礦山開采中會排放大量的尾砂,尾砂若不能被用于井下充填則需在地表設(shè)置尾礦庫來儲存。傳統(tǒng)的尾礦庫存在潰壩隱患,是重大的安全危險源。排放尾砂中硫、砷、重金屬等污染物及殘存的選礦藥劑還會對環(huán)境造成污染。通過摻水泥膠結(jié)尾砂膏體的尾砂固結(jié)排放技術(shù)具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟、節(jié)約土地資源的優(yōu)勢,是有望解決兩大危害的新技術(shù)。本文在國家基金項目“多過程耦合效應(yīng)下尾砂固結(jié)行為研究”(No.51674263)的資助下,開展了尾砂固結(jié)對重金屬遷移的阻滯效應(yīng)研究。論文首先確立了考慮尾砂固結(jié)排放各個環(huán)節(jié)重金屬浸出的研究思路,采用理論分析、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等方法,圍繞尾砂固結(jié)體物性演化規(guī)律、尾砂固結(jié)過程中多場耦合理論、尾砂固結(jié)對重金屬污染物遷移的調(diào)控效應(yīng)進行了系統(tǒng)的研究,考察和探索了尾砂固結(jié)排放的不同階段、不同外界條件、不同配比條件作用下重金屬污染物的浸出和遷移行為。主要研究內(nèi)容如下:(1)開展了固結(jié)改性作用下全尾砂固結(jié)體物性演化的實驗研究。通過全尾砂固結(jié)材料基礎(chǔ)性能的實驗,對尾砂粒級、尾砂中化學(xué)成分進行了測定;開展了不同配比條件下尾砂料漿流變性能、料漿固結(jié)初終凝時間、全尾砂固結(jié)體單軸抗壓抗剪強度、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、滲透性的全面實驗;建立了基于實驗數(shù)據(jù)的水化反應(yīng)度數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了尾砂固結(jié)體孔隙率及滲透系數(shù)隨水化反應(yīng)度演化的數(shù)學(xué)模型;對固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)進行SEM掃描,揭示了固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育機制。研究發(fā)現(xiàn):影響料漿流變特性主要因素是料漿濃度,灰砂比對料漿的流變特性影響較小;固結(jié)體單軸抗壓強度隨水泥摻量、料漿濃度及養(yǎng)護齡期的增加而增大;其中,水泥摻量是影響固結(jié)體強度的主要因素,料漿濃度為第二因素;固結(jié)體內(nèi)聚力隨水泥摻量、料漿濃度及養(yǎng)護齡期的增加而增加;固結(jié)體內(nèi)摩擦角隨著水泥摻量的增加而增大,內(nèi)摩擦角變化范圍為5°~35°;隨著料漿濃度及養(yǎng)護時間的增加,固結(jié)體孔隙率減小、總孔隙量減小、平均孔徑減小、孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)增大,孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,空間占據(jù)能力增大;揭示了固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育機制:水化產(chǎn)物與尾砂顆粒粘結(jié)構(gòu)成了固相骨架,并將孔隙充填、將尾砂中的細粒級物料緊密包裹,使固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)致密,實現(xiàn)了固結(jié)改性的作用。(2)開展了全尾砂固結(jié)排放的重金屬浸出規(guī)律及固結(jié)體崩解特性的實驗研究。