关于高堆尾矿细粒夹层异质性与粗粒破碎效应分析

随着矿产资源大规模的开采，尾矿产量越来越多，使得尾矿坝的数量和坝高逐年向大规模方向发展。另外新建尾矿库征地困难，不得不使尾矿坝向加高扩容方向发展。这使得高坝大库迅速增多，从而使得尾矿坝底部尾矿材料处于高应力环境。高应力下土体的力学特性伴随着非线性，以往低应力下的尾矿研究理论是不能完全满足高堆尾矿坝安全设计
1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.1.1 尾矿及尾矿相关工程基本概念

我国当前仍然处在不断的发展过程中，基础设施的建设和经济社会财富的积累和发展水平仍然远低于发达国家。为了尽快实现我国社会主义现代化，完成“两个一百年”的宏大战略目标。我国对主要消费品和矿产资源的直接消费需求总体上仍将会长期处于快速上升的态势，而且这一态势仍将持续较长的一段时间。根据国家统计数据分析，2012 年以来，我国每年的矿产资源开采总量一直超过 100 亿吨，其中针对有色金属和大型铁矿石的勘探开采和生产总量每年平均增长超过了 20 亿吨，远高于世界各国自然资源开发的平均水平。目前，我国大型粗钢、十种有色金属、黄金等的年均产量和消费量均高于世界各国水平。例如，根据国家统计局最近公布的标志性数据统计资料显示，2018 年我国黑色金属中粗钢产量高达 9.28 亿吨，有色金属中的十种金属总产量高达 5688 万吨[1]。要产出如此规模的矿产资源，必定伴随着巨量的矿石开采。根据《中国矿产资源节约与综合利用报告(2019)》介绍[2]，我国天然矿产资源的主要特点可以概括为“三多三少”，即单一或少量矿种的矿床较少，多共生的矿床较多；大型、超大型矿床较少、中小型矿床较多；贫矿多富矿少，低品位矿所占比例较大。由于我国一直以来对自然资源开发的规模较大，使得我国主要矿山的开采深度不断加深，开采矿石的品位越来越低。这将使得经开采出来的有用矿石经破碎选矿后也将产生大量的无用或按当前技术暂时没有利用价值的废渣，这些废渣即为尾矿。尾矿的概念可表述为在特定经济技术条件下，选矿厂将矿石磨细，选取有用组分后所排放的废弃物[3]。一般是由选矿厂排放的尾矿矿浆经自然脱水后形成的固

体矿业废料，是固体工业废料的组成部分，尾矿中含有一定数量的有用金属和矿物，随着选矿技术的发展，这部分有用金属可进行二次选矿。因此尾矿具有粒度细、数量大、成本低、可用性大的特点。截至 2016 年底，全国尾矿堆积总量已超过 200 亿吨，其中 2012 年~2016 年连续五年尾矿产生量在 16 亿吨以上，平均年利用量仅为 3.51 亿吨，利用率 20.4%，并且正以每年有超过 14 亿吨尾矿被堆积至尾矿库[4, 5]。尾矿中又以铁矿、铜矿、金矿等产生的尾矿为主。由于尾矿一般含有重金属离子，随意排放将对环境产生污染。因此，小部分尾矿被作为矿山充填或者其他的综合利用外，绝大部分尾矿仍需要建造尾矿库进行贮存。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 细粒夹层异质力学特性研究现状

含有软弱面岩土材料广泛分布于自然界，类如页岩[64, 65]，砂岩[66, 67]的层理结构，盐岩[68, 69]的层状结构。Fujian 砂，Ottawa 标准砂长轴定向结构[70, 71]。岩土材料的软弱面对其破坏特性有显著影响[72, 73]，常引起材料的各向异性行为。Oda[74]在研究模型条形基础的承载力时，认为加载方向和沉积面垂直时获得的承载力与在加载方向和沉积面平行时获得的承载力差别可达 34%。Yong 和 Silvestri[75]研究发现，灵敏土的无侧限抗压强度的最小值是最大值的 60%～75%。Fomenko[76]基于极限平衡理论对土质边坡发生滑移的可能性进行了研究，得出在不考虑各向异性的情况下，土质边坡的安全系数为 1.765，在考虑各向异性的情况下，安全系数将降低至 1.098。Nishimura[77]采用空心扭剪研究了天然伦敦黏土强度的各向异性，得出在 Bishop 参数 b = 0.5 的条件下，最大应力比 q / p 比最小应力比高 40%。Hu[78]针对各向异性渗流问题，提出了基于傅里叶级数展开法的拉普拉斯微分控制方程的解析解，得出各向异性渗流对主动土压力分布有显着影响。Asadi[79]通过对多层路面道路进行分析，发现当还假设为传统各向同性材料时，对工程稳定性评价会存在偏高的风险。Chen[80]利用改进后的直剪装置，研究了不规则尾砂自重下落后的力学特性，得出不同倾角下的尾矿峰值强度存在明显的差异。Cheng[81]利用 SEM分析了尾坝上不同地点尾砂的细观结构特征，得出靠近坝体尾矿呈菱角分明的粗尾料，远离坝体尾料呈凝絮状，组构差异明显，引起的力学差异较大。

