铜尾砂和钨尾砂的抗剪强度及宏细观分析

铜矿和钨矿在经过开采和选矿过程后产生大量的尾砂,尾砂的抗剪强度直接影响到尾砂筑坝的稳定安全性和材料的创新利用。尾矿库现场取回尾砂的级配曲线不同于选矿产生的全尾砂,选用合适的尾砂抗剪强度参数以及对不同尾砂抗剪强度的比较和分析有助于评估尾矿库的溃坝安全性。为了深入研究铜、钨两种尾砂的抗剪强度及异同点,针对不同粒径范围的铜、钨尾砂进行了直剪试验、X射线衍射分析和扫描电镜分析。直剪试验结果表明,干燥尾砂表现出无黏性土的强度性质,相同粒组尺寸的铜尾砂抗剪强度要高于钨尾砂的抗剪强度;铜尾砂和钨尾砂在含水率为15%情况下的抗剪强度表现出一定的黏聚力,使其抗剪强度相对于干燥状态下提高了16.7%~83.8%;随着含水率从10%增加到20%,细粒钨尾砂的内摩擦角变化不大,含水量的增加使得钨尾砂的黏聚力较明显地减小并使得抗剪强度降低。X射线衍射分析结果显示铜尾砂和钨尾砂都以石英为主晶相,其余矿物成分大都是以硅酸盐为主的次生矿物;5000倍扫描电镜照片显示细粒尾砂颗粒的表面附着一定量的黏土矿物,黏土矿物的存在导致了尾砂抗剪强度随含水率增加而发生变化。     

尾矿充填模袋界面摩擦性能试验研究

模袋法这一新型的筑坝工艺是用来解决传统上游法细粒尾矿堆坝难的问题。但目前对其力学性能的理论与试验研究还有待进一步完善,本文采用与某矿山工程施工现场一样的土工布和尾砂,通过对固结一定天数的模袋体及一定压实度的尾砂与土工布进行界面摩擦直剪试验研究。摩擦性能试验表明:对于不同压实度的尾砂与土工布界面摩擦试验和不同充填度的模袋体界面摩擦试验,压实度和填充度越大,其界面摩擦角越大;由于土工布和尾砂的共同作用,模袋的抗剪强度远大于单纯的尾砂抗剪强度,为研究尾矿充填模袋筑坝抗剪强度稳定性提供指导。     

某铜矿尾矿砂力学特性研究和稳定性分析

在揭示某铜矿尾矿坝坝体材料空间分布状态及其力学特性的基础上,利用自动搜索的电算程序STED,分析计算了尾矿坝的整体与局部稳定性,得出一些结论,可为治理方案提供科学依据和技术指导。     

铁矿尾矿料力学特性及坝体变形稳定性研究

尾矿料矿物成分复杂,物理力学特性区域差异性大。本文以西南地区某铁矿拟建尾矿库为研究对象,对粗、细两种尾矿料进行了系统的物理力学特性试验,获得了粗细尾矿料物理力学指标并应用到尾矿库坝数值分析,分析了该尾矿库坝的应力变形特性,对不同堆积高程、不同工况下尾矿库坝的安全稳定性进行计算分析。此外采用拟静力法对地震荷载作用下尾矿坝的稳定性进行分析。结果表明,粗尾矿料会呈现出剪胀和软化力学特性,而细尾矿料则无明显剪胀;尾矿坝坝体内以压应力为主,坝体表面出现小范围拉应力区;高堆积高程,坝体倾向于发生深层滑动,坝体最小安全稳定性系数较大;干滩长度增大明显提高坝体稳定性;最后对该尾矿库的安全运行提出了一些针对性措施及建议。     

A study on geotechnical characterization and stability of downstream slope of a tailings dam to improve its storage capacity (Turkey)

