冒海軍張超

(1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶400044；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北武漢430071;3.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北武漢430071)

0 引言

尾礦庫是礦山的重要基礎(chǔ)工程之一，也是礦山的重大危險源，據(jù)統(tǒng)計在世界93種事故隱患中，尾礦庫事故排名第18位[1]。在我國，每年排放的尾礦超過十億噸，尾礦庫約有一萬兩千余座，其中絕大部分的尾礦庫采用上游式筑壩法構(gòu)筑。上游式筑壩法形成的尾礦庫的排滲系統(tǒng)較易淤堵，壩內(nèi)浸潤線較高，從而產(chǎn)生子壩地基不穩(wěn)固、壩坡地震動力穩(wěn)定性差等危險因素，因此，尾礦庫安全形勢嚴峻[2]。國內(nèi)外由于尾礦壩排滲設(shè)施失效導(dǎo)致壩體浸潤線增高，進一步導(dǎo)致尾礦壩潰壩的事故時有發(fā)生。2000年廣西南丹縣鴻圖選礦廠尾礦庫發(fā)生潰壩，事故造成28人死亡，56人受傷，直接經(jīng)濟損失高達340萬元。該事故直接原因是基礎(chǔ)壩排滲設(shè)施失效，壩體浸潤線增高，在初期壩和后期堆壩之間形成了一個抗剪能力極低的滑動面。同時，尾礦庫蓄水過多得不到有效排解，導(dǎo)致大部分尾礦砂長期處于浸泡狀態(tài)得不到固結(jié)，最終導(dǎo)致壩體沿抗剪強度低的滑動面垮塌[3-4]。據(jù)統(tǒng)計表明尾礦壩排水狀況不良、壩體浸潤面高是尾礦壩潰壩事故的主要原因之一[5]，當(dāng)淤堵發(fā)生時，通常表現(xiàn)為排水井、排水管等排滲系統(tǒng)發(fā)生堵塞、反濾層土工布及壩體多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)不斷下降，進而使壩體浸潤面增高、壩體抗剪強度降低，最終導(dǎo)致壩體的垮塌破壞。因此維護尾礦庫排滲系統(tǒng)正常運行、防止其發(fā)生淤堵，以此控制滲流浸潤面的高度，對尾礦庫的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

一般認為導(dǎo)致尾礦壩排滲設(shè)施發(fā)生淤堵的因素眾多[6-11]，但大體上可分為三類，即物理因素、化學(xué)因素、生物因素。因此，其淤堵類型可分為三類，即物理(機械)淤堵、化學(xué)淤堵、生物淤堵[12]。Guillaume等[13]認為物理淤堵的機理主要是細顆粒尾礦砂在排滲管中、土工布內(nèi)部、土工布上游表面的沉積，導(dǎo)致排滲管排水不良、土工布滲透系數(shù)降低，產(chǎn)生物理淤堵。高壓偉[14]通過試驗研究引出“等效粒徑比”的概念，認為尾礦砂骨架與尾砂懸浮液等效粒徑之比越大，造成物理淤堵的概率越小。胡學(xué)濤[15]通過室內(nèi)沙柱渾水入滲試驗研究發(fā)現(xiàn)，懸浮液濃度越大，沙柱單位時間內(nèi)的入滲量越小，以此說明淤堵程度與入滲懸浮液的濃度有關(guān)?；瘜W(xué)淤堵在傳統(tǒng)排水系統(tǒng)中很少發(fā)生，但在尾礦庫中較為常見，例如南非某尾礦庫排滲系統(tǒng)反濾層中沉積了大量鐵氧化物[16]、栗西尾礦壩排水體中化學(xué)淤堵現(xiàn)象[17]等。Allison[18]認為生物淤堵的原因是多空介質(zhì)孔隙被微生物細胞及其產(chǎn)物、分泌的粘液或多聚糖類物質(zhì)堵塞而產(chǎn)生。代志凱等[11]提出Clement模型表示在微生物增長條件下孔隙度和滲透系數(shù)的變化關(guān)系，該模型在計算時僅需要微生物量的數(shù)據(jù)，因此較為方便。