 

2 高堆尾矿夹层异质性对尾矿力学特征影响研究

高堆尾矿坝作为人工构筑坝体，在水力沉积过程中，常形成粗细颗粒分层结构或透镜体结构，这些结构存在对坝体的危害极大，基本所有的失稳破坏都将沿这些结构发展。虽然这些结构是呈水平或近似水平分布，但是由于主应力方向的不确定性，这些结构平面也将与主应力方向形成不同的夹层倾。此外高堆尾矿坝中深部尾矿处于高应力环境，由沉积形成的细粒结构及透镜体的软化作用规律与常压下将呈现一些差别。本章通过将传统的平面击杆加工成斜面击杆，制备了含不同大小夹层倾角的细粒夹层试样，并在室内三轴的基础上，开展了含夹层试样的固结不排水试验，研究了常压与高压下夹层异质力学特性对尾矿力学特征的影响。对比了常压与高压下的试验结果，分析了由应力因子产生的异同特征。

2.1 试样材料及方法

2.1.1 试验仪器

本章试验中，对于围压小于 400 kPa 的试验采用应变控制式 SJ-1A.G 三轴仪进行试验，对于围压大于 400 kPa 的试验采用应变控制式高压三轴仪。这两台仪器都可进行不固结不排水剪(UU 剪)、固结不排水剪(CU 剪)、固结排水剪(CD 剪)三种类型试验。应变控制式 SJ-1A.G 三轴仪设备主要有压力室、轴向加压设备、变速机构、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统及测定试样体积变化系统。试验机原理图如图 2.1 所示。应变控制式高压三轴仪设备主要包括压力试验机、高压三轴压力室、压力体积控制器、数据采集系统四大部件。三轴压力室为不锈钢材料制成，壁厚为 12 mm，围压连接管采用铜制材料，试验最高围压可达 5MPa，反压为 1MPa。高压三轴试验机如图 3.1 所示。电机的最大行程为 80 mm。轴向荷载传感器最大荷载为 60 kN，轴向位移传感器最大测量范围为 20 mm，压力体积控制器体积变化容量为 200 ml。

2.2 常压下细粒夹层异质性对尾矿强度特征的影响

2.2.1 应力-应变特性

尾砂样在不同固结压力下进行不排水试验，可获得轴向变形 及偏应力，据此可得到各倾角细粒夹层状态下的应力应变关系。如图 2.6 所示为含夹层尾矿应力应变关系曲线。从图 2.6 可知，夹层倾角较大试样的应力应变关系为典型的应变软化型，夹层倾角较小的试样及重塑样表现为应变强化型。

对于夹层倾角为 0°，15°的夹层试样而言，在初始加载阶段，偏应力随着轴向应变而迅速增加，当轴向应变达到某一数值时，应力-应变曲线的斜率逐渐平缓，在大应变时，偏应力达到试样的峰值。试样峰值强度接近于纯粗样。试样的应力-应变关系为应变硬化型。对于夹层夹角为 30°的试样而言，在 100 kPa 和 200 kPa 围压下，其应力-应变关系与 0°和 15°夹角的应力-应变关系相似，为应变硬化型，试样强度接近纯粗样强度。但是在 400 kPa 围压下，其应力-应变关系为应变软化型，在 11％的轴向应变下出现了明显的应力下降，残余强度接近由纯细粒样强度。这表明试样夹层倾角 30°是处于应变硬化与应变软化的临界点。对于夹层倾角为 45°，60°的夹层试样而言，偏应力随轴向变形快速增加，且很快达到峰值状态，对应的轴向变形。随后随轴向应变的增加，偏应力减少，并逐渐向纯细粒样的强度靠近，基本稳定在某一数值。试样的应力-应变关系为应变软化型。根据上述分析可以得出，随着夹层倾角的增加，含夹层试样的应力-应变关系逐渐由应变硬化向应变软化转变。夹层倾角为 45°和 60°的夹层试样是易于发生应变软化行为的，类似于不排水剪切试验条件下的松砂力学行为[142]，这表明，在当夹层倾角较大时，细粒夹层的存在严重弱化了试样的强度。

3 夹层异质性失稳机理与变形机制......................................................................... 45

3.1 宏观失稳机理........................................................................................................................ 45

3.2 微观失稳机理........................................................................................................................ 49

3.3 变形机制分析........................................................................................................................ 52

3.4 本章小结................................................................................................................................ 53

4 夹层异质性对尾矿细观力学特征影响研究.................................................... 55

4.1 柔性伺服原理........................................................................................................................ 55

