尾矿坝排渗系统淤堵机理试验研究

冒海军张超

(1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆400044；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北武汉430071;3.武汉工程大学材料科学与工程学院， 湖北武汉430071)

0 引言

尾矿库是矿山的重要基础工程之一，也是矿山的重大危险源，据统计在世界93种事故隐患中，尾矿库事故排名第18位[1]。在我国，每年排放的尾矿超过十亿吨，尾矿库约有一万两千余座，其中绝大部分的尾矿库采用上游式筑坝法构筑。上游式筑坝法形成的尾矿库的排渗系统较易淤堵，坝内浸润线较高，从而产生子坝地基不稳固、坝坡地震动力稳定性差等危险因素，因此，尾矿库安全形势严峻[2]。国内外由于尾矿坝排渗设施失效导致坝体浸润线增高，进一步导致尾矿坝溃坝的事故时有发生。2000年广西南丹县鸿图选矿厂尾矿库发生溃坝，事故造成28人死亡，56人受伤，直接经济损失高达340万元。该事故直接原因是基础坝排渗设施失效，坝体浸润线增高，在初期坝和后期堆坝之间形成了一个抗剪能力极低的滑动面。同时，尾矿库蓄水过多得不到有效排解，导致大部分尾矿砂长期处于浸泡状态得不到固结，最终导致坝体沿抗剪强度低的滑动面垮塌[3-4]。据统计表明尾矿坝排水状况不良、坝体浸润面高是尾矿坝溃坝事故的主要原因之一[5]，当淤堵发生时，通常表现为排水井、排水管等排渗系统发生堵塞、反滤层土工布及坝体多孔介质的渗透系数不断下降，进而使坝体浸润面增高、坝体抗剪强度降低，最终导致坝体的垮塌破坏。因此维护尾矿库排渗系统正常运行、防止其发生淤堵，以此控制渗流浸润面的高度，对尾矿库的安全稳定运行至关重要。

一般认为导致尾矿坝排渗设施发生淤堵的因素众多[6-11]，但大体上可分为三类，即物理因素、化学因素、生物因素。因此，其淤堵类型可分为三类，即物理(机械)淤堵、化学淤堵、生物淤堵[12]。Guillaume等[13]认为物理淤堵的机理主要是细颗粒尾矿砂在排渗管中、土工布内部、土工布上游表面的沉积，导致排渗管排水不良、土工布渗透系数降低，产生物理淤堵。高压伟[14]通过试验研究引出“等效粒径比”的概念，认为尾矿砂骨架与尾砂悬浮液等效粒径之比越大，造成物理淤堵的概率越小。胡学涛[15]通过室内沙柱浑水入渗试验研究发现，悬浮液浓度越大，沙柱单位时间内的入渗量越小，以此说明淤堵程度与入渗悬浮液的浓度有关。化学淤堵在传统排水系统中很少发生，但在尾矿库中较为常见，例如南非某尾矿库排渗系统反滤层中沉积了大量铁氧化物[16]、栗西尾矿坝排水体中化学淤堵现象[17]等。Allison[18]认为生物淤堵的原因是多空介质孔隙被微生物细胞及其产物、分泌的粘液或多聚糖类物质堵塞而产生。代志凯等[11]提出Clement模型表示在微生物增长条件下孔隙度和渗透系数的变化关系，该模型在计算时仅需要微生物量的数据，因此较为方便。

江西铜业集团银山铅锌矿尾矿库位于江西省德兴市区以东，选矿厂西北面100 m处的狭长的山谷中，采用上游筑坝法构筑，并于1980年、1992年先后进行两次扩容设计。经现场踏勘发现，该尾矿库主坝及副坝排渗系统已发生明显淤堵，排渗效率大幅下降。银山尾矿坝坝高约106 m，其排渗设施位于坝底部，受到约1 MPa的垂直载荷，与此同时，银山尾矿坝尾砂中细粒占59 %，细粒含量较高，因此垂直载荷和尾矿砂细粒造成的排渗性能降低不容忽视。在物理淤堵机理研究方面，对于不同垂直载荷和尾矿砂细粒含量造成排渗性能降低的研究尚未见有。银山铅锌矿尾矿坝排渗设施中除了大量松散的因机械运移而产生的沉积物外，其排渗管口及反滤层土工布纤维孔隙中也均固结了大量沉积物，因此表明，排渗设施不仅发生了机械淤堵，同时也已发生了严重的生物化学淤堵。本文以江西铜业银山铅锌矿尾矿坝的排渗设施淤堵为例，分别从物理、化学、生物三个因素对其淤堵的机理进行分析，并对造成化学、生物淤堵的物质、微生物的种类进行了分析，为解决尾矿坝排渗淤堵、提高排渗设施的服役性能奠定了良好的理论基础。

