尾矿库是一个非常复杂的土工建筑物,亦是矿山最大的危险源。按照尾矿库的地域分布情况,我国大部分尾矿库位于冻土地区。冻土地区的尾矿库除了存在常规的风险因素外,还面临冻融循环作用带来的危险。目前,国内外关于冻融循环条件下尾矿力学性质的研究及成果比较少见,因此,针对冻融循环条件下尾矿力学性质的研究很有必要,不仅可为冻土地区尾矿坝的稳定性分析提供基础资料,而且可以丰富尾矿力学性质方面的基础理论知识。本文以马鞍坪矿山废石综合利用有限公司所排放铜矿尾矿为试验材料,采用人工冻结的方法,通过室内大量试验,分别对直接冻结尾矿和冻融循环条件下尾矿的物理力学性质及其影响因素进行了系统研究与分析,并以马鞍坪矿山废石综合利用有限公司所属小打鹅尾矿库为工程案例,对其尾矿坝在常规条件下和冻融循环条件下的稳定性进行了计算分析。论文的主要工作及取得的创新性成果如下:①针对我国尾矿库的分布地域资料,结合我国寒带气候的地区划分,分析了我国尾矿库所处冻土地区的具体分布情况,并对冻土地区尾矿库可能存在的危害进行了归纳总结。②通过室内单轴压缩试验,研究了经人工冻结四类尾矿(尾中砂、尾细砂、尾粉砂和尾粉土)的力学特性及其四个影响因素(平均粒径、干密度、含水率和加载速率)。研究结果显示,冻结尾矿单轴压缩破坏形式有三种:斜面剪切破坏、径向拉伸破坏和复合式破坏。冻结尾矿单轴压缩应力-应变曲线可分四个阶段:初始应变软化阶段、线性应变硬化阶段、非线性应变硬化阶段和非线性应变软化阶段。在四个影响因素中,冻结尾矿的单轴抗压强度与平均粒径呈对数关系,与干密度呈指数关系,与含水率呈现线性递增关系,与加载速率呈二次抛物线增长关系;而冻结尾矿的变形模量与平均粒径呈现自然对数关系,与干密度亦呈指数函数关系,与含水率则呈现二次抛物线关系,与加载速率呈指数函数增长关系。③通过室内渗透试验、压缩试验和三轴剪切试验(UU),分别研究了冻融循环对尾矿的渗透性、固结压缩性和抗剪强度的影响。研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,尾矿的渗透系数呈现先增加后趋于稳定的变换规律,且第一次冻融循环对尾矿渗透系数的增幅影响最大。尾矿的压缩系数随着冻融循环次数的增加而增加,且压缩曲线变得越来越陡,两者呈正相关性;而压缩模量Es则相反。在研究冻融循环条件下尾矿抗剪强度与变形模量的变化规律中,同时考虑了尾矿粒径、干密度和含水率等因素对尾矿冻融后的力学性质的影响。研究结果显示,随冻融循环次数的增加,尾矿的粘结力c和变形模量E先减小后趋于稳定;内摩擦角φ则先增加后趋于稳定;尾矿粒径对冻融循环影响的敏感性比较弱。在相同冻融条件下,尾矿的粘结力和变形模量均随干密度的增加而增加,而内摩擦角则是先增加后趋于稳定;对相同干密度的尾矿,经过冻融循环后其粘结力和变形模量会有所降低。在相同冻融条件下,尾矿的粘结力和变形模量均随含水率的增加而减小,且含水率不同,对各个参数的影响不同。当含水率为5%—10%之间时,尾矿的粘结力受冻融条件影响较大;当含水率为15%,变形模量受冻融条件影响较大;含水率为10%,内摩擦角受冻融条件影响较大。④以马鞍坪矿山废石综合利用有限公司所属小打鹅尾矿库为工程案例,采用极限平衡法对其尾矿坝在常规条件下和冻融循环条件下的稳定性进行了计算分析。计算结果表明,尾矿坝经历冻融循环后,三种工况下的安全系数与常规条件下相比,均有所降低。所以,位于冻土区的尾矿库更应该注意坝体的稳定性。尾矿坝的稳定性除了受到常规因素影响外,还有会受到季节变化产生的冻融循环作用的影响,使坝体的稳定性降低。