尾矿物理力学特性的粒径效应及坝体稳定性研究

摘要

为了提高矿石的回收率，我国一直在推广细粒选矿工艺，但使用这种方法会造成排放尾矿的细粒化。细粒尾矿具有透水性差、固结时间长、力学强度低的特点，对尾矿沉积分布、库区沉降变形、坝体结构强度等造成不利影响。随着我国尾矿粒径细化水平的提高，细粒尾矿筑坝难题日益突显，研究粒径变化对尾矿物理力学性质的影响及其内在机理具有重要的学术价值和工程意义。本文通过工程勘查、宏细观试验检测、理论分析以及数值模拟计算等手段，对尾矿粒径效应的宏观规律进行探索和研究，并从颗粒组成的角度对粒径效应的细观机理进行初步探索。本文主要研究工作包括：
　　1.为了研究尾矿组成颗粒的显微结构特征，通过颗粒分析试验、XRD试验、光学显微试验、电子显微试验，并结合数字图像处理技术，对比了尾矿砂粒、粉粒和粘粒的矿物组成特点，从轮廓、棱角性和表面形貌三个层次分析了尾矿颗粒的几何形状特征，讨论了黏性细颗粒物化性质的特殊性，建立了尾矿颗粒粒径分布函数模型和破碎过程模型。
　　2.为了研究尾矿浆的沉积分层特征和时间演化规律，对黏性尾矿浆和砂性尾矿浆进行现场干滩取样分析和一维沉降柱试验，探讨了不同沉积距离的尾矿颗粒特征，建立了颗粒粒径与沉积距离的关系，讨论了两种尾矿沉积物的细观结构特征和分层划分依据，分析了尾矿沉积层形态的时空演化规律，用双电层理论诠释了絮凝作用对沉积特征的作用机理。
　　3.为了研究颗粒组成对黏性尾矿压缩固结特性的影响，对砂性尾矿、粉性尾矿和黏性尾矿进行侧限压缩试验。对比了不同细粒程度的尾矿在压缩、固结特性上的区别，描述了黏性尾矿的次固结现象，并讨论了次固结系数与时间、固结压力之间的关系，建立了适合细粒尾矿材料的一维固结经验模型和元件模型。
　　4.为研究细粒含量对尾矿强度、变形特征的影响，通过固结不排水三轴试验和细观离散元模拟试验，对尾矿强度的细粒含量效应及其内在机理进行了宏细观关联性研究，讨论了尾矿土性的渐变规律及临界细粒含量判别依据，并提出力链弱化假说来解释尾矿的细粒含量效应。
　　5.通过尾矿筑坝稳定性分析，对比了粗粒尾矿库和细粒尾矿库在组成和沉积结构上的区别，并分析了影响坝体稳定性的因素，研究了辐射井对坝体稳定性的作用，提出了预测尾矿坝溃坝范围的方法，并对相关问题提出技术处理措施。

目录

1 绪 论

1.1研究的工程背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究思路和研究内容

2 尾矿颗粒形态的基本特征

2.1土颗粒的几何性质表征方法

2.2尾矿黏土矿物细颗粒的特殊物理化学性质

2.3尾矿颗粒的基本特征

2.4尾矿的粒径分布描述

2.5尾矿颗粒的破碎过程模型

2.6本章小结

3 尾矿沉积特性的粒径效应

3.1 尾矿沉积的一般规律

3.2 絮凝对细粒尾矿沉积的影响

3.3尾矿浆一维沉积试验分析

3.4絮网的沉积过程模型

3.5尾矿颗粒的水平沉积规律

3.6 本章小结

4 尾矿压缩和固结特性的粒径效应

4.1 不同粒径尾矿的一维侧限压缩试验分析

4.2 黏性尾矿的次固结特性

4.3 黏性尾矿材料的一维固结模型

4.4 本章小结

5 基于强度特征的重塑尾矿临界细粒含量

5.1砂性尾矿、粉性尾矿和黏性尾矿的力学特征

5.2尾矿的临界细粒含量

5.3粒径效应的细观力学分析

5.4粒径效应的离散元模拟

5.5 黏性尾矿强度与固结度的关系

5.6 本章小结

6粒径效应对坝体稳定性的影响

6.1矿浆粒径对坝体组成和沉积结构作用概述

6.2坝体组成与尾矿坝稳定性的关系特征

6.3坝体沉积结构与尾矿坝稳定性的关系特征

6.4辐射井对细粒尾矿坝稳定性的影响

6.5坝体固结程度对细粒尾矿坝稳定性的影响

6.6尾矿坝溃坝对环境的影响分析方法

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1主要结论

7.2 创新点

7.3展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者学习期间发表的论文

B. 作者学习期间参加的科研项目