尾矿酸化及其对尾矿砂抗剪强度的影响研究

为揭示尾矿酸化本质及其对尾矿砂抗剪强度的影响,开展了动态浸渍试验.从湖南省某铅锌矿采取了尾矿砂试样,采取加入双氧水的方式促使尾矿砂中的硫化物(主要为黄铁矿)发生氧化产酸.在浸泡试验的基础上开展了MLA(矿物解离分析仪)矿物成分分析、颗粒分析、抗剪强度等一系列实验.试验结果表明:尾矿矿物成分中随着黄铁矿氧化程度的增加,黄铁矿含量减少、碱性物质(方解石、白云母)减少、砂粒(粗粒)含量减少、粉粒(细粒)含量增加、粘聚力C增大、摩察角φ减小、尾矿砂土抗剪强度降低.     

浑水渗流试验研究

现实中常常面临浑水渗流问题,而这方面的理论却并不多。浑水渗流具有随时间增长,渗流水中悬浮物不断沉积,导致地层渗透系数和整体渗透系数都不断变化的特点。浑水渗流是一个变水头非稳定渗流过程,尤其在黄河灌区,这类工程问题有长期浑水灌溉对土壤渗透性的影响,还有浑水在坝前淤积对绕坝渗流的影响。通过试验,测定了尾矿砂的颗粒级配曲线。开展了相同入渗水头,相同浑水含沙量,相同级配尾矿砂条件下浑水渗流试验研究。分析了渗流量随时间的变化情况以及浑水渗流对尾矿坝的影响。     

羊拉铜矿尾矿料的物理力学性质

以云南省迪庆矿业公司羊拉铜矿的尾矿料为研究对象,按照该矿尾矿堆坝工艺(中线法)的颗粒组成要求,通过人工配料对该矿的全尾矿砂、粗尾矿砂、细尾矿砂的物理力学性质进行了全面测试与研究.对三种尾矿砂的测试结果分析发现:尾矿砂的压缩性、渗透性与尾矿的粒径、孔隙比的关系比较密切.尾矿的各向异性和非均匀性对尾矿的渗透性有很大影响,试验结果显示粗、细尾矿的渗透性都要大于全尾矿的渗透性.还对3种试样的抗剪强度特性进行了分析,试验结果不仅为羊拉铜矿尾矿坝的设计及其稳定性评价提供了基础数据,而且为研究尾矿土的工程力学特性等提供了更详实的资料.     

浑水入渗砂柱孔隙水压变化试验

浑水渗流的一大特点就是一个非稳定渗流过程,一个不同于变水头渗流的非稳定渗流,地层的渗透路径和整体渗透系数随着时间的增长不断变化,渗流水中的悬浮物也会随着时间的增长不断的沉积。这类工程问题有长期浑水灌溉对土壤渗透性能的影响,洪水在坝前淤积淤泥对绕坝渗流的影响。通过试验,测定了尾矿砂的颗粒级配曲线,主要成分为二氧化硅,又开展了不同入渗水头,不同浑水含沙量,不同级配尾矿砂条件下,浑水渗流的砂柱的试验研究,分析了水头高度随时间的变化情况。     

基于CT技术的混凝土孔隙结构冻融损伤试验

运用电子计算机断层扫描(CT)技术对经历冻融循环后的混凝土试样细观损伤过程进行实时扫描,获得二维断层扫描图像。在此基础上,运用图像处理技术对孔隙结构进行三维重建,得到不同冻融循环次数下试样内部孔隙结构的空间分布特征与演化规律,以此分析孔隙结构与单轴抗压强度之间的关系。运用分形理论对冻融环境下试样孔隙结构与冻融循环次数的关系进行定量化描述。研究结果表明:试样内部孔隙的结构分布特征和演化规律与其力学性质和宏观破损特征密切相关。在冻融循环作用下,混凝土孔隙率随冻融循环次数的增加而逐渐增大,并与单轴抗压强度呈负相关;混凝土试样孔隙盒维数呈现初期降低后期增加的变化规律,即在孔隙结构的扩展经历了复杂无序—单一有序—复杂无序的演化过程。     

