反应性硫化物对尾砂胶结充填体力学特性的影响机制研究

The reactive sulfide contained in the tailings of non-ferrous metal resources is one of the key factors which influence the long-term stability of cemented tailings backfill. Based on laboratory experiments, theory analysis and numerical simulation, the relationships between sulfide oxidation reaction kinetic parameters and meso- and/or micro-structural properties, macroscopic mechanical strength and rheological properties are analyzed. The chemical damage mechanism of cemented tailings backfill induced by sulfide oxidation are revealed. The influence mechanism of sulfide oxidation on mechanical strength and rheological properties of cemented tailings backfill are clarified. By introducing a sulfide oxidation chemical damage factor, a nonlinear time-effective constitutive model which can characterize the long-term mechanical behaviors of cemented sulfide-rich tailings backfill would be established and the inversion and identification approaches of the model parameters would be proposed. The programmed method of the constitutive model would be implemented based on FLAC3D numerical software. The mechanical properties evolution of the cemented sulfide-rich tailings backfill under long-term server condition would be predicted. The research results would provide the theoretical basis and support the technology of cemented sulfide-rich tailings backfill.

有色金属矿产资源洗选尾砂中的反应性硫化物所形成的化学侵蚀作用是影响尾砂胶结充填体工程稳定性的关键因素之一。采用试验研究、理论分析及数值模拟计算相结合的研究方法，通过分析硫化物氧化反应动力学参数与尾砂胶结充填体细-微观结构特性参数、宏观力学强度及流变特性参数之间的变化关系，揭示硫化物氧化对尾砂胶结充填体所形成的化学损伤机理，阐明硫化物氧化对尾砂胶结充填体力学强度及流变特性的影响机制，通过引入硫化物氧化侵蚀化学损伤因子，构建可以表征含硫尾砂胶结充填体长期力学行为的非线性时效本构模型并提出模型参数的反演辨识方法，实现所建本构模型在FLAC3D数值计算软件中的程序化，预测含硫尾砂胶结充填体在不同充填环境下力学特性的演化规律，为含硫尾砂的胶结充填处置工程提供理论依据和技术支撑。

含硫化物铅锌尾砂处置问题已严重影响铅锌矿业的可持续发展，探究硫化物氧化对尾砂胶结充填体的影响是保证充填质量及矿山安全开采的重要前提。项目以铅锌矿尾砂为研究对象，将微观-细观-宏观试验结果相结合，分析了硫化物对铅锌尾砂胶结充填体长期强度和浸滤液化学参数的影响及硫化物侵蚀机制：.（1）通过铅锌尾砂胶结充填优化配比正交试验，分析了料浆浓度、灰砂比、粉煤灰掺量对充填体坍落度、泌水率、7天/28天单轴抗压强度的影响，获得了铅锌尾砂胶结充填最优配合比为料浆浓度74%、灰砂比1：6、粉煤灰掺量15%；开展不同含硫量充填体试件长期强度力学特性实验，分析不同含硫量铅锌尾砂胶结充填体长期强度演化规律，得到铅锌尾砂充填体破坏形式以劈裂为主，弹性模量较高，养护90天抗压强度达到最大值，并且含硫量为5%的尾砂中黄铁矿表现出早强剂作用，养护120天后强度随含硫量的增加逐渐降低。.（2）通过微-细观实验观察分析胶结充填体内部水化产物和侵蚀产物的种类和数量变化，探究了含硫铅锌尾砂充填体内部水泥水化反应和硫化物反应过程与物理化学参数之间的动态联系，充填体内部pH值随着水泥水化而增大，随着硫化物侵蚀占主导作用而降低，最终呈弱酸性。硫酸根离子含量随着参与水化反应而降低，随着水化反应完全而不断积累，硫酸根浓度与充填体抗压强度呈负相关关系；.（3）研究从微观-细观-宏观三方面揭示了硫化物对充填体性能的影响机制，认为胶凝物减少和侵蚀产物的膨胀作用（微观）使尾砂颗粒粘结性降低和大孔数量增多（细观），从而导致充填体性能劣化（宏观）。硫化物侵蚀与硫酸盐侵蚀的主要区别在于硫化物产酸不仅会生成石膏而且会使胶凝产物分解。基于硫化物侵蚀过程和侵蚀机理，构建了充填体强度损伤本构模型，得出抗压强度-含硫量-时间三者之间满足负指数函数关系，从而预测不同含硫量铅锌尾砂胶结充填体长期强度。研究成果为含硫尾砂的胶结充填处置工程提供理论依据和技术支撑。