礦山開采中會(huì)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(kù)來儲(chǔ)存。傳統(tǒng)的尾礦庫(kù)存在潰壩隱患,是重大的安全危險(xiǎn)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(huì)對(duì)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(jì)、節(jié)約土地資源的優(yōu)勢(shì),是有望解決兩大危害的新技術(shù)。本文在國(guó)家基金項(xiàng)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(duì)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(gè)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(yàn)、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(chǎng)耦合理論、尾砂固結(jié)對(duì)重金屬污染物遷移的調(diào)控效應(yīng)進(jìn)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?jī)?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(shí)驗(yàn)研究。通過全尾砂固結(jié)材料基礎(chǔ)性能的實(shí)驗(yàn),對(duì)尾砂粒級(jí)、尾砂中化學(xué)成分進(jìn)行了測(cè)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(shí)間、全尾砂固結(jié)體單軸抗壓抗剪強(qiáng)度、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、滲透性的全面實(shí)驗(yàn);建立了基于實(shí)驗(yàn)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(duì)固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行SEM掃描,揭示了固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育機(jī)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(duì)料漿的流變特性影響較小;固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量、料漿濃度及養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大;其中,水泥摻量是影響固結(jié)體強(qiáng)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(hù)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(hù)時(shí)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(jī)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(xì)粒級(jí)物料緊密包裹,使固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)致密,實(shí)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(shí)驗(yàn)研究。研究了尾砂排放初期的沉降泌水規(guī)律、長(zhǎng)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(jī)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(duì)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(duì)固結(jié)體崩解影響不大,水泥摻量對(duì)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(shí),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(duì)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(huì)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(zhǎng)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(huì)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(jī)制:全尾砂固結(jié)體浸入水中后孔隙間會(huì)形成基質(zhì)吸力,基質(zhì)吸力引起的水份入滲會(huì)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(dòng)和水份的入滲對(duì)孔隙間原有氣體的擠壓會(huì)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(chǎng)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(bǔ)水時(shí)化學(xué)場(chǎng)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(jī)理,闡明了固結(jié)體孔隙間溶質(zhì)遷移的機(jī)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(jì)算公式;(2)揭示了固結(jié)體中重金屬浸出的機(jī)理:流經(jīng)排放體孔隙間的水會(huì)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(huì)擴(kuò)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(dá)式;(3)闡明了固結(jié)體孔隙間溶質(zhì)遷移的機(jī)制:浸出到孔隙間的重金屬污染物由于對(duì)流、機(jī)械彌散、分子擴(kuò)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(chǎng)耦合作用,孔隙體積減小、滲透性能降低、溶質(zhì)擴(kuò)散能力減弱,進(jìn)而引起了重金屬遷移能力的變化。(4)研究了多場(chǎng)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(duì)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(jìn)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(chǔ)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(shí),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(jìn)一步升高;基底土壤中重金屬含量較少,而孔隙水的消散會(huì)帶走部分溶質(zhì),其含量會(huì)進(jìn)一步降低;由于尾砂固結(jié)排放沉降泌水的時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(chǔ)水系數(shù)、滲透系數(shù)、污染物浸出速度及溶質(zhì)擴(kuò)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(duì)于干旱地區(qū),當(dāng)排放體發(fā)生補(bǔ)水時(shí),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(duì)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(chǎng)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(bǔ)水時(shí),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(bǔ)水時(shí)間的增長(zhǎng)而擴(kuò)大,隨著水泥摻量的增加而減小�？梢钥闯�,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(duì)于多雨地區(qū),由于排放體長(zhǎng)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(shí)引起的補(bǔ)水水頭大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),當(dāng)水泥摻量較低或不摻水泥時(shí),多雨地區(qū)補(bǔ)水引起的重金屬污染物擴(kuò)散范圍會(huì)遠(yuǎn)大于干旱地區(qū)的污染物擴(kuò)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(duì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)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(shí)際上就是“膏體堆存”，其特點(diǎn)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(guó)尾砂干式排放仍未普遍使用。現(xiàn)有的幾個(gè)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(duì)于南方多雨地區(qū)，由于尾砂膏體堆排時(shí)降雨量遠(yuǎn)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(xiàn)。侯運(yùn)炳教授提出尾砂固結(jié)排放技術(shù)，對(duì)尾礦固結(jié)排放工藝進(jìn)行系統(tǒng)性研究。通過實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)，確定了適用于具體環(huán)境的膠凝材料的配比及50萬(wàn)t/a尾礦固結(jié)排放系統(tǒng)優(yōu)化方案。實(shí)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(kuò)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(guó)尾砂干式排放仍未普遍使用�，F(xiàn)有的幾個(gè)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(duì)于南方多雨地區(qū)，由于尾砂膏體堆排時(shí)降雨量遠(yuǎn)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(xiàn)。侯運(yùn)炳教授提出尾砂固結(jié)排放技術(shù)，對(duì)尾礦固結(jié)排放工藝進(jìn)行系統(tǒng)性研究。通過實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)，確定了適用于具體環(huán)境的膠凝材料的配比及50萬(wàn)t/a尾礦固結(jié)排放系統(tǒng)優(yōu)化方案。實(shí)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(kuò)散