不同粒级与结构铁尾矿渗透破坏模式判别方法

渗透破坏是引起尾矿坝事故的重要原因。渗透破坏模式不同，影响也不尽相同。有必要对其判别方法进行研究，进而有效预判可能发生的尾矿坝渗透破坏形式，从而更为有效的保护尾矿坝下游人员的生命与财产安全。通过开展铁尾矿的渗透破坏试验，电镜扫描观测，显微镜观测，对细颗粒含量与结构影响下的铁尾矿渗透破坏模式进行了分析。研究表明：1）应用现行的一些渗透破坏模式判别方法对铁尾矿渗透破坏模式进行判别时，其准确性降低。2）以达西定律为基础，提出采用渗透系数对平均孔隙直径进行计算的方法，这种方法可以有效计算均匀尾矿的平均孔隙直径，沉积尾矿粗、细粒层的平均孔隙直径。为后续尾矿渗透破坏模式的判别提供有力依据。3）提出了适用于铁尾矿的渗透破坏模式判别方法。对不同粒级与结构铁尾矿的渗透破坏模式判别准确性较高。开展砂槽试验，在较大尺度范围上对提出的铁尾矿渗透破坏模式判别方法进行了验证，结果较为准确。研究成果对维持尾矿坝安全运行具有一定指导意义。     

基于图像处理的矿石颗粒三维微观孔隙结构演化

采用高精度显微CT技术及三维图像分析方法研究氧化铜矿石颗粒在酸浸前后内部微观孔隙结构特征及其演变,考察孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙连通度、孔隙分维等参数的变化规律。结果表明：酸浸后矿石颗粒的孔隙率明显增加,孔隙尺寸分布范围更广,出现一定比例的大孔隙,平均孔隙直径增加2~3倍;孔隙连通度在酸浸前基本为零,酸浸后明显增加,并在各方向上呈现空间变异性;孔隙分维数在浸出结束后也有所增大,且在一定范围内与孔隙率及平均孔隙直径呈指数增长关系。借助三维图像分析可实现矿石浸出过程中内部微观孔隙结构的定量描述,从而揭示矿石颗粒孔隙结构的演化规律。     

初始含水量及冻融循环对黄土微结构的影响

冻融循环作用是季节性冻土地区工程病害发生的主要致灾因子。在冻融循环作用下,土体结构性逐渐丧失、强度不断劣化,最终导致灾害的发生。以延安市延安新区黄土为研究对象,配置不同初始含水量试样,经历0、1、3、6、10、15次冻融循环,通过SIGMA500扫描电子显微镜观察试样微观结构的演化规律。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,试样内部裂纹、裂缝不断发育演化,水分迁移通道不断扩展;初始含水量高的试样裂纹裂缝发育演化越明显;冻融循环作用使得试样内部大颗粒分解为若干小颗粒、颗粒表面的棱角不断磨圆、表面起伏不断减小;当冻融循环10次以后,颗粒大小、颗粒形状、表面起伏趋于稳定,试样颗粒尺寸趋于统一,试样大孔隙减小,小空隙增多,总体孔隙率增大。试样颗粒间的胶结强度随着冻融循环次数的增加不断减小,破碎作用产生的小颗粒造成粒间的接触点增多,致使试样的内摩擦角增大。     

