尾礦壩排滲系統(tǒng)淤堵機(jī)理試驗(yàn)研究

冒海軍張超

(1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶400044；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北武漢430071;3.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北武漢430071)

0 引言

尾礦庫(kù)是礦山的重要基礎(chǔ)工程之一，也是礦山的重大危險(xiǎn)源，據(jù)統(tǒng)計(jì)在世界93種事故隱患中，尾礦庫(kù)事故排名第18位[1]。在我國(guó)，每年排放的尾礦超過(guò)十億噸，尾礦庫(kù)約有一萬(wàn)兩千余座，其中絕大部分的尾礦庫(kù)采用上游式筑壩法構(gòu)筑。上游式筑壩法形成的尾礦庫(kù)的排滲系統(tǒng)較易淤堵，壩內(nèi)浸潤(rùn)線較高，從而產(chǎn)生子壩地基不穩(wěn)固、壩坡地震動(dòng)力穩(wěn)定性差等危險(xiǎn)因素，因此，尾礦庫(kù)安全形勢(shì)嚴(yán)峻[2]。國(guó)內(nèi)外由于尾礦壩排滲設(shè)施失效導(dǎo)致壩體浸潤(rùn)線增高，進(jìn)一步導(dǎo)致尾礦壩潰壩的事故時(shí)有發(fā)生。2000年廣西南丹縣鴻圖選礦廠尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩，事故造成28人死亡，56人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)340萬(wàn)元。該事故直接原因是基礎(chǔ)壩排滲設(shè)施失效，壩體浸潤(rùn)線增高，在初期壩和后期堆壩之間形成了一個(gè)抗剪能力極低的滑動(dòng)面。同時(shí)，尾礦庫(kù)蓄水過(guò)多得不到有效排解，導(dǎo)致大部分尾礦砂長(zhǎng)期處于浸泡狀態(tài)得不到固結(jié)，最終導(dǎo)致壩體沿抗剪強(qiáng)度低的滑動(dòng)面垮塌[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明尾礦壩排水狀況不良、壩體浸潤(rùn)面高是尾礦壩潰壩事故的主要原因之一[5]，當(dāng)淤堵發(fā)生時(shí)，通常表現(xiàn)為排水井、排水管等排滲系統(tǒng)發(fā)生堵塞、反濾層土工布及壩體多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)不斷下降，進(jìn)而使壩體浸潤(rùn)面增高、壩體抗剪強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致壩體的垮塌破壞。因此維護(hù)尾礦庫(kù)排滲系統(tǒng)正常運(yùn)行、防止其發(fā)生淤堵，以此控制滲流浸潤(rùn)面的高度，對(duì)尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

一般認(rèn)為導(dǎo)致尾礦壩排滲設(shè)施發(fā)生淤堵的因素眾多[6-11]，但大體上可分為三類，即物理因素、化學(xué)因素、生物因素。因此，其淤堵類型可分為三類，即物理(機(jī)械)淤堵、化學(xué)淤堵、生物淤堵[12]。Guillaume等[13]認(rèn)為物理淤堵的機(jī)理主要是細(xì)顆粒尾礦砂在排滲管中、土工布內(nèi)部、土工布上游表面的沉積，導(dǎo)致排滲管排水不良、土工布滲透系數(shù)降低，產(chǎn)生物理淤堵。高壓偉[14]通過(guò)試驗(yàn)研究引出“等效粒徑比”的概念，認(rèn)為尾礦砂骨架與尾砂懸浮液等效粒徑之比越大，造成物理淤堵的概率越小。胡學(xué)濤[15]通過(guò)室內(nèi)沙柱渾水入滲試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，懸浮液濃度越大，沙柱單位時(shí)間內(nèi)的入滲量越小，以此說(shuō)明淤堵程度與入滲懸浮液的濃度有關(guān)?；瘜W(xué)淤堵在傳統(tǒng)排水系統(tǒng)中很少發(fā)生，但在尾礦庫(kù)中較為常見，例如南非某尾礦庫(kù)排滲系統(tǒng)反濾層中沉積了大量鐵氧化物[16]、栗西尾礦壩排水體中化學(xué)淤堵現(xiàn)象[17]等。Allison[18]認(rèn)為生物淤堵的原因是多空介質(zhì)孔隙被微生物細(xì)胞及其產(chǎn)物、分泌的粘液或多聚糖類物質(zhì)堵塞而產(chǎn)生。代志凱等[11]提出Clement模型表示在微生物增長(zhǎng)條件下孔隙度和滲透系數(shù)的變化關(guān)系，該模型在計(jì)算時(shí)僅需要微生物量的數(shù)據(jù)，因此較為方便。

