白雉山某铁矿尾矿料物理力学性质试验研究

阮　庆，阮　波，张佩知，蒋　颖

(1. 中国土木工程集团有限公司，北京 100038；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3. 中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430000)

我国每年选矿产生的尾矿料约为 3亿 t，除小部分作为矿山充填或综合利用外，绝大部分堆存于尾矿库。据统计，目前我国已形成一定规模的尾矿库1 500余座[1]。尾矿料是经过机械破碎、人工筛选和各种药剂作用而形成的一种筑坝材料[2]，由于其与天然土石形成条件不同，其物理力学性质与天然土石也有差异，因此研究尾矿料的物理力学性质对尾矿坝设计和稳定性评价具有重要意义。国内外学者对尾矿料物理力学性质做了大量研究工作。Michel等[3]通过室内试验研究了某尾矿料的粒径、孔隙比和渗透性之间的关系；Shamsai等[4]通过室内试验研究了伊朗某铜矿尾矿坝尾矿料不同固结比下尾矿内摩擦角和黏聚力的变化规律；Ozcan等[5]对土耳其黑海地区某铜锌矿库尾矿进行室内试验研究，得出该尾矿天然含水率为16.2%～21.0%，比重为 2.53～2.70，抗剪强度指标 c′和 φ′均值分别为17.3 kPa和34°，并分析了尾矿库的稳定性。尹光志等[6]认为羊拉铜矿尾矿料颗粒越粗，孔隙比越大，渗透系数和内摩擦角也越大，尾矿料的各向异性和非均匀性对尾矿料的渗透性影响很大；刘庭发等[7]认为我国西北某尾矿库高含硫尾矿的压缩模量比低含硫量尾矿高2～4倍，低含硫尾矿的摩擦角比高含硫尾矿高24%；于丹等[8]认为辽宁东鞍山西果尾矿库的尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土的含水量与抗剪强度指标呈非线性关系以及孔隙比、干密度与抗剪强度指标呈线性关系；张亚先等[9]认为陕西栗西尾矿堆积坝尾矿砂随着颗粒变细黏聚力c增大而内摩擦角φ减小，同一种尾矿土抗剪强度随着密度的增大而增大。本文在前人对尾矿料物理力学性质研究的基础上，结合从湖北黄石市白雉山某铁矿尾矿坝中提取的3种尾矿料，采用室内试验研究了其物理力学性质，并横向讨论了3种尾矿料物理力学性质的差异性，研究成果可供尾矿坝的稳定性分析及工程实践参考。

1　尾矿料物理性质试验研究

本文按照规范[10−11]要求，对从湖北黄石市白雉山某铁矿尾矿坝提取的3种尾矿料进行了室内试验研究。

1.1　尾矿料的颗粒组成

尾矿料A，尾矿料B和尾矿料C的颗粒分析试验分别进行了36组、87组和29组，试验成果采用试验指标的平均值，统计结果见表1。

表1　尾矿料颗粒分析成果统计表Table1　Summary sheet of particle analysis results

从表1中可以看出：1) 尾矿料A的颗粒分析试验中，粒径大于0.075 mm颗粒质量超过总质量的50%，根据规范[11]可以判尾矿料A为尾粉砂。

2) 上述 3种尾矿料的 Cu平均值均大于5，Cc的平均值均在1～3之间，说明此3种尾矿料颗粒均级配良好，连续级配分布均匀，对尾矿料的固结以及尾粉砂的抗液化有利。

3) 尾粉砂中砂粒含量较高，粉粒和黏粒含量较少，尾粉砂具有的毛细作用和粒间的水联结关系较明显，黏着性较低；而尾矿料B和尾矿料C中砂粒含量较低，粉粒和黏粒含量较高，所以尾矿料B和尾矿料C的黏着性较高而毛细作用和粒间水联结关系不太明显。