江西銅業(yè)集團銀山鉛鋅礦尾礦庫位于江西省德興市區(qū)以東，選礦廠西北面100 m處的狹長的山谷中，采用上游筑壩法構(gòu)筑，并于1980年、1992年先后進行兩次擴容設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，該尾礦庫主壩及副壩排滲系統(tǒng)已發(fā)生明顯淤堵，排滲效率大幅下降。銀山尾礦壩壩高約106 m，其排滲設(shè)施位于壩底部，受到約1 MPa的垂直載荷，與此同時，銀山尾礦壩尾砂中細粒占59 %，細粒含量較高，因此垂直載荷和尾礦砂細粒造成的排滲性能降低不容忽視。在物理淤堵機理研究方面，對于不同垂直載荷和尾礦砂細粒含量造成排滲性能降低的研究尚未見有。銀山鉛鋅礦尾礦壩排滲設(shè)施中除了大量松散的因機械運移而產(chǎn)生的沉積物外，其排滲管口及反濾層土工布纖維孔隙中也均固結(jié)了大量沉積物，因此表明，排滲設(shè)施不僅發(fā)生了機械淤堵，同時也已發(fā)生了嚴重的生物化學(xué)淤堵。本文以江西銅業(yè)銀山鉛鋅礦尾礦壩的排滲設(shè)施淤堵為例，分別從物理、化學(xué)、生物三個因素對其淤堵的機理進行分析，并對造成化學(xué)、生物淤堵的物質(zhì)、微生物的種類進行了分析，為解決尾礦壩排滲淤堵、提高排滲設(shè)施的服役性能奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試樣獲取及制備

本試驗的尾礦水、土工布、淤堵沉積物、尾礦砂等試樣均取自江西銅業(yè)集團銀山礦尾礦庫，從主壩82號平臺、3#副壩的排滲管口和庫區(qū)排水井位置取尾礦水樣品4瓶。其中，為了進行尾礦水中微生物物種多樣性測序分析，根據(jù)測試要求，對渾濁水樣在過濾前進行靜置分離懸浮顆粒，然后先用大孔徑的濾膜預(yù)過濾一遍，再用小孔徑0.22 μm 或 0.45 μm的濾膜進行過濾，直到濾膜上可見明顯覆蓋面，收集濾膜進行DNA提取或保存-80 ℃?zhèn)溆?；在尾礦庫表面取不同粒徑的尾礦材料樣品，合計1.5 t，選取適量尾砂篩分去除細粒備用；從排滲管口與土工布表面附近取得沉積物樣品，共4種約1.5 kg，分別取適量樣品研磨至粒徑為0.075 mm的試樣備用；在集水井東側(cè)約5 m附近進行開挖，獲得貼坡反濾層附近與排滲盲溝位置處的土工布3塊，并獲取1塊未使用的土工布作為參照試樣；為進行土工布在不同垂直載荷條件下垂直滲透特性的測定，按照實驗儀器的尺寸，從每塊土工布中剪取直徑為13.5 cm的圓形試樣5塊，并在清水中浸泡12 h備用。部分試樣及獲取位置如圖1～圖2所示：

(a) 排水溝(b)排滲盲溝(c) 排滲管(d) 集水井

(a) 尾礦砂及沉積物(b) 反濾層土工布(c) 土工布試樣

1.2 試驗裝置及方案

本研究分別進行了以下試驗：不同垂直載荷條件下、有無細粒條件下尾礦砂和土工布滲透系數(shù)、孔隙率變化的試驗，根據(jù)工程實際，其垂直壓力梯度設(shè)為0～2.0 MPa，每組測試5個試樣，滲透系數(shù)取其平均值；尾礦水中金屬離子的種類及濃度的測定；尾礦水和尾礦砂中微生物物種多樣性測序分析；尾礦砂礦物成分、淤堵沉積物和土工布表層沉積物成分分析；土工布微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描分析。其中不同垂直載荷條件下尾礦砂和反濾層土工布垂直滲透系數(shù)的測定采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所有負荷垂直滲透儀進行測試，其中土工布的厚度采用機械式土工合成材料厚度測試儀進行測試，按照土工合成材料滲透系數(shù)測試規(guī)程將制備好的每種土工布試樣分別進行測試，滲透系數(shù)取其平均值；尾礦水中金屬離子的種類及濃度的測定在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室ICP-MS(PE350D)測試儀上進行，總共測試5個水樣，檢驗溫度為23 ℃，檢驗濕度為70 %；尾礦水和尾礦砂試樣中微生物物種多樣性測序分析交由廣東美格基因科技有限公司進行，分別進行了測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計、物種注釋與評估、樣本比較分析，最終形成了微生物群落組成和多樣性分析報告;尾礦砂、淤堵沉積物、土工布表層沉積物的成分分析采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所Bruker AXS D8-FocusX射線衍射儀；反濾層土工布微觀結(jié)構(gòu)掃描采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所Quanta 250掃描電子顯微鏡。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 物理(機械)淤堵機理分析