江西銅業(yè)集團(tuán)銀山鉛鋅礦尾礦庫(kù)位于江西省德興市區(qū)以東，選礦廠西北面100 m處的狹長(zhǎng)的山谷中，采用上游筑壩法構(gòu)筑，并于1980年、1992年先后進(jìn)行兩次擴(kuò)容設(shè)計(jì)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)，該尾礦庫(kù)主壩及副壩排滲系統(tǒng)已發(fā)生明顯淤堵，排滲效率大幅下降。銀山尾礦壩壩高約106 m，其排滲設(shè)施位于壩底部，受到約1 MPa的垂直載荷，與此同時(shí)，銀山尾礦壩尾砂中細(xì)粒占59 %，細(xì)粒含量較高，因此垂直載荷和尾礦砂細(xì)粒造成的排滲性能降低不容忽視。在物理淤堵機(jī)理研究方面，對(duì)于不同垂直載荷和尾礦砂細(xì)粒含量造成排滲性能降低的研究尚未見有。銀山鉛鋅礦尾礦壩排滲設(shè)施中除了大量松散的因機(jī)械運(yùn)移而產(chǎn)生的沉積物外，其排滲管口及反濾層土工布纖維孔隙中也均固結(jié)了大量沉積物，因此表明，排滲設(shè)施不僅發(fā)生了機(jī)械淤堵，同時(shí)也已發(fā)生了嚴(yán)重的生物化學(xué)淤堵。本文以江西銅業(yè)銀山鉛鋅礦尾礦壩的排滲設(shè)施淤堵為例，分別從物理、化學(xué)、生物三個(gè)因素對(duì)其淤堵的機(jī)理進(jìn)行分析，并對(duì)造成化學(xué)、生物淤堵的物質(zhì)、微生物的種類進(jìn)行了分析，為解決尾礦壩排滲淤堵、提高排滲設(shè)施的服役性能奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試樣獲取及制備

本試驗(yàn)的尾礦水、土工布、淤堵沉積物、尾礦砂等試樣均取自江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦尾礦庫(kù)，從主壩82號(hào)平臺(tái)、3#副壩的排滲管口和庫(kù)區(qū)排水井位置取尾礦水樣品4瓶。其中，為了進(jìn)行尾礦水中微生物物種多樣性測(cè)序分析，根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)渾濁水樣在過(guò)濾前進(jìn)行靜置分離懸浮顆粒，然后先用大孔徑的濾膜預(yù)過(guò)濾一遍，再用小孔徑0.22 μm 或 0.45 μm的濾膜進(jìn)行過(guò)濾，直到濾膜上可見明顯覆蓋面，收集濾膜進(jìn)行DNA提取或保存-80 ℃?zhèn)溆?；在尾礦庫(kù)表面取不同粒徑的尾礦材料樣品，合計(jì)1.5 t，選取適量尾砂篩分去除細(xì)粒備用；從排滲管口與土工布表面附近取得沉積物樣品，共4種約1.5 kg，分別取適量樣品研磨至粒徑為0.075 mm的試樣備用；在集水井東側(cè)約5 m附近進(jìn)行開挖，獲得貼坡反濾層附近與排滲盲溝位置處的土工布3塊，并獲取1塊未使用的土工布作為參照試樣；為進(jìn)行土工布在不同垂直載荷條件下垂直滲透特性的測(cè)定，按照實(shí)驗(yàn)儀器的尺寸，從每塊土工布中剪取直徑為13.5 cm的圓形試樣5塊，并在清水中浸泡12 h備用。部分試樣及獲取位置如圖1～圖2所示：

