在阅读此文之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持。

文|长风

编辑|长风

前言

尾矿坝是一个具有高潜在能量的人为危险源；坝体破坏会对人类生命和财产造成巨大损失。传统的增强方法如土工合成材料存在局限性，容易沿着弱结构面滑动。

本文创新地将不同长度和含量的玄武岩纤维添加到尾矿中，研究其机械和渗透特性。研究结果有助于理解BF增强尾矿的性能，并可作为改善尾矿坝和其他人工土体边坡或土木结构安全性的参考。

土工合成材料相关简介

随着全球经济的快速发展，资源消耗量不断增大。对资源的需求也在快速增长，全球范围内的采矿活动也相应不断扩大。

矿物处理是采矿工程中至关重要的一步；尾矿是从矿石中提取目标矿物后剩下的废料，包括破碎的岩石、水以及在处理过程中使用的微量金属和添加剂。尾矿通常以湿泥浆的形式常规地储存在地上的尾矿坝后面。

全球估计有大约18,000座尾矿坝，其中仅中国就有大约7800座，总数在世界上居首位。鉴于矿产资源有限，未来将会开采更多的低品位矿石，产生更多的尾矿。尾矿通常存储在尾矿池中，尾矿坝用于防止尾矿泄漏。

由于尾矿逐渐积累，尾矿坝的高度将越来越高，最终形成一个具有高潜在能量的危险源。

2019年，巴西的布鲁马金尼奥尾矿坝发生坍塌，造成259人死亡，11人失踪；2015年，冯道尾矿坝崩溃，短时间释放了3400万立方米的泥浆，导致农田被摧毁，甚至对大西洋森林的原生植物造成破坏；2014年，英属哥伦比亚省的波利山金铜矿尾矿坝发生灾难，倾倒了2400万立方米的矿石废料和泥浆到湖中，导致严重的环境污染。

这些痛苦的教训说明，尾矿坝破裂可能导致严重的人员伤亡和财产损失，提高尾矿坝的稳定性并保持其安全运营尤为关键。

Fluet等人将土工合成材料引入岩土工程以改善其机械性能。其他学者尝试将土工合成材料应用于尾矿池工程，并取得了许多成果。主要方法是在尾矿坝中铺设土工布、土工格栅、土工膜等材料，以改善尾矿的机械性能，从而提高尾矿池的安全性。

通过三轴压缩试验发现，通过在尾矿中加入土工格栅或土工布，增强尾矿的强度显著提高；剪切强度指标的假凝聚力增加，而摩擦角在增强层数增加时基本保持不变。发现层状铺设的土工膜复合土工防渗材料在硼酸尾矿坝的阶梯坡面上具有完美的力学和水力性能。

Palmeira等人对尾矿坝的排水和过滤系统中非织造土工布的使用进行了研究，并发现在实验室条件下测试的土工布整体性能是令人满意的。通过数值模拟分析发现，在加入土工布网后，沉降位移和坍塌现象减少，尾矿坝的稳定性得到有效改善。

随着岩土工程活动的增加，土工合成材料已经无法满足不断增长的需求,法国科学家亨利·维达尔在20世纪60年代提出了加筋土壤理论。由于土壤颗粒与可承受主要拉应力的加筋材料之间的摩擦力，通过引入加筋成分可以提高土壤的内聚力。

全球的研究人员将应用扩展到生产的许多方面，以研究加筋技术,在加筋材料方面，研究了天然纤维和工业副产品、矿石废料、聚丙烯、聚丙烯腈和玻璃纤维以及玄武岩纤维。

在加筋对象方面，研究了胶结尾矿充填、混凝土板、尾矿-水泥混合物、土壤和海水海沙混凝土。在研究方法方面，进行了三轴试验、无侧限抗压强度、直剪试验、巴西间接拉伸试验、离心试验、X射线衍射、计算机断层扫描和扫描电子显微镜等分析。

虽然传统土工合成材料在一定程度上可以提高尾矿的机械性能，但这种土工合成材料在尾矿与加筋材料之间形成了弱结构面，使其容易沿着弱结构面滑动，从而导致损坏。发现尽管纤维具有高强度、耐腐蚀性和良好的分散性的优点，但在纤维增强尾矿方面报道较少。

创新性地尝试将纤维添加到尾矿中，探索是否在技术上可行以改善尾矿的自然性能。聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚丙烯腈纤维是常用的加筋材料，但聚丙烯纤维的密度小于水的密度，因此不适合用于尾矿加筋。

玻璃纤维易碎，耐磨性差，不易分散。聚丙烯腈纤维强度低，耐磨和疲劳性能差，也不适合使用。玄武岩纤维具有优异的拉伸强度和弹性模量，良好的耐腐蚀性和化学稳定性，因此在本研究中选择BF作为尾矿加筋材料。

本文将研究BF对尾矿的强度、固结和渗透特性的影响，并分析其内部机制。旨在探索使用BF增强来改善尾矿的自然性能的可能性，以寻求另一种适当的方法来增强尾矿坝的安全性。

BFRT的强度特性

尾矿坝破裂的主要原因之一是剪切应力超过其剪切强度，剪切强度是影响尾矿坝稳定性的关键因素。剪切强度的增长在一定程度上有助于提高尾矿坝的抗破坏能力。

根据实验结果，得到了玄武岩纤维增强尾矿的剪切应力τ与剪切位移Δl的曲线。剪切应力τ-Δl曲线的最大剪切应力被视为剪切强度，当没有最大值时，取对应的剪切位移为4毫米时的剪切应力作为剪切强度。

