化學(xué)因素作用下某尾礦砂滲透特性及污染防治研究

楊 軍 賀 勇 李冰冰 胡 廣

（1.廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東廣州510060；2.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室（中南大學(xué)），湖南長沙410083；3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083）

現(xiàn)階段，資源匱乏及嚴(yán)重的環(huán)境污染已成為當(dāng)今社會較為關(guān)注的問題。尾礦庫是礦山重要的控制性工程之一，同時也是礦山安全及環(huán)境問題的危險源［1］。尾礦庫近場化學(xué)環(huán)境因素復(fù)雜，且?guī)靸?nèi)含有大量尾礦和含污染物質(zhì)的地下水，在尾礦砂持續(xù)吹填、雨水淋濾及滲流作用等持續(xù)補給下，勢必對下游造成嚴(yán)重的環(huán)境污染［2-3］。因此，研究化學(xué)因素下尾礦滲透規(guī)律對礦山生態(tài)環(huán)境治理與恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。

礦山選礦產(chǎn)生的尾礦屬于危險性廢棄物，其中的重金屬等污染物可以通過徑流、淋濾、風(fēng)蝕等方式擴(kuò)散，污染周邊水土環(huán)境，對人和生物造成威脅，產(chǎn)生潛在的環(huán)境污染風(fēng)險［4-5］。重金屬污染物的遷移方式與尾礦的滲透特性緊密相關(guān)。同時，尾礦的滲透特性還影響著尾礦庫中浸潤線高低，進(jìn)而對尾礦庫安全造成威脅。若尾礦庫中浸潤線較高，同時也會導(dǎo)致潰壩帶來的環(huán)境風(fēng)險。不少學(xué)者研究了尾礦中污染遷移特征，如HE等［6］通過試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了尾礦中重金屬元素的遷移。賈惠艷等［7］利用Visual Modflow模擬軟件，預(yù)測了尾礦重金屬對地下水的污染趨勢。一些學(xué)者也進(jìn)行了類似的研究，結(jié)果均表明尾礦重金屬元素隨地下水滲流和時間快速遷移［8-11］。

尾礦的滲透特性是污染物遷移快慢的主要因素之一。因此有學(xué)者對尾礦的水力特征展開了研究，田園等［12］研究了不同干密度尾礦砂的滲透特性，結(jié)果表明，隨著干密度的增加尾礦砂滲透系數(shù)逐漸降低，尾礦顆粒越細(xì)，這種趨勢越明顯。郭山峰［13］通過鉆孔抽水及注水試驗，對尾礦庫壩區(qū)各地層進(jìn)行了滲透性分析，估算了尾礦庫壩基滲漏和繞壩滲漏量，并提出了相應(yīng)的防治措施。黃杰等［14］配制了不同水泥摻量的尾礦混凝土，并對其進(jìn)行了滲透性能試驗，研究結(jié)果表明，無論哪種水泥摻量，相對滲透系數(shù)均隨著含砂率的增加，呈現(xiàn)出“U”型變化規(guī)律，“U”底位置對應(yīng)的含砂率約50%。FALL等［15］和WILSON等［16］研究了膨潤土與人工尾礦混合物的水力特征，發(fā)現(xiàn)隨著膨潤土的摻入，獲得了較低的滲透系數(shù)和較好的環(huán)境應(yīng)變能力?？傮w上，近年來考慮化學(xué)因素下尾礦的滲透特性研究涉及較少。

尾礦的滲透特性常受到復(fù)雜的化學(xué)環(huán)境影響，實際工程中的尾礦庫滲透水也并非是純凈水（去離子水），而是含有復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)的地下水。因此進(jìn)行化學(xué)因素下尾礦滲透特性的研究十分必要。本研究以江西某銅礦尾礦庫為例，通過現(xiàn)場取樣開展室內(nèi)試驗，研究了不同化學(xué)溶液下、不同干密度尾礦的滲透系數(shù)變化規(guī)律，分析了尾礦淋濾液的成分，基于室內(nèi)試驗結(jié)果建立了尾礦庫中污染物遷移數(shù)值模型，并根據(jù)室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果提出了尾礦庫中重金屬污染防控措施。