(a) 排水溝(b)排滲盲溝(c) 排滲管(d) 集水井

(a) 尾礦砂及沉積物(b) 反濾層土工布(c) 土工布試樣

1.2 試驗(yàn)裝置及方案

本研究分別進(jìn)行了以下試驗(yàn)：不同垂直載荷條件下、有無(wú)細(xì)粒條件下尾礦砂和土工布滲透系數(shù)、孔隙率變化的試驗(yàn)，根據(jù)工程實(shí)際，其垂直壓力梯度設(shè)為0～2.0 MPa，每組測(cè)試5個(gè)試樣，滲透系數(shù)取其平均值；尾礦水中金屬離子的種類及濃度的測(cè)定；尾礦水和尾礦砂中微生物物種多樣性測(cè)序分析；尾礦砂礦物成分、淤堵沉積物和土工布表層沉積物成分分析；土工布微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描分析。其中不同垂直載荷條件下尾礦砂和反濾層土工布垂直滲透系數(shù)的測(cè)定采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所有負(fù)荷垂直滲透儀進(jìn)行測(cè)試，其中土工布的厚度采用機(jī)械式土工合成材料厚度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，按照土工合成材料滲透系數(shù)測(cè)試規(guī)程將制備好的每種土工布試樣分別進(jìn)行測(cè)試，滲透系數(shù)取其平均值；尾礦水中金屬離子的種類及濃度的測(cè)定在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室ICP-MS(PE350D)測(cè)試儀上進(jìn)行，總共測(cè)試5個(gè)水樣，檢驗(yàn)溫度為23 ℃，檢驗(yàn)濕度為70 %；尾礦水和尾礦砂試樣中微生物物種多樣性測(cè)序分析交由廣東美格基因科技有限公司進(jìn)行，分別進(jìn)行了測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、物種注釋與評(píng)估、樣本比較分析，最終形成了微生物群落組成和多樣性分析報(bào)告;尾礦砂、淤堵沉積物、土工布表層沉積物的成分分析采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所Bruker AXS D8-FocusX射線衍射儀；反濾層土工布微觀結(jié)構(gòu)掃描采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所Quanta 250掃描電子顯微鏡。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 物理(機(jī)械)淤堵機(jī)理分析

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)尾礦砂試樣的顆粒級(jí)配及物理性質(zhì)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如表2所示。尾礦料比重2.88，干容重1.56 g/cm3，濃度20 %，尾礦料平均粒徑dcp=0.08 mm，-200(0.075 mm)目約占59 %，因此可知銀山鉛鋅礦尾礦砂粒徑較小，尾礦砂中細(xì)粒含量較高。對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)不同位置處取回的反濾層土工布進(jìn)行了垂直滲透系數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，壩底開挖的土工布和排水井附近的土工布與未使用的土工布相比滲透性能分別下降了85 %和46 %，因此可知其二者發(fā)生了較為嚴(yán)重的淤堵；和排水井附近的土工布相比，尾礦壩底部的土工布不僅受到尾礦水的浸泡，同時(shí)還受到尾礦砂的侵入和上覆尾礦砂垂直壓力，進(jìn)而導(dǎo)致土工布有效孔徑的減小和淤堵，導(dǎo)致壩底土工布滲透性能下降更為嚴(yán)重，淤堵后的土工布微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2 試樣顆分試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Sample size test results

圖3 土工布物理淤堵微觀結(jié)構(gòu)圖
Fig.3 Microstructure diagram of geotextile physical blockage

2.1.1 土工布物理淤堵機(jī)理分析

圖4 土工布滲透系數(shù)—垂直載荷變化曲線Fig.4 Permeability coefficient-vertical load variation curve of the geotextile

