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土工材料在 矿业中的应用

[日期:2013-3-5]   来源:网站 名称  作者:网站 名称   阅读:98 [字体: ]

在过去的二 十年,土工合成物广泛地应用于采矿工业。典型的应用包括土工布过滤、土工膜防渗和土工格栅加固。一般而言,土工合成物的表现令人满意,并且提高了采矿工程的经济效益与环境保护效果。然而,也出现了一些失败。大多数 失败与边坡稳定性有关。边坡稳定性取决于层面间的磨擦角。本文综述了土工合成物在矿业中的各种应用,讨论了典型的设计方法,指出了需要开展更多的研究和评估的方面。本文的撰稿者希望通过这种形式的讨论,使得更多的 矿山了解土工合成物在采矿工程中的应用,有更多的矿山更广泛地应用土工合成物。这对于提高我国矿产资源的回收利用率与矿山的经济效益的同时,大大减少滴、跑、渗、漏液体对矿山生态环境的污染,具有重要的作用。

  1 法律、经济 与环保方面的考虑

  采矿工 业生产的商品,按市场价格在市场上销售。在开发一个新的采矿工程项目时,经济和环保是两个重要的考虑因素。与垃圾等有毒有害废弃物填埋场和其它公共工程不同,采矿业成本不能直接由消费者来支付。因此,土工合成物在 采矿中愈来愈广泛的应用是经济与环境保护共同作用的结果。

  在美国 ,垃圾填埋场和有毒有害废物处理是受联邦法规制约的。1976年颁布的“ 资源保护和回收法案(RCRA)”的第C和D条下的法规 及其随后的修改案,在很大程度上控制着土工合成物在固体废物填埋场和有毒有害废物填埋场的应用及其详细设计。由于联邦法规没有专门针对采矿工程中土工合成物的应用条款,于是上述条款中的大部分就成了采矿工业应用土 工合成物的法律基础依据。根据1977年“净水法 案”通过的科罗拉多州立法规和其它州立矿山垦复法案,控制着采矿工业中土工合成物的应用设计。这些法规中的大多数是建立在效果之上,而不是建立在既定的准则之上的。这就允许采矿工程师在进行采矿设计时,可以有一定 的灵活性,能够创新和使用新材料。这种灵活性,对于维持采矿工业的长期经济繁荣是非常重要的。

  在我国 ,愈来愈严格的环境保护要求,也促使矿山企业将符合市场需要的土工合成物产品广泛应用于矿业生产的各个环节。

  采矿工 业中最突出的环境问题,是采矿过程中如何保护地下水和地表水不受污染。因此,矿石、废石和尾矿的容纳与堆积是否符合环保要求应当是矿山工程设计人员在选择土工材料时必须考虑的最重要的因素。

  为了从 矿物中提取金属,需要使用各种各样的化学试剂。堆浸工艺可用于提取金、银、铜和其它金属。氰化钠溶液可用作金、银的堆浸剂;而硫酸则可用作铜的堆浸剂。浮选工艺也可以用来提取矿物。在这些例子中,需要使用少量的有 机物和其它化学试剂,其产生的溶液中,通常也含有某些低浓度的化学物质。

  现有的 土工合成物,一般都能承受采矿业通常使用的化学试剂的腐蚀。在常见的pH值2到10.5范围内,土 工膜能抵抗化学腐蚀,土工布也能安全地使用。通常,较多考虑的是土工膜对化学元素的适应性,而不是采矿业所使用的化学试剂。

  2 堆浸场

  堆浸法 广泛地用来提取金、银、铜和其它金属。使用该法时,低品位的矿石堆放在堆浸场里,堆浸场事先用渗透系数低的材料来作防渗衬垫。堆浸液从矿堆的顶部淋下,渗透过矿堆(矿堆并没有完全浸透)并最终汇积在底部透水层,然 后在铺有衬垫的集液池中收集母液,最后通过不同的工艺提取各种金属。堆浸场使用土工合成物时,防止污染和顺肠排水是应当考虑的两个最重要的因素。

  在设计 堆浸场时,应当考虑的主要问题还有:

  粗料( 有时最大直径达4cm)要直接与 土工膜接触。

  施加在 土工膜上的静压力通常很高,矿堆高度有时高达125m。

  用人造 排水材料来收集浸出液和渗漏液时,材料在高压下的适应能力应当预先考虑。

  衬垫层 要能承受外力和冰冻的双重作用。外力可能会由于在衬垫上拖拉管子,或在池内移动泵驳船而引起硬伤,而由于持续低温特别是冰冻天气有困难造成衬垫层出现开裂。

  矿石和 土工膜界面的磨擦角以及土工膜和其下低渗透系数的粘土层间的磨擦角,应根据工程规范加以考虑。

  土工膜 材料的总体表现及其作为衬垫防渗系统的原理是重要的设计考虑因素。在衬垫设计中,只有两个参数可以控制:在衬垫上的水头和衬垫的渗透系数。复合衬垫已成功地应用于堆浸池设计。在复合衬垫上的水头一般非常低(小于1m)。在使用 天然山谷作为堆浸池时,由于母液是在矿堆的孔隙中流动的,因此可以使用较高的堆高。水头较低的复合衬垫,对大多数堆浸场来讲是优化设计方案。

  堆浸场 通常配有地面溶液池。无矿残液和母液分别贮存在有衬垫防渗层的池中。母液池收集到通过矿堆渗透下来的含矿溶液后,再经过碳吸附或其它金属的置换处理,提取可回收的金属元素,例如金、银和铜等。无矿废液则送到另一个 衬垫防渗池中贮存,直到加入新的化学试剂配制成新的堆浸液。因此,堆浸液可以循环使用。

  如果池 中有高压水头,通常需要在复合衬垫上设置排水层和另外一层土工膜。这个上层土工膜的作用是减少在复合衬垫层上的水头,因为通过该层土工膜的渗漏液,将由排水层排走。在这种情况下,最重要的衬垫层仍然是底部的复合衬 垫层。上层土工膜和排水层不应理解为渗漏探测系统,因为它们位于整个系统中最重要的复合衬垫层上面。只有当渗漏液进入复合衬垫下面的地层时,才有渗漏探测出现。

  在堆浸 场常用的土工膜有PVC、HDPE、LLDPE和VLDPE。在过去, 其它材料,象Hypalon和XR-5,也有用于 收集沟和收集池的,但这种应用在近10年已大为减 少。聚乙烯土工网也可用作排水材料。不同厚度和不同材料的有纺和无纺土工布也使用较广。土工膜的常用设计方法描述如下。

  1 )界面荷载测 试

  首先, 为了评估土工膜在矿堆静载作用下的特性,需要用设计材料进行界面静载测试。这种测试可用加力计来做。加力计的直径应当足够的大,以避免比例效应。在采矿实践中,与土工合成物相接触的矿石的粒径一般为1.25cm到4cm。

  竖直荷 载的大小一般从550kPa到2000kPa,加在加力 计的顶部。要测试的衬垫,排水层和衬垫上的材料,按工程设计的方式放置在加力计内。施加的竖直荷载一般维持24h到48h。记录样品 的沉降量以检验样品的固结情况。加载完毕后,从加力计中取出样品并检查其损伤。损伤一般根据磨损,刻痕和穿孔情况来描述。

  也可用 真空盒测试来检测土工膜的完整性。此外,可以通过标准的土工合成物测试,来检测土工膜的物理性质,并和原生样品的测试结果相比较。这种加载测试获得的结果,可用来判断材料在静载下的适应能力及其变形特性。

  2 )界面剪力强 度

  另一个重要问题,是土工膜与其相接触的各种材料的界面剪力强 度。界面剪力强 度一般按ASTM D 5321用大型的直 剪仪来测试。界面根据加载条件进行评估,包括:

  饱和条 件

  湿界面 (没有浸透)

  低到高 的压力(在高压下,包络线一般较平坦)

  不同的 剪切速度

  衬垫和 排水系统可能有很多潜在的破坏面。通常应对几种不同的界面,在不同的荷载作用下进行评估,以决定最弱的界面(控制界面)。尽管残余值和峰值包络线都应确定,但是一般用残余值作稳定性分析。

  美国丹 佛市的 Golder Associates Inc. 公司对某堆 浸工程用大型直剪仪(30cm X 30cm)对几种设 计的土工合成材料和土,作了很多界面剪切强度测试。对HDPE和LLDPE材料都作了 测试,测量了峰值和残余剪切强度。测试结果表明,衬垫下的细粒土层和衬垫上的粗粒径的排水层,在测试荷载范围内并没有明显地改变界面强度。此外,测得的峰值和残余值是一致的。发现的唯一明显不同,是磨擦角随土工膜 类型的不同而有轻微变化。

