微生物注浆加固渗流场作用下的尾矿坝试验及机理研究

The application of microbial grouting reinforcement technology to tailing dams has significant economic, social, and environmental benefits.As the seepage effect is one of the main reasons for the tailings dam failure, this project is based on the mechanism of tailings consolidation and similar model tests under the action of hydraulic coupling and fine particles, and establishes a tailings dam model test system under the action of seepage field.Taking Bacillus bacillus as the dominant species, the consolidation experiment and mechanism of tailings dam with microbiological grouting under seepage field were studied.The influence of main control factors on the mechanical properties of the tailings and the mechanism of transport and fixation of the microbial grouting materials in the tailings dam's sand were studied through small-scale indoor experiments.The large-scale field model test was used to study the tailings media deposition rule, consolidation process, physical and mechanical properties and mathematical model under the combined effects of microbial slurry and seepage field.Using a combination of theoretical analysis and numerical calculation, a computer simulation simulation test was conducted simultaneously to simulate and analyze the consolidation and deformation process of the tailings dam, to further verify the feasibility of the technology in the reinforcement of the tailings dam.On this basis, a set of microbiological reinforcement methods suitable for the characteristics of tailings granular media is proposed, which provides a theoretical support and application basis for the research on high efficiency, environmental protection and energy saving tailing dam reinforcement and mitigation technologies.

微生物注浆加固技术用于尾矿坝治理，具有重大的经济、社会和环境效益。由于渗流作用是导致尾矿坝溃坝的主要原因之一，本项目基于水力耦合与细颗粒作用下尾矿固结机理及相似模型试验原理，建立渗流场作用下的尾矿坝模型试验系统，以巴氏芽孢杆菌为优势菌种，开展微生物注浆在渗流场作用下的尾矿坝固结试验及机理研究。通过室内小尺寸试验研究主控因素对尾矿砂力学性能的影响，以及微生物注浆原料在尾矿坝砂土中输送及固定的机理；通过大尺寸现场模型试验研究微生物浆液及渗流场共同作用下的尾矿介质沉积规律、固结过程、物理力学特性及数学模型；采用理论分析和数值计算相结合的方法，同步进行计算机模拟仿真试验，对尾矿坝固结及变形过程进行数值模拟分析，进一步验证该技术在尾矿坝加固方面的可行性。在此基础上，提出一套适用于尾矿颗粒介质特性的微生物加固方法，为研究高效环保节能的尾矿坝加固减灾技术提供一定理论支撑及应用基础。

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术用于土体加固是一种新型的绿色加固技术，针对渗流是造成尾矿坝坝体失稳的主要因素之一这一问题，采用MICP技术分别开展有无渗流场作用下的尾砂加固对比试验，并通过对有无渗流场作用下尾矿坝注浆加固前后的工况进行有限元数值模拟。取得成果如下：（1）通过测试巴氏芽孢杆菌的生长曲线，其作为优势注浆菌种的最佳OD600值在0.8-1.2之间，注浆最佳天数在12天左右。（2）通过对比有无渗流场作用下尾砂实验的孔隙变化，可以得出渗流场作用下进行MICP技术加固会使尾砂试样总体孔径体积变小，其孔隙为局部增大。通过扫描电镜检测发现，渗流场的运移作用，会使得试样的细颗粒随着渗流水运移，从而造成试样骨架留下较粗颗粒，使得试样孔隙变大，碳酸钙结晶位点减少。 （3）渗流场作用下微生物注浆加固后试样的粘聚力比没有渗流场作用的粘聚力降低17.3%，内摩擦角下降3.89°，总体生成的碳酸钙含量小于无渗流场作用下生成的碳酸钙含量。水力坡降为1时，有渗流场作用下微生物注浆加固后碳酸钙的含量分布符合线性拟合方程y=x-1.45，（x表示距离，y表示碳酸钙含量占比）。（4）通过数值模拟计算，无渗流作用下未进行MICP技术加固的边坡稳定系数为1.3626，加固之后安全系数为1.86875，安全系数提高27.1%。有渗流作用下未进行MICP技术加固的边坡稳定性系数为1.23529，略低于无渗流场作用下未加固的工况。加固之后，边坡稳定性系数提高至1.67891，安全性系数提高26.4%。尾矿坝在渗流场作用下的工况，进行MICP技术加固之后，能够有效降低坝体内渗流场的流速，最大流速降低54.4%。