造成土工布淤堵的因素主要有幾何因素、物理因素、外部因素3類[19]。其中幾何因素主要指尾礦砂顆粒的粒徑分布和土工布的厚度及孔隙分布對(duì)土工布反濾層性能的影響。物理因素主要是指尾礦砂內(nèi)摩擦角、比重、黏性、有效應(yīng)力、土工布密度和壓縮性等。當(dāng)土工布垂直方向上受到壓力時(shí)將導(dǎo)致其厚度減小，進(jìn)而導(dǎo)致有效孔徑的減小。為研究上覆尾砂垂直載荷對(duì)壩底土工布滲透性能影響，進(jìn)行了不同垂直載荷條件下土工布的垂直滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，反濾層土工布滲透系數(shù)與垂直載荷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即垂直載荷越大，土工布滲透系數(shù)越小，當(dāng)垂直載荷為1MPa時(shí)，土工布滲透系數(shù)下降了95.9 %。對(duì)比圖3中壩底和未使用的土工布有效孔徑大小可發(fā)現(xiàn)，壩底土工布的有效孔徑顯著減小，因此其滲透性能降低；土工布在反濾層中的主要作用是促使土工布上覆被保護(hù)尾礦層形成架空層和天然濾層[20-21]，但是當(dāng)尾礦砂顆粒粒徑與土工布孔徑相當(dāng)時(shí)最容易導(dǎo)致尾砂在土工布纖維孔隙內(nèi)沉積，造成土工布內(nèi)部堵塞，如圖3所示。土工布的孔徑可根據(jù)式(1)計(jì)算[22]。

(1)

式中，QF為土工布反濾開孔徑;df為纖維厚度;tGT為土工布厚度;ξ為一個(gè)無(wú)量綱參數(shù);n為土工布孔隙度。由式(1)計(jì)算得到銀山礦所用土工布平均孔徑為0.091 mm與尾砂平均粒徑0.08 mm大小相當(dāng)，因此易造成尾砂的沉積。

2.1.2 尾礦砂物理淤堵機(jī)理分析

尾礦壩排滲性能的降低不僅與排滲設(shè)施的淤堵有關(guān)，同時(shí)也與尾礦砂自身滲透性能下降有關(guān)。之前學(xué)者認(rèn)為“等效粒徑比”和尾砂懸浮液濃度對(duì)尾礦砂顆粒骨架的滲透性能有顯著的影響。根據(jù)工程實(shí)際，考慮到壩底尾砂所受上覆載荷較大，并且銀山礦尾礦砂中細(xì)粒含量較高，為研究垂直載荷和尾礦細(xì)粒對(duì)尾礦砂骨架滲透性能的影響，本次試驗(yàn)對(duì)尾礦砂原樣進(jìn)行了0～2.0 MPa垂直載荷梯度條件下和有無(wú)細(xì)粒條件下的垂直滲透系數(shù)、孔隙率變化試驗(yàn)，結(jié)果如圖5～圖8所示。

根據(jù)圖5～圖6結(jié)果可知，尾礦砂的滲透系數(shù)與垂直載荷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即試樣所受垂直載荷越大，尾礦砂滲透系數(shù)越小，垂直載荷在0～0.5 MPa范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，滲透系數(shù)急劇下降了77.4 %，這是由于在加載初期尾砂試樣孔隙率較大，尾砂較為松散，處于尾砂孔隙壓密階段。加載到0.5 MPa之后，滲透系數(shù)下降趨勢(shì)趨于平緩；尾礦砂孔隙率與垂直載荷近似呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即垂直載荷線性均勻增加的過(guò)程中，尾砂孔隙率線性減??；對(duì)比圖3和圖4，可發(fā)現(xiàn)，滲透系數(shù)和孔隙率均隨垂直載荷的增大而相應(yīng)減小；當(dāng)尾砂孔隙率逐漸減小時(shí)，其滲透系數(shù)也相應(yīng)的逐漸減小，但其二者的變化趨勢(shì)并不呈線性關(guān)系，二者變化趨勢(shì)卻相差較大，這是由于尾砂的滲透性不僅僅和其孔隙率的大小有關(guān)，同時(shí)和有效滲流通道溝通的數(shù)量有關(guān)，在孔隙壓密的初期階段，有效滲流通道數(shù)量急劇減少，但當(dāng)孔隙率下降35 %左右后，其滲流通道數(shù)量減少趨勢(shì)趨于平緩。