1 试验准备

1.1 试样获取及制备

本试验的尾矿水、土工布、淤堵沉积物、尾矿砂等试样均取自江西铜业集团银山矿尾矿库，从主坝82号平台、3#副坝的排渗管口和库区排水井位置取尾矿水样品4瓶。其中，为了进行尾矿水中微生物物种多样性测序分析，根据测试要求，对浑浊水样在过滤前进行静置分离悬浮颗粒，然后先用大孔径的滤膜预过滤一遍，再用小孔径0.22 μm 或 0.45 μm的滤膜进行过滤，直到滤膜上可见明显覆盖面，收集滤膜进行DNA提取或保存-80 ℃备用；在尾矿库表面取不同粒径的尾矿材料样品，合计1.5 t，选取适量尾砂筛分去除细粒备用；从排渗管口与土工布表面附近取得沉积物样品，共4种约1.5 kg，分别取适量样品研磨至粒径为0.075 mm的试样备用；在集水井东侧约5 m附近进行开挖，获得贴坡反滤层附近与排渗盲沟位置处的土工布3块，并获取1块未使用的土工布作为参照试样；为进行土工布在不同垂直载荷条件下垂直渗透特性的测定，按照实验仪器的尺寸，从每块土工布中剪取直径为13.5 cm的圆形试样5块，并在清水中浸泡12 h备用。部分试样及获取位置如图1～图2所示：

(a) 排水沟(b)排渗盲沟(c) 排渗管(d) 集水井

(a) 尾矿砂及沉积物(b) 反滤层土工布(c) 土工布试样

1.2 试验装置及方案

本研究分别进行了以下试验：不同垂直载荷条件下、有无细粒条件下尾矿砂和土工布渗透系数、孔隙率变化的试验，根据工程实际，其垂直压力梯度设为0～2.0 MPa，每组测试5个试样，渗透系数取其平均值；尾矿水中金属离子的种类及浓度的测定；尾矿水和尾矿砂中微生物物种多样性测序分析；尾矿砂矿物成分、淤堵沉积物和土工布表层沉积物成分分析；土工布微观结构电镜扫描分析。其中不同垂直载荷条件下尾矿砂和反滤层土工布垂直渗透系数的测定采用中国科学院武汉岩土力学研究所有负荷垂直渗透仪进行测试，其中土工布的厚度采用机械式土工合成材料厚度测试仪进行测试，按照土工合成材料渗透系数测试规程将制备好的每种土工布试样分别进行测试，渗透系数取其平均值；尾矿水中金属离子的种类及浓度的测定在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室ICP-MS(PE350D)测试仪上进行，总共测试5个水样，检验温度为23 ℃，检验湿度为70 %；尾矿水和尾矿砂试样中微生物物种多样性测序分析交由广东美格基因科技有限公司进行，分别进行了测序数据统计、物种注释与评估、样本比较分析，最终形成了微生物群落组成和多样性分析报告;尾矿砂、淤堵沉积物、土工布表层沉积物的成分分析采用中国科学院武汉岩土力学研究所Bruker AXS D8-FocusX射线衍射仪；反滤层土工布微观结构扫描采用中国科学院武汉岩土力学研究所Quanta 250扫描电子显微镜。

2 试验结果及分析

2.1 物理(机械)淤堵机理分析

本次实验对尾矿砂试样的颗粒级配及物理性质进行了分析，分析结果如表2所示。尾矿料比重2.88，干容重1.56 g/cm3，浓度20 %，尾矿料平均粒径dcp=0.08 mm，-200(0.075 mm)目约占59 %，因此可知银山铅锌矿尾矿砂粒径较小，尾矿砂中细粒含量较高。对在现场不同位置处取回的反滤层土工布进行了垂直渗透系数试验，试验结果如表1所示。根据试验结果可知，坝底开挖的土工布和排水井附近的土工布与未使用的土工布相比渗透性能分别下降了85 %和46 %，因此可知其二者发生了较为严重的淤堵；和排水井附近的土工布相比，尾矿坝底部的土工布不仅受到尾矿水的浸泡，同时还受到尾矿砂的侵入和上覆尾矿砂垂直压力，进而导致土工布有效孔径的减小和淤堵，导致坝底土工布渗透性能下降更为严重，淤堵后的土工布微观结构如图3所示。