4.2 含夹层尾砂模型构建与参数选取 ........................................................................................ 57

4.3 室内试验验证........................................................................................................................ 59

4.4 试验结果分析........................................................................................................................ 61

5 高应力下尾矿颗粒破碎特征试验研究...............................................................73

5.1 试样材料及方法 ....................................................................................................................73

5.2 高应下尾矿力学特性分析 ....................................................................................................75

5.3 颗粒破碎定性化研究 ............................................................................................................89

5.4 颗粒破碎定量化研究 ............................................................................................................94

6 高应力下尾矿颗粒破碎数值试验 ....................................................................... 111

6.1 随机多边形构建原理 .......................................................................................................... 111

6.2 数值模型的构建与参数选取 .............................................................................................. 113

6.3 力学特性分析 ...................................................................................................................... 115

6.4 本章小结 ..............................................................................................................................127

6 高应力下尾矿颗粒破碎数值试验

尾矿是由颗粒大小不一，形态不规则颗粒彼此充填而成的散粒集合体，在高应力作用下易发生颗粒破碎，颗粒破碎对其力学性质有较大影响。由于数值试验的可重复性，低廉性，并且可从细观层面揭示尾矿破碎的细观力学变化，可作为物理试验有效补充手段。本章为从细观层面上分析颗粒破碎对尾矿力学特性的影响。采用随机多变形原理，构建了不规则可破碎的尾矿柔性簇颗粒单元。开展了高应力条件下的离散元双轴试验，从宏细观角度上分析了应力状态对尾砂力学及破碎特性的影响。提出了采用剪切破碎带表征试样破坏变形的新手段。利用声发射技术监测手段，研究了尾矿颗粒破碎过程中微裂纹演变规律。基于热力学第一定律，分析了尾矿颗粒破碎过程中破碎能的演变特征。

6.1 随机多边形构建原理

经选矿分选后的尾矿颗粒是带有明显的不规则边界，因此采用非球形颗粒单元能克服刚性圆形颗粒模拟尾矿颗粒的力学缺陷。在非球形颗粒单元开发中，主要存在两种形式的颗粒单元：(1) 刚性颗粒簇clump; (2) 柔性颗粒簇cluster。刚性颗粒簇可模拟颗粒单元的非球形特征，但是颗粒不能破碎。柔性颗粒簇不仅可模拟颗粒单元的非球形特征，而且还能模拟颗粒破碎特征。因此依靠生成的柔性颗粒簇更能实际反应散体材料的力学特征。高压条件下尾矿颗粒将产生明显的破碎特征，因此需采用柔性颗粒簇模拟尾矿破碎特征。此外，由于尾矿的基本形状为不规则多面体，二维条件下可近似为随机多边形。因此采用随机不规则的多边形柔性颗粒簇表征尾矿颗粒单元，可较为真实的捕捉尾矿在高应力下的力学特征。由于实际散体颗粒单元的形状是随机的，因为在构建颗粒单元时，需引进随机数来确定颗粒体的形状及尺寸，以确保生成的多边形颗粒单元具备随机性。实际的散体颗粒形状复杂，常常凹凸不平，为了更加符合实际颗粒形状，采用任意凹凸多边形进行模拟。生成方法为在某一粒径圆上取不规则多边形，随机多边形的生成示意图如图

7 结论与展望

随着矿产资源大规模的开采，尾矿产量越来越多，使得尾矿坝的数量和坝高逐年向大规模方向发展。另外新建尾矿库征地困难，不得不使尾矿坝向加高扩容方向发展。这使得高坝大库迅速增多，从而使得尾矿坝底部尾矿材料处于高应力环境。高应力下土体的力学特性伴随着非线性，以往低应力下的尾矿研究理论是不能完全满足高堆尾矿坝安全设计。不断增多的高势能风险源，对周围环境及人身财产安全提出了更高的要求。此外，鉴于我国目前大部分尾矿库采用湿法堆积构建尾矿库。湿法堆积构建尾矿库通过水力充填自然沉积形成沉积型尾矿坝。这些透镜体通常由细颗粒组成。细粒尾矿的力学性能较差，通常会导致尾矿坝的破坏。这些细粒结构的出现破坏了尾矿正常沉积规律，空间上表现为不连续性。粗细颗粒材料力学差异明显，在垂直、平行或斜交于层面方向时具有明显不同的强度和变形破坏特征，各向异性明显。这些结构体分布状况和力学性质等对尾矿坝的稳定性起着至关重要的作用。因此，本文着眼于我国尾矿库朝向高坝发展与水力自然沉积的特点。利用室内三轴试验和 PFC2D 数值模拟手段，采用数学、力学等分析方法，开展高堆尾矿细粒夹层异质性与粗粒破碎效应研究，为高坝尾矿的建造及尾矿库扩容加高延长服务年限提供了技术支撑。