尾礦庫揚塵污染的研究與防治

高 峰 楊 平 謝金亮

(1.中國恩菲工程技術有限公司；2.上海市水利工程設計研究院有限公司)

尾礦庫揚塵污染的研究與防治

高 峰1楊 平2謝金亮1

(1.中國恩菲工程技術有限公司；2.上海市水利工程設計研究院有限公司)

隨著環(huán)境保護要求的提高，尾礦庫揚塵污染引起了社會足夠的重視。對此，采用風蝕風洞模型試驗方法來研究尾礦庫揚塵污染的影響，并且分別從設計和建設管理階段提出了尾礦庫揚塵的防治措施，為防治尾礦庫揚塵污染提供參考。

尾礦庫揚塵 風蝕風洞模型試驗 防治措施

尾礦通常是以礦漿狀態(tài)從選礦廠排出，如不妥善處理，便會大面積覆沒農(nóng)田和污染水系，因而必須修建尾礦庫集中堆存。興建尾礦庫會對周邊自然環(huán)境造成一定程度的影響，而國內(nèi)的專家學者一般較多關注尾礦庫滲透水對地下水系的影響，而對尾礦庫表面揚塵則較少關注。由于尾礦庫中堆存尾礦的顆粒較細，一般尾礦粒徑約0.074 mm，在風力影響下尾礦庫干灘表面會造成揚塵污染。一般金屬尾礦中含有有害物質(zhì)和重金屬，一旦形成揚塵或酸雨將會對周邊的動植物造成危害，尤其會對周邊的活動人群的身體健康產(chǎn)生影響。隨著環(huán)境保護要求的提高，社會上對防治尾礦庫揚塵污染的重視程度越來越高，因而有必要對尾礦庫揚塵污染的特點、規(guī)律和治理措施展開專項研究。

1 尾礦庫揚塵形成原理

通過分析發(fā)現(xiàn)，對于尾礦庫干灘上的尾礦，由風力引起的空氣流動是形成尾礦庫表面揚塵的直接原因，由于風力作用使得尾礦顆粒經(jīng)歷了分離、運移、沉積等3個過程。

1.1 尾礦顆粒分離

引起干灘表面的尾礦顆粒分離的原因一般為氣溫變化，例如：盛夏、嚴寒季節(jié)白天和晚上的溫差變化較大，熱脹冷縮作用很容易使得尾礦顆粒分離。另外，氣象變化也是引起顆粒分離的重要因素，例如降雨或刮風等天氣變化也會導致土體顆粒間狀態(tài)從結(jié)合的比較緊密到松散分離。

1.2 尾礦顆粒運移

在尾礦顆粒發(fā)生分離后，由于空氣流動的影響，顆粒會發(fā)生運移。影響尾礦顆粒運移的因素一般有：①尾礦顆粒自重；②尾礦顆粒之間的凝聚力。尾礦顆粒的運移的狀態(tài)一般有3種形式：

(1)懸浮式運移。尾礦粒徑一般為0.02～0.10 mm，容易形成懸浮式運移，該方式顆粒的運移距離最遠，懸浮顆粒一般占運移顆粒總量的3%～30%，一旦尾礦顆粒懸浮起來，則運移速度和距離將受制于風力。

(2)跳躍式運移。尾礦粒徑一般為0.10～0.50 mm，容易形成跳躍式運移，該運移方法尾礦顆粒沿著地表旋轉(zhuǎn)前進，運移距離比懸浮顆粒近。跳躍前進的顆粒速度受到風力和尾礦顆粒旋轉(zhuǎn)的影響。跳躍式運移顆粒轉(zhuǎn)速一般為1 200～60 000次/min,跳躍式運移顆粒一般占運移顆粒總量的55%～72%。

(3)蠕動式運移。一般顆粒粒徑為0.50～1.00 mm，容易形成蠕動式運移，由于顆粒較大，一般在風力作用下推動尾礦顆粒沿地表蠕動或者旋轉(zhuǎn)向前運移。蠕動式運移占運移顆?？偭康?%～25%。

1.3 尾礦顆粒沉積

在尾礦顆粒運移過程中，由于風速降低或者發(fā)生降雨導致尾礦顆粒沉積，一般來說首先較粗的尾礦顆粒開始沉積，然后中等粒徑的顆粒沉積在粗顆粒附近，一小部分較細的顆粒將在風中懸浮。

