金属硫化物矿山酸性开采边坡原位固化及厚层基材喷射技术研究

2021-06-18刘玉华

中国矿业 2021年6期

刘玉华

(中煤地质集团有限公司，上海 200120)

金属元素以各种形态普遍赋存于地壳中，富集到一定程度即可称为金属矿产。金属矿产既是人类赖以生存的基础，又是工业生产的支柱，随着社会经济的快速发展，其需求量日益增长。

我国金属矿山大部分是原生硫化物矿床，其矿山开采及选冶对自然环境的破坏及生态系统影响巨大，且不可逆转，在金属矿山开采过程形成的污染主要为重金属污染及酸性矿山废水(AMD)污染[1]。我国多个省份均受到重金属及酸性矿山废水的污染，矿区周边及下游地区居民各种慢性病多发，可见重金属的污染对人类的影响巨大[2]。目前，很多学者及技术人员对尾矿库、尾矿砂、尾矿石的重金属迁移污染及阻断技术进行了研究，包括对金属矿山的废弃地治理及其生态修复的工作研究，取得了大量成果，极大地改善了金属矿山的开采环境[3-5]。由于金属矿山的成矿机制比较复杂，针对硫化金属矿山开采边坡的综合治理的研究相对较少，对酸水及重金属污染的源头控制主要集中于尾矿库及冶炼废水，仅有少部分学者研究了边坡酸化机理及控制措施。

针对金属矿山开采边坡生态修复的研究较多，主要方式有客土喷播、砌筑种植槽、鱼鳞坑、垒砌生态袋、生态挡墙等，甚至采用柔性隔离材料隔离边坡[6]。很多项目在没有调查矿区的成矿特征、边坡特征、污染特征、开采情况及小区域气候水文条件的情况下，就简单使用人工种植或客土喷播的工艺进行生态修复施工，围岩或者矿体硫化物氧化后形成的酸水冲刷或者渗出边坡；更有历史开采的矿洞酸水在雨季时溢出，使得植被枯萎[7]。

近几年的研究中，不少学者及研究人员研发了原位固化+植被修复的方法对酸性边坡进行治理，取得了良好的效果[8-9]。笔者根据近几年的研究，总结出金属矿山开采边坡的“原位固化隔离+厚层基材喷射”综合治理技术，针对原位固化隔离层及喷射基层配方及实际应用效果进行研究。

1 矿体的赋存形态及污染机制

1.1 硫化物赋存形态

金属矿产成矿的机制较为复杂，尤其是金属硫化物往往为多金属伴生矿，更有同质不同体的现象。金属硫化物主要分为简单硫化物、复硫硫化物和硫盐三种类型，阴离子主要为S2-、[S2]2-、[AsS3]3-、[SbS3]3-等形式，阳离子主要以铜型离子及其过渡型离子为主(Cu、Pb、Zn、Ag、Hg、Fe、Co、Ni)。

1.2 矿体与围岩的关系

矿体与围岩界限受成矿机制、时间、构造发育等因素影响，大致分为界限清晰和过渡型两类。矿体与围岩在组构上和有用组分的含量上有显著的差别，接触界线清楚，如脉状充填矿体与围岩的关系；矿体与围岩的分界线是过渡的，如浸染状交代矿体与围岩的关系。一般情况下，矿体和围岩的边界是通过系统的取样分析，根据当时的选矿水平决定的。

1.3 污染机制

我国大部分原生硫化物矿床的围岩多为岩浆岩及沉积岩，开采残留边坡多为裸露，围岩或低品位的矿脉直接裸露于边坡。硫化物矿石在裸露空间条件下以及空气及雨水的共同作用，发生复杂的氧化反应(以硫化铁为例)，极易形成酸性矿山废水[10](pH值可达4以下)，反应式见式(1)～式(4)。

FeS2+3.5O2+H2O→

(1)

FeS2+14Fe3++8H2O→

(2)