根据库仑定律τ=σtanφ+c，可以绘制以τ为纵坐标、垂直应力σ为横坐标的剪切强度曲线τ-σ，从而可以相应地计算出BFRT的内聚力c和内摩擦角φ。

根据剪切应力和剪切位移的曲线，可以得到不同纤维长度和含量下玄武岩纤维增强尾矿（BFRT）的剪切强度。实验结果表明，添加玄武岩纤维可以提高尾矿的剪切强度。

当纤维含量或长度超过一定阈值时，剪切强度将下降。因此对于每个纤维含量，对应最大剪切强度的纤维长度被定义为“最佳长度”，而对于每个纤维长度，对应最大剪切强度的纤维含量被定义为“最佳含量”。

当ω = 0.6％、0.9％和1.5％时，τ首先上升到峰值，然后随着l的增加而下降，在l = 6 mm时达到最大值（图4a）。然而，当ω = 1.2％时，τ随着l的增加呈单调增加的趋势，并且在6-9 mm范围内增量最大。

通过选择6-9 mm的纤维进行加筋，可以在ω = 1.2％时以最少的纤维成本实现最大的经济效益。最佳长度为6 mm，最佳含量为1.5％。在此条件下剪切强度增加了42％。浅黄色平面表示原始尾矿的内摩擦角φ。

φ的变化范围小于5％，表明BF对φ影响较小。在某些情况下，内摩擦角变小，但在其他情况下，它变大。当l≤6 mm时，φ上升，但当l> 6 mm时，φ下降。φ的变化规律非常复杂，没有相同的趋势。

值得注意的是，当ω = 1.5％时，无视纤维长度，φ始终大于原始尾矿，并在l = 6 mm时达到最大值。当l = 6 mm时，无视纤维含量，φ始终大于原始尾矿。

BFRT渗透特性

正常稳定的渗流可以加速干滩的形成和尾矿的固结，从而改善尾矿坝的稳定性和安全性。如果设计和施工不合理，尾矿坝的饱和线可能会过高，可能导致坝体破裂事故。在合理范围内增加渗透系数有助于确保尾矿坝的稳定性。渗透系数计算方法如下：

渗透系数应转换为标准温度（20°C）以进行比较分析，可以表示为

其中kT是T°C下的渗透系数，cm/s；a是可变水头管的截面面积，cm2；L是试件的高度，cm；t1和t2分别是计数的开始和结束时间，s；h1和h2分别是开始和结束的水头，cm；k20是20°C下的渗透系数，cm/s；ηT和η20分别是T°C和20°C下水的动力黏度系数，kPa·s。

尾矿的渗透系数受到BF的影响。当ω = 0.6％时，k始终小于不考虑长度的原始尾矿。在l = 3 mm时达到最小值，在l > 6 mm时收缩逐渐减小。当ω = 0.9％、1.2％和1.5％时，k始终大于原始尾矿。

k的曲线总体呈抛物线形状，在l = 6 mm时达到峰值。表示l = 3 mm下的k曲线与l = 12 mm相似。

在ω = 0.6％时，k下降，并在ω = 0.9％时达到峰值。当l = 6 mm时，k首先下降到最小值（在ω = 0.6％时），然后在ω > 0.6％时随ω单调增加。在ω = 1.5％时，增量最大，为42.57％，非常显著。

0.6％是导致尾矿渗透系数变化的“临界含量”。当ω = 0.6％时，k始终小于原始尾矿的渗透系数，而当ω > 0.6％时，k始终大于原始尾矿。

添加0.6％纤维后k变小的原因可能是因为原始尾矿本身具有一定的渗透性；当纤维含量较小时，纤维填充在尾矿颗粒之间的孔隙中，阻塞了渗透通道，从而导致k的降低。当纤维含量变大（ω > 0.6％）时，尾矿颗粒之间的纤维量增加，纤维分布与渗透方向一致的概率增大。

BF单丝的尺寸远大于尾矿颗粒的尺寸，在样品中穿过尾矿颗粒形成渗透通道，导致渗透性增加。当ω > 0.6％时，k在l = 6 mm时达到最大值。原因可能是当l < 6 mm时，BF过短，无法产生明显的通道效应。

当l > 6 mm时，BF形成了一个网状结构，由于样品尺寸的限制，一些单丝在试件中弯曲，导致渗透通道的长度实际上小于纤维长度，因此长度为6 mm的纤维最为适宜。在实际应用中，增加渗透性有助于降低尾矿坝的饱和线高度，对尾矿坝的安全运行起着关键作用。

结论

目前为止，关于使用玄武岩纤维（BF）进行尾矿加筋的研究还很少。为了研究BF对尾矿的强度、固结和渗透特性的影响，本研究进行了实验室试验，为BF加筋尾矿在工程实践中的应用提供了必要的指导。

结果表明，BF能够提高尾矿的剪切强度（τ）、内聚力（c）和压缩指数（Cc），但对内摩擦角（φ）的影响较小。当l保持不变时，τ、c和Cc与ω呈正相关关系。

当ω保持不变时，τ和c并不随着l的增加而不断增加，而是在6毫米的最佳长度下达到最大值。此外，当ω > 0.6%时，渗透系数（k）大于原始尾矿的数值，并且c、φ、τ、Cc、k对纤维含量的敏感性高于对长度的敏感性。

实验结果增进了对BF加筋尾矿的力学性能的理解。研究表明，通过BF加筋可以在技术上改善尾矿的力学性能，为提高尾矿坝和其他人工土坡或土体结构的安全性提供了另一种潜在途径。