Tailings, waste products of the ore-dressing processes, are usually stored in a slurry form and pumped into sedimentation pond which is surrounded by natural heights and/or artificial walls. The database of International Commission of Large Dams and United Nations Environment Programme showed that several hundreds of tailings dam have failed since 1910. One of the reasons of these failures is slope instability. Construction of mine tailings dams in Turkey has started to increase, particularly in the recent decade. This paper focuses the study undertaken to assess the geotechnical characteristics and stability of downstream slope of a tailings dam at a copper-zinc mine in the Black Sea Region of Turkey. At the mine site there are two tailings dams located at two different elevations. The upper dam was completely filled and is out of service. Increasing amount of tailings filling the pond of the lower dam resulted in a limited storage, and therefore, it has been decided that heightening of the dam about 7 m to improve its storage facility would be necessary. For the purpose, a series of investigations in the vicinity of the tailings dam and some geomechanical laboratory tests were carried in conjunction with the use of empirical methods to determine mechanical properties of the current dam material, tailings and the rockfill material that will be used for heightening of the dam. The results of the static and pseudo-static stability analyses based on the methods of limit equilibrium and numerical modelling indicated that circular and non-circular failures are the most critical modes of failure for the dam and safety factor gradually decreases when the tailings rise up to a specific elevation in the pond. However, the ranges of the calculated safety factors from both methods are considerably similar and suitable for heightening of the dam by 7 m in terms of stability. The results suggest that any instability is not expected under both static and dynamic conditions after the current height of the tailings dam is increased by 7 m, if the slope geometry considered in the analyses is not changed and the tailings in the pond do not rise up to an elevation of about 475 m. In addition, magnitude of permanent settlement of the dam due to a probable earthquake was also assessed using two empirical methods and the results from both methods showed similar amount of settlements which were in tolerable limits.     

柿竹园千吨尾矿库尾矿中锡的赋存状态研究

截至2004年,柿竹园多金属矿山约有1万多吨的锡未被回收而进入了尾矿库,开展尾矿中锡的赋存状态研究对综合回收利用尾矿,解决矿产资源短缺问题具重要的意义。本文用ICP-MS、XRF、XRD、激光粒度仪、电子探针等实验手段,研究了柿竹园千吨尾矿库中Sn的赋存状态和分布特征。结果发现尾矿中Sn分布较均匀,随深度的变化不大。在较细粒尾矿中Sn主要以独立锡石和石榴子石中类质同象的形式存在,在较粗粒尾矿中主要是以类质同象形式存在。     

Anisotropic shear strength characteristics of a tailings sand

The deposition process of tailings in a tailings dam may lead to the anisotropy of mechanical properties of tailings. To investigate the anisotropic shear strength characteristics of a tailings sand, samples deposited under gravity were sheared in a modified direct shear apparatus along different orientations of the shear planes relative to the bedding plane. The experimental results reveal that the anisotropy has a substantial effect on the peak shear strength of the tailings sand, leading to a variation in peak friction angle of 10°. It is found that the effect of anisotropy on the peak shear strength of the tailings sand is mainly attributed to the effect of anisotropy on soil dilatancy. On the other hand, the effect of anisotropy on the residual friction angle of the tailing sand is relatively smaller, likely due to the partial erasure of anisotropy at large shear deformation. The degree of anisotropy is reduced by an increase in normal stress. To achieve more accurate stability analysis of tailings dams, it is suggested to take into account the shear strength anisotropy of tailings soils.     

金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析

金堆城尾矿坝为了进行加高设计而对尾矿库区进行了地质钻孔勘探。基于实际钻孔勘探成果,最佳反演分析了各分区-尾矿砂和初期坝堆石体模型的渗透系数、物理力学指标和加高方案下的浸润面分布。结合加高设计方案,采用基于有效应力法的EFES-3D计算程序对该尾矿坝加高后的应力应变场进行了数值模拟和坝坡稳定性分析,得出应力应变场分布图和边坡安全系数。可以看出,在上游法加高方案下,尾矿坝坝坡有涌起抬高现象,安全系数有所降低,不利于尾矿坝的稳定安全和运行管理。为此提出了在加高方案设计中加强排渗设施建议。     