研究了尾砂排放初期的沉降泌水規(guī)律、長期堆置下固結(jié)體崩解規(guī)律,掌握了尾砂固結(jié)排放不同階段重金屬浸出規(guī)律,闡明了不同階段尾砂固結(jié)排放的重金屬固化效應(yīng),揭示了尾砂固結(jié)體崩解機制,主要結(jié)論如下:影響沉降泌水量的主要因素為料漿濃度,水泥摻量和種類對泌水量的影響較小;不同水泥摻量下全尾砂固結(jié)過程中泌出水中重金屬含量基本一致;料漿濃度對固結(jié)體崩解影響不大,水泥摻量對固結(jié)體崩解影響較大;水泥摻量3%為固結(jié)體發(fā)生崩解的臨界水泥摻量,小于此值,固結(jié)體遇水發(fā)生崩解,引起固結(jié)體重金屬浸出量急劇增加;水泥摻量大于3.0%時,固結(jié)體遇水基本不再崩解,重金屬浸出量大大減小,因此固結(jié)體抗崩解性能對重金屬固化尤為重要;隨著水泥摻量增加,全尾砂固結(jié)體浸泡液中重金屬浸出量減小;揭示了尾砂固結(jié)排放的重金屬固化效應(yīng):沉降泌水階段添加水泥不會減少重金屬的浸出,尾砂固結(jié)排放的重金屬固化效果不明顯;長期堆置過程中若能通過添加水泥而保證固結(jié)體不崩解則重金屬浸出會顯著降低,具有較好的固化效果;得到了尾砂固結(jié)體崩解機制:全尾砂固結(jié)體浸入水中后孔隙間會形成基質(zhì)吸力,基質(zhì)吸力引起的水份入滲會使孔隙間原有氣體受到擠壓并排出,氣體排出過程中形成的擾動和水份的入滲對孔隙間原有氣體的擠壓會破壞顆粒間聯(lián)結(jié)物質(zhì),引起固結(jié)體的崩解。(3)闡述了尾砂固結(jié)排放的應(yīng)力-化學(xué)-滲流-污染物浸出及遷移耦合理論,分別構(gòu)建了考慮尾砂固結(jié)排放不同階段、不同外界環(huán)境及不同配比條件等多因素及多場耦合作用下全尾砂固結(jié)排放的污染物浸出-遷移行為數(shù)學(xué)模型,用以描述尾砂排放初期重力和化學(xué)作用下泌水和溶質(zhì)遷移行為、描述干旱地區(qū)非飽和排放體與多雨地區(qū)飽和排放體發(fā)生補水時化學(xué)場作用下滲流和溶質(zhì)遷移行為;揭示了固結(jié)體中重金屬浸出的機理,闡明了固結(jié)體孔隙間溶質(zhì)遷移的機制。主要結(jié)論如下:(1)建立了沉降泌水階段應(yīng)力-化學(xué)耦合作用下全尾砂排放體的沉降變形模型,推導(dǎo)了應(yīng)力-化學(xué)耦合作用下全尾砂排放體的沉降變形計算公式;(2)揭示了固結(jié)體中重金屬浸出的機理:流經(jīng)排放體孔隙間的水會與尾砂接觸,由于固相骨架上的重金屬離子與孔隙間水存在濃度差,重金屬離子會擴散到到孔隙水中,造成了重金屬的浸出;在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了固結(jié)體中重金屬浸出的模型,獲得了表征溶質(zhì)浸出速度的表達式;(3)闡明了固結(jié)體孔隙間溶質(zhì)遷移的機制:浸出到孔隙間的重金屬污染物由于對流、機械彌散、分子擴散等作用而發(fā)生的遷移。在此過程中,排放體由于應(yīng)力-化學(xué)-滲流等多場耦合作用,孔隙體積減小、滲透性能降低、溶質(zhì)擴散能力減弱,進而引起了重金屬遷移能力的變化。(4)研究了多場耦合作用下全尾砂固結(jié)排放的污染物浸出-遷移行為。將構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型嵌入到Comsol軟件中,對不同階段、不同外界環(huán)境及不同配比條件下污染物浸出-遷移行為進行模擬研究,主要結(jié)論如下:(1)尾砂排放的沉降泌水階段,隨著水泥水化反應(yīng)的開展,排放體中孔隙率、儲水系數(shù)及滲透系數(shù)降低,孔隙水壓力增加,固相骨架上應(yīng)力減小,排放體體積減小;不同水泥摻量的排放體中,孔隙水壓力、固相上應(yīng)力、體積變形的變化規(guī)律基本一致;最初排放時,排放體孔隙間流體中溶質(zhì)濃度較高,隨著固相上重金屬的浸出,排放體中溶質(zhì)濃度進一步升高;基底土壤中重金屬含量較少,而孔隙水的消散會帶走部分溶質(zhì),其含量會進一步降低;由于尾砂固結(jié)排放沉降泌水的時間較短,排放體中水份尚未來得及排除,導(dǎo)致尾砂中重金屬基本未向基底土壤中轉(zhuǎn)移,這一階段模型中污染物遷移不顯著。(2)尾砂排放較長時間后,排放體內(nèi)散體結(jié)構(gòu)發(fā)生了改性,排放體孔隙率、儲水系數(shù)、滲透系數(shù)、污染物浸出速度及溶質(zhì)擴散系數(shù)發(fā)生了顯著降低,且水泥摻量越大降低幅度越大。對于干旱地區(qū),當(dāng)排放體發(fā)生補水時,排放體及基底土壤中飽和度、流網(wǎng)及孔隙水壓力等滲流特征隨水泥摻量不同而變化。水泥摻量越大,水份滲透越慢,有效飽和度大小和范圍變化越慢,孔隙水壓變化越慢;對于多雨地區(qū),其孔隙水壓力和滲透速度也隨水泥摻量的變化。