本次實驗對尾礦砂試樣的顆粒級配及物理性質(zhì)進行了分析，分析結(jié)果如表2所示。尾礦料比重2.88，干容重1.56 g/cm3，濃度20 %，尾礦料平均粒徑dcp=0.08 mm，-200(0.075 mm)目約占59 %，因此可知銀山鉛鋅礦尾礦砂粒徑較小，尾礦砂中細粒含量較高。對在現(xiàn)場不同位置處取回的反濾層土工布進行了垂直滲透系數(shù)試驗，試驗結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗結(jié)果可知，壩底開挖的土工布和排水井附近的土工布與未使用的土工布相比滲透性能分別下降了85 %和46 %，因此可知其二者發(fā)生了較為嚴重的淤堵；和排水井附近的土工布相比，尾礦壩底部的土工布不僅受到尾礦水的浸泡，同時還受到尾礦砂的侵入和上覆尾礦砂垂直壓力，進而導(dǎo)致土工布有效孔徑的減小和淤堵，導(dǎo)致壩底土工布滲透性能下降更為嚴重，淤堵后的土工布微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2 試樣顆分試驗結(jié)果Tab.2 Sample size test results

圖3 土工布物理淤堵微觀結(jié)構(gòu)圖
Fig.3 Microstructure diagram of geotextile physical blockage

2.1.1 土工布物理淤堵機理分析

圖4 土工布滲透系數(shù)—垂直載荷變化曲線Fig.4 Permeability coefficient-vertical load variation curve of the geotextile

造成土工布淤堵的因素主要有幾何因素、物理因素、外部因素3類[19]。其中幾何因素主要指尾礦砂顆粒的粒徑分布和土工布的厚度及孔隙分布對土工布反濾層性能的影響。物理因素主要是指尾礦砂內(nèi)摩擦角、比重、黏性、有效應(yīng)力、土工布密度和壓縮性等。當(dāng)土工布垂直方向上受到壓力時將導(dǎo)致其厚度減小，進而導(dǎo)致有效孔徑的減小。為研究上覆尾砂垂直載荷對壩底土工布滲透性能影響，進行了不同垂直載荷條件下土工布的垂直滲透試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。根據(jù)實驗結(jié)果可知，反濾層土工布滲透系數(shù)與垂直載荷呈負相關(guān)關(guān)系，即垂直載荷越大，土工布滲透系數(shù)越小，當(dāng)垂直載荷為1MPa時，土工布滲透系數(shù)下降了95.9 %。對比圖3中壩底和未使用的土工布有效孔徑大小可發(fā)現(xiàn)，壩底土工布的有效孔徑顯著減小，因此其滲透性能降低；土工布在反濾層中的主要作用是促使土工布上覆被保護尾礦層形成架空層和天然濾層[20-21]，但是當(dāng)尾礦砂顆粒粒徑與土工布孔徑相當(dāng)時最容易導(dǎo)致尾砂在土工布纖維孔隙內(nèi)沉積，造成土工布內(nèi)部堵塞，如圖3所示。土工布的孔徑可根據(jù)式(1)計算[22]。

(1)

式中，QF為土工布反濾開孔徑;df為纖維厚度;tGT為土工布厚度;ξ為一個無量綱參數(shù);n為土工布孔隙度。由式(1)計算得到銀山礦所用土工布平均孔徑為0.091 mm與尾砂平均粒徑0.08 mm大小相當(dāng)，因此易造成尾砂的沉積。

2.1.2 尾礦砂物理淤堵機理分析

尾礦壩排滲性能的降低不僅與排滲設(shè)施的淤堵有關(guān)，同時也與尾礦砂自身滲透性能下降有關(guān)。之前學(xué)者認為“等效粒徑比”和尾砂懸浮液濃度對尾礦砂顆粒骨架的滲透性能有顯著的影響。根據(jù)工程實際，考慮到壩底尾砂所受上覆載荷較大，并且銀山礦尾礦砂中細粒含量較高，為研究垂直載荷和尾礦細粒對尾礦砂骨架滲透性能的影響，本次試驗對尾礦砂原樣進行了0～2.0 MPa垂直載荷梯度條件下和有無細粒條件下的垂直滲透系數(shù)、孔隙率變化試驗，結(jié)果如圖5～圖8所示。