表2 试样颗分试验结果Tab.2 Sample size test results

图3 土工布物理淤堵微观结构图
Fig.3 Microstructure diagram of geotextile physical blockage

2.1.1 土工布物理淤堵机理分析

图4 土工布渗透系数—垂直载荷变化曲线Fig.4 Permeability coefficient-vertical load variation curve of the geotextile

造成土工布淤堵的因素主要有几何因素、物理因素、外部因素3类[19]。其中几何因素主要指尾矿砂颗粒的粒径分布和土工布的厚度及孔隙分布对土工布反滤层性能的影响。物理因素主要是指尾矿砂内摩擦角、比重、黏性、有效应力、土工布密度和压缩性等。当土工布垂直方向上受到压力时将导致其厚度减小，进而导致有效孔径的减小。为研究上覆尾砂垂直载荷对坝底土工布渗透性能影响，进行了不同垂直载荷条件下土工布的垂直渗透试验，试验结果如图4所示。根据实验结果可知，反滤层土工布渗透系数与垂直载荷呈负相关关系，即垂直载荷越大，土工布渗透系数越小，当垂直载荷为1MPa时，土工布渗透系数下降了95.9 %。对比图3中坝底和未使用的土工布有效孔径大小可发现，坝底土工布的有效孔径显著减小，因此其渗透性能降低；土工布在反滤层中的主要作用是促使土工布上覆被保护尾矿层形成架空层和天然滤层[20-21]，但是当尾矿砂颗粒粒径与土工布孔径相当时最容易导致尾砂在土工布纤维孔隙内沉积，造成土工布内部堵塞，如图3所示。土工布的孔径可根据式(1)计算[22]。

(1)

式中，QF为土工布反滤开孔径;df为纤维厚度;tGT为土工布厚度;ξ为一个无量纲参数;n为土工布孔隙度。由式(1)计算得到银山矿所用土工布平均孔径为0.091 mm与尾砂平均粒径0.08 mm大小相当，因此易造成尾砂的沉积。

2.1.2 尾矿砂物理淤堵机理分析

尾矿坝排渗性能的降低不仅与排渗设施的淤堵有关，同时也与尾矿砂自身渗透性能下降有关。之前学者认为“等效粒径比”和尾砂悬浮液浓度对尾矿砂颗粒骨架的渗透性能有显著的影响。根据工程实际，考虑到坝底尾砂所受上覆载荷较大，并且银山矿尾矿砂中细粒含量较高，为研究垂直载荷和尾矿细粒对尾矿砂骨架渗透性能的影响，本次试验对尾矿砂原样进行了0～2.0 MPa垂直载荷梯度条件下和有无细粒条件下的垂直渗透系数、孔隙率变化试验，结果如图5～图8所示。

根据图5～图6结果可知，尾矿砂的渗透系数与垂直载荷呈负相关关系，即试样所受垂直载荷越大，尾矿砂渗透系数越小，垂直载荷在0～0.5 MPa范围内逐渐增加时，渗透系数急剧下降了77.4 %，这是由于在加载初期尾砂试样孔隙率较大，尾砂较为松散，处于尾砂孔隙压密阶段。加载到0.5 MPa之后，渗透系数下降趋势趋于平缓；尾矿砂孔隙率与垂直载荷近似呈线性负相关关系，即垂直载荷线性均匀增加的过程中，尾砂孔隙率线性减小；对比图3和图4，可发现，渗透系数和孔隙率均随垂直载荷的增大而相应减小；当尾砂孔隙率逐渐减小时，其渗透系数也相应的逐渐减小，但其二者的变化趋势并不呈线性关系，二者变化趋势却相差较大，这是由于尾砂的渗透性不仅仅和其孔隙率的大小有关，同时和有效渗流通道沟通的数量有关，在孔隙压密的初期阶段，有效渗流通道数量急剧减少，但当孔隙率下降35 %左右后，其渗流通道数量减少趋势趋于平缓。

根据图7～图8试验结果可知，尾矿砂中含有细粒可导致其渗透性能显著降低，主要是因为细粒尾砂中含有较多的粘粒(d<0.05 mm),粘粒因其颗粒细、表面积较大因此在遇到尾矿水时较易形成粘稠状的尾矿砂浆粘附在土工布及多孔介质表面导致渗透性能下降。此外，在水力运移及坡降驱动下，细颗粒尾矿砂穿过粗颗粒料的粒间孔隙向反滤层土工布和排渗管中移动过程中较易沉积下来，最终造成物理淤堵。在没有垂直载荷的条件下，不含细粒的尾砂渗透系数是含细粒尾砂渗透系数的3.7倍；随着垂直载荷增加到0.75 MPa之后，细粒对尾砂渗透性能的影响显著降低，变化趋势保持稳定。根据图8所示，随着垂直载荷的不断增大，尾矿砂原样和去除细粒后的试样其渗透性能(K/K0)的下降趋势基本保持一致，但是去细粒后的尾砂式样渗透率下降幅度略大于尾矿砂原样，这是由于尾矿砂去除细粒后，其粒间孔隙增大，导致在压密阶段初期孔隙率较高，因此在受到载荷后下降幅度较大。在此之后，继续增大垂直载荷后，其二者K/K-0基本保持一致。