1 室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬

1.1 試驗材料

尾礦砂取自江西某銅礦尾礦庫現(xiàn)場（圖1），尾礦砂成分多為粉細(xì)砂狀的礦砂。參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50123—2019）［17］對其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測試，主要結(jié)果見表1。

1.2 試樣準(zhǔn)備

通過鉆孔取地下0～3.0 m范圍內(nèi)的尾礦試樣，不同深度的尾礦分類存放。將尾礦試樣取出，按照計算的干密度稱取相應(yīng)質(zhì)量，倒入不銹鋼試樣環(huán)中，利用We-600b型20 kN數(shù)控萬能壓力機(jī)，以位移控制法壓制試樣。保持0.2 mm/min的垂直加載速率，將尾礦砂樣均勻壓實至設(shè)計位置，在恒體積條件下靜置1 h，以防止試樣回彈。最后，卸載得到直徑和高度均為50 mm、初始干密度為1.4～1.7（±0.02）g/cm3的壓實試樣，如圖2所示。

1.3 試驗方法

待試樣壓制完成后，使用自主設(shè)計的滲透儀進(jìn)行滲透試驗，如圖3所示。將壓制后的試樣放入滲透儀器中，上下各墊一塊透水石，滲透路徑由下往上?？紤]化學(xué)因素下尾礦滲透特征，在圖3中“5”處位置改變化學(xué)溶液成分。為模擬酸性溶液環(huán)境，采用稀釋的鹽酸溶液，控制pH變量為4、3、2。為模擬鹽溶液或重金屬化學(xué)溶液條件，采用NaCl溶液和CuSO4溶液，分別使用濃度為0.01、0.1、0.5 mol/L進(jìn)行試驗。滲透系數(shù)計算公式采用達(dá)西定律［18］：

其中，k為滲透系數(shù)，cm/s；Q為滲流速度，cm3/s；L為土樣高度，cm；A為試樣橫截面積，cm2；△h為水頭差，cm。

通過本研究自主設(shè)計的滲透儀器進(jìn)行淋濾試驗。通過不同溶液的入滲，在排水口4（圖3）收集滲出溶液，將淋濾液采用液相色譜儀進(jìn)行相關(guān)測試。使用型號為LC-20A高效液相色譜儀對淋濾液中的元素進(jìn)行定性分析。

1.4 尾礦表征試驗

尾礦表征主要從宏—微觀角度認(rèn)識尾礦成分，為后續(xù)試驗結(jié)果分析提供依據(jù)。表征試驗包括顆分試驗、XRD礦物成分分析和透射電鏡試驗。采用Rise-2002型濕法激光粒度分析儀對試驗尾礦砂粒徑進(jìn)行分析。在50 Hz和200 W環(huán)境下工作，選用He-Ne氣體激光光源，波長0.632 8 μm，最大檢測角達(dá)到105°，測試時將分散液攪拌、超聲（100 W）破碎、循環(huán)，獲取尾礦砂的顆粒分配曲線。

本研究采用德國Bruker生產(chǎn)的D8 FOCUS X射線衍射儀對尾礦試樣進(jìn)行礦物成分分析。X射線為CuKα（λ=0.154 18 nm），管電壓為40 kV，管電流為100 mA，掃描范圍為 5°～85°，掃描速度為 8°/min（2θ）。

通過透射電鏡（Talos，F(xiàn)EI）觀察尾礦砂的微觀結(jié)構(gòu)，分別獲取尾礦試樣的電子衍射圖像和高倍率原子排布圖。

1.5 數(shù)值模擬

基于尾礦在CuSO4溶液入滲下室內(nèi)試驗結(jié)果，采用Visual Moldflow地下水流數(shù)值模擬軟件模擬了尾礦淋濾液在地下水中的遷移擴(kuò)散情況。模型區(qū)域為矩形區(qū)域，長1 000 m，寬1 000 m。在模型區(qū)域東部和西部設(shè)置水頭邊界條件，并在東部設(shè)置濃度邊界條件。為研究壓實黏土類工程屏障對污染物的阻滯效果，在模型指定區(qū)域設(shè)置wall邊界條件。為進(jìn)一步簡化計算，對模型做出如下假設(shè)：①研究區(qū)域地質(zhì)介質(zhì)為均質(zhì)各向同性；②污染源為恒定濃度補給量為10 mg/L的區(qū)域污染源，并將建模環(huán)境考慮為等溫條件；③不考慮尾礦對污染物的吸附作用。