2 尾礦庫表面揚塵研究方法

對于尾礦庫表面的揚塵，國外通常采用風蝕風洞模型進行試驗研究。風洞就是產(chǎn)生人造氣流(人造風)的管道，在這樣的管道中能形成一段氣流均勻流動的區(qū)域，模擬物體周圍氣體的流動，并可度量氣流對物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象。風蝕風洞主要通過采用風洞模型模擬土壤表面風蝕，最早應用于農(nóng)業(yè)水土保持和土壤沙漠化，國外有一些學者逐漸將該方法應用于研究尾礦庫表面揚塵。

2.1 風蝕風洞試驗機理

風洞準備完畢后，試驗的尾礦試樣安裝于風洞中準備測試。一系列典型的風蝕試驗包括橫向氣流測試和縱向氣流測試。試樣由風洞的邊壁向中間延伸，通過試樣與風洞邊壁的距離來模擬不同的試驗邊界層?？傮w來說，采取風洞的風速來模擬試樣邊界層的速度，要考慮的因素是如何使得風洞模型試驗與野外真實環(huán)境相適應。構(gòu)建的試驗模型存在3種可能性：①真實的或者至少與野外環(huán)境相適應的模型；②扭曲的模型，與野外真實情況不適應，需要對模型進行修正；③為了真實模擬野外的情況，所需要的風洞的結(jié)構(gòu)和尺寸非常難于制造。為了使得風洞模型與野外情況相適應，必須找出風洞設計參數(shù)與野外真實參數(shù)之間的關系，就需要使得模擬風蝕參數(shù)符合Jensen標準。

2.2 風蝕風洞模型試驗實例

2.2.1 試驗背景

某礦山所在地屬于地中海氣候，夏天溫暖，冬天寒冷。1月份日常最高溫度29 ℃，同時，在7月大約16 ℃。該地區(qū)從1901年開始記錄每年的降雨情況，該地區(qū)平均降雨量426 mm，主要集中于5～10月。礦山所在地風速數(shù)據(jù)來自于當?shù)貧庀笳镜挠涗?，氣象站記錄了日常平均風速，從1962年開始記錄數(shù)據(jù)，每天記錄2次，每次測量時間超過3 h，風速測試記錄設備距離地面高度約10 m。通過對數(shù)擬合來確定距離尾礦庫表面風速，具體見表1。

表1 礦山所在地風速 m/s

日常風速百年一遇風速距離地面10m3.6028.6距離尾礦庫表面8cm1.3210.5

極端條件下，百年一遇風速28.6m/s，10a一遇風速為21.7m/s，平均風速3.6m/s，43a的記錄中，占3.5%的風速均超過10m/s。

2.2.2 試驗概況

某礦山為褐鐵礦和殘積礦，采礦是分別開采堆存，不進行配礦，選礦、冶煉對2種礦石分別進行處理，其中褐鐵礦采用壓力酸浸工藝，殘積礦采用常壓浸出工藝。產(chǎn)生的尾礦粒度較細，具體的尾礦特性見表2。

試驗共測試了5件尾礦試樣，尺寸均為26cm×39cm×1.5cm，通過相同的模具制作。試樣制作條件為3種：①放在強光之下；②放在保鮮膜中；③不做處理。通過上述3種條件模擬不同的含水率。

試驗使用的風洞模型根據(jù)斷面面積的不同分為2種：①低速風洞(斷面面積6.5m2)；②高速風洞(斷面面積2.25m2)。其中低速風洞用來模擬風速約8m/s的情況，大部分試樣在此風洞中測試；高速風洞用來模擬風速約25m/s的情況，該風速為尾礦庫所在地極端風速。

表2 尾礦特性指標

低速風洞試驗時，試樣被固定于桌子表面，桌腿固定于低速風洞邊壁上，試樣距離風洞的邊壁800mm，試樣表面與風速方向相切。風速計固定于緊挨著試樣的部位來測試試樣周圍的風速。高速風洞試驗安裝方法與低速風洞類似，僅將桌腿略微鋸短一些，使得試樣距離風洞的邊壁400mm。

試樣安裝完畢后開始測試，風洞的風扇打開產(chǎn)生試驗需要的風速，并且每組試驗時均保持設定的風速并測試3min，通過稱重設備測試出試驗前后試樣的重量，計算出導致尾礦顆粒的損失量。

