銅礦堆浸場(chǎng)防滲系統(tǒng)選擇

張建軍，羅敏杰

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量也日益增加。然而，隨著資源開發(fā)地不斷深入，高品位資源將面臨枯竭。為了最大限度地開發(fā)和利用現(xiàn)有的礦產(chǎn)資源，各國(guó)對(duì)金屬品位低、細(xì)小分散和組成復(fù)雜的礦石，往往采用堆浸技術(shù)進(jìn)行處理。目前，堆浸因其工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備少，投資少，見效快，生產(chǎn)成本低和礦石的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已成為礦山大規(guī)模處理貧礦、尾礦和廢礦石的經(jīng)濟(jì)有效的重要方法。

在堆浸過(guò)程中，堆浸場(chǎng)防滲系統(tǒng)尤其重要。堆浸場(chǎng)防滲系統(tǒng)是在堆浸場(chǎng)底部及邊坡采取工程措施建立一種水力屏障，一般由基礎(chǔ)層、防滲層和防滲保護(hù)層組成。其主要作用是將堆浸場(chǎng)內(nèi)的含銅酸性溶液與外界隔離，一方面有利于高效收集堆浸場(chǎng)的浸出液，可大幅提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益；一方面將含銅酸性溶液與地下水、地表水周邊土壤進(jìn)行隔離,使其不污染周邊環(huán)境,有效地保護(hù)環(huán)境[1]。因此，建設(shè)具有高標(biāo)準(zhǔn)、高水平防滲系統(tǒng)的堆浸場(chǎng)是現(xiàn)代濕法冶煉礦山體現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)環(huán)保要求的關(guān)鍵標(biāo)志。

1 堆浸場(chǎng)防滲系統(tǒng)形式與選擇

根據(jù)場(chǎng)地不同基礎(chǔ)層條件，堆浸場(chǎng)防滲系統(tǒng)分為天然黏土防滲層和人工材料防滲層[2]。天然黏土防滲層中的黏土往往可在現(xiàn)場(chǎng)就近取材，成本低廉，因而被廣泛用于堆浸場(chǎng)的防滲系統(tǒng)。黏土防滲層的滲透系數(shù)必須很低（k≤1.0×10-7cm/s），并且還需有足夠的抗剪強(qiáng)度和最小的收縮勢(shì)以防止防滲層脫水開裂。天然黏土防滲系統(tǒng)（見圖1）主要應(yīng)用于早期的堆浸場(chǎng)，隨著人工材料的興起，天然黏土目前主要是作為堆浸場(chǎng)的初級(jí)墊層。

圖1 壓實(shí)黏土防滲層結(jié)構(gòu)示意

20世紀(jì)80年代初起，人工材料開始廣泛運(yùn)用于堆浸場(chǎng)。一套完好的人工材料防滲系統(tǒng)，相當(dāng)于約30 m厚的低滲透性黏土防滲層[2]。按照人工防滲材料的材質(zhì)分類，目前常用的人工防滲材料有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、乙烯/醋酸乙烯共聚物（EVA）、高密度聚乙烯（HDPE）等。它們是一種高分子化學(xué)柔性材料，具有滲透系數(shù)小，比重較小，延伸性較強(qiáng)，耐腐蝕、耐低溫等優(yōu)勢(shì)。堆浸場(chǎng)中采用最廣泛的人工防滲材料為HDPE土工膜，該材料水蒸氣滲透系數(shù)為k≤1.0×10-13g·cm/(cm2·s·Pa)，具有良好的防滲性能。人工材料防滲層按照人工防滲材料的數(shù)量可分為單層人工材料防滲層、復(fù)合人工材料防滲層和雙層人工材料防滲層。單層人工防滲層主要由一層HDPE土工膜組成（見圖2），在基礎(chǔ)層較好的場(chǎng)地，可以極大地提高堆浸場(chǎng)浸出液的收集效率，降低地下水受污染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 單層人工材料防滲層結(jié)構(gòu)示意