根據(jù)圖5～圖6結(jié)果可知，尾礦砂的滲透系數(shù)與垂直載荷呈負相關(guān)關(guān)系，即試樣所受垂直載荷越大，尾礦砂滲透系數(shù)越小，垂直載荷在0～0.5 MPa范圍內(nèi)逐漸增加時，滲透系數(shù)急劇下降了77.4 %，這是由于在加載初期尾砂試樣孔隙率較大，尾砂較為松散，處于尾砂孔隙壓密階段。加載到0.5 MPa之后，滲透系數(shù)下降趨勢趨于平緩；尾礦砂孔隙率與垂直載荷近似呈線性負相關(guān)關(guān)系，即垂直載荷線性均勻增加的過程中，尾砂孔隙率線性減?。粚Ρ葓D3和圖4，可發(fā)現(xiàn)，滲透系數(shù)和孔隙率均隨垂直載荷的增大而相應(yīng)減??；當(dāng)尾砂孔隙率逐漸減小時，其滲透系數(shù)也相應(yīng)的逐漸減小，但其二者的變化趨勢并不呈線性關(guān)系，二者變化趨勢卻相差較大，這是由于尾砂的滲透性不僅僅和其孔隙率的大小有關(guān)，同時和有效滲流通道溝通的數(shù)量有關(guān)，在孔隙壓密的初期階段，有效滲流通道數(shù)量急劇減少，但當(dāng)孔隙率下降35 %左右后，其滲流通道數(shù)量減少趨勢趨于平緩。

根據(jù)圖7～圖8試驗結(jié)果可知，尾礦砂中含有細?？蓪?dǎo)致其滲透性能顯著降低，主要是因為細粒尾砂中含有較多的粘粒(d<0.05 mm),粘粒因其顆粒細、表面積較大因此在遇到尾礦水時較易形成粘稠狀的尾礦砂漿粘附在土工布及多孔介質(zhì)表面導(dǎo)致滲透性能下降。此外，在水力運移及坡降驅(qū)動下，細顆粒尾礦砂穿過粗顆粒料的粒間孔隙向反濾層土工布和排滲管中移動過程中較易沉積下來，最終造成物理淤堵。在沒有垂直載荷的條件下，不含細粒的尾砂滲透系數(shù)是含細粒尾砂滲透系數(shù)的3.7倍；隨著垂直載荷增加到0.75 MPa之后，細粒對尾砂滲透性能的影響顯著降低，變化趨勢保持穩(wěn)定。根據(jù)圖8所示，隨著垂直載荷的不斷增大，尾礦砂原樣和去除細粒后的試樣其滲透性能(K/K0)的下降趨勢基本保持一致，但是去細粒后的尾砂式樣滲透率下降幅度略大于尾礦砂原樣，這是由于尾礦砂去除細粒后，其粒間孔隙增大，導(dǎo)致在壓密階段初期孔隙率較高，因此在受到載荷后下降幅度較大。在此之后，繼續(xù)增大垂直載荷后，其二者K/K-0基本保持一致。

圖5 滲透系數(shù)—垂直載荷變化曲線
Fig.5 Permeability coefficient-verticalload variation curve

圖6 孔隙率—垂直載荷變化曲線
Fig.6 Porosity-vertical load variation curve

圖7 滲透系數(shù)—垂直載荷變化曲線
Fig.7 Permeability coefficient-verticalload variation curve

圖8K/K0—垂直載荷變化曲線
Fig.8 Permeability coefficient-K/K0variation curve

綜合“2.1.1節(jié)”和“2.1.2節(jié)”試驗研究結(jié)果，可知銀山鉛鋅礦尾礦庫排滲設(shè)施的物理淤堵主要發(fā)生在尾礦砂顆粒骨架和土工布纖維孔隙中，其發(fā)生的機理不僅與“等效粒徑比”大小和尾砂懸浮液入滲濃度有關(guān)，還與土工布有效孔徑、垂直壓力大小及尾砂中細粒含量有關(guān)，其滲透性能與垂直壓力和細粒含量呈負相關(guān)關(guān)系。本此試驗結(jié)果與現(xiàn)場踏勘結(jié)果吻合，因此試驗結(jié)果可靠。