  3 )渗漏液估计

  可用Bonaparte等人1989年提出的方 法来估算渗漏液。该方法一般假定每4000 m2有一个10mm2的漏洞。关 于土工合成物在堆浸场的使用,还有很多要研究的问题。很多时候,这些问题是由于好奇而提出的,而不是针对专门的技术设计考虑因素而提出的。一个特定的问题是,不同的土工膜在与颗粒材料直接接触时,在荷载作用下它的 长期特性究竟如何。实验室加载测试一般最多只持续几天,而现场加载则是整个生产期(一般2到10年)。尚不 清楚的是,它是否会出现蠕变变形,也不清楚它在荷载作用下,已经形成的穿刺能否自愈(也就是说,颗粒有可能最终充填了穿孔的大部分,因而没有出现明显的渗漏)。

  一般不 会将堆浸场的土工膜挖出来进行调查。1995年,对美国 科罗拉多州的一个堆浸场的衬垫作了定性评估。该堆浸场建在一个尾矿池的上游,其自然边坡延伸到尾矿池边。自然边坡角为2H:1V。堆浸池的 结构设计为:在基层上铺土工膜,膜上铺土工网,网上是另一层土工膜。矿堆最大高度为60m。当堆浸过 的矿石挖出后,对土工膜及其接缝处的样品进行了测试。检测结果表明,土工膜及其接缝都没有出现明显的损伤,检测过的试样也没有发现穿孔。

  另一个 要考虑的问题是,土工膜/土工网界面 在高压流体作用下的长期表现,如在非常深的池中,将土工网布置于双层土工膜之间。目前,还不能确定在矿堆荷载作用下,土工网是否会刺入土工膜。因此从长远来看,有可能会在土工膜上造成漏洞。在有些案例中,发现土工 网部分地刺入土工膜。一般当土工膜的密度比土工网低时,这种情况会出现(和土工膜相比,土工网相对较硬)。

  还有一 个一般不会涉及到的问题是,在峡谷堆浸场中可固结的材料对边坡界面作用力的影响。由于矿石的堆置厚度不同,矿堆的沉降会有差异。这会导致沿边坡上的土工膜产生位移,从而影响矿堆的稳定性。只要沿着边坡上的土工膜产 生较小的位移,残余剪切强度值就能很快达到。这个问题可用数值分析方法来评估,根据固结沉降引起的位移来决定可能的剪切强度。

  由于土 工布会发生堵塞问题,因此在堆浸场一般不会用土工布来覆盖排水导管。在作铜矿石堆浸时,使用细菌是工艺的一部分,细菌也因此被认为是造成排水管外围的土工布发生堵塞的原因之一。到目前为止,并未针对采矿工艺对这个 问题进行详细研究。

  因为矿 物价值是通过排水系统的回收来实现的,因此,解决堆浸场排水系统的堵塞问题是非常重要的。此外,如果发生土工布堵塞,就会在堆浸池中形成高压水头,从而诱发稳定性问题。还有,对于硫化物矿石,维持一个氧化环境对于 堆浸的成功是非常重要的。如果土工布发生堵塞而矿石已开始浸透,金属的回收率就会下降。

  3 尾矿池

  尾矿是 使用球磨机或浓缩池选矿时,从矿石中提取金属后留下的细粒物质。尾矿的粒径分布,一般为非常细的砂到粉沙土。在许多例子中,尾矿含有多达60%的0.075mm筛下物质。

  在尾矿 池中使用土工合成物时,主要考虑的是要防止尾矿中液相的污染物因存放过久而发生渗漏,或者用来减少衬垫上的水头。控制尾矿库内的水位,是库池系统设计的关键。有些尾矿库设计采用上游建筑法。为了保证坝体的稳定,该 法需要保持地下水面远离尾矿坝面。由于尾矿是泥浆形态,因此土工合成物在尾矿放置初期,在尾矿坝前面起隔水体的作用。此外,土工合成物还用来构筑尾矿库底部衬垫系统及其下的排水系统。尾矿排放后,就立即通过排水系 统和地面尾矿库管理进行脱水。使用库水管理系统来降低坝面附近的地下水面,以保持坝体土的高强度。

