化学因素作用下某尾矿砂渗透特性及污染防治研究

杨 军 贺 勇 李冰冰 胡 广

（1.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州510060；2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室（中南大学），湖南长沙410083；3.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083）

现阶段，资源匮乏及严重的环境污染已成为当今社会较为关注的问题。尾矿库是矿山重要的控制性工程之一，同时也是矿山安全及环境问题的危险源［1］。尾矿库近场化学环境因素复杂，且库内含有大量尾矿和含污染物质的地下水，在尾矿砂持续吹填、雨水淋滤及渗流作用等持续补给下，势必对下游造成严重的环境污染［2-3］。因此，研究化学因素下尾矿渗透规律对矿山生态环境治理与恢复具有重要的指导意义。

矿山选矿产生的尾矿属于危险性废弃物，其中的重金属等污染物可以通过径流、淋滤、风蚀等方式扩散，污染周边水土环境，对人和生物造成威胁，产生潜在的环境污染风险［4-5］。重金属污染物的迁移方式与尾矿的渗透特性紧密相关。同时，尾矿的渗透特性还影响着尾矿库中浸润线高低，进而对尾矿库安全造成威胁。若尾矿库中浸润线较高，同时也会导致溃坝带来的环境风险。不少学者研究了尾矿中污染迁移特征，如HE等［6］通过试验和数值模拟相结合，分析了尾矿中重金属元素的迁移。贾惠艳等［7］利用Visual Modflow模拟软件，预测了尾矿重金属对地下水的污染趋势。一些学者也进行了类似的研究，结果均表明尾矿重金属元素随地下水渗流和时间快速迁移［8-11］。

尾矿的渗透特性是污染物迁移快慢的主要因素之一。因此有学者对尾矿的水力特征展开了研究，田园等［12］研究了不同干密度尾矿砂的渗透特性，结果表明，随着干密度的增加尾矿砂渗透系数逐渐降低，尾矿颗粒越细，这种趋势越明显。郭山峰［13］通过钻孔抽水及注水试验，对尾矿库坝区各地层进行了渗透性分析，估算了尾矿库坝基渗漏和绕坝渗漏量，并提出了相应的防治措施。黄杰等［14］配制了不同水泥掺量的尾矿混凝土，并对其进行了渗透性能试验，研究结果表明，无论哪种水泥掺量，相对渗透系数均随着含砂率的增加，呈现出“U”型变化规律，“U”底位置对应的含砂率约50%。FALL等［15］和WILSON等［16］研究了膨润土与人工尾矿混合物的水力特征，发现随着膨润土的掺入，获得了较低的渗透系数和较好的环境应变能力。总体上，近年来考虑化学因素下尾矿的渗透特性研究涉及较少。

尾矿的渗透特性常受到复杂的化学环境影响，实际工程中的尾矿库渗透水也并非是纯净水（去离子水），而是含有复杂化学物质的地下水。因此进行化学因素下尾矿渗透特性的研究十分必要。本研究以江西某铜矿尾矿库为例，通过现场取样开展室内试验，研究了不同化学溶液下、不同干密度尾矿的渗透系数变化规律，分析了尾矿淋滤液的成分，基于室内试验结果建立了尾矿库中污染物迁移数值模型，并根据室内试验和数值模拟结果提出了尾矿库中重金属污染防控措施。

1 室内试验与数值模拟

1.1 试验材料

尾矿砂取自江西某铜矿尾矿库现场（图1），尾矿砂成分多为粉细砂状的矿砂。参照《土工试验方法标准》（GBT 50123—2019）［17］对其物理力学性质指标进行了测试，主要结果见表1。

1.2 试样准备

通过钻孔取地下0～3.0 m范围内的尾矿试样，不同深度的尾矿分类存放。将尾矿试样取出，按照计算的干密度称取相应质量，倒入不锈钢试样环中，利用We-600b型20 kN数控万能压力机，以位移控制法压制试样。保持0.2 mm/min的垂直加载速率，将尾矿砂样均匀压实至设计位置，在恒体积条件下静置1 h，以防止试样回弹。最后，卸载得到直径和高度均为50 mm、初始干密度为1.4～1.7（±0.02）g/cm3的压实试样，如图2所示。