對于成分均勻的尾礦砂來說，整個模擬區(qū)域可將其視為穩(wěn)態(tài)滲流場，即每個單元流入與流出的流量差恒定，則有如下二維滲流微分方程成立：

式中，kx、ky分別為X、Y軸上的水力傳導(dǎo)率；Q為流量邊界；h為水頭高度，cm。

對于黏土工程屏障來說，則需考慮地下水中的對流、彌散、流體匯/源項、平衡吸附作用，因此可以采用單一化學(xué)組分的遷移偏微分方程進(jìn)行分析［19］：

式中，C為溶解濃度，mg/cm3；R為阻滯因子；為吸附濃度，mg/g；qi為達(dá)西速度，cm/s；Dij為彌散系數(shù)張量，cm2/s；qs為單位含水層的流量，L-1；Cs為源/匯的濃度，mg/cm3；λ1為溶解相的反應(yīng)速率常數(shù)，s-1；λ2為吸附相的反應(yīng)速率常數(shù)，s-1；θ'為孔隙度；ρb為孔隙介質(zhì)的體積密度，g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 尾礦砂表征

尾礦砂顆粒分布曲線如圖4所示。

如圖4所示，試驗采用的尾礦砂顆粒尺寸大多大于4 μm。試樣主要由細(xì)粒和粉砂尾砂組成，細(xì)粒土含量為83.78%，不均勻性系數(shù)小于5，曲率系數(shù)大于1，屬于劣質(zhì)土級配。

尾礦砂XRD圖如圖5所示。由圖5可知：石英、長石是尾礦砂的主要礦物成分，含有少量高嶺石等黏土成分。

尾礦砂TEM圖如圖6所示。

通過透射電鏡觀察尾礦砂的微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，尾礦砂在透射電鏡下顯現(xiàn)為顆粒彌散狀，放大約至38 000倍發(fā)現(xiàn)尾礦不再具備礦石規(guī)則晶粒分布特征，在整體結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出松散態(tài)，如圖6所示。進(jìn)一步增大倍數(shù)觀察，對尾礦砂晶體做電子衍射，表現(xiàn)出晶態(tài)原子的規(guī)則排列，表明所選取尾礦中包含大量礦物晶體；將倍數(shù)調(diào)至最大91萬倍，做高倍率觀察，在2 nm范圍內(nèi)可以看到原子的規(guī)則排列，說明尾礦砂主體成分為晶態(tài)物質(zhì)。

2.2 滲透試驗結(jié)果與分析

尾礦在不同化學(xué)溶液及不同干密度下的滲透系數(shù)的變化特征如圖7和圖8所示。

由圖7、圖8可知：在酸性環(huán)境下，隨著pH值降低，尾礦滲透系數(shù)逐漸增大，當(dāng)pH值降低至2時，滲透系數(shù)增大約1～2個數(shù)量級。此外，隨著NaCl濃度提高，尾礦滲透系數(shù)呈現(xiàn)先小幅度增大后逐漸降低的特征。無論在酸性還是鹽溶液條件下，隨著干密度增大，尾礦滲透系數(shù)均逐漸降低。在酸性環(huán)境下，隨著干密度增大，溶液對尾礦砂滲透系數(shù)的影響逐漸減弱；在鹽溶液環(huán)境中，干密度越小，滲透系數(shù)受NaCl溶液作用效果越顯著，干密度越大，NaCl溶液濃度增大導(dǎo)致的效果越不顯著。

