化学环境下的应力-渗流耦合对尾矿库稳定性影响试验*

程晓亮，杨　鹏，吕文生，王　昆

(1北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083;3.北京市信息服务工程重点实验室, 北京 100101;4.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100020)

0　引言

金属和非金属矿山开采出的矿石，选出有价值的精矿以后，剩下的“废渣”称为尾矿[1]。目前国家对尾矿的综合处理提出相应对策，但尾矿库贮存仍是目前尾矿主要的处置方式[2]。在过去的100年内，尾矿库的溃坝率高达1.2%[3]，远高于国际大坝协会(ICOLD)2001年公布的挡水坝约0.01%的溃坝率[4]，20世纪60年代尾矿库事故发生数量急剧增加[5]，尾矿坝溃坝问题引起国际社会广泛关注，并于近期列入国家重点研发计划项目。

迄今为止，国内外大量专家学者从不同角度采用不同方法对尾矿坝失稳机理进行了研究[6]，总结了尾矿坝失稳的发生机理和计算模型，但考虑到尾矿库堆积过程中时间、空间的复杂性，有些研究往往忽视应力场、渗流场和位移场等多场之间的耦合关系，导致不能得到完善、全面的致灾计算模型[7]。尾矿坝溃坝主要是由洪水漫坝、地震液化、渗流破坏等引起，受矿物残余成分、选矿试剂、露天氧化等因素的影响，尾矿库受水环境中各种化学离子的影响比较严重，而化学因素作为渗流场、应力场影响因素之一，其复杂的影响机制被大多数研究所忽视。加拿大有学者[8]曾经对108个废矿进行持续调查，发现尾矿库在关闭几百年后仍存在大量酸性水渗漏的现象，说明酸性水对尾矿库与环境的影响是持久的。刘庭发等[9]研究指出由于尾矿料中可能含有某些不稳定化合物以及较多的金属氧化物成分，其化学变化会改变土料的物理力学性质。冯夏庭等[10]、吴恒等[11]对化学环境下尾矿坝的淤堵问题、堤岸边坡的腐蚀问题和岩石破裂随时间发展的基本规律进行了研究，说明化学因素对坝体稳定性的影响不可忽视。张鹏等[12]将堤坝边坡的安全系数与污染物迁移建立联系，指出10年间酸性污染物腐蚀使堤坝边坡安全系数减小约10%。李长洪等[13]指出在目前国内外的研究中，很少涉及到考虑水化学作用对于尾矿坝稳定变形机理的影响和尾矿的力学强度指标随时间逐渐衰减的演化规律的研究。国内针对尾矿库内化学因素影响的研究较国外多，但尚处于起步阶段。

1　化学因素对尾矿性状影响的试验

尾矿废水中含有复杂的化学离子成分，其中含有各种有毒成分，矿石、残存的选矿药剂(硫化物、氯化物、氰化物[14])和不断进行的氧化还原作用是其主要的来源。实验室内配制酸性和碱性2种模拟尾矿库的化学试液，研究尾矿颗粒的性状变化情况。

1.1　尾砂沉降及粒径级配分析

将尾矿试样分成3组，分别在pH=4的酸性、pH=10的碱性以及中性蒸馏水试液中进行为期40 d的浸泡，将浸泡液体摇匀后进行沉降试验，现象如图1所示。酸性环境下上层细颗粒沉积层更厚，碱性条件下，上层细颗粒沉积层颜色更深。采用LMS-30激光粒度分布测定仪测定其粒径级配分布的变化情况，结果如图2所示。

图1　中性、弱酸、弱碱环境下沉淀分层现象Fig.1　Precipitation stratification in neutral, weak acid and weak alkaline environment

图2　中性、弱酸、弱碱环境下粒径级配分布对比Fig.2　Comparison of particle size distribution in neutral,weak acid and weak alkaline environment

3组尾矿试样，浸泡前分类都属于级配良好土，经过酸、碱浸泡的尾矿试样通过粒径分析试验均变为级配不良土，在酸性条件下，细微颗粒流失；酸碱环境下试样中粗颗粒占比都增加，接下来针对流失前后试样的物质组成和微观形貌进行探究。

1.2　XRD分析试验

将浸泡后的尾矿试样烘干，使用研磨片机研磨制成标准200～300目粉末状试样，称取2 g试样，利用TTRIII多功能X射线衍射仪进行扫描，将获取的扫描数据，使用MDI JADE软件进行分析。