盐分对遗址土体渗透性及孔径的影响

为了探讨盐分对遗址土体渗透性的影响,通过室内变水头饱和渗透试验,对洗盐后的素土分别以0.2%(质量分数)的梯度加入Na Cl和Na2SO4这2种可溶盐,测试特定盐分含量和类别的含盐土的渗透系数,同时,通过压汞试验测试含盐土体内部空隙结构的变化,从微观上对渗透试验结果进行论证。研究结果表明:随着含盐量的增加,含盐试样的渗透系数逐渐减小,两者符合较好的负指数相关性;随着含盐量增加,含盐试样的孔径分布曲线逐渐向左发生偏移;孔径分布曲线的峰值点随含盐量增加,呈现出以指数形式减小,这一点与渗透试验结果相对应;土体内部的孔隙结构与其渗透性直接相关,盐分的存在会对土体内部的孔隙起到一定程度的堵塞和充填作用,从而影响土体的渗透性。     

不同硫酸钠含量条件下吹填超软土的力学特性试验研究

吹填土中所含的丰富的可溶盐对其物理力学特性有着极大的影响.通过配置不同硫酸钠掺量的含盐吹填土试样,研究了可溶盐含量对吹填土强度及变形特性的影响,并利用SEM电镜扫描试验分析了吹填土微观结构特征的变化规律,从微观角度分析了其宏观力学特性的变化机理.研究结果表明:由于钠离子作用,土颗粒吸附水膜的厚度不断增大,粒间吸引团聚作用减弱,吹填土试样内部孔隙增大,结构更加疏松,宏观上表现为强度不断减小(最大降低幅度达44.1%),压缩性相应增大;随着含盐量的不断增加,由于硫酸钠的结晶及相关离子反应导致硫酸钙的生成,吹填土试样内部胶结作用有所增强,强度会出现约29.6%的增长,压缩性相应减小.而当含水量增大时,钠离子对土颗粒团聚作用的影响以及硫酸钠的结晶作用被弱化,硫酸钙对吹填土的增强作用对其力学特性有更显著的影响.试样内部开始有明显的粒间胶结物生成,粒间孔隙减小,颗粒团聚,形成了较明显的团粒结构,土骨架效应显著,宏观上呈现出抗剪强度不断增大(最大增幅约335.5%)、压缩性不断减小的变化特点.吹填土试样在可溶盐环境下的应力-应变关系呈现应变硬化特征.     

不同固结压力作用下黄土微观结构试验研究

为研究在不同固结压力作用下,黄土微观结构的变化规律,试验通过制备黄土试样,用电镜扫描(SEM)获取各个固结程度下黄土微观结构图像并利用IPP图像处理软件对微观图像参数计算和参数分类。结果表明:随着固结压力逐渐增大,黄土试样微观结构内部骨架单元体聚合物的连接方式,由架空孔隙向镶嵌孔隙转变,结构逐渐密实,稳定性逐渐增强;在各个固结压力作用下,孔隙数量随着孔径增大而减少,孔隙面积随孔径的增大而增大,大孔隙的变化一定程度上影响了土的工程性质;固结后土体的孔隙面积在各个角度区位分布越均匀时,土体受到的扰动越大;土体受固结扰动后,微孔隙的形状没有发生较大变化,部分小、中孔隙产生变形,大孔隙逐渐被消散,向着椭圆率更小的方向发展。     

基于细观力学的土体渗透稳定分析方法研究

讨论了颗粒分析方法的发展现状和力学理论基础,尝试了一种用传统渗流理论确定工程体渗透稳定的薄弱部位,用颗粒分析方法研究其渗透稳定性的新方法.以某水库大坝反滤层的渗透稳定性研究为例,采用商业软件Geostudio2007的Seep模块确定大坝反滤层的最不利部位及其渗透坡降,用反滤层的级配包络曲线和压实密度生成细观分析模型,用宏观模型计算结果作为细观分析的边界条件,最后采用基于离散单元理论的颗粒方法软件PFC研究大坝反滤层的渗透稳定性及其允许渗透坡降.计算结果表明,随着细观模型压力水头的增加,颗粒将产生移动,细观模型内部结构逐渐改变.当压力水头达到阀值时,细观模型中的渗透破坏通道完全形成.揭示了反滤层的安全与否取决于其级配组成、密度和所承受的水头.     