  防水衬 垫和排水系统结构及其在不同水头下的表现,是在设计阶段应当研究的问题。在北方地区寒冷的冬天生产时,尾矿浆与衬垫的相互作用应当特别注意。坝台形成后,坝台对土工膜在长期使用状态下的影响是非常重要的。土工膜及 其上面的排水材料的长期耐久性,也是一个必须研究的问题。

  HDPE和LLDPE是尾矿库中 常用的土工膜。如果有货源,VLDPE也使用较广 。由于PVC对紫外线照 射很敏感,因此,PVC的应用不太 广。有纺和无纺土工布在尾矿库设计中也有应用。

  常见的 设计方法,包括根据每4000 m2有一个10mm2的洞,对通 过土工膜的渗漏液进行估计。一般在进行尾矿库生产设计时,需要仔细考虑尾矿浆固结时在衬垫上形成的界面力。尾矿库内的不均匀沉降,会造成土工膜衬垫上应力的广泛变化及由此而产生的应变差。

  其它需 要注意的突出问题,还有尾矿沉降对边坡上界面力的影响。由于尾矿是以矿浆形式排放,孔隙度很大,在自重和其后排放的尾矿的重力作用下,就会出现有明显的固结。尾矿固结形成的拉力,会导致土工膜发生撕裂和穿破。尽管 经验表明,由界面力作用引起的这种破坏一般并没有出现,但是对此应有很好的了解。

  另一个 问题是,由各种化学药剂和细菌作用引起的土工布堵塞。虽然有若干研究者研究过土工布在不同情况下发生堵塞的问题,但是采矿工业界缺乏与其相适应的确定的尾矿库设计方法。如果土工布用于含有硫化物尾矿的排水系统,那 么土工布会因为在还原和氧化环境界面上形成沉淀而发生堵塞。尾矿库通常是一个还原环境,而排水系统因为与大气相通则可能是一个氧化环境。

  在尾矿 库的排水系统中,使用土工布能成为尾矿库正常运转的关键部分。如前所述,上游法构筑尾矿坝时,要求仔细地管理库内的水位。通常在构筑下部的排水系统时,用土工布来过滤和分隔。如果在尾矿库使用期间,土工布严重堵塞 ,库内水位就会上升,并最终危及尾矿坝的稳定。

  4 废石场

  废石场 由废弃岩石和因品位过低而没有加工价值的表外矿石组成。废石场高度可达300m甚至以上, 一般由推土机的倒弃作业形成。废石粒径从粉砂到很大的岩块,有时直径达2.5m。在废石场 ,土工合成物主要是作排水材料,一般使用有纺和无纺土工布。

  设计时 ,一般根据现场的水文评估、泉水和渗流勘测来估计水流量。土工布起隔离作用,把排水材料和周围的自然材料分开。排水材料一般是直径为20cm到30cm的岩石。在 这种情况下,土工布需要承受很高的荷载。

  一个突 出的问题是,土工布因化学和细菌作用的影响而发生堵塞。土工布在废石场的堵塞问题,不象在堆浸场和尾矿库那样严重。大多数废石场的废石粒径相当粗,不会形成额外的孔隙水压而影响到废石场的稳定。

  5 基础设施

  矿上基 础设施,如公路、机场等,通常也使用土工合成物。分隔、加固和排水是在这些场合应当考虑的主要问题。一般采用公路工程和其它公共工程使用的标准设计程序,但尚不知道特别与采矿有关的突出问题。

  6 结论

  矿业在 设计容纳、堆存场所和排水系统时,广泛使用土工合成物是必然的选择。土工合成物在采矿工程中的应用,主要是出于经济和环境保护两方面的考虑,因为经济因素和环保需求要求矿山设计使用更便宜,更有效的材料。采矿工程 的成本不能直接由消费者来承担,因为采矿工业生产的商品是直接售往市场的。特别是出于经济方面的考虑,要求堆浸场设计、尾矿库设计和废石场设计广泛地使用在工程上最安全同时又是最经济的土工材料,这样,既能够满足 环保方面的要求,又能够大大降低生产成本。以土工膜为代表的土工合成物具有工程安全性能强,能够满足环保的要求,同时材料成本又不高,因此,在矿业中的应用将愈来愈广泛。

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