中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司 云南昆明 650051
摘要：上游式湿法磷石膏渣库堆积坝的稳定性评价关键点在于磷石膏强度的选取，本文从上游式湿法堆积磷石膏渣沉积规律出发，提示磷石膏的固结以结晶性沉积固结为主，阐明湿法堆积磷石膏渣的结构强度高，工程力学性质优于一般尾矿砂土的观点，对上游式湿法磷石膏渣库堆积坝的勘察设计及稳定性评价和运行、管理具指导作用。
关键词：上游式湿法堆积；磷石膏渣；结晶性沉积固结；结构强度
1、引言
长期以来，在上游式湿法磷石膏渣库堆积坝的稳定性勘察评价和设计过程中，基本视作一般尾矿堆积坝进行，实际上，上游式湿法堆积磷石膏渣无论在沉积规律、固结特点及物理力学性质等与一般尾矿堆积坝堆积尾矿截然不同，本文根据柳树箐磷石膏渣场勘察成果［2］对上游式湿法磷石膏渣的特性进行论述。
2、磷石膏渣的特性
2.1堆积磷石膏无分选性
柳树箐磷石膏渣场排放工艺采用坝前排放，并采用上游法筑坝。一般上游法堆积尾矿沉积规律受尾矿性质、粒度、矿浆浓度和排放形式控制，沉积过程中在垂向和流向上存在粒度由粗—细、粒组分选明显的规律。磷石膏渣沉积规律如何呢？
根据代表性钻孔和流向方向的剖面以磷石膏渣平均粒径（d50）随深度和流向长度的变化进行分析表明：垂向上平均粒径（d50）总体上在0.025～0.04mm之间变化，呈现时大时小、上下大中间小、甚至上小下大的无规律状态，不存在随深度增加而有明显的变小趋势（图1）；流向方向上从放矿浆管口处向库尾（中央）方向，磷石膏渣平均粒径（d50）呈起波状起伏，平均粒径（d50）总体上在0.025～0.055mm之间变化（图2），不存在随流向长度增加而有明显的变小趋势，说明堆积磷石膏从总体上无明显的分选性。
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图1 d50粒径随深度变化关系曲线
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图2 d50粒径随流向变化关系曲线
堆积磷石膏具有无分选性的特点，取决于磷石膏所具有的高溶解性和重结晶性。磷石膏处于浆液状态时一般呈近似溶液形式，颗粒细小且均匀，出了排放口后，磷石膏溶液在流淌过程中因压力骤减产生重结晶，结晶的磷石膏渣颗粒为针状晶体，其颗粒粒度不因磷石膏浆液流淌距离而改变，只与结晶程度有关，也就是随流淌距离增大，干滩变缓，水份散失速度变快，结晶程度变大，磷石膏结晶颗粒粒度有变大的现象，而当磷石膏浆液流淌至近尾水地段时，水份散失速度变慢，磷石膏结晶颗粒粒度又变为正常状态，与初出排放口的磷石膏结晶颗粒粒度相当，这就是滩面上和垂向上出现时大时小、上下大中间小、甚至上小下大的无规律状态，也即无分选性的特点。
磷石膏结晶颗粒粒度主要在粉粒粒组范围内，室内土工定名为粉土。
2.2 堆积磷石膏结晶性固结特点
由于磷石膏主要矿物成份为CaSO4•2H2O，具重结晶性，还具有较强胶结力，磷石膏的沉积首先是磷石膏浆液在流淌过程中因压力骤减、温度降低而形成结晶颗粒，在胶结力作用下产生化学结晶性沉积，因此堆积磷石膏的固结以结晶性固结为主。由于磷石膏的沉积为结晶性沉，结晶过程还有水析出，沉积（降）速度非常快，造成库尾水中主要有SO42- 离子和CL- 离子，未检出金属阳离子。同时还使得库尾水易于澄清，便于库尾水的回收利用。
堆积磷石膏的结晶性固结主要表现在浅表部新沉积的薄层堆积磷石膏因结晶可形成薄片，薄片具一定结构强度，处于悬空状态而不断，或呈凹陷状的侧壁不易垮塌。
由于堆积磷石膏具较强的可溶性，被水冲蚀后易形成溶洞、溶槽、溶崖等溶蚀景观，如图3所示。
从图3还可知，薄层状的堆积磷石膏层面间结合差，水易沿层面间进行掏蚀，从而形成凹陷状的侧壁。
随着堆积磷石膏体的高度增加，重力作用的自重压力固结逐渐增强的同时，加之堆积年限增加，在高压力下，胶结力的作用进一步加大，堆积磷石膏体的结晶性固结程度也随之增大。具体表现为：浅部新堆积的磷石膏呈中密～密实状态，结晶性固结程度弱，岩芯呈粉土状及部分薄片状；中深部的磷石膏呈密实~半胶结状态，结晶性固结程度中等，岩芯呈块状及部分短柱状；深部的磷石膏呈胶结较强的半成岩状态，结晶性固结程度较高，岩芯呈柱状，具备极软岩的力学强度。