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 甘德清;韓亮;劉志義;趙海鑫;蔡曉盛;;細(xì)粒級(jí)尾砂絮凝沉降特性研究[J];礦業(yè)研究與開發(fā);2017年09期

2 張義平;王永明;;非膠結(jié)尾砂自然安息角試驗(yàn)研究[J];礦業(yè)研究與開發(fā);2008年05期

3 霍孟申;楊建業(yè);張晰;;中國(guó)鉬礦開發(fā)現(xiàn)狀及其尾砂的處理[J];礦業(yè)快報(bào);2007年08期

4 宋書巧;吳歡;周興;;銀合歡在大廠礦區(qū)錫鋅尾砂庫(kù)生長(zhǎng)的野外試驗(yàn)研究[J];礦業(yè)研究與開發(fā);2005年06期

5 萬(wàn)林應(yīng);錐形底尾砂倉(cāng)的使用與改進(jìn)[J];礦山機(jī)械;2000年07期

6 徐國(guó)英;利用工業(yè)尾砂制磚　減少水土流失[J];有色礦山;1996年06期

7 楊興明;;尾砂充填采空區(qū)在云南牟定銅礦的應(yīng)用[J];云南冶金;1987年05期

8 謝長(zhǎng)生;;界牌高嶺土精選尾砂用于釉面磚的探討[J];陶瓷研究;1987年03期

9 尹吉兮;;尾礦庫(kù)的設(shè)計(jì)和管理工作亟待加強(qiáng)[J];有色金屬(選礦部分);1987年05期

10 王維德;;國(guó)外專利簡(jiǎn)介[J];國(guó)外采礦技術(shù)快報(bào);1987年35期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 胡中友;;用循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念指導(dǎo)石英尾砂綜合利用[A];安徽節(jié)能減排博士科技論壇論文集[C];2007年

2 王洪毅;房青松;;尾砂分離資源綜合利用的探索[A];冀晉瓊粵川魯六省金屬學(xué)會(huì)第十五屆礦山學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2008年

3 申文周;劉林會(huì);;尾砂充填采空區(qū)在石村鐵礦的實(shí)踐與探討[A];第五屆全國(guó)礦山采選技術(shù)進(jìn)展報(bào)告會(huì)論文集[C];2006年

4 魏秀泉;孫恒虎;易忠來;馮向鵬;;復(fù)合熱活化鐵尾砂膠凝性能研究[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（9）[C];2007年

5 曹孝平;;矸石充填在尾砂充填法礦山的輔助應(yīng)用[A];中國(guó)采選技術(shù)十年回顧與展望[C];2012年

6 劉曉文;黃雪梅;華燕麗;;三角潭鎢礦尾砂工藝礦物學(xué)研究[A];中國(guó)礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)第13屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2011年

7 林愉;;砂漿管道輸送尾砂型料的構(gòu)思與設(shè)計(jì)[A];面向21世紀(jì)迎接物料搬運(yùn)技術(shù)新發(fā)展——中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)物料搬運(yùn)分會(huì)第六屆年會(huì)論文集[C];2000年

8 任新年;王振剛;李付龍;;雅礦尾砂可選性實(shí)驗(yàn)研究[A];第十屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)暨第六屆寶鋼學(xué)術(shù)年會(huì)論文集II[C];2015年

9 魏忠義;梁成華;;大量施用鐵礦選礦尾砂改良遼西中低產(chǎn)田土壤的研究與示范[A];2016全國(guó)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要[C];2016年