1.3 试验方法

待试样压制完成后，使用自主设计的渗透仪进行渗透试验，如图3所示。将压制后的试样放入渗透仪器中，上下各垫一块透水石，渗透路径由下往上。考虑化学因素下尾矿渗透特征，在图3中“5”处位置改变化学溶液成分。为模拟酸性溶液环境，采用稀释的盐酸溶液，控制pH变量为4、3、2。为模拟盐溶液或重金属化学溶液条件，采用NaCl溶液和CuSO4溶液，分别使用浓度为0.01、0.1、0.5 mol/L进行试验。渗透系数计算公式采用达西定律［18］：

其中，k为渗透系数，cm/s；Q为渗流速度，cm3/s；L为土样高度，cm；A为试样横截面积，cm2；△h为水头差，cm。

通过本研究自主设计的渗透仪器进行淋滤试验。通过不同溶液的入渗，在排水口4（图3）收集渗出溶液，将淋滤液采用液相色谱仪进行相关测试。使用型号为LC-20A高效液相色谱仪对淋滤液中的元素进行定性分析。

1.4 尾矿表征试验

尾矿表征主要从宏—微观角度认识尾矿成分，为后续试验结果分析提供依据。表征试验包括颗分试验、XRD矿物成分分析和透射电镜试验。采用Rise-2002型湿法激光粒度分析仪对试验尾矿砂粒径进行分析。在50 Hz和200 W环境下工作，选用He-Ne气体激光光源，波长0.632 8 μm，最大检测角达到105°，测试时将分散液搅拌、超声（100 W）破碎、循环，获取尾矿砂的颗粒分配曲线。

本研究采用德国Bruker生产的D8 FOCUS X射线衍射仪对尾矿试样进行矿物成分分析。X射线为CuKα（λ=0.154 18 nm），管电压为40 kV，管电流为100 mA，扫描范围为 5°～85°，扫描速度为 8°/min（2θ）。

通过透射电镜（Talos，FEI）观察尾矿砂的微观结构，分别获取尾矿试样的电子衍射图像和高倍率原子排布图。

1.5 数值模拟

基于尾矿在CuSO4溶液入渗下室内试验结果，采用Visual Moldflow地下水流数值模拟软件模拟了尾矿淋滤液在地下水中的迁移扩散情况。模型区域为矩形区域，长1 000 m，宽1 000 m。在模型区域东部和西部设置水头边界条件，并在东部设置浓度边界条件。为研究压实黏土类工程屏障对污染物的阻滞效果，在模型指定区域设置wall边界条件。为进一步简化计算，对模型做出如下假设：①研究区域地质介质为均质各向同性；②污染源为恒定浓度补给量为10 mg/L的区域污染源，并将建模环境考虑为等温条件；③不考虑尾矿对污染物的吸附作用。

对于成分均匀的尾矿砂来说，整个模拟区域可将其视为稳态渗流场，即每个单元流入与流出的流量差恒定，则有如下二维渗流微分方程成立：

式中，kx、ky分别为X、Y轴上的水力传导率；Q为流量边界；h为水头高度，cm。

对于黏土工程屏障来说，则需考虑地下水中的对流、弥散、流体汇/源项、平衡吸附作用，因此可以采用单一化学组分的迁移偏微分方程进行分析［19］：

式中，C为溶解浓度，mg/cm3；R为阻滞因子；为吸附浓度，mg/g；qi为达西速度，cm/s；Dij为弥散系数张量，cm2/s；qs为单位含水层的流量，L-1；Cs为源/汇的浓度，mg/cm3；λ1为溶解相的反应速率常数，s-1；λ2为吸附相的反应速率常数，s-1；θ'为孔隙度；ρb为孔隙介质的体积密度，g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 尾矿砂表征

尾矿砂颗粒分布曲线如图4所示。

如图4所示，试验采用的尾矿砂颗粒尺寸大多大于4 μm。试样主要由细粒和粉砂尾砂组成，细粒土含量为83.78%，不均匀性系数小于5，曲率系数大于1，属于劣质土级配。