酸化条件下尾矿砂颗粒形貌变化特性及机理研究

尾矿砂是矿石在经过机械破碎和分选后形成的产物,颗粒整体具有扁平度较高、圆度低以及形状极不规则等特点。尾矿砂在酸化后表面原有几何形状会遭到破坏,进而改变了颗粒与颗粒之间的接触、咬合方式等,从而影响土体的内摩擦角与抗剪强度等物理力学性质。为了揭示尾矿酸化对尾矿砂颗粒形状的影响,对尾矿砂进行化学浸泡实验,通过控制过氧化氢溶液的用量,模拟不同堆积时期尾矿砂的酸化效果。利用ImageJ图形软件对不同程度酸化的尾矿砂颗粒进行黑白二值化处理,获取颗粒形状轮廓边界,并从三个层面计算尾矿砂颗粒的形状参数值。研究结果表明,随着酸化程度的加深,尾矿砂的扁平度统计平均值从1.457降至1.332;尾矿砂的圆度统计平均值整体略有增加;而尾矿砂的形状系数统计平均值则从0.843增加至0.876。此外,采用分形理论讨论了酸化对尾矿砂颗粒形状轮廓的影响,结果表明,随着酸化程度的加深尾矿砂颗粒形状逐渐规则化。     

中低围压花岗岩细观破坏机制的数值模拟

采用数字图像处理技术表征花岗岩的细观结构,利用基于数字图像的岩石破裂过程分析系统(RFPA-DIP)建立反映花岗岩内部矿物颗粒分布的数值模型,进行花岗岩压缩数值试验,分析花岗岩压缩荷载作用下破坏机理.研究结果表明,花岗岩非均匀的细观结构起着使试件内部产生了拉应力区的作用;单轴压缩荷载作用下,试件在细观层次上以拉伸破坏为主;中低围压条件下,试件表现为张拉破坏和剪切破坏相互耦合的破坏方式,而且破坏机制随围压的增大是不断变化的,剪切破坏逐渐成为主控破坏方式.     

CT尺度下冻融岩石细观损伤特性分析

为研究冻融环境下岩石细观损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,首先进行冻融循环试验,再对经历0次,5次,10次,20次和40次冻融循环的试样进行CT扫描.采用K均值聚类算法实现了扫描图像的二维孔隙识别;通过三维重构再现了红砂岩的冻融破坏模式,确定了试样的有效承载区,在细观层面实现了对岩石冻融损伤的定量分析.结果表明:通过K均值聚类算法确定阈值,可以有效实现CT图像的二值化;三维重构后的模型可以再现红砂岩试样在冻融过程中的损伤模式以及内部孔隙的发育特征;随冻融循环次数的增加,基于有效承载区定义的损伤变量逐渐增大,并与孔隙的发育趋势一致,能有效地反映冻融循环作用下岩石的损伤演化规律,为冻融岩石细观损伤研究提供了一种切实可行的方法.     

基于Weibull模型的细粒尾矿粒径分布

尾矿细粒化是矿业发展趋势,细粒尾矿的粒径分布对尾矿宏观力学特性及坝体稳定性具有重要影响。采用筛分法和沉降法,对82个尾矿试样进行了颗分试验,建立了细粒尾矿粒径分布的Weibull函数模型。试验结果表明:细粒尾矿粒径呈"细多粗少"的分布规律,这种规律服从Weibull分布,可以用Weibull分布对粒径分布进行描述和外推预测;传统分形模型中假设每级粒度的破碎率为常数与实际情况不符,Weibull分布可以看作对分形模型误差的一种修正;在破碎过程中,粒径的概率密度分布会出现峰值,这个峰值不断向粒径小的方向偏移,最终形成"细多粗少"的分布特点。研究结果有助于磨矿工艺的改进,并可以为土工试验做出科学的级配方案提供参考。     