10 崔路成;盧耀軍;;金川二礦區(qū)廢石、尾砂及粉煤灰充填利用[A];中國(guó)實(shí)用礦山地質(zhì)學(xué)（下冊(cè)）[C];2010年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 記者 秦德勝;尾砂變成“金沙” 增收又減污染[N];紹興日?qǐng)?bào);2006年

2 謝貴芳 益民 志忠;尾砂庫(kù)披綠裝[N];江西日?qǐng)?bào);2000年

3 本報(bào)記者 陳晨　通訊員 劉雙發(fā);“吃”進(jìn)尾砂產(chǎn)出精品[N];郴州日?qǐng)?bào);2010年

4 本報(bào)記者文雯;用鉬選礦尾砂制多元素礦質(zhì)肥料[N];中國(guó)環(huán)境報(bào);2009年

5 本報(bào)記者 李歆月　白海星 銅陵市政府研究室 王昌平;千年尾砂地 今朝變花園[N];經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2009年

6 龔曉羅 程立軍;尾砂制磚千萬(wàn)塊 水中“撈”銅千余噸[N];上饒日?qǐng)?bào);2007年

7 柳德新;水電站和尾砂壩開展專項(xiàng)整治[N];湖南日?qǐng)?bào);2008年

8 記者 羅臻;陽(yáng)新一水庫(kù)遭尾砂侵占[N];黃石日?qǐng)?bào);2007年

9 龔曉羅 童為坤;德興從尾砂中“淘”出1800萬(wàn)[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2006年

10 劉成飛　高仁會(huì);興隆縣引資2300萬(wàn)實(shí)施尾砂治理項(xiàng)目[N];承德日?qǐng)?bào);2009年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 劉暢;多場(chǎng)耦合下尾砂固結(jié)排放對(duì)重金屬遷移的阻滯效應(yīng)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京);2018年

2 柯興;尾砂膠結(jié)充填固結(jié)體結(jié)構(gòu)與性能研究[D];武漢大學(xué);2016年

3 王志凱;超聲波作用下尾砂漿濃密規(guī)律及流變特性研究[D];北京科技大學(xué);2018年

4 彭勃;尾砂固結(jié)排放技術(shù)及其應(yīng)用研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）;2013年

5 王康;基于鋯鈦礦尾砂的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的原位制備及表征[D];華南理工大學(xué);2017年

6 張修香;礦山廢石—尾砂高濃度充填料漿的流變特性及多因素影響規(guī)律研究[D];昆明理工大學(xué);2016年

7 魏書祥;尾砂固結(jié)排放技術(shù)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）;2010年

8 夏文斌;選礦尾砂重金屬污染化學(xué)修復(fù)技術(shù)研究[D];湖南大學(xué);2011年

9 周元祥;安徽銅陵典型尾礦庫(kù)地球化學(xué)和環(huán)境地球化學(xué)效應(yīng)[D];合肥工業(yè)大學(xué);2009年

10 梅國(guó)棟;尾礦庫(kù)潰壩機(jī)理及在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法研究[D];北京科技大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李江波;金礦廢石和尾砂中砷在水環(huán)境中的釋放規(guī)律[D];蘭州交通大學(xué);2018年

2 黎明;鈾尾砂固化體物理力學(xué)特性及降氡效果的實(shí)驗(yàn)研究[D];南華大學(xué);2018年

3 王超眾;加筋尾砂界面特性試驗(yàn)研究[D];江西理工大學(xué);2018年

4 朱仁玉;飽和鎢鉬尾砂性質(zhì)及穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)研究[D];江西理工大學(xué);2018年

5 劉召華;尾砂流沖擊作用下砌體結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理[D];南昌大學(xué);2018年

6 鄭栩鋒;礦尾砂在農(nóng)村公路建設(shè)中的應(yīng)用研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2006年

7 陳小玉;尾礦庫(kù)潰壩下泄尾砂演進(jìn)數(shù)值模擬研究[D];華南理工大學(xué);2016年

8 邱波;湖南省典型鉛鋅尾砂庫(kù)植被調(diào)查與分析[D];湖南農(nóng)業(yè)大學(xué);2012年

9 馮巖;臥式砂倉(cāng)高濃度分級(jí)尾砂充填技術(shù)研究[D];中南大學(xué);2014年

10 曾慶筠;尾砂流滑沖擊特性研究[D];江西理工大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2834836