Molding conditions effect on the geomechanical behavior of uncemented and cemented iron ore tailings under low and high confining stresses

Abstract

The safety of mining structures has grown in interest after the several dam failures reported worldwide. Filtered tailings have been gaining special attention, considering that they represent a lower‐physical‐risk option compared to conventional or paste tailings. Nevertheless, mining tailings are known to have extremely variable and difficult-to-predict geotechnical behavior/strength parameters; this variability results in several uncertainties associated with the design conception of projects, independently of the storage technique utilized. With that in mind, techniques such as soil stabilization may aid in the improvement and predictability of the geotechnical behavior of mining tailings. Extensive research has been developed for conventional geotechnical materials, such as clays, sands, and silts. However, regarding mining tailings, studies are still scarce, especially studies on the molding conditions and stress state of the mixtures. Thus, this research sought to analyze the influence of different molding conditions [i.e., dry side of the compaction curve, optimum moisture content (max. density), optimum moisture content (red. density), and wet side of the compaction curve] on the geotechnical behavior of both uncemented and cemented iron ore tailings under low (p’ = 300kPa) and high confining stresses (p’ = 3000kPa). To this extent, the following tests were executed: unconfined compressive strength (UCS), initial shear stiffness (G0), hydraulic conductivity, compressibility, axial compression triaxial, and grain breakage analysis. The results have shown that the geomechanical behavior of mining tailings is directly affected by the molding condition. For UCS tests, optimum moisture content (max. density) specimens resulted in the highest strength, followed by optimum moisture content (red. density), dry-side and wet-side ones; however, this behavior was not repeated for stiffness, in which dry-side specimens resulted in the highest values, followed by optimum moisture content (max. density), optimum moisture content (red. density), and wet-side ones. As for permeability tests, the increase in water presence led to a decrease in hydraulic conductivity for all specimens. The same behavior depicted for UCS tests was seen on compressibility tests, in which optimum moisture content specimens resulted in the highest strength and lowest settlement, followed by optimum moisture content (red. density), dry-side and wet-side ones. As for the triaxial testing, the strength results follow the pattern presented for UCS, while the stiffness results alluded to the behavior depicted for G0. Grain size analysis revealed that the most influential factor on the grains breakage of iron ore tailings is the shearing movement of particles and not the consolidation, as reported for conventional soils. Finally, from the data gathered in this research, it was possible to see that the initial molding conditions play a fundamental role in the general mechanical behavior of both cemented and uncemented iron ore tailings.

A segurança de estruturas de contenção da área minerária é um tópico de discussão recorrente, que tem sido impulsionado ainda mais após os inúmeros acidentes relacionados com barragens de rejeito. Os rejeitos filtrados vêm ganhando atenção especial por representarem uma opção de menor risco físico em relação aos rejeitos convencionais ou pastosos. No entanto, os rejeitos de mineração ainda são conhecidos pela grave imprevisibilidade no que diz respeito a seu comportamento geotécnico; essa variabilidade resulta em diversas incertezas associadas à concepção dos projetos, independentemente da técnica de contenção utilizada. Assim, técnicas como a estabilização de solo podem auxiliar na melhoria e previsibilidade do comportamento geotécnico dos rejeitos de mineração. Diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas para materiais geotécnicos convencionais, como argilas, areias e siltes. No entanto, em relação aos rejeitos de mineração, os estudos ainda são escassos, principalmente estudos sobre as condições de moldagem e estado de tensão das misturas. Com isso, esta pesquisa buscou analisar a influência de diferentes condições de moldagem [lado seco da curva de compactação, teor de umidade ótimo (densidade máxima), teor de umidade ótimo (densidade reduzida) e lado úmido da curva de compactação] no comportamento geotécnico de rejeitos de minério de ferro não cimentados e cimentados sob baixas (p' = 300kPa) e altas tensões de confinamento (p' = 3000kPa). Para tanto, foram executados os seguintes ensaios: resistência à compressão não confinada (UCS), rigidez inicial (G0), condutividade hidráulica, compressibilidade, compressão axial triaxial e análise de quebra de grãos. Os resultados mostraram que o comportamento geomecânico dos rejeitos de mineração é diretamente afetado pela condição de moldagem. Para os ensaios UCS, as amostras de teor de umidade ótimo (densidade máxima) resultaram na maior resistência, seguidas pelas do teor de umidade ótimo (densidade reduzida), lado seco e do lado úmido; no entanto, esse comportamento não se repetiu para a rigidez, onde os corpos de prova do lado seco apresentaram os maiores valores, seguidos dos teores de umidade ótimos (máxima e reduzida) e do lado úmido. Por sua vez, nos testes de permeabilidade, o aumento da presença de água levou a uma diminuição da condutividade hidráulica para todos os corpos de prova analisados. O mesmo comportamento descrito para os ensaios UCS foi observado nos ensaios de compressibilidade, nos quais os corpos de prova com teor de umidade ótimo (densidade máxima) resultaram na maior resistência e menor deformação, seguidos pelos corpos de prova com teor de umidade ótimo (densidade reduzida), lado seco e lado úmido. Já nos ensaios triaxiais, os resultados de resistência seguem o padrão apresentado para UCS, enquanto os resultados de rigidez aludem ao comportamento descrito para G0. A análise granulométrica revelou que o fator mais influente na quebra dos grãos de rejeitos de minério de ferro é o movimento de cisalhamento das partículas e não a consolidação, como relatado para solos convencionais. Finalmente, a partir dos dados obtidos nesta pesquisa foi possível constatar que as condições iniciais de moldagem desempenham um papel fundamental no comportamento mecânico de rejeitos de minério de ferro cimentados e não cimentados.