黄土粒度组成对其渗透系数各向异性影响的试验研究

为了研究黄土粒度组成与其渗透系数各向异性之间的关系,从黏黄土、黄土和砂黄土区域纵向选择西安、延安和米脂三地黄土作为研究对象,通过颗粒分析和三轴渗透试验,并结合电镜扫描手段(SEM)得到宏-微观不同尺度下黄土的粒度组成差异和渗透系数各向异性的空间分布特征。基于试验数据的规律性,提出通过粒度分布预测黄土渗透系数的经验公式,并选择4处粒度差异显著的黄土渗透试验数据对该公式进行验证分析。研究结果表明:随地域由南向北延伸(西安—延安—米脂),黄土的细粒质量分数逐渐减少,粗粒质量分数逐渐增多,粒度分布曲线由"双峰"向"单峰"过渡。黄土中竖向尺度较大的缝隙状狭长孔隙与支架孔隙是能够发育成次生管状大孔隙的微观结构基础,不同评价尺度下的孔隙特征与三地黄土竖直向渗透系数大于水平向渗透系数时的试验结果相吻合,且黏粒质量分数越多,其渗透系数越小,纵横向渗透差异越明显。本文提出的黄土渗透系数预测公式具有普适性,可供工程实际参考。     

尾矿坝变形细观力学机理的颗粒流数值模拟

以新建四川省盐源县平川铁矿黄草坪尾矿库为工程背景,通过堆坝模型试验与室内土工试验,获得尾矿坝干滩面几何特征、颗粒分布规律及尾矿力学性质。基于离散元理论,采用PFC2D数值模拟软件进行双轴试验,与土工试验结果对比,得到尾矿细观力学参数,并分析尾矿坝颗粒接触力分布、颗粒位移与坝体结构变形特征。结果显示:1)初期坝中颗粒间接触力较大,形成的力链大致呈45°倾斜向上;坝体尾矿颗粒接触力随着埋深的增加而增大,在基岩凸起处接触力较大且集中。2)初期坝颗粒位移不明显,堆积坝少数尾矿颗粒沿坡面向下滚动,具有较大位移;尾矿堆积坝存在较为典型的滑移面,滑移面上部区域颗粒位移较大。3)初期坝结构变化不明显,尾矿堆积坝中靠近初期坝内坡面附近结构变形显著。     

新疆花岗岩物理力学性质的矿物组成和微观结构分析

为分析不同类型花岗岩物理力学性质差异,通过选取不同粒径的新疆花岗岩试样进行电镜扫描和矿物成分测试试验,研究岩石矿物组成和微观结构与其物理力学性质之间关系。结果表明：花岗岩中石英和长石矿物胶结很好而具有孔隙率低和强度高特点;随着粒径增大,花岗岩中云母含量增加,导致粗粒花岗岩的孔隙率较高和强度偏低;通过电镜扫描得出花岗岩微观结构质密,矿物胶结很好,颗粒分布均匀,从而具有孔隙率低和强度高特点,同时由于细粒花岗岩微观结构更质密且晶粒镶嵌紧密而孔隙率最低但强度最高。可见天湖细粒花岗岩体由于质密、低孔隙率和高力学强度的特点更适合作为高放废物地质处置岩体。     

加筋尾细砂三轴压缩试验研究

分别对含筋层数为1、2、4层的尾矿细砂进行三轴压缩试验.2层以下加筋时,土工织物对尾矿砂的横向变形约束作用较小,尾细砂均表现为剪切破坏特征;在2到4层增强时,尾细砂表现为拉应力破坏特征;拉破坏条件下和剪切滑移破坏条件下,均发现加筋后的尾矿,内聚力随加筋层数非线性增大,而内摩擦角基本不变.定义了增强效果系数,层数与该系数呈非线性关系.轴向应变小于5%～8%时,尾矿砂处于弹性变形阶段,轴向应变大于8%时,出现弹塑性耦合变形.