根據(jù)圖7～圖8試驗(yàn)結(jié)果可知，尾礦砂中含有細(xì)粒可導(dǎo)致其滲透性能顯著降低，主要是因?yàn)榧?xì)粒尾砂中含有較多的粘粒(d<0.05 mm),粘粒因其顆粒細(xì)、表面積較大因此在遇到尾礦水時(shí)較易形成粘稠狀的尾礦砂漿粘附在土工布及多孔介質(zhì)表面導(dǎo)致滲透性能下降。此外，在水力運(yùn)移及坡降驅(qū)動(dòng)下，細(xì)顆粒尾礦砂穿過(guò)粗顆粒料的粒間孔隙向反濾層土工布和排滲管中移動(dòng)過(guò)程中較易沉積下來(lái)，最終造成物理淤堵。在沒(méi)有垂直載荷的條件下，不含細(xì)粒的尾砂滲透系數(shù)是含細(xì)粒尾砂滲透系數(shù)的3.7倍；隨著垂直載荷增加到0.75 MPa之后，細(xì)粒對(duì)尾砂滲透性能的影響顯著降低，變化趨勢(shì)保持穩(wěn)定。根據(jù)圖8所示，隨著垂直載荷的不斷增大，尾礦砂原樣和去除細(xì)粒后的試樣其滲透性能(K/K0)的下降趨勢(shì)基本保持一致，但是去細(xì)粒后的尾砂式樣滲透率下降幅度略大于尾礦砂原樣，這是由于尾礦砂去除細(xì)粒后，其粒間孔隙增大，導(dǎo)致在壓密階段初期孔隙率較高，因此在受到載荷后下降幅度較大。在此之后，繼續(xù)增大垂直載荷后，其二者K/K-0基本保持一致。

圖5 滲透系數(shù)—垂直載荷變化曲線
Fig.5 Permeability coefficient-verticalload variation curve

圖6 孔隙率—垂直載荷變化曲線
Fig.6 Porosity-vertical load variation curve

圖7 滲透系數(shù)—垂直載荷變化曲線
Fig.7 Permeability coefficient-verticalload variation curve

圖8K/K0—垂直載荷變化曲線
Fig.8 Permeability coefficient-K/K0variation curve

綜合“2.1.1節(jié)”和“2.1.2節(jié)”試驗(yàn)研究結(jié)果，可知銀山鉛鋅礦尾礦庫(kù)排滲設(shè)施的物理淤堵主要發(fā)生在尾礦砂顆粒骨架和土工布纖維孔隙中，其發(fā)生的機(jī)理不僅與“等效粒徑比”大小和尾砂懸浮液入滲濃度有關(guān)，還與土工布有效孔徑、垂直壓力大小及尾砂中細(xì)粒含量有關(guān)，其滲透性能與垂直壓力和細(xì)粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本此試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果吻合，因此試驗(yàn)結(jié)果可靠。

2.2 化學(xué)淤堵機(jī)理分析

尾礦庫(kù)排滲設(shè)施長(zhǎng)期埋設(shè)于尾礦砂和尾礦水之間，尾礦砂和尾礦水為排滲設(shè)施提供了特殊的化學(xué)環(huán)境，當(dāng)細(xì)粒尾礦砂和尾礦水在排滲設(shè)施中運(yùn)移的過(guò)程中，金屬離子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)析出，形成難溶于水的金屬鹽類絮狀沉淀物和絡(luò)合物固結(jié)在排滲管和土工布纖維孔隙中，最終造成化學(xué)淤堵，淤堵后的土工布微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。與未使用的土工布相比，化學(xué)淤堵后的土工布纖維上附著了較多固體物質(zhì)，從而導(dǎo)致土工布有效孔徑減小，滲透性能降低。據(jù)此，本研究對(duì)尾礦料試樣、淤堵沉積物和尾礦水樣分別進(jìn)行了物質(zhì)成分分析和金屬離子種類及濃度的分析，分析結(jié)果如表3～表4和圖10所示。

(a) 未使用的土工布(b) 化學(xué)淤堵后的土工布

礦物成分方鉛石閃鋅礦黃鐵礦毒砂黃銅礦脈石質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.150.123.530.120.0596.03