尾矿砂XRD图如图5所示。由图5可知：石英、长石是尾矿砂的主要矿物成分，含有少量高岭石等黏土成分。

尾矿砂TEM图如图6所示。

通过透射电镜观察尾矿砂的微观结构可以发现，尾矿砂在透射电镜下显现为颗粒弥散状，放大约至38 000倍发现尾矿不再具备矿石规则晶粒分布特征，在整体结构上表现出松散态，如图6所示。进一步增大倍数观察，对尾矿砂晶体做电子衍射，表现出晶态原子的规则排列，表明所选取尾矿中包含大量矿物晶体；将倍数调至最大91万倍，做高倍率观察，在2 nm范围内可以看到原子的规则排列，说明尾矿砂主体成分为晶态物质。

2.2 渗透试验结果与分析

尾矿在不同化学溶液及不同干密度下的渗透系数的变化特征如图7和图8所示。

由图7、图8可知：在酸性环境下，随着pH值降低，尾矿渗透系数逐渐增大，当pH值降低至2时，渗透系数增大约1～2个数量级。此外，随着NaCl浓度提高，尾矿渗透系数呈现先小幅度增大后逐渐降低的特征。无论在酸性还是盐溶液条件下，随着干密度增大，尾矿渗透系数均逐渐降低。在酸性环境下，随着干密度增大，溶液对尾矿砂渗透系数的影响逐渐减弱；在盐溶液环境中，干密度越小，渗透系数受NaCl溶液作用效果越显著，干密度越大，NaCl溶液浓度增大导致的效果越不显著。

选取干密度为1.6 g/cm3的尾矿砂进行试验，尾矿砂在不同浓度CuSO4溶液下的渗透系数变化特征如图9所示。

由图9可知：随着CuSO4溶液浓度增大，尾矿砂渗透系数逐渐降低，这可能与尾矿中含有大量金属元素Cu有关。在化学溶液环境中，易发生化学固结效应，试样孔隙压缩，进而导致其渗透系数降低。

2.3 淋滤试验结果与分析

淋滤试验分析结果如表2所示。淋滤液非金属元素主要为O、Si、S等元素，金属元素以Ba、Cu和Fe为主。其中，由2.1节中尾矿XRD结果可知，非金属元素主要来自尾矿中天然硅酸盐风化后的产物。图6中显示大量晶体矿物被包裹在尾矿中，因此Cu元素可能被大量富集在尾矿中。在地下水渗流及降雨淋滤作用下，尾矿中Cu2+可能向外释放迁移［20］，因此有必要做好相应的防治措施。

2.4 数值模拟分析

由表2淋滤试验结果可知，Cu2+是尾矿中主要的重金属污染物之一。因此，本研究基于尾矿室内渗透试验结果（图9），模拟Cu2+在尾矿中迁移扩散，同时提出黏土工程屏障治理方案。模型区域长、宽均为1 000 m，将研究区域左右侧边界分别设置为定水头边界条件，水头差为1 m。假设干密度为1.6 g/cm3的尾矿均匀充满模拟区域，同时X和Y方向上的渗透系数一致，具体参数取值见表3。

由于膨润土等黏土具有低渗透性、高吸附性和膨胀自愈等特性，欧美等国家和地区在防治与修复大面积重金属污染区域时，常采用黏土类工程屏障将污染区域与外界环境隔离［21-23］。本研究基于工程屏障被动修复及污染物阻滞理念，在尾矿模型X=400 m处建立工程屏障阻滞墙，得到3 650 d和7 300 d尾矿淋滤液中重金属污染物Cu2+迁移云图，如图10所示。其中，压实黏土工程屏障计算参数取值如表4所示。

注：Kb为工程屏障渗透系数；Db为工程屏障弥散系数；θ'为有效孔隙度；Dx和Dy为x，y方向弥散系数张量。

由图10（a）和图10（b）可知：Cu2+随着场地地下水流动不断发生迁移扩散。随着时间推移，Cu2+污染范围逐渐增大；3 650 d和7 300 d后污染物分别扩散至距污染源400 m和600 m处，上游污染源由近到远，污染物浓度呈递减趋势。由此可见，重金属污染物在尾矿地区具有迁移距离远、影响范围大等特点。由图10（c）和图10（d）可知：经过3 650 d后，Cu2+的迁移范围基本上被控制在靠近污染源沿着水流方向250 m以内；7 300 d后，Cu2+在工程屏障前后浓度分别为2.86、1.43 mg/L，0.5 m厚工程屏障对Cu2+阻滞效率约为50%。由此可见：工程屏障对重金属污染物具有较好的阻滞效果，能有效地将污染区域与未污染区域隔离。