2.2 化學(xué)淤堵機理分析

尾礦庫排滲設(shè)施長期埋設(shè)于尾礦砂和尾礦水之間，尾礦砂和尾礦水為排滲設(shè)施提供了特殊的化學(xué)環(huán)境，當(dāng)細粒尾礦砂和尾礦水在排滲設(shè)施中運移的過程中，金屬離子通過化學(xué)反應(yīng)析出，形成難溶于水的金屬鹽類絮狀沉淀物和絡(luò)合物固結(jié)在排滲管和土工布纖維孔隙中，最終造成化學(xué)淤堵，淤堵后的土工布微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。與未使用的土工布相比，化學(xué)淤堵后的土工布纖維上附著了較多固體物質(zhì)，從而導(dǎo)致土工布有效孔徑減小，滲透性能降低。據(jù)此，本研究對尾礦料試樣、淤堵沉積物和尾礦水樣分別進行了物質(zhì)成分分析和金屬離子種類及濃度的分析，分析結(jié)果如表3～表4和圖10所示。

(a) 未使用的土工布(b) 化學(xué)淤堵后的土工布

礦物成分方鉛石閃鋅礦黃鐵礦毒砂黃銅礦脈石質(zhì)量分數(shù)/%0.150.123.530.120.0596.03

表4 尾礦水金屬離子濃度表Tab.4 Tailing water metal ion concentration

圖10 淤堵沉積物成分Fig.10 Blockage of sediment composition

根據(jù)表3的分析結(jié)果可知，尾礦砂中的主要礦物是黃鐵礦(FeS2)，并伴有少量的銅、鋅、鉛等礦物；根據(jù)表4的分析結(jié)果可知，尾礦水中強堿金屬陽離子Na+、K+含量較高，因此水溶液偏堿性；水中含有較多的Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Cu2+等金屬離子，因此較易與空氣中的氧氣和二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生難溶金屬鹽類沉淀物及絡(luò)合物，產(chǎn)生的沉淀逐漸附著并固結(jié)在排滲管、土工布纖維及多孔介質(zhì)孔隙中，最終造成化學(xué)淤堵；根據(jù)圖10所示的淤堵沉積物成分種類及含量的分析結(jié)果，并結(jié)合表3～表4，本文將銀山鉛鋅礦尾礦壩排滲設(shè)施化學(xué)淤堵機理分為2個主要過程和1個次要過程。

主要過程1是尾礦水中的鈣鎂化合物在常溫下分解或是遇OH-產(chǎn)生難溶于水的鈣鹽、鎂鹽，化學(xué)反應(yīng)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↑

主要過程2是氧化亞鐵硫桿菌能使尾礦料中的黃鐵礦和水中的鐵離子與水及氧發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)[23],化學(xué)反應(yīng)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

次要過程是尾礦水中含量相對較少的Cu2+、Mn2+,遇空氣中的CO2、O2或水溶液中OH-后產(chǎn)生堿式碳酸銅、氫氧化銅、氫氧化錳沉淀，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

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

根據(jù)以上的分析結(jié)果可知尾礦壩產(chǎn)生化學(xué)淤堵的機理是尾礦砂和尾礦水金屬離子通過化學(xué)反應(yīng)析出產(chǎn)生了難溶于水的金屬鹽類及絡(luò)合物，例如CaCO3、Mg(OH)2、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O等，從而導(dǎo)致排滲管道和多孔介質(zhì)孔隙堵塞，造成排滲性能降低。

2.3 生物淤堵機理分析

根據(jù) Allison等[18]的研究認為，尾礦砂和尾礦水中的微生物也是造成排滲設(shè)施淤堵的主要因素之一，因此，本研究對銀山鉛鋅礦尾礦庫的尾礦砂和尾礦水中的微生物進行了物種多樣性測序分析，分析結(jié)果如圖11所示。

根據(jù)圖11所示分析結(jié)果可知，尾礦砂中的微生物物種多樣性較尾礦水中的物種多樣性豐富，其中變形菌門(proteobacteria)在尾礦砂和尾礦水中的含量均較高，尤其是在尾礦水中，其物種相對豐度達到了96 %；對變形菌門中的微生物進一步測序分析發(fā)現(xiàn)，變形菌門中的黏細菌含量較高。黏細菌是變形菌門中一類獨特的細菌，如圖12所示，其菌體能向體外分泌多糖黏液，并將細胞團包埋于黏液中，借助黏液在固體或氣汲界向上滑行。在適宜條件下，一群游動的黏細菌彼此向?qū)Ψ揭苿?，在一定的位置聚積成團，形成肉眼可見的子實體，當(dāng)該子實體在多孔介質(zhì)孔隙中中逐漸積累時，會造成多孔介質(zhì)孔隙率降低甚至堵塞，進而導(dǎo)致生物淤堵；與此同時，黏細菌分泌的多糖粘液與周圍環(huán)境中的尾砂、難溶金屬鹽類易形成沉積物，粘附或固結(jié)在土工布纖維和排滲管中，導(dǎo)致排滲性能下降；當(dāng)黏細菌黏液和子實體遇到FeS2、Fe2O3、Fe(OH)3等鐵的化合物時，可形成一種黃色膠狀物質(zhì)的赭石，赭石常粘在排水設(shè)施中，減小了排水空間，降低了透水能力。