試驗還考慮的一種工況，即尾礦庫表面干灘開裂表面揚塵是否會發(fā)生變化。采用金屬棒敲擊試樣表面，模擬尾礦庫干灘表面龜裂的情況。之后將試樣安裝于風洞中進行測試，試驗步驟與表面完好情況下的試驗步驟一致，通過試驗數(shù)據(jù)分析表面龜裂的情況是否會對揚塵產(chǎn)生影響。試驗結(jié)果見表3。

表3 風蝕風洞模型試驗結(jié)果

風蝕風洞模型試驗得出以下結(jié)論：

(1)對于平均風速條件下，尾礦含水率在21%以上，風蝕影響是無關緊要的。一旦尾礦含水率降低至21%以下，風蝕影響就會增大。如不采取措施，尾礦庫干灘表面將會產(chǎn)生風蝕，但由于固體損失量相對不大，不會產(chǎn)生很大的揚塵污染。

(2)在百年一遇的極端風速影響下，干灘表面將產(chǎn)生一些揚塵影響，但顆粒損失相對較小，并沒有造成更深的風蝕產(chǎn)生。

(3)干灘表面一旦產(chǎn)生龜裂，風蝕的影響將會增大，僅在平均風速條件下固體損失已經(jīng)很大，將產(chǎn)生揚塵污染。如果極端風速情況發(fā)生，揚塵污染將更加嚴重，應使表層尾礦保持一定的含水率，防止發(fā)生龜裂。

3 防治措施

首先在設計階段應充分考慮揚塵的影響，在尾礦庫設計時制定相應的揚塵防治措施和復墾計劃；其次在尾礦庫的建設管理階段，按照設計要求，采用更為合理的材料進行固塵綠化。

3.1 設計階段

在設計階段，應考慮控制尾礦庫的揚塵污染，便于復墾，盡量不破壞或少破壞周圍環(huán)境。如在尾礦庫設計中，應制定出與礦區(qū)周圍地形、環(huán)境相適應的尾礦堆存和復墾計劃。

仍以文中2.2.1節(jié)的某礦山為例進行說明，在尾礦庫可研設計時，為了確定尾礦庫表面揚塵的影響，首先進行了風蝕風洞模型試驗，確定揚塵的具體影響；其次在尾礦庫設計時，專門進行復墾設計。復墾設計一方面可以減少尾礦與空氣接觸時產(chǎn)生的酸性物質(zhì)污染環(huán)境；另一方面可以減少尾礦揚塵。

尾礦庫建于坡度較緩的山坡上，四面筑壩，壩體采用天然材料修建。在開始放礦時，由高程較高的北壩段開始放礦，尾礦澄清水流流向高程最低的南壩段，在南壩段修建澄清水排水設施，及時排出尾礦

澄清水。當尾礦堆積高度接近北壩段壩頂時，則改為東西2個壩段放礦，此時便可以將北壩段尾礦復墾，種植作物，見圖1。在高程最低的南壩段排礦，此時東西壩段堆積尾礦便可進行復墾，見圖2。通過設計，使得尾礦堆積與復墾有計劃的進行，當尾礦庫閉庫時，尾礦庫已經(jīng)大部分復墾完畢，可大大減少尾礦庫對周邊環(huán)境的影響。

圖1 尾礦庫初期、中期排礦計劃

圖2 尾礦庫后期排礦計劃

3.2 在建設管理階段

在建設管理階段，根據(jù)設計要求進行操作，并根據(jù)尾礦的特性選擇更為合理的材料進行固塵綠化。采用化學材料固塵，利用化學藥劑或添加劑(如石灰、水泥、樹脂類等)與尾礦表面發(fā)生化學反應，使得尾礦顆粒間凝聚力增大，從而起到固塵的作用。在尾礦表面覆蓋一層厚度適宜的土壤，在此基礎上種植植物也可以起到固塵的作用。

4 結(jié) 語

通過采用風蝕風洞模型試驗的研究方法來研究尾礦庫表面揚塵，并且分別在尾礦設計階段和尾礦建設管理階段提出了尾礦庫表面揚塵的治理措施，為尾礦庫防塵治理提供參考。

2015-01-15)

高 峰(1982—)，男，工程師，碩士，100038 北京市復興路12號。