图5 渗透系数—垂直载荷变化曲线
Fig.5 Permeability coefficient-verticalload variation curve

图6 孔隙率—垂直载荷变化曲线
Fig.6 Porosity-vertical load variation curve

图7 渗透系数—垂直载荷变化曲线
Fig.7 Permeability coefficient-verticalload variation curve

图8K/K0—垂直载荷变化曲线
Fig.8 Permeability coefficient-K/K0variation curve

综合“2.1.1节”和“2.1.2节”试验研究结果，可知银山铅锌矿尾矿库排渗设施的物理淤堵主要发生在尾矿砂颗粒骨架和土工布纤维孔隙中，其发生的机理不仅与“等效粒径比”大小和尾砂悬浮液入渗浓度有关，还与土工布有效孔径、垂直压力大小及尾砂中细粒含量有关，其渗透性能与垂直压力和细粒含量呈负相关关系。本此试验结果与现场踏勘结果吻合，因此试验结果可靠。

2.2 化学淤堵机理分析

尾矿库排渗设施长期埋设于尾矿砂和尾矿水之间，尾矿砂和尾矿水为排渗设施提供了特殊的化学环境，当细粒尾矿砂和尾矿水在排渗设施中运移的过程中，金属离子通过化学反应析出，形成难溶于水的金属盐类絮状沉淀物和络合物固结在排渗管和土工布纤维孔隙中，最终造成化学淤堵，淤堵后的土工布微观结构如图9所示。与未使用的土工布相比，化学淤堵后的土工布纤维上附着了较多固体物质，从而导致土工布有效孔径减小，渗透性能降低。据此，本研究对尾矿料试样、淤堵沉积物和尾矿水样分别进行了物质成分分析和金属离子种类及浓度的分析，分析结果如表3～表4和图10所示。

(a) 未使用的土工布(b) 化学淤堵后的土工布

矿物成分方铅石闪锌矿黄铁矿毒砂黄铜矿脉石质量分数/%0.150.123.530.120.0596.03

表4 尾矿水金属离子浓度表Tab.4 Tailing water metal ion concentration

图10 淤堵沉积物成分Fig.10 Blockage of sediment composition

根据表3的分析结果可知，尾矿砂中的主要矿物是黄铁矿(FeS2)，并伴有少量的铜、锌、铅等矿物；根据表4的分析结果可知，尾矿水中强碱金属阳离子Na+、K+含量较高，因此水溶液偏碱性；水中含有较多的Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Cu2+等金属离子，因此较易与空气中的氧气和二氧化碳反应产生难溶金属盐类沉淀物及络合物，产生的沉淀逐渐附着并固结在排渗管、土工布纤维及多孔介质孔隙中，最终造成化学淤堵；根据图10所示的淤堵沉积物成分种类及含量的分析结果，并结合表3～表4，本文将银山铅锌矿尾矿坝排渗设施化学淤堵机理分为2个主要过程和1个次要过程。

主要过程1是尾矿水中的钙镁化合物在常温下分解或是遇OH-产生难溶于水的钙盐、镁盐，化学反应方程式如下：

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

主要过程2是氧化亚铁硫杆菌能使尾矿料中的黄铁矿和水中的铁离子与水及氧发生一系列的化学反应[23],化学反应方程式如下：

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

次要过程是尾矿水中含量相对较少的Cu2+、Mn2+,遇空气中的CO2、O2或水溶液中OH-后产生碱式碳酸铜、氢氧化铜、氢氧化锰沉淀，其化学反应方程式如下：

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

根据以上的分析结果可知尾矿坝产生化学淤堵的机理是尾矿砂和尾矿水金属离子通过化学反应析出产生了难溶于水的金属盐类及络合物，例如CaCO3、Mg(OH)2、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O等，从而导致排渗管道和多孔介质孔隙堵塞，造成排渗性能降低。

2.3 生物淤堵机理分析

根据 Allison等[18]的研究认为，尾矿砂和尾矿水中的微生物也是造成排渗设施淤堵的主要因素之一，因此，本研究对银山铅锌矿尾矿库的尾矿砂和尾矿水中的微生物进行了物种多样性测序分析，分析结果如图11所示。