表4 尾礦水金屬離子濃度表Tab.4 Tailing water metal ion concentration

圖10 淤堵沉積物成分Fig.10 Blockage of sediment composition

根據(jù)表3的分析結(jié)果可知，尾礦砂中的主要礦物是黃鐵礦(FeS2)，并伴有少量的銅、鋅、鉛等礦物；根據(jù)表4的分析結(jié)果可知，尾礦水中強(qiáng)堿金屬陽(yáng)離子Na+、K+含量較高，因此水溶液偏堿性；水中含有較多的Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Cu2+等金屬離子，因此較易與空氣中的氧氣和二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生難溶金屬鹽類沉淀物及絡(luò)合物，產(chǎn)生的沉淀逐漸附著并固結(jié)在排滲管、土工布纖維及多孔介質(zhì)孔隙中，最終造成化學(xué)淤堵；根據(jù)圖10所示的淤堵沉積物成分種類及含量的分析結(jié)果，并結(jié)合表3～表4，本文將銀山鉛鋅礦尾礦壩排滲設(shè)施化學(xué)淤堵機(jī)理分為2個(gè)主要過(guò)程和1個(gè)次要過(guò)程。

主要過(guò)程1是尾礦水中的鈣鎂化合物在常溫下分解或是遇OH-產(chǎn)生難溶于水的鈣鹽、鎂鹽，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O Ca2++ HCO3-+OH-=CaCO3↓+ H2O Mg(HCO3)2=MgCO3+H2O+CO2↑ MgCO3+H2O=Mg(OH)2↓+CO2↑

主要過(guò)程2是氧化亞鐵硫桿菌能使尾礦料中的黃鐵礦和水中的鐵離子與水及氧發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)[23],化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

FeS2+7/2O2+H2O→Fe2++2SO42-+2H+Fe2++1/4O2+H+→Fe3++1/2 H2O Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+4Fe+3O2+XH2O=2Fe2O3·XH2O

次要過(guò)程是尾礦水中含量相對(duì)較少的Cu2+、Mn2+,遇空氣中的CO2、O2或水溶液中OH-后產(chǎn)生堿式碳酸銅、氫氧化銅、氫氧化錳沉淀，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

Cu2++2OH-=Cu(OH)2↓ Mn2++2OH-=Mn(OH)2↓ 2Cu(OH)2+CO2=Cu2(OH)2CO3+H2O

根據(jù)以上的分析結(jié)果可知尾礦壩產(chǎn)生化學(xué)淤堵的機(jī)理是尾礦砂和尾礦水金屬離子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)析出產(chǎn)生了難溶于水的金屬鹽類及絡(luò)合物，例如CaCO3、Mg(OH)2、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O等，從而導(dǎo)致排滲管道和多孔介質(zhì)孔隙堵塞，造成排滲性能降低。

2.3 生物淤堵機(jī)理分析

根據(jù) Allison等[18]的研究認(rèn)為，尾礦砂和尾礦水中的微生物也是造成排滲設(shè)施淤堵的主要因素之一，因此，本研究對(duì)銀山鉛鋅礦尾礦庫(kù)的尾礦砂和尾礦水中的微生物進(jìn)行了物種多樣性測(cè)序分析，分析結(jié)果如圖11所示。

根據(jù)圖11所示分析結(jié)果可知，尾礦砂中的微生物物種多樣性較尾礦水中的物種多樣性豐富，其中變形菌門(proteobacteria)在尾礦砂和尾礦水中的含量均較高，尤其是在尾礦水中，其物種相對(duì)豐度達(dá)到了96 %；對(duì)變形菌門中的微生物進(jìn)一步測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)，變形菌門中的黏細(xì)菌含量較高。黏細(xì)菌是變形菌門中一類獨(dú)特的細(xì)菌，如圖12所示，其菌體能向體外分泌多糖黏液，并將細(xì)胞團(tuán)包埋于黏液中，借助黏液在固體或氣汲界向上滑行。在適宜條件下，一群游動(dòng)的黏細(xì)菌彼此向?qū)Ψ揭苿?dòng)，在一定的位置聚積成團(tuán)，形成肉眼可見的子實(shí)體，當(dāng)該子實(shí)體在多孔介質(zhì)孔隙中中逐漸積累時(shí)，會(huì)造成多孔介質(zhì)孔隙率降低甚至堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致生物淤堵；與此同時(shí)，黏細(xì)菌分泌的多糖粘液與周圍環(huán)境中的尾砂、難溶金屬鹽類易形成沉積物，粘附或固結(jié)在土工布纖維和排滲管中，導(dǎo)致排滲性能下降；當(dāng)黏細(xì)菌黏液和子實(shí)體遇到FeS2、Fe2O3、Fe(OH)3等鐵的化合物時(shí)，可形成一種黃色膠狀物質(zhì)的赭石，赭石常粘在排水設(shè)施中，減小了排水空間，降低了透水能力。