大型高尾矿坝灾变机制与防控方法

大型高尾矿库隐患治理是"十三五"期间遏制重特大事故的重要任务和重点工程之一。高应力下尾矿材料的细观结构和宏观力学特性演化、大型尾矿坝沉积规律及复杂条件下高尾矿坝的劣化理论是其中的关键问题。为揭示尾矿细观结构特性,对尾矿材料进行了光学显微镜观察、电镜扫描和CT扫描处理,建立了尾矿材料的三维重构模型;为揭示高压下尾矿材料的力学特性,对尾矿进行了高应力三轴试验、高应力渗透固结联合试验,研究了高应力下尾矿材料的强度、渗透和固结特性;为揭示尾矿的沉积特性,进行了尾矿材料的大型模型试验,得到了矿浆流动、淤积形态、尾矿料物理力学性质的空间分布以及夹层结构在空间内的分布规律;为揭示高尾矿坝的失稳机制,通过理论分析与数值模拟,对高压下尾矿的强度准则进行了讨论,高尾矿坝的稳定性分析建议使用强度折减法;为揭示尾矿的排渗设施淤堵机制与服役性能,进行了尾矿-土工布渗透试验以及微观观测,发现细粒尾矿更容易产生物理淤堵,且化学淤堵程度与溶液中离子的种类和浓度有关;为了推进尾矿坝风险管控技术,搭建了尾矿库重大风险评估监测系统平台,以便实现尾矿库基础数据的提取、实时风险预警等智能化功能。通过以上坝体劣化理论研究、溃坝灾害评估与预警,提升了我国大型高尾矿库筑坝与灾害防控水平。     

米箭沟尾矿坝加高方案渗流场数值分析

米箭沟尾矿坝为了进行加高设计而进行了尾矿库区的地质钻孔勘探。基于实际钻孔勘探成果的最佳反演分析各分区-尾矿砂、风化岩体和初期坝堆石体的模型渗透参数和加高设计方案,采用三维有限元数值计算方法,应用自主开发的3D-Seepage-Stress程序进行了该尾矿坝加高后渗流场数值分析,得出渗流场各要素分布图。可以看出,在此加高方案下,尾矿坝库区浸润线和溢出点都很高,不利于尾矿坝的稳定安全和运行管理。为此提出了在加高方案设计中加强排渗设施设计的初步方案与建议。     

基于流固耦合理论某尾矿坝失稳特性及稳定性分析

选用典型的尾矿库工程实例,采用流固耦合和强度折减法相结合对其尾矿坝进行稳定性分析,确定尾矿库渗流场分布及浸润线的位置,该浸润线位置与实测浸润线位置吻合较好。建议强度折减过程中尾矿坝的失稳准则,计算安全系数,确定潜在滑裂面的位置,并与极限平衡法计算出的安全系数及临界滑裂面位置进行比较,表明强度折减法得出的结果与Bishop法结果接近,流固耦合-强度折减法在尾矿库稳定性分析的可行性。在该基础上研究尾矿坝潜在的失稳模式,将尾矿坝潜在的失稳模式分为局部失稳和整体性失稳两种,局部失稳为尾矿坝的部分坝面发生滑移,整体失稳为整个尾矿坝坝体发生失稳,并分析导致该尾矿坝两种失稳模式的主要因素,认为浸润线埋深过浅是导致局部失稳的主要原因。     

云南个旧锡多金属矿区尾矿元素地球化学特征

云南省个旧地区锡多金属矿以锡矿资源闻名于世界,自20世纪50年代以来,经历大规模矿产开发,目前共有尾矿库31座,积存尾矿超过1.9亿t。面对数量如此巨大的潜在资源与污染源,查明尾矿中元素的含量、分布特征及其控制因素显得尤为重要。本文针对个旧地区尾矿类型复杂、成矿及共伴生元素多样等特点,以"面上控制、重点剖析"的原则,采用概查和详查两种调查方法,对矿区内的尾矿库进行了系统的地球化学调查,完成了19个尾矿库的概查和2个尾矿库的详查工作,取得了如下认识:(1)个旧矿区不同尾矿库间的物质成分和元素含量差别较大。同一尾矿库中元素分布也不均匀,在横向上和垂向上均有分异性;(2)入选矿石类型、排砂过程中的重力分选作用和选矿工艺的差异是影响尾矿库中元素分布的主要因素;(3)总结和梳理了一套尾矿地球化学调查方法技术;(4)个旧矿区尾矿中成矿与伴生元素Sn、Cu、Fe、Pb、Zn、In、Ga、As等元素含量普遍较高,具有巨大潜在利用价值,同时As、Cd、Cu、Pb和Zn等元素对周边环境存在较大风险,值得重视。     