根據(jù)以上分析可知，尾礦壩排滲設(shè)施生物淤堵的機理是尾礦砂和尾礦水中的微生物分泌的多糖類粘液和產(chǎn)生的子實體聚集造成多孔隙介質(zhì)堵塞，與此同時，黏細菌分泌的粘液與周圍環(huán)境中的難溶金屬鹽類化合物相互作用產(chǎn)生赭石以及其他沉積物沉積在排滲設(shè)施中，最終造成排滲設(shè)施的淤堵。

圖11 物種相對豐度分布圖
Fig.11 Relative abundance map of species

圖12 黏細菌
Fig.12 Myxcobacteria

3 結(jié)論

通過從物理因素、化學(xué)因素、生物因素三方面對江西銅業(yè)銀山鉛鋅礦尾礦壩淤堵機理的試驗研究，可得到以下結(jié)論：

①銀山鉛鋅礦尾礦砂比重2.88，干容重1.56 g/cm3，濃度20 %，尾礦砂平均粒徑dcp=0.08 mm，-200目約占59 %，尾砂細粒含量較高；壩底開挖土工布、排水井附近土工布與未使用的土工布相比二者滲透性能分別下降了85 %和46 %，幾乎失去透水能力，其二者不僅發(fā)生了較為嚴重的物理淤堵同時也發(fā)生了較為嚴重的生物化學(xué)淤堵。

②銀山鉛鋅礦所用土工布平均孔徑為0.091 mm與尾砂平均粒徑0.08 mm大小相當(dāng)，因此易造成尾砂的沉積；反濾層土工布滲透系數(shù)與垂直載荷呈負相關(guān)關(guān)系，即垂直載荷越大，土工布滲透系數(shù)越小，當(dāng)垂直載荷為1 MPa時，土工布滲透系數(shù)下降了95.9 %；尾礦砂的滲透系數(shù)與垂直載荷呈負相關(guān)關(guān)系，即試樣所受垂直載荷越大，尾礦砂滲透系數(shù)越小，垂直載荷在0～0.5 MPa范圍內(nèi)逐漸增加時，滲透系數(shù)急劇下降了77.4 %；尾礦砂孔隙率與垂直載荷近似呈線性負相關(guān)關(guān)系，即垂直載荷線性均勻增加的過程中，尾砂孔隙率線性減小；尾礦砂中含有細粒可導(dǎo)致其滲透性能顯著降低。在沒有垂直載荷的條件下，不含細粒的尾砂滲透系數(shù)是含細粒尾砂滲透系數(shù)的3.7倍，去細粒后的尾砂式樣滲透率下降幅度略大于尾礦砂原樣。

③尾礦砂的主要礦物成分為黃鐵礦、黃銅礦、方鉛石、閃鋅礦等礦物；尾礦水中的金屬陽離子主要為Ca2+、Mg2+、Fe3+、Mn2+等離子；排滲管淤堵物和土工布內(nèi)部淤堵物的主要成分為CaCO3、MgCO3、Mg(OH)2、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O等難溶金屬鹽類及其化合物。排滲設(shè)施化學(xué)淤堵的機理是水溶液中的金屬離子、尾礦砂中的礦物質(zhì)與空氣、水等周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了難溶于水的金屬鹽類及其化合物，主要是CaCO3、MgCO3、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O，逐漸粘附并固結(jié)在土工布纖維孔隙和排滲管中，最終造成排滲設(shè)施的淤堵。

④尾礦砂中的微生物物種多樣性較尾礦水中的豐富，尾礦砂和尾礦水中微生物相對豐度最高的是變形菌門微生物(proteobacteria)，其中尾礦水中的變形菌門細菌的相對豐度高達96 %。