選取干密度為1.6 g/cm3的尾礦砂進(jìn)行試驗，尾礦砂在不同濃度CuSO4溶液下的滲透系數(shù)變化特征如圖9所示。

由圖9可知：隨著CuSO4溶液濃度增大，尾礦砂滲透系數(shù)逐漸降低，這可能與尾礦中含有大量金屬元素Cu有關(guān)。在化學(xué)溶液環(huán)境中，易發(fā)生化學(xué)固結(jié)效應(yīng)，試樣孔隙壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致其滲透系數(shù)降低。

2.3 淋濾試驗結(jié)果與分析

淋濾試驗分析結(jié)果如表2所示。淋濾液非金屬元素主要為O、Si、S等元素，金屬元素以Ba、Cu和Fe為主。其中，由2.1節(jié)中尾礦XRD結(jié)果可知，非金屬元素主要來自尾礦中天然硅酸鹽風(fēng)化后的產(chǎn)物。圖6中顯示大量晶體礦物被包裹在尾礦中，因此Cu元素可能被大量富集在尾礦中。在地下水滲流及降雨淋濾作用下，尾礦中Cu2+可能向外釋放遷移［20］，因此有必要做好相應(yīng)的防治措施。

2.4 數(shù)值模擬分析

由表2淋濾試驗結(jié)果可知，Cu2+是尾礦中主要的重金屬污染物之一。因此，本研究基于尾礦室內(nèi)滲透試驗結(jié)果（圖9），模擬Cu2+在尾礦中遷移擴(kuò)散，同時提出黏土工程屏障治理方案。模型區(qū)域長、寬均為1 000 m，將研究區(qū)域左右側(cè)邊界分別設(shè)置為定水頭邊界條件，水頭差為1 m。假設(shè)干密度為1.6 g/cm3的尾礦均勻充滿模擬區(qū)域，同時X和Y方向上的滲透系數(shù)一致，具體參數(shù)取值見表3。

由于膨潤土等黏土具有低滲透性、高吸附性和膨脹自愈等特性，歐美等國家和地區(qū)在防治與修復(fù)大面積重金屬污染區(qū)域時，常采用黏土類工程屏障將污染區(qū)域與外界環(huán)境隔離［21-23］。本研究基于工程屏障被動修復(fù)及污染物阻滯理念，在尾礦模型X=400 m處建立工程屏障阻滯墻，得到3 650 d和7 300 d尾礦淋濾液中重金屬污染物Cu2+遷移云圖，如圖10所示。其中，壓實黏土工程屏障計算參數(shù)取值如表4所示。

注：Kb為工程屏障滲透系數(shù)；Db為工程屏障彌散系數(shù)；θ'為有效孔隙度；Dx和Dy為x，y方向彌散系數(shù)張量。

由圖10（a）和圖10（b）可知：Cu2+隨著場地地下水流動不斷發(fā)生遷移擴(kuò)散。隨著時間推移，Cu2+污染范圍逐漸增大；3 650 d和7 300 d后污染物分別擴(kuò)散至距污染源400 m和600 m處，上游污染源由近到遠(yuǎn)，污染物濃度呈遞減趨勢。由此可見，重金屬污染物在尾礦地區(qū)具有遷移距離遠(yuǎn)、影響范圍大等特點。由圖10（c）和圖10（d）可知：經(jīng)過3 650 d后，Cu2+的遷移范圍基本上被控制在靠近污染源沿著水流方向250 m以內(nèi)；7 300 d后，Cu2+在工程屏障前后濃度分別為2.86、1.43 mg/L，0.5 m厚工程屏障對Cu2+阻滯效率約為50%。由此可見：工程屏障對重金屬污染物具有較好的阻滯效果，能有效地將污染區(qū)域與未污染區(qū)域隔離。

為了研究工程屏障墻體厚度對阻滯重金屬污染物效率的影響，分別選取0.2、0.5、0.7、1.0 m厚的工程屏障進(jìn)行計算，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知：黏土類工程屏障厚度越大，對重金屬污染物的阻滯效率越高；厚度為1 m時，工程屏障阻滯效率為73.4%。

