深部铜矿井下酸性水对混凝土支护腐蚀机理研究及对策*

2018-08-17李军民

现代矿业 2018年7期

李军民张亭刘涛

(1.白银有色集团股份有限公司深部矿业公司；2.西北矿冶研究院；3.甘肃省深井高效开采与灾变控制工程实验室)

混凝土通常呈弱碱性和碱性[1]，由于酸碱中和，因此混凝土对酸性环境十分敏感，在众多影响混凝土耐久性的因素中，按重要性排序依次为钢筋锈蚀、冻害、酸性侵蚀。相关研究结果表明，在酸性条件下，混凝土性能遭到劣化破坏，同时，酸性环境加速了混凝土中钢筋的腐蚀速度[2-7]。

1 工程背景

深部矿业公司随着开采深度的不断下降，原岩应力与构造应力不断升高，相应的采掘工程围岩应力更为突出，造成巷道高地压现象突出。深部铜矿属于高硫矿床，矿石中主要金属硫化物为黄铁矿、黄铜矿，地下水及生产用水的废水硬度和矿化度均较大，pH值小，具有较强的腐蚀性。根据现场调查，因地下酸性水腐蚀作用，混凝土支护被腐蚀严重变形，严重影响井下作业人员安全，现场混凝土支护被酸性水腐蚀破坏照片见图1。

图1 酸性水对支护腐蚀情况

通过对深部铜矿井下酸性水的成因、成分进行分析研究，对酸性水的强度进行测试，分析深部井下酸性水对混凝土支护结构的破坏机理，根据破坏机理采取有关措施，提高混凝土的防腐蚀性和耐久性，保证井下支护的有效性，保证作业人员的安全。

2 井下酸性水形成机理

2.1 矿物成分分析

深部铜矿床矿石主要金属元素为Cu，其含量一般为0.3%～2%，矿石铜平均品位为1.1%。伴生组分主要为S、Au、Ag、Pb、Zn。Pb含量大部分都在0.1%以下，全矿床平均含量<0.07%，Zn含量大部分都在0.7%以下，全矿床平均含量<0.16%，够工业指标的仅有13个小矿体，它们分布在200、300、400、500、700、800剖面1 535 m标高以上，如果剔除这些小矿体，矿床中的Pb、Zn平均含量更低，既无利用价值，也不会对选冶流程发生影响。伴生有用组分除S外，其他伴生组分均无综合利用价值。

对主要类型矿石取样进行了全分析，分析结果平均值见表1。由于全分析未做Na2O、K2O、CO2的分析，部分元素未按氧化物计算，因而总计不足100%。

表1 矿石全分析结果平均数值计算表 %

由表1可知，矿石中除Cu、Fe含量外，S占有一定的比例，矿石经选矿后以铜精矿和硫精矿为主。

2.2 酸性水形成机理研究

深部铜矿有块状含铜黄铁矿型和浸染状(包含少量脉状和网脉状)黄铜矿型两类，这两类均属于火山岩黄铁矿型铜矿床，其中前者含硫占42.82%以上，后者含硫占17.88%。

通过分析，矿井下酸性水的形成原因主要是矿床中存在的较高硫分与空气中的氧相互作用、渗透的结果，酸性强弱与形成的酸性产物浓度有关。自然界普遍存在的黄铁矿氧化反应是导致酸性水产生的主要因素。黄铁矿是自然界中分布最广、数量最多的硫化物，它可以出现于几乎所有的地质体中，尤其煤、铜、铅和锌等矿床。

Fe2++1/4O2+H+→Fe3++1/2H2O .

(2)

当pH值介于2.3～3.5时，三价铁离子沉淀成氢氧化铁和黄钾铁矾，使小部分Fe3+溶解，同时降低pH值，反应式为：

Fe3++3H2O→Fe(OH)3+3H+.

(3)

在酸性水形成之后，式(2)产生的Fe3+会继续氧化其他的黄铁矿物，反应式为：

基于这些简单的基本反应，稳定的Fe3+氧化黄铁矿的完全反应方程式为：

氧化黄铜矿的完成反应方程式为：

此外，在多种金属硫化矿物共生的条件下，或因混晶、杂质、缺陷等引起同种矿物内部结晶构造有差异时，在潮湿的环境中，其氧化还原电位的差异将产生原电池放电作用，促使电位低的矿物或晶体部分溶解。基于以上种种原因，促使形成了含有铜离子的酸性水。

2.3 酸性水强度检测

由于矿井下腐蚀严重区域主要分布在东部315行线和西部900行线附近，所以分别选取了3个水样，地点分别为五中段1 375m水平900行线振动放矿机处、三中段1 535m水平900行线溜井处、四中段1 487m水平315进路中部。

对收集的3个生产废水水样，按试验室要求进行了编号，编号分别为11-21-1、11-21-2、11-21-3，使用ICP-AES检测仪主要对送检水样中的pH值、F-、Cl-、Cu2+的浓度进行检测。深部铜矿井下酸水强度检测结果见表2。

由表2可知，深部铜矿井下pH值为3.6～2.7，属于强酸性溶液。矿井水中存有大量的F-、Cl-、Cu2+；其中在酸性环境下F-的存在，会形成类似HF的溶液，该溶液会与含Si元素的物质发生化学反应，而水泥中的主要成分就是Si元素，所以会腐蚀水泥；Cu2+在酸性环境中，会与含Fe元素发生氧化还原反应，钢筋以Fe元素为主，所以会对钢筋腐蚀，而在F-、Cl-存在的条件下，会加速对钢筋的腐蚀。