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图3 磷石膏结晶形成的薄片及溶蚀景观
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图4 中上部土状磷石膏
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图5 下部半成岩状磷石膏
2.3 堆积磷石膏密度小
磷石膏渣的比重较小，为2.38，比重较小导致磷石膏渣的质量密度和干密度值较小，质量密度一般在1.48～1.73g/cm3之间，干密度一般在1.10～1.35g/cm3之间，这是符合磷石膏渣的一般特性的。从试验结果上看，磷石膏渣密度随堆积年限和堆积高度增加、自重压力增大、孔隙比减小而增大；湿密度还与含水量关系密切，水位以上与水位以下差异较大（水位以上小，水位以下大）。
2.4 堆积磷石膏的力学特性
2.4.1 先期固结压力恒定
根据高压固结试验结果，无论深浅部位的磷石膏，先期固结压力处在160~270KPa之间，无随着厚（深）度增大而增大的规律，先期固结压力呈恒定现象（图6）。这是堆积磷石膏结晶性固结的胶结力的一种表现形式。
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图6 先期固结压力随深度的关系曲线
表明堆积磷石膏在胶结力作用下产生化学结晶性固结沉积，虽然其沉积（降）速度非常快，因胶结力的作用，其力学强度很快达到较高强度，这一点，表明磷石膏的工程力学性质优于一般的尾矿砂土。
2.4.2 抗剪强度指标中粘聚力c值较高
根据试验结果，堆积磷石膏的内摩擦角φ与一般尾粉土相当或略低。而粘聚力c值则高于一般尾粉土的粘聚力c值，这是堆积磷石膏具有较高结构强度所致。
根据表1所示，同等条件对比，直剪试验结果：堆积磷石膏的粘聚力c值是一般尾粉土的1.5~2倍。三轴试验结果：堆积磷石膏的粘聚力c值是一般尾粉土的2倍以上。
半成岩状堆积磷石膏的粘聚力c值是一般尾粉土的10倍以上。
表1 堆积磷石膏与一般尾粉土的抗剪强度指标对比表
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2.5 堆积磷石膏的渗透性
磷石膏渣的垂直渗透系数kv在1.04×10-4~7.42×10-5 cm/s之间，具弱透水性；水平渗透系数kh在1.64×10-3~4.22×10-4 cm/s之间，具中等透水性，这是薄层状的堆积磷石膏层面间结合差所致。表明磷石膏渣的垂直渗透性小于水平渗透性。
这一特性就造成堆积磷石膏中的含水呈层状，在深部可形成承压水，而中上部形成近似上层滞水。因堆积磷石膏层理倾向库内，一旦库内排渗设施不力，库尾水位上升，将会使堆积坝浸润线快速上升（甚至溢出坝坡）而危及堆积坝的安全。这一点，设计和磷石膏渣场管理应加以重视。
3、结束语
上游湿法堆积磷石膏渣为化学结晶性沉积，其沉积（降）速度非常快，无分选性；固结以结晶性固结为主，具有较强胶结力，其固结程度很快达到中等～低压缩性土状态，工程力学性质优于一般的尾矿砂随着堆积年限增加，堆积厚度的增大，胶结力的作用进一步加大，磷石膏堆积体趋于半成岩状状态，对堆积稳定性愈加有利。这一观点对勘察、设计在磷石膏渣库稳定性评价方面将起到较强指导作用，同时对磷石膏渣库安全运行、管理也将起到了积极作用。
参考文献：
［1］磷石膏库安全技术规程AQ2059-2016［M］.
［2］余绍维等，云南三环化工有限公司柳树箐磷石膏渣场勘察报告，中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，2015.8.
作者简介：余绍维（1965～），男，云南宣威人，正高级工程师，中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司岩土勘察分院总工程师，从事岩土工程勘察工作。