水泥摻量越大,水份滲透越慢,孔隙水壓變化越慢。顯然,摻水泥固結(jié)排放尾砂能夠顯著地減弱排放場的滲流行為。(3)干旱地區(qū)和多雨地區(qū)的污染物浸出與遷移行為有很大不同。干旱地區(qū)發(fā)生補水時,排放體中重金屬開始浸出、溶質(zhì)濃度升高,并向土壤中遷移;排放體向基底土壤中溶質(zhì)遷移范圍隨著補水時間的增長而擴大,隨著水泥摻量的增加而減小。可以看出,由于水泥摻量的增加,排放體滲透性能及溶質(zhì)遷移性能降低,重金屬的浸出及遷移到有效的控制。而對于多雨地區(qū),由于排放體長期處于飽和狀態(tài),排放體中重金屬污染物已充分浸出并發(fā)生一定程度的遷移,污染物遷移的范圍本身較大;多雨地區(qū)發(fā)生降雨時引起的補水水頭大、持續(xù)時間長,當(dāng)水泥摻量較低或不摻水泥時,多雨地區(qū)補水引起的重金屬污染物擴散范圍會遠大于干旱地區(qū)的污染物擴散范圍;而隨著水泥摻量的增加,排放體向基底土壤中溶質(zhì)遷移范圍顯著減小,固結(jié)排放的尾砂中重金屬浸出及遷移也能得到顯著的控制。因此,尾砂固結(jié)排放能夠有效地控制排放體中污染物的浸出,對排放體中污染物向基底土壤中遷移形成較好的阻滯和調(diào)控作用。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD853.34
【部分圖文】：

[10-15]。圖1.1 尾礦排放危害Fig.1.1 Damage of tailings emission disposal尾砂干式堆存是近年來發(fā)展起來的一種新興的尾砂處置技術(shù)[16-22]。所謂“尾砂干式堆存”，實際上就是“膏體堆存”，其特點是：選礦廠排放的尾砂漿經(jīng)濃縮

[46]。圖1.2 尾砂廢石聯(lián)合排放工藝Fig.1.2 Combined emission disposal process of waste stone and cemented tailings圖1.3 塌陷區(qū)三種處置模式Fig.1.3 Three emission disposal modes in the subsidence area整體上看，現(xiàn)階段我國尾砂干式排放仍未普遍使用�，F(xiàn)有的幾個尾砂膏體堆存均位于北方干旱地區(qū)，目前使用較成功的有峨口鐵礦[47, 48]、中州鉛廠和烏山銅鋼礦的尾砂堆存[29, 38, 46]。而對于南方多雨地區(qū)，由于尾砂膏體堆排時降雨量遠大于蒸發(fā)量，膏體堆排存在技術(shù)上的困難，相關(guān)的研究尚未見諸于文獻。侯運炳教授提出尾砂固結(jié)排放技術(shù)，對尾礦固結(jié)排放工藝進行系統(tǒng)性研究。通過實驗室和工業(yè)試驗，確定了適用于具體環(huán)境的膠凝材料的配比及50萬t/a尾礦固結(jié)排放系統(tǒng)優(yōu)化方案。實踐證明，尾礦固結(jié)排放增加了尾礦顆粒間粘結(jié)力，尾礦不再隨風(fēng)擴散

圖1.2 尾砂廢石聯(lián)合排放工藝Fig.1.2 Combined emission disposal process of waste stone and cemented tailings圖1.3 塌陷區(qū)三種處置模式Fig.1.3 Three emission disposal modes in the subsidence area整體上看，現(xiàn)階段我國尾砂干式排放仍未普遍使用。現(xiàn)有的幾個尾砂膏體堆存均位于北方干旱地區(qū)，目前使用較成功的有峨口鐵礦[47, 48]、中州鉛廠和烏山銅鋼礦的尾砂堆存[29, 38, 46]。而對于南方多雨地區(qū)，由于尾砂膏體堆排時降雨量遠大于蒸發(fā)量，膏體堆排存在技術(shù)上的困難，相關(guān)的研究尚未見諸于文獻。侯運炳教授提出尾砂固結(jié)排放技術(shù)，對尾礦固結(jié)排放工藝進行系統(tǒng)性研究。通過實驗室和工業(yè)試驗，確定了適用于具體環(huán)境的膠凝材料的配比及50萬t/a尾礦固結(jié)排放系統(tǒng)優(yōu)化方案。實踐證明，尾礦固結(jié)排放增加了尾礦顆粒間粘結(jié)力，尾礦不再隨風(fēng)擴散

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