化學(xué)淤堵作用下尾礦砂孔隙分布及滲透特性試驗(yàn)研究

李文英， 楊 洋， 曹 成， 許增光

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 740048)

1 研究背景

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，礦石開采時(shí)需要修建尾礦庫(kù)儲(chǔ)存尾礦砂，截止2015年我國(guó)共計(jì)尾礦庫(kù)1.2萬(wàn)余座[1]。尾礦砂顆粒細(xì)小并且極易發(fā)生淤堵，淤堵發(fā)生后尾礦砂滲透系數(shù)減小，排水效果變差，導(dǎo)致堆體內(nèi)部浸潤(rùn)線抬升，孔隙水壓力增大[2-4]。堆體內(nèi)部孔隙水壓力的增大會(huì)直接導(dǎo)致有效應(yīng)力的降低，提高潰壩的風(fēng)險(xiǎn)性[5-7]。因此很有必要分析淤堵過(guò)程中尾礦砂孔隙和滲透特性變化規(guī)律，為尾礦庫(kù)的安全評(píng)價(jià)和穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支撐。

尾礦砂淤堵可分為物理淤堵和化學(xué)淤堵，其中化學(xué)淤堵主要由尾礦砂攜帶的重金屬離子氧化后形成的沉淀物造成，沉淀物將包裹尾礦砂顆粒并堵塞滲流通道[8-12]。諸多學(xué)者已開展了化學(xué)淤堵對(duì)尾礦砂滲透特性影響的試驗(yàn)研究。許增光等[9]針對(duì)栗西尾礦庫(kù)尾礦砂開展了室內(nèi)砂柱滲流實(shí)驗(yàn)，分析了二價(jià)鐵離子含量對(duì)化學(xué)淤堵過(guò)程的影響研究，并且建立了滲透系數(shù)預(yù)測(cè)模型；Skolasiń[10]通過(guò)將溶液淋濾在試樣上，研究造成化學(xué)淤堵的沉淀物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸對(duì)淤堵速率的影響，結(jié)果表明化學(xué)淤堵會(huì)大幅度降低介質(zhì)滲透率；孔麗麗等[11]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)武山尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)工作效率降低的主要原因是尾礦砂中的氫氧化鐵凝膠對(duì)土工織物的影響，并且主要集中在滲流飽和非飽和交替帶；武君[12]同樣通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)化學(xué)淤堵產(chǎn)生的沉淀物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期堆積會(huì)堵塞排水管，嚴(yán)重危害尾礦庫(kù)堆體的穩(wěn)定性。

大多數(shù)用于研究尾礦砂化學(xué)淤堵過(guò)程的滲透試驗(yàn)為宏觀試驗(yàn)，只能通過(guò)流量結(jié)果反算滲透系數(shù)的變化過(guò)程，而無(wú)法從細(xì)觀角度觀察化學(xué)淤堵發(fā)生過(guò)程中尾礦砂孔隙率和孔隙分布的變化過(guò)程，從而揭示滲透系數(shù)的變化機(jī)理。核磁共振技術(shù)可對(duì)飽水試樣中氫質(zhì)子進(jìn)行定位和信號(hào)反饋并得到水的分布和含量，從而反映出試樣孔隙的大小和分布[13-16]。研究對(duì)象已包括巖石[13]、混凝土[14]、黏土[15]和土石體[16]等并取得了顯著的效果。

本文以商洛市商南縣石板溝尾礦砂為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)采樣調(diào)研和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析不同鈣離子含量和水力梯度作用下尾礦砂化學(xué)淤堵過(guò)程?；诤舜殴舱窦夹g(shù)分析鈣化沉積物對(duì)尾礦砂孔隙率和孔隙分布的影響，從細(xì)觀角度揭示化學(xué)淤堵對(duì)尾礦砂滲透系數(shù)的影響機(jī)理，并建立滲透系數(shù)預(yù)測(cè)模型，以期為尾礦庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和安全運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 尾礦砂的基本特性

本文所用尾礦砂取自陜西省商洛市洛南縣石板溝尾礦庫(kù)。該庫(kù)主要為鉬礦開發(fā)服務(wù)，設(shè)計(jì)庫(kù)容為96.7×104m3，2019年末庫(kù)容達(dá)48.7×104m3。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣，對(duì)250 g尾礦砂進(jìn)行篩分。尾礦砂粒徑(d)分級(jí)為：01 mm。篩分結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出石板溝尾礦砂粒徑主要分布在0.25～0.5 mm之間。

表1 石板溝尾礦庫(kù)粒徑分布表

經(jīng)過(guò)能譜技術(shù)分析，石板溝尾礦砂表面主要附著氧、鈉、鎂、鋁、硅、硫、鉀、鈣和鐵等元素，其中鈣離子含量較多。石板溝尾礦庫(kù)下游排水溝及排水管鈣化沉淀物現(xiàn)場(chǎng)圖見圖1。