为了研究工程屏障墙体厚度对阻滞重金属污染物效率的影响，分别选取0.2、0.5、0.7、1.0 m厚的工程屏障进行计算，结果如图11所示。由图11可知：黏土类工程屏障厚度越大，对重金属污染物的阻滞效率越高；厚度为1 m时，工程屏障阻滞效率为73.4%。

3 尾矿库重金属污染工程防治措施

为有效阻滞隔离尾矿库中的重金属污染物，防止污染范围扩大，应对尾矿库采取适当的工程防治措施。本研究以江西某铜矿尾矿库为例，基于现场调查、室内试验和数值模拟结果，提出了以下几点尾矿库重金属污染防治措施。

（1）在尾矿库内适当布置排水井。新排放的尾矿具有含水率高、流动性大和颗粒松散等特性，加强尾矿排水，使尾矿快速固结，可以提高尾矿干密度并降低孔隙比，对提高尾矿整体稳定性和降低尾矿渗透性具有重要作用。

（2）控制尾矿废液pH值。室内试验结果表明：尾矿砂在低pH环境条件下渗透系数急剧增大；将尾矿废水pH值控制在中性范围，可有效降低尾矿渗透系数，地下水对流减弱，减小重金属污染物向下游的迁移范围。我国南方土壤偏酸性，加之酸雨的影响，应引起重视。

（3）合理布设黏土类工程屏障。借鉴国内外常用的土—膨润土竖向隔离墙施工技术，为控制尾矿库中重金属污染物的迁移扩散，可采用完全围封的形式在尾矿库四周设置落底式黏土类竖向工程屏障（图12）。可采用如下步骤进行工程屏障的现场施工：①开槽，首先采用长臂反铲挖掘机、蛤壳式液压抓斗等设备开挖垂直沟槽，同时用膨润土水泥浆对沟槽护壁，以保持沟槽稳定性；②拌和，附近取土（如我国长江以南广泛分布的红土），掺入一定质量的膨润土，控制含水率，采用拌土机将混合土充分拌和，膨润土掺入比一般不宜低于5%，以最终回填土的塌落度为100～150 mm为指标确定回填土含水率［23］；③回填，采用挖掘机、空气提升泵等工具进行槽内清底作业，将混合土填入沟槽内，完成回填作业，基于本研究数值模拟结果及相关现场经验，土—膨润土工程屏障应嵌入下覆不透水层0.6～1.5 m，厚度宜为0.7～1.0 m；④覆盖，完成回填后，需采用压实黏土对工程屏障顶部进行覆盖，在回填期间，也可对工程屏障进行临时分段覆盖，用于覆盖的黏土含水率宜在最优含水率附近取值。

4 结 论

本研究通过不同浓度CuSO4的渗透试验得到了某尾矿库中不同干密度尾矿砂在化学环境下的渗透特征，并结合数值模拟计算出的Cu2+在尾矿库中迁移及工程屏障阻滞云图，提出了尾矿库重金属污染防治措施，主要取得如下结论：

（1）酸性环境下，尾矿渗透系数随着pH值降低逐渐增大；在盐溶液环境中，尾矿渗透系数随着CuSO4溶液浓度增加而逐渐降低；随着干密度增大，化学溶液对尾矿渗透系数的影响减弱。

（2）数值模拟结果表明，Cu2+迁移范围随着时间推移逐渐增大；工程屏障对重金属污染物具有较好的阻滞效果，能有效地将污染区域隔离，可成为矿山污染环境防治及修复的重要措施。

（3）为降低尾矿砂中污染物对近场环境污染的风险，可采取加强尾矿排水固结、控制尾矿废液pH值及合理布置黏土类竖向工程屏障等措施。