1.2　界限含水率

由于在颗粒分析试验中已将尾矿料 A定名为尾粉砂，属于砂类土，故采用液塑限联合测定法仅测定尾矿料B和尾矿料C的液塑限。联合测定仪上的圆锥仪锥重76 g，试验时圆锥仪沉入土中深度设定为10 mm。尾矿料B和尾矿料C分别进行32组和25组界限含水率试验，试验结果见表2。

从表2可以看出，尾矿料B的塑性指数平均值为 8.89，而在颗粒分析试验中尾矿料 B粒径大于0.075的颗粒质量小于总质量的50%，则根据规范[11]可以判定尾矿料B为尾粉土；尾矿料C的塑性指数平均值为14.36，此塑性指数平均值大于10且小于17，则根据规范[11]可以判定尾矿料 C为尾粉质黏土。

表2　液塑限联合测定试验结果Table2　Results of the liquid limit and plastic limit tests

1.3　尾矿料原状土的物理指标与分析

尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土原状土物理性质试验分别做了33组、80组和28组，试验结果见表3。

表3　原状土主要物理性质指标Table3　Geotechnical index properties of the undisturbed soil

由表3可知：1) 上述3种尾矿料含水率和饱和度平均值由尾粉砂到尾粉质黏土依次减小，结合尾矿坝土层分布，可以说明饱和度随着深度的增加而逐渐增大。

2) 一般来说，天然状态土的密度平均值一般为1.75～2.10 g/cm3，粉砂、粉土和粉质黏土密度平均值分别为 1.90～2.05，1.95～2.10 和 1.90～2.10，土的比重通常在 2.65～2.75之间，而砂土、粉土和粉质黏土比重平均值分别为2.65，2.70和2.71[12]。经分析，上述3种尾矿料的天然密度和比重平均值均高于一般土的天然密度和比重平均值，尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土的天然密度分别是粉砂、粉土和粉质黏的天然密度的 1.10～1.18倍，1.10～1.18倍和1.07～1.18倍，尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土的比重平均值分别是粉砂、粉土和粉质黏的比重平均值的1.20倍，1.17倍和1.14倍。由于该尾矿料是铁矿的尾矿料，而铁的密度是7.87 g/cm3，相对密度是7.87，均明显高于土的密度和比重，所以可以认为上述 3种尾矿料中均夹杂有铁或者铁的化合物。

2　尾矿料力学性质试验研究

2.1　尾矿渗透性

通过渗透试验获得温度为 20 ℃时尾矿的渗透系数k20试验结果见表4。

表4　渗透系数k20统计表Table4　Summary sheet of osmotic coefficient k20

从表4中可以看出，与尾粉砂和尾粉质黏土相比，尾粉土的渗透系数极差比较大，数量级从10−4～10−7，最大和最小相差3个数量级，这主要是由于尾粉土与尾粉质黏土的互层多，受细颗粒的影响所致。从渗透系数平均值来看，渗透系数平均值由大到小依次是尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土，说明尾粉砂的渗透性较后两者好。尾粉砂粒径最大，尾粉质黏土粒径最小，说明尾矿料的渗透性与颗粒粒径有关，颗粒粒径越小，孔隙比越小，其渗透系数也越小。

2.2　尾矿压缩特性

采用固结试验获取尾矿料的固结特性参数，尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土固结试验分别进行了31组，41组和29组，试验采用逐级加载的方式，低压固结试验荷载依次为0，50，100和200 kPa；高压固结试验荷载依次为 0，50，100，200，400，800，1 600，3 200和4 000 kPa，尾矿料的压缩性通过固结压力在100～200 kPa区间压缩指标采用压缩系数av1−2和压缩模量ES1−2表示，固结压力在3 200～4 000 kPa区间的压缩指标采用压缩系数 av32−40和压缩模量ES32−40来反映，试验成果见表5。

表5　尾矿料压缩试验成果统计表Table5　Summary sheet of consolidation test results

从表5可以得出：1) 尾矿料的无论是高压还是低压固结，压缩系数平均值由大到小依次是为尾粉质黏土、尾粉土和尾粉砂，而压缩模量平均值由大到小依次是尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土，说明尾矿料的压缩性从高到低依次是尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土。