Fe2++0.25O2+H+→Fe3++0.5H2O

(3)

MS+2Fe3+3/2O2+H2O→

(4)

式中，M为金属元素。

上述氧化反应在细菌的参与下，反应速度加快，硫化物氧化后形成的痕迹较为明显，甚至可见硫[16]。酸水的出现导致边坡岩石层或土层被酸化，并加剧围岩或者矿体中的重金属的浸出[11]。由于边坡的裸露，硫化物的长期氧化淋滤，导致边坡岩石应力结构发生变化，继而引发边坡失稳等地质灾害。

2 技术原理

“原位固化隔离+厚层基材喷射”技术主要用于金属硫化物露采矿山边坡的综合治理。首先在裸露的边坡上先施工一层含有原位固化药剂的隔离层，该隔离层需具备一定的强度，能有效隔离封闭原裸露边坡；再在隔离层上进行厚层基材喷射的生态修复，实现植被正常生长(图1)。该技术能抑制边坡硫化物的氧化，从源头上控制控制酸水的产生，有效解决酸性边坡生态修复的难题。

图1 技术原理示意图Fig.1 Schematic diagram of technical principle

2.1 原位固化技术原理

根据美国环境保护局的定义，固定化技术是将污染物封入惰性基材中，或在污染物外面加上低渗透性材料，通过减少污染物暴露的淋滤面积达到限制污染物迁移的目的。重金属固化技术起源于1950年代对放射性废物的固化处置，如美国在处理低水平放射性液体废物时，先用蛭石等矿物进行吸附，或者先用普通水泥将其固化，然后再进行填埋处置。自1980年代以来，在工程修复的实际应用技术中，固定/稳定化技术由于对土壤中重金属有很好的处理效果，已成为仅次于土壤气相抽提技术(SVE)的第二大修复技术。

水泥和石灰等无机材料在实际工程中的应用最广泛，占重金属固化项目总数的90%以上。在过去的50年里，应用最为广泛的是水泥固化重金属技术。水泥是一种无机胶结材料，水化反应后会生成坚硬的水泥固化体。水泥固化的机理是重金属在水泥的水化过程中，通过化学吸收、吸附、沉降、离子交换、钝化等多种方式与水泥发生化学反应，最终重金属以络合物或氢氧化物的形式残留在水泥水化形成的水化硅酸盐胶体表面上，同时水泥的固化也为重金属提供了碱性环境，从而抑制了重金属的迁移。

2.2 厚层基材喷播技术

厚层基材喷射技术是使用喷射设备(由空压机及喷射机组成)将搅拌均匀的绿化基材稳定剂、保水剂、团粒剂及水的混合物以高压方式喷射到坡面上；再在其表面喷射种子层的坡面生态恢复技术。

3 技术方案及应用范围

3.1 技术路线

边坡调查→特征因子分析→污染迁移路径分析→坡面整理及铺设三维网→隔离层配比及施工→基材配比及施工→种子层施工→植被养护及坡面环境监测。

1) 边坡调查：分析矿区的成矿特征、矿区水文特征、了解围岩与矿体之间的关系、阐明成矿构造与残留边坡的关系、裂隙发育情况等。

2) 特征因子分析：围岩及残留矿体的矿物成分、酸性环境下可浸出的重金属元素、酸化后边坡的pH值、裂隙水的pH值、裂隙水的污染特征等。

3) 污染迁移路径分析：硫化物氧化后的污染机制及迁移路径、坡面裂隙水来源、坡面冲刷水体径流方向等。

4) 坡面整理及铺设三维网：清理坡面的浮石、封堵裂隙等。

5) 固化隔离层配比及施工：根据边坡污染特征制作原位固化隔离层，隔离层具备一定的强度，采用喷射的方式附着于坡面。隔离层能固化坡面重金属元素及提高坡面pH值；抗雨水冲刷，具备一定的孔隙率。

