冻融循环作用下尾矿渗流特性与颗粒运移规律研究

Taking the scientific problem of the mechanism degradation of tailings with effect of freeze-thaw action as object, the theoretical analysis, laboratory tests and numerical simulation methods will be used in this research, combined with electron microscopy and image processing techniques to study the seepage characteristics and particle transport of tailings under different freeze-thaw action with different moisture content, freeze-thaw temperature and frequency, particle size distribution, porosity and tailing type. The fractal model of the internal structure of the tailing will be established, and the method of characterization of particle migration will be proposed to realize the three-dimensional numerical reconstruction of the tailings microstructure and heterogeneous hybrid composite model will be developed. The triaxial test is used to reveal the mechanics, permeability characteristics and crack propagation process of tailings under the action of multi-factor coupling. Combining with the mechanical properties and the results of the microstructure test, the correlation between the evolution of tailings microstructure and long-term strength and seepage characteristics will be discussed and then the non-linear evolution prediction model of tailings strength under the freeze-thaw action will be established. The results of the research can provide the foundation for other studies on the dam failure mechanism of tailings reservoir in the alpine region and the seasonal freezing and thawing region and the study of dam breakage induced by seepage field. It is also of great significance to improve the safety management level of tailings ponds in the freeze-thaw areas.

针对冻融循环作用下尾矿性能劣化机理这一科学问题，利用理论分析、室内试验和数值模拟等方法，结合电镜扫描、图像处理技术，研究不同的含水率、孔隙度、颗粒级配、冻融温度和次数、尾矿类型在冻融循环作用下尾矿渗流特性与颗粒运移规律，构建尾矿内部细观结构分形模型，提出颗粒运移规律表征方法，实现尾矿细观结构的三维数值重构；利用MTS三轴试验系统，揭示多因素耦合作用下尾矿加载过程中的力学、渗透特性及裂隙扩展过程，建立冻融循环作用下尾矿弹塑性本构模型，实现尾矿破坏过程的精细化模拟；综合颗粒运移规律和力学特性试验结果，探讨尾矿细观结构变化与强度、渗流特性的关联性，建立冻融循环作用下尾矿强度非线性演化预测模型。研究成果可以为高寒和季节性冻融地区尾矿库溃坝机理、渗流场诱发溃坝过程的研究提供基础，有利于提高冻融区尾矿库的安全管理水平。

随着智能化自动化的发展，我国大规模矿山的生产效率不断提高，由此也产生了更多的尾矿，许多学者们研究并提出了一些新的处理尾矿的技术方法，但出于目前的技术水平与矿山经济效益的考量，尾矿坝堆存仍是最主要的尾矿处理方法之一。我国有大约70%的国土面积为多年冻土和季节性冻土区，同时有大约91.4%的尾矿库位于冻土区域。尾矿库是规模较大且容易存在安全隐患的设施，尾矿库的矿坝一旦崩溃，将会对下游人民的生命财产安全以及周边环境造成严重的威胁。因此，为保持寒区尾矿库的安全稳定性，对冻融循环下尾矿的物理力学性能进行探究是有必要的。为研究冻融循环次数、干密度、平均粒径对尾矿力学性质的影响，通过设计正交试验进行预实验，最后以预实验的结果以及SPSS软件对预实验结果的分析为基础，对不同冻融循环次数（0、1、3、7、12、18、24、30次），不同干密度（1480、1640、2240、2860kg/m3），不同平均粒径（处理后0.632、0.761、0.931、0.140mm）的尾矿试样展开考虑应力、温度等多因素耦合效应，建立非均质尾矿数值模型，开展冻融循环条件下的单轴压缩数值模拟实验，获得冻融循环次数、尾矿干密度、平均粒径与强度的关系，分析其内在关系。结果表明：（1）随着冻融循环次数的增加，尾矿试样的单轴抗压强度不断下降，并在冻融7次后趋于稳定。（2）随着冻融循环次数的增加，冻融后尾矿的孔隙率增大，整体局限呈减小-缓慢增大-匀速增大的趋势，在冻融循环次数达到7次之后，尾矿的孔隙率变化曲线在匀速增大段后再次出现缓慢增大段，且孔隙率的峰值远远超过冻融次数小于7次的试样。（3）冻融循环作用不会对尾矿试样的各项异性产生影响，但会对尾矿试样的孔隙率产生影响。（4）冻融循环次数达到7次时，尾矿试样的接触数量出现了明显的降低，而在冻融7次之前和7次之后，接触数量均保持在相对稳定的水平。研究成果可为高原寒区尾矿的力学性能变化研究提供参考。