【摘 要】
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锰渣是电解锰行业生产金属锰时排放的固体废渣。随着电解锰行业的快速发展,如何处理锰渣成为企业安全生产与环境保护所面临的巨大挑战。特别是我国电解锰产业的原料是以碳酸锰为主的菱锰矿,品位较低,当前开采的锰矿石品位平均仅为13%~15%。每生产1t电解锰产品,会产生10 t~12 t的锰渣。锰渣被堆积在地表形成锰渣库。锰渣库类似尾矿库,它不仅占用大量土地,而且还涉及到安全与环境问题。我国锰渣库的安全要求是
【基金项目】
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国家重点研发计划课题资助(2017YFC0804609); 国家自然科学基金资助项目(51804051)
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锰渣是电解锰行业生产金属锰时排放的固体废渣。随着电解锰行业的快速发展,如何处理锰渣成为企业安全生产与环境保护所面临的巨大挑战。特别是我国电解锰产业的原料是以碳酸锰为主的菱锰矿,品位较低,当前开采的锰矿石品位平均仅为13%~15%。每生产1t电解锰产品,会产生10 t~12 t的锰渣。锰渣被堆积在地表形成锰渣库。锰渣库类似尾矿库,它不仅占用大量土地,而且还涉及到安全与环境问题。我国锰渣库的安全要求是按照尾矿库的技术标准执行的。在电解锰的生产过程中会加入大量硫酸与硝酸铵(NH4NO3),使得锰渣中含有高浓度的硫酸盐和氨氮。锰渣中大量硫酸盐极易因大气降雨渗入而被溶解流失,导致锰渣的孔隙率增大,降低其力学性能,威胁到锰渣库的安全。确保锰渣库的生产安全已成为制约电解锰行业健康发展的瓶颈。因此,针对锰渣的工程力学特性开展研究并对锰渣库的稳定性进行分析,对于电解锰企业的安全生产有着十分重要的意义。目前,有关锰渣的工程力学性质的研究成果较少,而锰渣的这些性质又关系到锰渣库的安危。由于锰渣中含有易溶盐,完全依照常用的国家标准《土工试验规程》(GB/T50123-2019)开展试验测试,显然不能得到正确的结果。因此,笔者在总结天然盐渍土相关研究成果的基础上,选择“世界锰都”重庆秀山的锰渣为试样,对锰渣中的易溶盐成分及含量,锰渣的工程力学性质开展了一系列研究,同时以秀山县嘉源矿业有限责任公司龙井槽锰渣库为工程案例,针对该锰渣库的动静力的稳定性进行了计算分析。取得的成果如下:(1)获得了锰渣中易溶盐的成分、含量及其清洗脱盐处理的方法。锰渣里的易溶盐的主要成分为硫酸铝、硫酸钙等硫酸盐类矿物,含量为10.64%~13.98%,所以锰渣属于超盐渍土类。由于易溶盐所含结晶水的影响,测试锰渣含水率的烘干温度设置55℃、时长4 d为宜。(2)锰渣中易溶盐的流失会对其工程力学性能产生显著影响。在稠度性能方面,脱盐锰渣的液塑限均大于原锰渣的。在渗透试验中,原锰渣试样的渗透系数会随着易溶盐的流失而逐渐增大,渗滤液的电导率逐渐减小。随着试样干密度的提高,锰渣的初始渗透系数逐渐降低,因易溶盐溶解导致渗透系数提高至最大值所需时间也会更长。压缩性方面,脱盐锰渣的固结系数比原锰渣的大,但压缩模量有所减小。(3)获得了锰渣的应力-应变曲线及变化规律。锰渣的三轴压缩应力-应变曲线可分为初始变形阶段(线性应变硬化阶段)、应变稳定阶段和非线性应变软化阶段。高围压下锰渣应变软化特征则更明显。Duncan-Chang(邓肯-张)模型能较好地描述锰渣应力-应变曲线的变化规律。在抗剪强度方面,锰渣的c、φ(c’、φ’)值随干密度的增大呈现出逐渐增大的趋势,但随着易溶盐的流失呈现出逐渐减小的趋势;干密度的改变,对粘聚力c的影响更为明显,对内摩擦角φ的影响较小。(4)获得了锰渣的动力学特性。相同条件下,脱盐后锰渣的动强度有所下降,抗震性能有所减弱。无论原尾矿还是脱盐尾矿,密度相同时,随着围压增大,试件达到破坏所需振次逐渐增大;随着干密度增大,试件达到破坏所需振次也逐渐增大。锰渣的典型滞回曲线可分为三个阶段。初始阶段,应力较大但应变较小,滞回圈面积逐渐增大,形状基本相同,呈同心椭圆状。随着振动次数的增加,动应力增长放缓,动应变逐渐增大,滞回圈继续变高并出现动应力峰值。滞回圈椭圆变宽变大。随着振动次数进一步增加,动应力峰值已过且逐渐下降,而动应变继续增大。表现为滞回圈逐渐变矮变宽,倒向应变轴,面积逐渐减小。锰渣的初始动剪切模量值随有效固结围压和干密度的增大均呈现出增长趋势。锰渣的动剪切模量随动剪应变的增大而降低,随着围压的增大而增大,且随有效围压逐渐增大,锰渣动剪切模量的衰减速率逐渐降低。(5)获得了龙井槽锰渣库锰渣坝动静稳定性结果。应用Geo-Studio软件,选择简化毕肖普法,对锰渣库坝体的稳定性进行了计算分析。结果显示:两种工况下锰渣坝的安全系数均满足国家规范要求,且有所富裕,有利于锰渣库后期加高扩容。采用时程分析法,选择了两条地震波,对锰渣坝地震响应和动力稳定性进行了计算分析。结果显示,地震波作用时,坝体内的最大水平加速度出现在初期坝坝顶与堆积坝前端附近。坝体水平向变形主要向着坝体下游,随高度的增加、位移逐渐增加,堆积坝顶部附近水平位移最大。地震作用下坝体的最小安全系数均大于1.0,说明该锰渣库在地震作用下是安全的。
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