基于动力离心试验的软基尾矿库地震响应研究

基于离心机振动台,分别针对典型软基尾黏土尾矿库及加高扩容后的尾矿库开展了动力离心模型试验,重点探究了加速度分布规律、软土及尾矿内部孔压变化规律以及“软基?库内尾矿?尾矿坝”系统的变形规律等内容。试验结果表明：软基对地震动的放大效应较为微弱,而坝体加速度沿高程逐渐放大,高层子坝加速度响应最为强烈,加高扩容后的现坝顶加速度响应可达原坝顶的2.2倍;地震作用下软土与库内尾矿内部均会产生一定的孔压增量,但未达到液化状态。地震动强度、软基及库内尾矿的固结状态对尾矿库的变形模式影响较大。当固结不充分时,在强震作用下易发生尾矿的水平滑移,进而造成坝顶及下游软土隆起。在固结较为充分且地震动强度较弱的情况下,变形模式以震陷为主。该试验成果将为此类尾矿库的动力稳定分析及抗震加固设计提供一定参考。     

考虑粒组分类影响的最小孔隙比分布及模型验证

最小孔隙比是确定岩土体的密实程度与孔隙特征的有效物理指标,如何快速有效地确定岩土体的最小孔隙比,可为岩土体的固结与稳定提供可靠参数。多数估算细粗混合材料最小孔隙比的模型参数与细粗粒径比一一对应,导致估算困难。在分析尾矿粒度组成、沉积规律和固结稳定的基础上,以8种不同粗细粒径,7～9种不同细粒含量尾矿为试验对象,拟合得到不同粒组尾矿最小孔隙比分布模型参数的函数关系;基于混合尾矿颗粒的粒组特征,给出了确定参数幂函数关系的指数值。分别采用模型参数要求粒组范围内的其他6组岩土材料和非粒组范围内的3组岩土材料进行验证。结果表明,考虑粒组分类影响下的模型,参数简单,对不同材料的最小孔隙比估算准确率较高,给出的最小孔隙比的分布规律合理,可为岩土工程领域最小孔隙比估算提供可靠的计算方法。     

高浓缩分级尾矿上游法堆坝及模型试验研究

针对传统上游法尾矿库堆坝方法的缺陷与不足,提出了改进的上游法堆坝方法,即高浓缩分级尾矿上游法堆坝方法。基于尾矿库堆坝模型试验,以高浓缩尾矿堆存技术为指导,分别进行传统上游法和改进上游法的高浓缩尾矿堆坝模型试验,演绎尾矿库堆坝过程,测试并得出了堆坝过程中滩面尾矿沉积情况、尾矿颗粒分布规律及浸润线变化规律,并采用极限平衡法计算不同堆坝方式下坝体的最小安全系数。结果显示：高浓缩尾矿堆坝使沉积滩颗粒分布均匀,颗粒分级不明显,减少了互层和细泥夹层的出现,改善了坝体内部结构;改进上游法堆坝可以形成有利于排渗防洪的良好沉积滩滩型;稳定性分析结果表明,改进上游法堆坝方法可以使尾矿坝的稳定性提高19%～33%,研究成果可为新建尾矿库工程提供试验技术支撑。     

Characterization of Kolar gold field mine tailings for cyanide and acid drainage

The gold mining process at Kolar gold field (KGF) mines has generated about 32 million tons of tailings. Gold was extracted from the mined ores using cyanidation technique that involved dissolution of gold in the ore by water soluble alkali metal cyanides (example, sodium cyanide or potassium cyanide). Of the several dumps that received the mine tailings only the Kennedy’s Line dump was active prior to closure of the KGF mines in the year 2000. The Kennedy’s Line dump received sulfide bearing tailings in slurry form that comprised of spent ore and process water bearing soluble alkali metal cyanide. Depending on the pH of the tailing slurry, the free cyanides may exist as aqueous hydrogen cyanide that can escape to the atmosphere as hydrogen cyanide gas or occur as soluble cyanide (CN⁻) ions that can be leached by infiltrating water to the sub-surface environment. Additionally, the presence of pyrite minerals in the Kennedy’s Line dump makes them susceptible to acid drainage. This study examines the potential of gold tailings of Kennedy’s Line dump to release cyanide ions (CN⁻) and acid drainage to the sub-surface environment by performing physico-chemical and leaching tests with tailing samples collected from various depths of the dump, sub-surface soil samples beneath the dump and groundwater samples from vicinity of Kennedy’s Line dump. The chemical mechanisms responsible for the ambient cyanide and pH levels of the tailing dump, sub-surface soil samples and groundwater are also inferred from the laboratory results.     