6) 厚层基材(客土)层配比及施工：根据边坡污染特征制作厚层喷射基材(客土)层，具备一定的强度，防水冲刷，采用喷射的方式附着于坡体隔离层表面。

7) 种子层施工：根据周边制备群落及坡面环境特征，配置种子层，添加可以吸附相应重金属的植物种子，采用喷射的方式附着于坡体客土层表面

8) 植被养护及坡面环境监测：施工完成对坡面进行两年养护及坡面环境的三年以上的环境监测。

3.2 适用范围

根据实验数据及工程案例，本技术这对金属矿山常见的Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr等六大元素固化及封闭效果较好，其他重金属元素未做深入研究。根据实验，尤其是石灰中的Ca2+元素对Cd2+元素有拮抗作用。在修复工程中部分边坡缺乏原位深层搅拌的施工条件，本技术可以替代原位搅拌法，使得边坡表面形成稳定的固化隔离层，使得雨水无法直接冲刷边坡，抑制坡体酸水的形成。结合厚层基材喷射技术，酸性开采边坡坡度≤55°，单级边坡高度≤20 m，坡面pH值在3.0～6.5之间，若边坡稳定性差，则需要采取加固措施。

4 关键技术研究

4.1 固化隔离层

固化隔离层以黏(砂)土为载体制作，添加一定比例水泥、石灰及其他添加剂混合成。与水混合后喷播于裸露的边坡上，喷射层厚度6～12 cm，实验室配比7 d强度为0.30 MPa，28 d强度0.45 MPa，使得边坡表面被封闭，形成具有一定强度的固化隔离(阻断)层，阻挡边坡表面硫化物与空气及雨水接触。同时隔离层附着于边坡上发生的水化反应(水泥、氧化钙和水反应)在螯合剂的配合下能很好地固化边坡表面的重金属，并提高酸性边坡pH值。吸水树脂能调节隔离层的含水率，在雨季的时候控制雨水下渗至边坡面,隔离层孔隙率为35%～45%，有利于后期植被根系的增长。

固化隔离层配比组成(1 m3)：砂土35%～45%，氧化钙5%～10%，水泥10%～20%，聚丙烯酸钾150～200 g，吸水树脂1～1.2 kg，有机螯合剂20～60 kg。

4.2 厚层基材(客土)层

厚层基材(客土)层以黏(砂)土为载体制作，添加一定比例的泥炭土、有机质、复合肥、水泥及其他添加剂混合成。与水混合后喷播于隔离层上，喷射层厚度8～12 cm，使得客土层与酸性边坡隔离。实验室配比7 d强度为0.2 MPa，28 d强度0.3 MPa；暴雨工况(80 mm/h)下客土层不脱落。吸水树脂能调节客土层的含水率，保持客土层的相对湿度及调节客土层的水份；稻糠粉(有机质)在提高客土层孔隙率及提供有机养分，客土层的孔隙率为45%～55%，客土层为植被初期生长提供所需的基材、养分、水分等。

厚层基材(客土)层配比组成(1 m3)：种植(砂)土45%～55%，泥炭土5%～10%，稻糠粉(有机质)10%～15%，水泥3%～10%，聚丙烯酸钾150～200 g，吸水树脂2～2.5 kg，有机肥2 kg，有机螯合剂10～20 kg。

4.3 种子层

植被种类需根据当地生物群落及客土层的环境来选择植被类型。为保证施工前期生态快速修复的效果，先锋群落可以选择草本类、藤类,顶级群落可以选择灌木及乔木,不能盲目追求绿化效果，而过多选择草本类植物。自然群落的形成周期型较长，草本的退化期仅有3～5 a,植被群落必选充分考虑草本、灌木及乔木，结合边坡植被群落情况综合选型，才能保证边坡植被修复的长期效果,在实际工程中优先考虑本土植被。