由圖1所示的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累，排水管出口處堆積著大量不溶于水的白色鈣化沉淀物，因此可以判定鈣離子是造成石板溝尾礦砂化學(xué)淤堵的主要潛在因素，這也是本文研究分析的重點(diǎn)。

圖1 石板溝尾礦庫(kù)下游排水溝及排水管鈣化沉淀物現(xiàn)場(chǎng)圖[17]

3 試驗(yàn)設(shè)施及方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)施包括核磁試驗(yàn)裝置及滲流試驗(yàn)裝置。核磁試驗(yàn)裝置采用Newcom公式研發(fā)的MesoMR23-060H-1NMR型核磁共振儀，如圖2所示[17]。該套儀器由射頻系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等組成，通過(guò)核磁系統(tǒng)可分析滲流及淤堵過(guò)程中尾礦砂孔隙分布變化規(guī)律。

圖2 MesoMR23-060H-1NMR型核磁共振儀[17]

滲流試驗(yàn)裝置主要包括支架、水箱及砂柱，水箱及砂柱如圖3所示。圖3(a)中水箱由溢流板隔開分為儲(chǔ)水部分和溢流槽。儲(chǔ)水部分是邊長(zhǎng)為20 cm的正方體，溢流槽可保證水箱內(nèi)水位穩(wěn)定不變。圖3(b)中砂柱直徑為4.5 cm，高為5 cm，尼龍嘴直徑為0.6 cm。尼龍嘴一端與水箱出水管連接，一端與廢水箱連接。砂柱兩端放置直徑同為4.5 cm的300目尼龍濾布防止沖砂導(dǎo)致的集中滲漏的產(chǎn)生。

圖3 滲流試驗(yàn)裝置(單位：cm)

核磁系統(tǒng)和滲流系統(tǒng)配合使用時(shí)的原理圖如圖4所示。試驗(yàn)時(shí)砂柱水平放置于射頻線圈內(nèi)，并通過(guò)軟管與水箱連接，其中試樣頂部距地面距離為93 cm。滲流試驗(yàn)與核磁共振試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中砂柱始終置于射頻線圈內(nèi)，可在滲流發(fā)生的特定時(shí)間點(diǎn)同時(shí)獲得滲流及核磁共振試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且避免了對(duì)試樣的人為擾動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)調(diào)節(jié)水箱內(nèi)水面距地面的距離(圖4中H)控制水力梯度。試樣出水口水頭為0，水箱出水管短且內(nèi)壁光滑，可忽略水流通過(guò)時(shí)的水頭損失。試驗(yàn)所需水力梯度與H之間的關(guān)系如下：

圖4 滲流及核磁試驗(yàn)系統(tǒng)組合原理圖(單位：cm)[16]

(1)

式中：J為水力梯度；H為水箱內(nèi)水位距地面的距離，cm。

3.2 尾礦砂直徑及孔隙率的測(cè)量

核磁共振儀器通過(guò)發(fā)射一定頻率的射頻脈沖使氫質(zhì)子產(chǎn)生共振，并收集氫質(zhì)子的反饋信息得到共振信號(hào)[18]。當(dāng)尾礦砂試樣處于完全飽和狀態(tài)時(shí)通過(guò)對(duì)尾礦砂內(nèi)孔隙水施加CPMG信號(hào)可得到孔隙水的分布，基于孔隙內(nèi)水信號(hào)疊加得到的衰減信號(hào)收集T2譜[16]，進(jìn)而通過(guò)T2譜分析尾礦砂孔隙分布規(guī)律。

孔隙直徑與T2值之間呈正線性關(guān)系，并可通過(guò)下式進(jìn)行表述[16]：

d=cT2

(2)

式中：d為孔隙直徑，μm；T2為T2譜中的具體數(shù)值，ms；c為T2值與d之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，μm/ms。

公式(1)中c值一般由壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)得或者取經(jīng)驗(yàn)值。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析并參考同類型試驗(yàn)之后本文取c=0.23 μm/ms。

孔隙率與T2值之間的關(guān)系可通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)獲得。針對(duì)本文所涉及到的試驗(yàn)材料，制備已知飽和含水量的標(biāo)樣，通過(guò)試驗(yàn)建立標(biāo)樣含水量與T2值之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下：

(3)

式中：VW為試樣含水量，cm3。

飽和狀態(tài)下試樣含水量即為試驗(yàn)孔隙體積。通過(guò)孔隙率計(jì)算公式可得到試樣孔隙率與試樣體積和T2值之間的關(guān)系如下：

(4)

式中：n為試樣孔隙率；Vs為試樣體積，cm3。

3.3 試驗(yàn)方案

為了避免物理淤堵對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[9]，本文選用粒徑占比最大的尾礦砂為試驗(yàn)樣本(0.25 mm

