规律、沉积滩颗粒分布特征及浸润线变化规律。基于饱和与非饱和渗流理论，对尾矿坝的渗流场及影响因素进行了系统分析，结果显示高浓度尾矿上游式堆坝坝体浸润线的位置要明显高于高浓度分级尾矿上游式堆坝（改进型）的。采用理论方法（极限平衡法）对象冲尾矿库尾矿坝的稳定性进行了计算分析，结果显示高浓度分级尾矿上游式堆坝（改进型）坝体稳定性要好于高浓度尾矿上游式堆坝坝体。因此，建议象冲尾矿库采用高浓度分级尾矿上游式堆坝（改进型）方法。
　　⑥采用尾矿坝动力稳定性分析方法，分析了象冲尾矿库高浓度分级尾矿上游式堆坝坝体在地震作用下的动力响应特征。获得了尾矿坝坝体的加速度反应、液化区域分布、安全系数时程变化、震后永久性变形等结果，这些成果不仅可为该尾矿库工程的设计、施工和安全生产管理提供指导，而且可为类似尾矿库所借鉴。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

2 高浓度尾矿流动性能的试验研究

2.1 概述

2.2 高浓度尾矿的定义

2.3 高浓度尾矿的流变参数测试

2.4 高浓度尾矿流动性能的试验研究

2.5 本章小结

3 高浓度尾矿中水分蒸发干燥性能的试验研究

3.1 概述

3.2 高浓度尾矿蒸发脱水试验

3.3 高浓度尾矿蒸发脱水理论模型的构建及应用

3.4 蒸发脱水过程中高浓度尾矿的力学性质

3.5 本章小结

4 高浓度尾矿沉积固结特性及其孔隙结构研究

4.1 概述

4.2 自然条件下尾矿沉积固结试验

4.3 基于核磁共振技术的高浓度尾矿沉降固结后的孔隙结构研究

4.4 基于核磁共振技术（NMR）的高浓度尾矿孔隙大小划分界限

4.5 基于核磁共振技术（NMR）的高浓度尾矿孔隙结构分析

4.6 高浓度尾矿沉积后的孔隙结构与渗透性的关系

4.7 本章小结

5 玄武岩纤维加筋增强尾矿力学性能的试验研究

5.1 概述

5.2 试验材料及试验方案

5.3 纤维加筋尾矿力学性能的提高及影响因素分析

5.4 纤维加筋尾矿的界面力学作用特性

5.5 本章小结

6 高浓度尾矿上游式堆坝模型试验及坝体稳定性分析

6.1 概述

6.2 云锡公司象冲尾矿库工程概况

6.3 尾矿堆坝物理模型试验

6.4 堆坝模型试验结果与分析

6.5 高浓度尾矿堆坝坝体渗流场及影响因素分析

6.6 高浓度尾矿堆坝坝体稳定性理论分析

6.7 高浓度分级尾矿上游式堆坝放矿安全管理研究

6.8 本章小结

7 高浓度分级尾矿上游式堆坝坝体地震响应特征分析

7.1 概述

7.2 尾矿坝地震动响应分析方法

7.3 高浓度尾矿堆坝坝体地震响应特征分析

7.4 本章小结

8 结论及展望

8.1 主要结论

8.2 主要创新点

8.3 后续工作及展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻博期间所获专利情况

D. 作者在攻博期间所获奖励