论文部分内容阅读
原地浸矿开采工艺现已被普遍推广应用,但由于该工艺推广时间较短,目前主要依靠经验布置注液工程和调控矿山注液强度,导致滑坡灾害频发。与一般的滑坡相比,原地浸矿引发滑坡具有4个方面的显著特征,即:山体含水率高,近饱和区域的体积占比大;浸矿剂用量大,矿体强度参数变化显著;矿山不同位置处的矿体所受的应力路径不同;注液工程多,渗流规律复杂。在不考虑时间因素影响的条件下,针对这4个方面特殊性,重点开展非饱和矿体抗剪强度计算方法、矿体抗剪强度指标的水化学敏感性分析及其估算方法、应力路径对矿体强度参数的影响和原地浸矿临界注液范围计算方法等方面的研究,建立了基于矿块临界含水率的离子型稀土矿山滑坡控制方法,主要结论如下。
(1)基于现场土-水特征曲线试验和非饱和矿体强度试验,对Bishop非饱和土强度计算模型中单位面积上水压力的作用面积fs和摩擦系数fs这两个参数分别进行修正,确定了非饱和矿体抗剪强度的计算模型。当矿体体积含水率大于进气值所对应的体积含水率时,X等于1;反之,随着矿体体积含水率的减小,X由1开始呈幂函数减小。矿体颗粒间的摩擦系数与矿体体积含水率呈指数函数关系。当(σ-ua)为60kPa或130kPa时,不同体积含水率下模型计算值与试验值差的绝对值分别在1.97kPa和3.15kPa内,表明了非饱和矿体抗剪强度计算模型是有效的。
(2)基于矿体颗粒间最大净引力与矿体抗剪强度参数之间的一一对应关系,提出水-土化学作用下矿体抗剪强度参数的估算方法。矿体黏聚力与矿体颗粒间最大净引力呈线性关系,拟合参数与阳离子交换容量呈线性关系。矿体内摩擦角与矿体颗粒间最大净引力呈指数函数关系,拟合参数与阳离子交换容量呈指数函数关系。运用该估算方法计算了矿体在0.08mol/L、0.16mol/L和0.24mol/L硫酸铵溶液浓度作用下的黏聚力和内摩擦角,其中黏聚力的估算值和试验值的差在1kPa以内,内摩擦角的估算值和试验值的差在2°以内。
(3)由矿体临界状态线的唯一性,确定了应力路径对矿体有效应力抗剪强度参数无影响。在CTC试验和TC试验条件下,矿体黏聚力相差0.85kPa,内摩擦角相差1.99°。由此,假定矿体的临界状态线具有唯一性,在修正剑桥模型剪胀方程的基础上,通过引入曲线形态调节因子和修正系数,得到矿体的剪胀方程。基于矿体的剪胀方程,构建了矿体的广义弹塑性本构模型,该模型计算的矿体应力应变曲线与CTC试验和TC试验结果吻合。故,矿体的临界状态线具有唯一性,表明应力路径对矿体的有效应力抗剪强度参数无影响。
(4)通过注液边界将潜在滑坡体分为两部分,注液区潜在滑坡体提供下滑力,未注液区潜在滑坡体提供抗滑力,结合黏性土土压力和简化Bishop法的计算原理,建立了原地浸矿临界注液范围计算模型。对于坡度为25°,或27°,或30°,或32°,或35°的简单边坡,理论模型计算值与数值模型计算值的相对误差绝对值在20%以内,说明了临界注液范围理论计算模型的有效性。
(5)基于矿块的临界含水率,提出了全覆式稀土矿山滑坡控制方法。在充分考虑应力路径、含水率和水-土化学作用对矿体抗剪强度参数影响的基础上,由矿山临界注液范围计算模型计算出矿山临界注液范围和单位面积的注液强度。原地浸矿时,把理论计算结果作为矿山注液工程布置和注液的依据,并以理论所要求的矿体含水率为目标含水率,通过实时监测和调节上部矿体含水率,以确保上部矿体自身具有足够的抗剪强度,从而达到依靠矿山自身来有效控制其滑坡的目的。
(1)基于现场土-水特征曲线试验和非饱和矿体强度试验,对Bishop非饱和土强度计算模型中单位面积上水压力的作用面积fs和摩擦系数fs这两个参数分别进行修正,确定了非饱和矿体抗剪强度的计算模型。当矿体体积含水率大于进气值所对应的体积含水率时,X等于1;反之,随着矿体体积含水率的减小,X由1开始呈幂函数减小。矿体颗粒间的摩擦系数与矿体体积含水率呈指数函数关系。当(σ-ua)为60kPa或130kPa时,不同体积含水率下模型计算值与试验值差的绝对值分别在1.97kPa和3.15kPa内,表明了非饱和矿体抗剪强度计算模型是有效的。
(2)基于矿体颗粒间最大净引力与矿体抗剪强度参数之间的一一对应关系,提出水-土化学作用下矿体抗剪强度参数的估算方法。矿体黏聚力与矿体颗粒间最大净引力呈线性关系,拟合参数与阳离子交换容量呈线性关系。矿体内摩擦角与矿体颗粒间最大净引力呈指数函数关系,拟合参数与阳离子交换容量呈指数函数关系。运用该估算方法计算了矿体在0.08mol/L、0.16mol/L和0.24mol/L硫酸铵溶液浓度作用下的黏聚力和内摩擦角,其中黏聚力的估算值和试验值的差在1kPa以内,内摩擦角的估算值和试验值的差在2°以内。
(3)由矿体临界状态线的唯一性,确定了应力路径对矿体有效应力抗剪强度参数无影响。在CTC试验和TC试验条件下,矿体黏聚力相差0.85kPa,内摩擦角相差1.99°。由此,假定矿体的临界状态线具有唯一性,在修正剑桥模型剪胀方程的基础上,通过引入曲线形态调节因子和修正系数,得到矿体的剪胀方程。基于矿体的剪胀方程,构建了矿体的广义弹塑性本构模型,该模型计算的矿体应力应变曲线与CTC试验和TC试验结果吻合。故,矿体的临界状态线具有唯一性,表明应力路径对矿体的有效应力抗剪强度参数无影响。
(4)通过注液边界将潜在滑坡体分为两部分,注液区潜在滑坡体提供下滑力,未注液区潜在滑坡体提供抗滑力,结合黏性土土压力和简化Bishop法的计算原理,建立了原地浸矿临界注液范围计算模型。对于坡度为25°,或27°,或30°,或32°,或35°的简单边坡,理论模型计算值与数值模型计算值的相对误差绝对值在20%以内,说明了临界注液范围理论计算模型的有效性。
(5)基于矿块的临界含水率,提出了全覆式稀土矿山滑坡控制方法。在充分考虑应力路径、含水率和水-土化学作用对矿体抗剪强度参数影响的基础上,由矿山临界注液范围计算模型计算出矿山临界注液范围和单位面积的注液强度。原地浸矿时,把理论计算结果作为矿山注液工程布置和注液的依据,并以理论所要求的矿体含水率为目标含水率,通过实时监测和调节上部矿体含水率,以确保上部矿体自身具有足够的抗剪强度,从而达到依靠矿山自身来有效控制其滑坡的目的。