試驗(yàn)步驟如下：

(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的尾礦砂進(jìn)行清洗并篩分，篩選出粒徑范圍為0.25～0.5 mm的尾礦砂；

(2)將篩分完畢的尾礦砂晾干后分為16組試樣，每組試樣質(zhì)量為150 g。將16組試樣分4組分別浸泡在溶液濃度為0.1～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4和0.4～0.5 mg/L的氯化鈣溶液中；

(3)浸泡完畢后將溶液過(guò)濾，將濃液濃度為0.1～0.2 mg/L的一組尾礦砂試樣填入砂柱中，隨后將砂柱水平放置在核磁共振儀的射頻線圈之內(nèi)，砂柱一端與水箱連接，一端與廢水箱連接；

(4)將水注入水箱及溢流槽，使水位剛好淹沒(méi)溢流板。設(shè)定水力梯度為0.2并通過(guò)式(1)反算得到H=94 cm，根據(jù)H值調(diào)整水箱高度。固定水箱高度后打開閥門開始試驗(yàn)，在10 min、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h和168 h時(shí)刻測(cè)定滲流量并通過(guò)核磁共振儀獲取T2譜；

(5)上個(gè)試樣測(cè)量完畢后更換溶液濃度同為0.1～0.2 mg/L的其余試樣，依次設(shè)定水力梯度為0.4、0.8及1.2，通過(guò)式(1)反算得到H分別為95，97及99 cm。固定水箱高度后依次開始試驗(yàn)，并在10 min、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h和168 h時(shí)刻測(cè)定滲流量并通過(guò)核磁共振儀獲取T2譜；

(6)依次更換氯化鈣溶液濃度分別為0.2～0.3、0.3～0.4及0.4～0.5 mg/L的試樣，重復(fù)步驟(3)～(5)，最終得到16組試樣的滲流量及核磁共振T2譜數(shù)據(jù)；

(7)試驗(yàn)完畢并整理數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 溶液濃度和水力梯度對(duì)尾礦砂孔隙率的影響

不同氯化鈣溶液濃度和水力梯度作用下，尾礦砂孔隙率的時(shí)序變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同溶液濃度及水力梯度時(shí)尾礦砂孔隙率的時(shí)序變化結(jié)果

由圖5可以看出，隨著時(shí)間的推移，由于鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的沉淀物(碳酸鈣及硫酸鈣)的逐漸積累，尾礦砂孔隙率不斷降低。在120～168 h時(shí)刻鈣離子含量減少，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀物也逐漸減少，尾礦砂孔隙率變化趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明由鈣離子引起的尾礦砂化學(xué)淤堵主要發(fā)生的早期，使尾礦砂孔隙率降低明顯，并且這種影響會(huì)隨著鈣離子含量的增大而顯著加劇。尾礦砂表面附著的鈣離子與水中的氫氧酸根離子和硫酸根發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并且產(chǎn)生沉淀物的機(jī)理如下：

(5)

(6)

不同溶液濃度和水力梯度作用下，尾礦砂在10 min和168 h時(shí)刻的孔隙率差值如表2所示。結(jié)合圖5及表2可以看出，同一溶液濃度下，水力梯度越大，尾礦砂孔隙率越大，孔隙率隨時(shí)間的變化越小。主要原因在于高水力梯度作用下尾礦砂發(fā)生滲透破壞的規(guī)模和概率將會(huì)增大，滲透破壞發(fā)生時(shí)尾礦砂孔隙會(huì)重新調(diào)整并擴(kuò)大，并且高速水流會(huì)減緩鈣化過(guò)程并沖走已形成的部分鈣化沉積物。當(dāng)水力梯度固定時(shí)，尾礦砂孔隙率隨著溶液濃度的增大而降低，并且溶液濃度越大，鈣化反應(yīng)持續(xù)時(shí)間對(duì)孔隙率的影響越明顯，水力梯度對(duì)孔隙率的影響越弱。整體上由鈣離子造成的化學(xué)淤堵及其形成過(guò)程受鈣離子含量和水力梯度的綜合影響，鈣離子含量越高、水力梯度越小則孔隙率越小，并且隨著時(shí)間的增大孔隙率降幅越明顯。