基于有限元极限平衡法的尾矿坝坝体稳定分析

在平面应变条件下,采用基于弹塑性应力应变分析的有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行研究。该方法可较好地结合极限平衡分析方法和有限元应力分析方法的特点。通过弹塑性有限元分析,合理准确地考虑结构整体应力场的影响,进而结合Hooke-Jeeves法优化搜索最危险滑动面的位置及其对应的最小安全系数。以某尾矿坝实际工程为例,比较分析了考虑正常、洪水以及特殊工况运行下有限元极限平衡法与极限平衡条分法和有限元强度折减法在安全系数大小及滑动面形状和位置的差异,重点运用有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行验算并作出安全评价,为尾矿坝的安全设计施工提供可靠依据和技术支撑。     

堰塞坝体材料渗透特性及其稳定性研究

堰塞坝是由于崩塌、滑坡、泥石流等形成的天然坝体,不同于人工土石坝,堰塞坝坝体结构松散,颗粒级配不均匀,在较高水头作用下坝体可能发生渗透破坏而导致溃坝,严重威胁下游人民群众的生命及财产安全。由于堰塞坝存在较大粒径颗粒,常规的渗透试验装置难以满足要求,本文研制了直径为60cm的大直径渗透试验仪,进行了不同堰塞坝级配材料的渗透破坏试验,并探讨了堰塞坝体材料渗透特性的主要影响因素。研究发现:（1）堰塞坝材料的渗透破坏形式取决于材料级配,粗颗粒含量较多时为管涌破坏,细颗粒含量较多或粒径缺失时为流土破坏;（2）堰塞坝渗透系数随干密度的增大而减小,主要取决于细料填充粗料孔隙的程度,单独使用不均匀系数或曲率系数不适用于评价渗透系数的变化;（3）基于试验数据提出了用于堰塞坝渗流破坏形式的判别公式,并推导出堰塞坝管涌破坏的临界水力坡降计算公式。     

Evaluation of Plasticity Models’ Ability to Analyze Typical Earth Dams’ Soil Materials

The selection of the constitutive laws reproducing the response of geomaterials usually becomes a very complicated procedure; especially during the analysis of geostructures containing coarse grained materials. The objective of this study, is the evaluation of models based on the perfect and hardening plasticity theory, regarding their ability to analyze the behaviour of soil materials, used for the construction of earth dams. The evaluated constitutive laws are the elastic–perfect plastic model based on the Mohr–Coulomb failure criterion and the isotropic hardening CAP model based on the same criterion. The data used for the evaluation of the models, originate from the body of the Sfikia earth dam. This dam is considered suitable, because of the specialized laboratory tests’ available data, regarding the materials of every zone. The availability of those data, as well as the variety of the construction geomaterials, allows the deduction of generalized conclusions, concerning the ability of the specific models to simulate a variety of similar earth constructions.     

压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律

对某高坝心墙黏土进行了三轴压缩过程中的轴向渗透试验,观测了不同压实密度的试样在不同围压下轴向渗透系数随轴向应变的变化过程以及试样的变形形态。试验发现,三轴压缩过程中试样的渗透系数的变化趋势与压实密度和围压有关。当围压大于试样的前期固结压力时,试样在三轴压缩过程中一直呈现体缩,变得更密实,因而渗透系数随着轴向应变的增加而减小,最后趋于稳定。当围压远小于试样的前期固结压力时,试样产生了对抗渗不利的集中剪切带,集中剪切带成为渗流通道,使得试样的表观轴向渗透系数随轴向应变的增加而显著增大。重度压实的黏土在低围压下的大剪切变形下会产生高渗漏性的集中剪切带的试验事实,可以用来解释土石坝心墙的局部渗漏现象。