2) 从尾粉砂到尾粉质黏土压缩系数平均值是依次增大的，这说明尾矿料的压缩性与尾矿料颗粒组成和渗透系数有关，尾粉砂和尾粉土粒径较大，渗透系数大，尾矿料排水条件好，排水快，特别是尾粉砂在尾矿堆积过程中尾粉砂主要位于最上层，很大一部分位于浸润线以上，不完全饱和，多呈现低等或中等压缩性；而尾粉质黏土的颗粒较细，排水条件不是太好，并且多处于浸润线以下，长期浸水处于饱和状态，多呈现高压缩性。

2.3　尾矿料的抗剪强度指标

2.3.1直接剪切试验结果分析

尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土原状样在低压条件下直剪试验和固结快剪试验分别进行了 29组和23组，27组和32组，26组和24组，原状样低压抗剪强度指标见表 6；每种密度的尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土扰动样的高压和低压的固结快剪试验分别进行10组，13组和12组，抗剪强度指标见表7。

表6　原状样抗剪强度指标Table6　Shear strength indexes of the undisturbed soil on the low pressure consolidation

表7　扰动样的抗剪强度指标Table7　Shear strength indexes of the disturbed soil on the low-pressure and high-pressure consolidation

分析表6和表7可以得出：1) 同一种尾矿料原状样，高压固结快剪的尾矿料扰动样抗剪强度指标均大于低压固结快剪时的抗剪强度指标。当密度相同时，高压固结快剪的黏聚力约为低压固结快剪黏聚力的 10倍，说明在尾矿坝同一种尾矿料下部尾矿料的抗剪强度指标大于上部的抗剪强度指标。

2) 同一种尾矿料，黏聚力及内摩擦角随着尾矿料密度的增大而增大，但内摩擦角增大幅度较小；同一种尾矿，当固结条件相同时，其抗剪强度指标随着密度的减小而减小，这说明尾矿料的密度也是尾矿料抗剪强度的重要影响因素。

2.3.2三轴压缩试验结果

对尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土进行了固结不排水剪切(CU)试验和固结排水剪切(CD)试验,固结压力分别为100，200，300和400 kPa；尾粉砂和尾粉质黏土的CU试验和CD试验各做15组；尾粉土的CU试验和CD试验各做17组。经整理[13]三轴压缩试验结果见表8。

表8　尾矿三轴试验成果汇总表Table8　Shear strength parameters of the triaxial test results for tailings

从表8可以看出，固结排水剪切和固结不排水剪切试验得到的黏聚力平均值由大到小依次是尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土，内摩擦角则相反。固结排水试验获得尾粉砂的黏聚力和内摩擦角大于固结不排水测得的黏聚力和内摩擦角；固结排水试验测得尾粉土和尾粉质黏土的内摩擦角均大于固结不排水试验测得的内摩擦角，但固结排水试验测得的黏聚力均大于固结不排水试验测得的黏聚力。由于尾粉砂的黏聚力不为 0，说明尾粉砂中夹杂有尾粉土或尾粉质黏土。

3　结论

1) 通过颗粒分析试验得出尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土颗粒级配良好，连续级配分布均匀。

2) 尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土的密度平均值分别是粉砂、粉土和粉质黏土密度平均值的 1.10～1.18倍，1.10～1.18倍和1.07～1.18倍；尾粉砂、尾粉土和尾粉质黏土的比重平均值分别是粉砂、粉土和粉质黏土比重平均值的 1.20倍，1.17倍和1.14倍。

3) 尾矿料中大粒径的颗粒含量越多，黏粒含量越少，尾矿的渗透系数越大；尾矿的压缩性与其颗粒组成和渗透系数有关。

4) 在尾矿坝中同一种尾矿料深部尾矿料的抗剪强度指标大于浅层尾矿料的抗剪强度指标；密度是尾矿料抗剪强度指标的重要影响因素。