5 工程应用

5.1 矿区边坡特征

铜陵凤凰山铜矿位于长江中下游地区，热液接触交代成矿,矿体以块状、侵染状及斑点状含铜矽卡岩为主，层状硫化物矿体(含铜石英硫化物、脉体状)为次,围岩为花岗闪长岩及大理石化的石灰岩。

开采方式主要为井巷开采，后期回收残留矿体采用露天开采，开采标高+68～+150 m，台阶式开采，单级台阶高度20 m，安全平台8 m，台阶坡度45°～52°。含矿段(+81～+122 m)开采坡面可见残留的石英硫化物，氧化严重。由于雨水(酸水)的冲刷，导致下盘围岩坡面(大理石化的石灰岩)存在明显的冲刷沟槽。

5.2 污染特征调查

根据坡面污染特征调查显示，坡面pH值为4.3(试纸法)、可浸出的重金属元素主要为Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr(实验室浸出试验，同时也浸出了As及Mn，本文未对该因子进行探讨)。坡面有明显的裂隙渗水现象，坡面冲刷水主要来源于大气降水及开采边坡外侧坡面汇水而形成。

边坡表面取得含矿岩石(Y1)、表面风化岩石(Y2)及深风化岩石(Y3)，各样品的重金属元素检测结果见表1。在边坡表面收集坡面裂隙渗出水(SI)及矿坑积水(S2)进行检测，由表2可知，矿区坡面水及矿坑积水质均不能满足符合《地表水环境质量标准》中的Ⅴ类水标准。

表1 边坡岩土样品重金属含量Table 1 Heavy metal content in slope rock samples 单位：mg/kg

表2 矿区地表水重金属浓度Table 2 Heavy metal concentration in surface water ofmining area 单位：mg/L

在实验室模拟酸(雨)水淋滤边坡表面工况下，检测坡面表面岩石的金属浸出状况。采用pH=4.00±0.05的酸液，淋滤速度12 mL/h，20 d收集一次滤液，Y1样品滤液重金属浓度见表3。可见，边坡裸露于自然空间中，随着风化程度的加深，Cu、Zn、Cd、Cr较容易迁移、Pb相对较稳定。

表3 Y1样品淋滤浸出重金属浓度Table 3 Heavy metal concentration ofY1 sample was leached 单位：mg/L

5.3 固化隔离层、厚层基材、种子层制作及施工

根据边坡特征及周边植被群落特点，隔离层、客土层及种子层的配方如下所述。

1) 隔离层：种植土(当地山土，砂土)0.45 m3、水0.35 m3、聚丙烯酸钾150 g、SAP(高强吸水树脂)3 kg、氧化钙90 kg、水泥120 kg、螯合剂30 kg。

2) 客土层：种植土(当地山土，砂土)0.50 m3、泥炭土0.05 m3、水0.30 m3、聚丙烯酸钾160 g、SAP(高强吸水树脂)2 kg、稻糠粉150 kg、磷肥2 kg、氧化钙20 kg、水泥25 kg、螯合剂10 kg。

3) 种子层：高羊茅，狗牙根、芒草、马棘、胡枝子、爬墙虎、刺槐、马尾松等。

上述隔离层施工一周后，强度达到0.31 MPa，在隔离层施工10 d后，人工模拟暴雨冲刷工况，未发现隔离层有脱落现象。客土层及种子层喷射完成后进入初步养护阶段。施工结束后，植被在出芽率98%以上，在上段边坡左侧(+100～+122 m)200 m2范围内采用人工扦插小叶女贞及迎春花。经过两年的养护与监测，隔离基层稳定，无脱落；边坡植被稳定，绿化面积达到90%以上，刺槐及马尾松成活率高达99%，扦插部分的小叶女贞及迎春花成活率65%。

施工结束后30 d、180 d、360 d分别在坡面采取地表水并检测，pH值在6.4～7.6之间，收集的坡面水中浸出的金属元素浓度见表4，符合《地表水环境质量标准》中的Ⅴ类水标准。