试验测得原矿石试样中Fe的总含量约为32.27%，SiO2含量为56.5%；其他成分为K2O，Na2O，Al2O3，CaO等含氧化合物及其衍生物。而尾矿试样中存在的化合物主要为SiO2，以及含有Fe，Al，Ca，Mg等元素的氧化物及氢氧化物等。从中性、酸性(H+)、碱性(OH-)3种试样的图谱以及数据得出：酸性试样的峰值数少于其他2组试样，其峰的强度以及积分面积(见图3)明显高于其他2组试样；碱性条件下生成的物质主要为Fe(OH)3以及其转化物(如针铁矿，赤铁矿，四方纤铁矿)。

图3　SiO2峰值强度对比Fig.3　Peak intensity comparison of SiO2

SiO2作为主要成分不与弱酸弱碱反应，其峰值强度以及积分面积可以反映其在试样中所占的比重，其结果也反映出在酸性环境下主要金属化合物(如含Fe，Al，Ca，Mg等元素化合物)流失较多。碱环境下尾砂颗粒间生成的含铁氢氧化物使SiO2占比降低，其生成的物质形貌将通过电镜扫描进行描述。

1.3　电镜扫描分析

浸泡后的试样进行制样并喷金处理(见图4)，采用蔡司ZEISS EVO18材料分析扫描电子显微镜，并配合布鲁克Quantax电制冷能谱仪(见图5)，两者相结合实现微观形貌以及物质元素组分分析。将试样在放大倍率50x下进行微观形貌分析(见图6)，将生成胶结物在放大倍率300x下进行元素组分分析(见图7)。

图4　待喷金处理的试样Fig.4　The sample to be

图5　扫描电子显微镜Fig.5　Scanning electron sprayed with gold microscope

图6　中性、酸性、碱性试样在大倍率50x下微观形貌Fig.6　Microstructure of neutral, acidic and alkaline samples at high magnification 50x

蒸馏水浸泡的试样，固体颗粒普遍较大，粒径由大到小平稳过渡，棱角明显；酸性条件下的试样，颗粒的粒径相差较为明显，无明显棱角；碱性条件下的试样，形貌与前两者差距较大，存在黏聚现象，可以看出生成的胶结物质使尾矿颗粒胶结在一起，呈絮状和团簇状，颗粒个体较大并无棱角，颗粒之间孔隙小至几微米，对液体的渗流将会产生阻碍作用。

针对胶结物质的元素成分，进行能谱分析，选取位置见图7。

图7　生成物能谱分析位置Fig.7　Theposition of generation of energy dispersive spectrometer

图8　生成物元素分析Fig.8　Analysis of the elements of production

图8显示胶结物主要元素组成为Fe，Si，矿石经过选矿厂磁选后，铁的化合物占比会减小，但在胶结物质的能谱分析中，铁元素的占比最高，结果与XRD试验分析出胶结物质主要为铁的氢氧化物及其衍生物结论一致。

1.4　小结

在偏酸性的环境中，尾矿试样颗粒间的微小胶结物质会流失，表现在粒径级配和物质组成、金属元素占比发生变化；在偏碱性的环境中，尾矿颗粒间生成胶结物质，其物质组成主要为含铁化合物，初始物质主要为氢氧化铁，其胶结物质致使颗粒个体黏连，孔隙变小。

2　耦合模型的确立

应力场的改变可直接引起的响应因素是体积应变，而孔隙比与体积应变之间有如下关系：

(1)

式中：e0；为初始孔隙比：εv应力场下的体积应变，εv=ΔV/V，V为土体总体积，ΔV为孔隙体积变化量。将土体对应的变形模量E0=Δσi/εv带入上式可获得孔隙比与应力变化关系:

(2)

根据渗流理论以及弹性理论，通过试验总结的渗透系数与应力经验关系式见式(3)[15]：

(3)

式中：k0为试验系数；σi为土体应力；η为试验系数；p为渗流的静水压力。

(4)

(5)

式中：H，Q分别为渗流水头和渗流场的源或汇；ki为x，z，y方向的渗透系数；vi为x，z，y方向上的渗流速度；S为给水度。

渗流场理论的公式(4)～(5)与公式(2)～(3)共同组成应力-渗流耦合关系微分方程组。从耦合微分方程可以看出应力场作用会使孔隙比发生改变，同时引起渗透系数的改变，渗透系数改变影响孔压分布，土体有效应力发生改变，导致应力场的分布发生变化。应力-渗流场的耦合作用关系实质上是孔隙比与渗透系数的耦合关系。并且通过式(2)～(3)可以看出渗透系数与孔隙比成指数函数关系。

应力场决定了尾砂的固结程度与孔隙状态，因此可以建立孔隙比与渗透系数之间的数学模型，用来表征应力-渗流耦合作用。在有限元计算软件中，在涉及到应力-渗流耦合(流固耦合)计算时，需要定义土体渗透系数，渗透系数可以依附于饱和度建立函数，也可以与孔隙比建立函数，在有限元计算软件中土体应力-渗流耦合计算便可以通过定义渗透系数与孔隙比的函数关系来实现，下文将进行关系式的拟合建立。