表2 尾礦砂在10 min和168 h時(shí)刻的孔隙率差值結(jié)果

4.2 高濃度溶液作用下孔隙直徑分布結(jié)果

由圖5中可以看出，高濃度溶液作用下尾礦砂孔隙率減小幅度最為明顯。當(dāng)溶液濃度為0.4～0.5 mg/L，水力梯度為0.4時(shí)，尾礦砂孔隙直徑分布結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，孔隙直徑主要分布在0.01～81.31 μm之間。根據(jù)孔隙直徑的大小可將圖6中的孔隙分為微小孔隙、中孔隙及大孔隙。微小孔隙體現(xiàn)在曲線前段，粒徑范圍為0.01～0.25 μm，占比5.87%；中孔隙體現(xiàn)在曲線中段，粒徑范圍為0.25～10.08 μm，占比72.19%；大孔隙體現(xiàn)在曲線后段，粒徑范圍為10.08～81.31 μm，占比21.94%。此外，圖6表明隨著時(shí)間的推移，孔隙分布曲線整體向左推移，占比逐漸衰弱。說(shuō)明鈣化沉積物形成后將直接減小孔隙尺寸，隨著淤堵過(guò)程的不斷進(jìn)行尾礦砂中部分大孔隙退化為中孔隙，部分中孔隙退化為微小孔隙。

圖6 溶液濃度為0.4～0.5 mg/L、水力梯度為0.4時(shí)尾礦砂孔隙直徑百分比分布圖

4.3 溶液濃度對(duì)尾礦砂滲透系數(shù)的影響

試驗(yàn)過(guò)程中尾礦砂滲透系數(shù)通過(guò)達(dá)西定律反算得到，尾礦砂初始滲透系數(shù)(K0)均值為1.068×10-3cm/s。在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)過(guò)程中滲透系數(shù)與初始滲透系數(shù)的比值隨時(shí)間變化規(guī)律如圖7所示。從前文分析結(jié)果可以看出，淤堵發(fā)生過(guò)程中尾礦砂孔隙率和孔隙尺寸隨時(shí)間的變化而不斷減小，隨溶液濃度的增大而減小，并且呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性變化關(guān)系。此外，在淤堵形成中原始的連通孔隙會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁B通孔隙。尾礦砂孔隙結(jié)構(gòu)的變化將直接決定其滲透率的取值，而當(dāng)水流本身性質(zhì)不變時(shí)尾礦砂滲透系數(shù)與滲透率成正比。因此，如圖7所示，同一時(shí)刻溶液濃度越大尾礦砂滲透系數(shù)越小，并且尾礦砂滲透系數(shù)與觀測(cè)時(shí)間之間呈負(fù)非線性關(guān)系。隨著時(shí)間的推移淤堵過(guò)程逐漸穩(wěn)定，滲透系數(shù)變化逐漸減小。對(duì)圖7中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可得到K/K0與時(shí)間(t)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

圖7 不同溶液濃度作用下尾礦砂K/K0的隨時(shí)間變化圖

K/K0=eat

(7)

式中：a為回歸系數(shù)。

從圖7及公式(7)中可以看出，K/K0與t之間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)指數(shù)關(guān)系，并且擬合度較高。在本文試驗(yàn)中回歸系數(shù)a的取值與氯化鈣溶液濃度有關(guān)，不同溶液濃度對(duì)應(yīng)的a值及可決系數(shù)R2可通過(guò)表3查詢。針對(duì)石板溝尾礦庫(kù)，通過(guò)公式(7)及表3可以算出鈣離子含量為0.1～0.5 mg/L之間不同時(shí)刻尾礦砂滲透系數(shù)值。

表3 不同溶液濃度相應(yīng)的公式(7)系數(shù)a和R2

5 結(jié) 論

基于核磁共振技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)石板溝尾礦砂進(jìn)行不同溶液濃度和水力梯度作用下的滲流試驗(yàn)，觀察化學(xué)淤堵過(guò)程中尾礦砂孔隙分布及滲透特性變化規(guī)律，并得到以下結(jié)論：

(1)核磁共振技術(shù)能有效地觀測(cè)到化學(xué)淤堵過(guò)程中鈣離子含量和水力梯度對(duì)尾礦砂孔隙率和孔隙分布的影響，并且反饋得到孔隙演化過(guò)程對(duì)尾礦砂滲透特性的影響機(jī)理。

(2)鈣化沉積物是造成石板溝尾礦砂化學(xué)淤堵的主要因素，鈣化沉積物將導(dǎo)致尾礦砂孔隙率減小、改變孔隙尺寸及形狀并堵塞滲流通道。鈣化沉積物的含量隨溶液濃度的增大而增大，并且在120 h之后對(duì)孔隙率的影響逐漸趨于穩(wěn)定。高水力梯度作用下的高水流流速和滲透破壞會(huì)阻礙化學(xué)淤堵的發(fā)展。

(3)由于鈣化沉積物對(duì)尾礦砂孔隙率和孔隙分布的影響，滲透系數(shù)與化學(xué)淤堵作用時(shí)間之間呈明顯的負(fù)指數(shù)關(guān)系。并且在淤堵初期的孔隙率、孔隙尺寸和滲透系數(shù)減小幅度較大，隨著淤堵過(guò)程的逐漸穩(wěn)定而趨于定值。