根据图11所示分析结果可知，尾矿砂中的微生物物种多样性较尾矿水中的物种多样性丰富，其中变形菌门(proteobacteria)在尾矿砂和尾矿水中的含量均较高，尤其是在尾矿水中，其物种相对丰度达到了96 %；对变形菌门中的微生物进一步测序分析发现，变形菌门中的黏细菌含量较高。黏细菌是变形菌门中一类独特的细菌，如图12所示，其菌体能向体外分泌多糖黏液，并将细胞团包埋于黏液中，借助黏液在固体或气汲界向上滑行。在适宜条件下，一群游动的黏细菌彼此向对方移动，在一定的位置聚积成团，形成肉眼可见的子实体，当该子实体在多孔介质孔隙中中逐渐积累时，会造成多孔介质孔隙率降低甚至堵塞，进而导致生物淤堵；与此同时，黏细菌分泌的多糖粘液与周围环境中的尾砂、难溶金属盐类易形成沉积物，粘附或固结在土工布纤维和排渗管中，导致排渗性能下降；当黏细菌黏液和子实体遇到FeS2、Fe2O3、Fe(OH)3等铁的化合物时，可形成一种黄色胶状物质的赭石，赭石常粘在排水设施中，减小了排水空间，降低了透水能力。

根据以上分析可知，尾矿坝排渗设施生物淤堵的机理是尾矿砂和尾矿水中的微生物分泌的多糖类粘液和产生的子实体聚集造成多孔隙介质堵塞，与此同时，黏细菌分泌的粘液与周围环境中的难溶金属盐类化合物相互作用产生赭石以及其他沉积物沉积在排渗设施中，最终造成排渗设施的淤堵。

图11 物种相对丰度分布图
Fig.11 Relative abundance map of species

图12 黏细菌
Fig.12 Myxcobacteria

3 结论

通过从物理因素、化学因素、生物因素三方面对江西铜业银山铅锌矿尾矿坝淤堵机理的试验研究，可得到以下结论：

①银山铅锌矿尾矿砂比重2.88，干容重1.56 g/cm3，浓度20 %，尾矿砂平均粒径dcp=0.08 mm，-200目约占59 %，尾砂细粒含量较高；坝底开挖土工布、排水井附近土工布与未使用的土工布相比二者渗透性能分别下降了85 %和46 %，几乎失去透水能力，其二者不仅发生了较为严重的物理淤堵同时也发生了较为严重的生物化学淤堵。

②银山铅锌矿所用土工布平均孔径为0.091 mm与尾砂平均粒径0.08 mm大小相当，因此易造成尾砂的沉积；反滤层土工布渗透系数与垂直载荷呈负相关关系，即垂直载荷越大，土工布渗透系数越小，当垂直载荷为1 MPa时，土工布渗透系数下降了95.9 %；尾矿砂的渗透系数与垂直载荷呈负相关关系，即试样所受垂直载荷越大，尾矿砂渗透系数越小，垂直载荷在0～0.5 MPa范围内逐渐增加时，渗透系数急剧下降了77.4 %；尾矿砂孔隙率与垂直载荷近似呈线性负相关关系，即垂直载荷线性均匀增加的过程中，尾砂孔隙率线性减小；尾矿砂中含有细粒可导致其渗透性能显著降低。在没有垂直载荷的条件下，不含细粒的尾砂渗透系数是含细粒尾砂渗透系数的3.7倍，去细粒后的尾砂式样渗透率下降幅度略大于尾矿砂原样。

③尾矿砂的主要矿物成分为黄铁矿、黄铜矿、方铅石、闪锌矿等矿物；尾矿水中的金属阳离子主要为Ca2+、Mg2+、Fe3+、Mn2+等离子；排渗管淤堵物和土工布内部淤堵物的主要成分为CaCO3、MgCO3、Mg(OH)2、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O等难溶金属盐类及其化合物。排渗设施化学淤堵的机理是水溶液中的金属离子、尾矿砂中的矿物质与空气、水等周围环境中的物质发生了化学反应，产生了难溶于水的金属盐类及其化合物，主要是CaCO3、MgCO3、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O，逐渐粘附并固结在土工布纤维孔隙和排渗管中，最终造成排渗设施的淤堵。

④尾矿砂中的微生物物种多样性较尾矿水中的丰富，尾矿砂和尾矿水中微生物相对丰度最高的是变形菌门微生物(proteobacteria)，其中尾矿水中的变形菌门细菌的相对丰度高达96 %。