根據(jù)以上分析可知，尾礦壩排滲設(shè)施生物淤堵的機(jī)理是尾礦砂和尾礦水中的微生物分泌的多糖類粘液和產(chǎn)生的子實(shí)體聚集造成多孔隙介質(zhì)堵塞，與此同時(shí)，黏細(xì)菌分泌的粘液與周圍環(huán)境中的難溶金屬鹽類化合物相互作用產(chǎn)生赭石以及其他沉積物沉積在排滲設(shè)施中，最終造成排滲設(shè)施的淤堵。

圖11 物種相對(duì)豐度分布圖
Fig.11 Relative abundance map of species

圖12 黏細(xì)菌
Fig.12 Myxcobacteria

3 結(jié)論

通過(guò)從物理因素、化學(xué)因素、生物因素三方面對(duì)江西銅業(yè)銀山鉛鋅礦尾礦壩淤堵機(jī)理的試驗(yàn)研究，可得到以下結(jié)論：

①銀山鉛鋅礦尾礦砂比重2.88，干容重1.56 g/cm3，濃度20 %，尾礦砂平均粒徑dcp=0.08 mm，-200目約占59 %，尾砂細(xì)粒含量較高；壩底開挖土工布、排水井附近土工布與未使用的土工布相比二者滲透性能分別下降了85 %和46 %，幾乎失去透水能力，其二者不僅發(fā)生了較為嚴(yán)重的物理淤堵同時(shí)也發(fā)生了較為嚴(yán)重的生物化學(xué)淤堵。

②銀山鉛鋅礦所用土工布平均孔徑為0.091 mm與尾砂平均粒徑0.08 mm大小相當(dāng)，因此易造成尾砂的沉積；反濾層土工布滲透系數(shù)與垂直載荷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即垂直載荷越大，土工布滲透系數(shù)越小，當(dāng)垂直載荷為1 MPa時(shí)，土工布滲透系數(shù)下降了95.9 %；尾礦砂的滲透系數(shù)與垂直載荷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即試樣所受垂直載荷越大，尾礦砂滲透系數(shù)越小，垂直載荷在0～0.5 MPa范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，滲透系數(shù)急劇下降了77.4 %；尾礦砂孔隙率與垂直載荷近似呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即垂直載荷線性均勻增加的過(guò)程中，尾砂孔隙率線性減?。晃驳V砂中含有細(xì)?？蓪?dǎo)致其滲透性能顯著降低。在沒(méi)有垂直載荷的條件下，不含細(xì)粒的尾砂滲透系數(shù)是含細(xì)粒尾砂滲透系數(shù)的3.7倍，去細(xì)粒后的尾砂式樣滲透率下降幅度略大于尾礦砂原樣。

③尾礦砂的主要礦物成分為黃鐵礦、黃銅礦、方鉛石、閃鋅礦等礦物；尾礦水中的金屬陽(yáng)離子主要為Ca2+、Mg2+、Fe3+、Mn2+等離子；排滲管淤堵物和土工布內(nèi)部淤堵物的主要成分為CaCO3、MgCO3、Mg(OH)2、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O等難溶金屬鹽類及其化合物。排滲設(shè)施化學(xué)淤堵的機(jī)理是水溶液中的金屬離子、尾礦砂中的礦物質(zhì)與空氣、水等周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了難溶于水的金屬鹽類及其化合物，主要是CaCO3、MgCO3、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O，逐漸粘附并固結(jié)在土工布纖維孔隙和排滲管中，最終造成排滲設(shè)施的淤堵。

④尾礦砂中的微生物物種多樣性較尾礦水中的豐富，尾礦砂和尾礦水中微生物相對(duì)豐度最高的是變形菌門微生物(proteobacteria)，其中尾礦水中的變形菌門細(xì)菌的相對(duì)豐度高達(dá)96 %。