3 尾礦庫重金屬污染工程防治措施

為有效阻滯隔離尾礦庫中的重金屬污染物，防止污染范圍擴(kuò)大，應(yīng)對尾礦庫采取適當(dāng)?shù)墓こ谭乐未胧１狙芯恳越髂炽~礦尾礦庫為例，基于現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，提出了以下幾點尾礦庫重金屬污染防治措施。

（1）在尾礦庫內(nèi)適當(dāng)布置排水井。新排放的尾礦具有含水率高、流動性大和顆粒松散等特性，加強(qiáng)尾礦排水，使尾礦快速固結(jié)，可以提高尾礦干密度并降低孔隙比，對提高尾礦整體穩(wěn)定性和降低尾礦滲透性具有重要作用。

（2）控制尾礦廢液pH值。室內(nèi)試驗結(jié)果表明：尾礦砂在低pH環(huán)境條件下滲透系數(shù)急劇增大；將尾礦廢水pH值控制在中性范圍，可有效降低尾礦滲透系數(shù)，地下水對流減弱，減小重金屬污染物向下游的遷移范圍。我國南方土壤偏酸性，加之酸雨的影響，應(yīng)引起重視。

（3）合理布設(shè)黏土類工程屏障。借鑒國內(nèi)外常用的土—膨潤土豎向隔離墻施工技術(shù)，為控制尾礦庫中重金屬污染物的遷移擴(kuò)散，可采用完全圍封的形式在尾礦庫四周設(shè)置落底式黏土類豎向工程屏障（圖12）?？刹捎萌缦虏襟E進(jìn)行工程屏障的現(xiàn)場施工：①開槽，首先采用長臂反鏟挖掘機(jī)、蛤殼式液壓抓斗等設(shè)備開挖垂直溝槽，同時用膨潤土水泥漿對溝槽護(hù)壁，以保持溝槽穩(wěn)定性；②拌和，附近取土（如我國長江以南廣泛分布的紅土），摻入一定質(zhì)量的膨潤土，控制含水率，采用拌土機(jī)將混合土充分拌和，膨潤土摻入比一般不宜低于5%，以最終回填土的塌落度為100～150 mm為指標(biāo)確定回填土含水率［23］；③回填，采用挖掘機(jī)、空氣提升泵等工具進(jìn)行槽內(nèi)清底作業(yè)，將混合土填入溝槽內(nèi)，完成回填作業(yè)，基于本研究數(shù)值模擬結(jié)果及相關(guān)現(xiàn)場經(jīng)驗，土—膨潤土工程屏障應(yīng)嵌入下覆不透水層0.6～1.5 m，厚度宜為0.7～1.0 m；④覆蓋，完成回填后，需采用壓實黏土對工程屏障頂部進(jìn)行覆蓋，在回填期間，也可對工程屏障進(jìn)行臨時分段覆蓋，用于覆蓋的黏土含水率宜在最優(yōu)含水率附近取值。

4 結(jié) 論

本研究通過不同濃度CuSO4的滲透試驗得到了某尾礦庫中不同干密度尾礦砂在化學(xué)環(huán)境下的滲透特征，并結(jié)合數(shù)值模擬計算出的Cu2+在尾礦庫中遷移及工程屏障阻滯云圖，提出了尾礦庫重金屬污染防治措施，主要取得如下結(jié)論：

（1）酸性環(huán)境下，尾礦滲透系數(shù)隨著pH值降低逐漸增大；在鹽溶液環(huán)境中，尾礦滲透系數(shù)隨著CuSO4溶液濃度增加而逐漸降低；隨著干密度增大，化學(xué)溶液對尾礦滲透系數(shù)的影響減弱。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，Cu2+遷移范圍隨著時間推移逐漸增大；工程屏障對重金屬污染物具有較好的阻滯效果，能有效地將污染區(qū)域隔離，可成為礦山污染環(huán)境防治及修復(fù)的重要措施。

（3）為降低尾礦砂中污染物對近場環(huán)境污染的風(fēng)險，可采取加強(qiáng)尾礦排水固結(jié)、控制尾礦廢液pH值及合理布置黏土類豎向工程屏障等措施。