2.1　试样制备

现场取样并通过试验精确测定尾矿试样的含水率与比重，根据孔隙比计算公式制备不同空隙比的尾矿试样见图9。

图9　渗透试样Fig.9　Penetration sample

孔隙比计算公式如下：

(6)

式中：V为试样体积；m为试样质量；w为含水量；Gs为比重。

2.2　渗透系数测定

为了探究化学对应力-渗流耦合的影响，建立不同孔隙比与渗流系数之间的关系，加入化学因素进行试验，最终可以得到化学环境下孔隙比与渗透系数关系的定量描述，并运用到数值模拟计算中。

以孔隙比为0.65的试样为例，在酸、碱环境下随着作用时间延长渗透系数变化情况如图10所示。

图10　渗透系数随时间变化拟合曲线Fig.10　Fitting curve of permeability coefficient with time

随着作用时间延长，可以看出酸碱条件下试样趋于稳定的时长不一致，将不同孔隙比的试样稳定时的渗透系数数据记录并进行拟合，得到曲线如图11所示。

图11　渗透系数与孔隙比拟合曲线Fig.11　Fitting curve of permeability coefficient and void ratio

根据经验公式拟合渗透系数与孔隙比呈指数函数关系：

k1=1.3×10-4(eз4e0-1.66-1)R2=0.995 7

(7)

k2=2.3×10-4(eз7e0-2.49-1)R2=0.993 2

(8)

k3=1.3×10-4(eз9e0-1.58-1)R2=0.979 5

(9)

式中：k1，k2，k3为蒸馏水、酸性、碱性条件下渗透系数;e为自然常数;e0为孔隙比;R2为拟合度。

2.3　小结

在酸、碱因素的影响下，孔隙比与渗透系数呈指数函数关系。通过试验，建立孔隙比与渗透系数的数学模型，得到化学因素作用对应力-渗流两场耦合的影响的具体量化关系，为数值计算提供依据。

3　数值计算与分析

试验所使用的尾砂试样选自首钢矿业某在建尾矿库，根据其接近坝址区域的尺寸与力学参数进行建模，在材料参数设置阶段，将渗透系数与孔隙比的函数关系作为耦合依据，将中性、酸性、碱性条件下的函数关系分别带入，通过浸润线与渗流速度来表征尾矿库能否稳定、安全运行。

3.1　浸润线位置分布情况

不同环境下孔压分布情况如下，孔压为零处即为饱和浸润线位置，作为尾矿库稳定性判据的“生命线”分布如图12～13所示。

图12　不同条件下孔压分布情况Fig.12　Pore pressure distribution under different conditions

沿模型中初期坝坝顶竖直向下进行布点监测，得到饱和度变化情况如下：

图13　沿路径饱和度变化情况Fig.13　Variation of saturation along path

可以直观看出，浸润线位置在碱性、中性、酸性环境下依次降低，在初期坝顶位置向下，浸润线高度相差接近1 m。

3.2　渗流速度分布情况

从酸、碱条件下的流速分布情况(见图14)，可以看出，碱性条件下渗流速度较慢，在坝坡下游坡面仍存在渗流速度，此时极易发生渗透破坏，渗流液体将会将细颗粒带走，随着细颗粒的减少，粗颗粒易形成架空结构，导致发生沉陷，沉陷造成边坡结构破坏，出现牵引式发展破坏模式[16]，对尾矿库的稳定运行将会产生严重危害。

图14　酸碱条件下流速分布情况Fig.14　Velocity distribution under acid and alkali conditions

图15　沿路径渗流速度变化情况Fig.15　The variation of seepage velocity along the path

在坝顶竖直布设监测点见图15，由图15可以看出在不同化学环境下，尾矿库内渗流速度存在差异，酸性环境渗流速度最高，碱性环境渗流速度最低。

3.3　小结

通过有限元计算软件，可以实现渗透系数与孔隙比间函数关系的定义，并在模型上进行运用。通过计算可以得到：碱性、中性、酸性环境下浸润线依次降低；尾矿库渗流场在酸性环境下的渗流速度明显的大于在碱性环境下的渗流速度。

4　结论

1)实验结果表明尾矿颗粒的多项性状受化学因素的影响，化学环境下试样的粒径级配、物质组成以及微观形貌发生明显改变；酸性环境下试样中金属元素发生流失；碱性环境下试样的微观孔隙中出现以氢氧化铁以及衍生物为主的絮状、团簇状堵塞物。

2)通过数值计算可知，化学环境通过影响渗透系数与孔隙比的函数关系对尾矿库内的浸润线分布以及渗流速度场分布存在明显的影响作用。

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