由于單層人工防滲層偶爾存在著接縫、破洞等風(fēng)險(xiǎn)，人工防滲系統(tǒng)將壓實(shí)黏土防滲層、單層人工防滲層相結(jié)合，擬推出“HDPE膜+壓實(shí)黏土/鈉基膨潤(rùn)土防水毯”（簡(jiǎn)稱“復(fù)合人工材料防滲層”）和“雙層HDPE膜+壓實(shí)黏土/鈉基膨潤(rùn)土防水毯”（簡(jiǎn)稱“雙層人工材料防滲層”）的復(fù)合人工材料防滲系統(tǒng)，見圖3、圖4），以適應(yīng)要求更加嚴(yán)格的復(fù)雜場(chǎng)地。

圖3 復(fù)合人工材料防滲層結(jié)構(gòu)示意

圖4 雙層人工材料防滲層結(jié)構(gòu)示意

防滲結(jié)構(gòu)選用主要受基礎(chǔ)層的地質(zhì)條件影響：天然黏土防滲層對(duì)場(chǎng)地基礎(chǔ)層要求高，國(guó)內(nèi)能夠滿足此類要求的場(chǎng)地較少；單層人工防滲材料防滲層只有1個(gè)防滲層，系統(tǒng)構(gòu)筑相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)場(chǎng)地基礎(chǔ)層要求較高；復(fù)合人工材料防滲層和雙層人工材料防滲層適用于場(chǎng)地基礎(chǔ)層條件差的場(chǎng)地。依據(jù)不同的場(chǎng)地基礎(chǔ)條件，防滲結(jié)構(gòu)選擇可參考圖5。

圖5 防滲結(jié)構(gòu)選擇參考

在進(jìn)行堆浸場(chǎng)防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)確定的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和不同的場(chǎng)地基礎(chǔ)條件對(duì)防滲系統(tǒng)進(jìn)行選擇。

2 工程實(shí)例

本文以紫金山金銅礦銅礦堆浸場(chǎng)為例，對(duì)防滲結(jié)構(gòu)選擇進(jìn)行分析。

該項(xiàng)目位于福建省上杭縣境內(nèi)。銅礦堆浸場(chǎng)擬建堆場(chǎng)區(qū)域所在的同康溝溝谷區(qū)域，周圍山體高厚，無(wú)強(qiáng)透水層分布，不存在向鄰谷滲漏，為獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。深部地下水貧乏，無(wú)供水意義，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。溝谷底部地段僅上部分布有含水層厚度不大的第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，不是地下水的主要補(bǔ)給區(qū)和飲用水源含水層。場(chǎng)地現(xiàn)狀上部由渣土堆填而成，下部分布有層位穩(wěn)定，滲透系數(shù)小的巖層。銅礦堆浸場(chǎng)底部各巖層分布情況見表1。

表1 銅礦堆浸場(chǎng)底部各巖層分布情況

根據(jù)表1中浸場(chǎng)底部各巖層分布情況，基礎(chǔ)層的滲透系數(shù)k＞1.0×10-5cm/s，層厚處于3.20～58.50 m之間，基礎(chǔ)層條件復(fù)雜。參照?qǐng)D1,該基礎(chǔ)層可選擇雙層復(fù)合人工材料防滲層、復(fù)合人工材料防滲層兩種防滲系統(tǒng)類型，方案對(duì)比見表2。

表2 防滲系統(tǒng)方案比較

由表2可知，雙層復(fù)合人工材料防滲層的防滲安全性能更好，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜條件的堆浸場(chǎng)，但人工材料的增加造成了工程投資的增大。鑒于本案例中，堆浸場(chǎng)產(chǎn)生的浸出液pH極低，且含銅量達(dá)到了危險(xiǎn)廢物級(jí)別，同時(shí)堆浸場(chǎng)運(yùn)行初期礦石大規(guī)模進(jìn)礦筑堆可能對(duì)防滲結(jié)構(gòu)層造成一定不利影響。經(jīng)綜合比較，防滲系統(tǒng)擬采用雙層復(fù)合人工材料防滲層，以保障銅礦堆浸場(chǎng)防滲系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)有效性。

3 應(yīng)注意的事項(xiàng)

3.1 生產(chǎn)原材料對(duì)HDPE膜使用壽命、性能的影響

高密度聚乙烯（HDPE）膜是以原生樹脂為原材料，適當(dāng)添加了一些抗老化的助劑的一種優(yōu)質(zhì)防滲膜。因其防滲性能極好、化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、堿和各類鹽的腐蝕，已成為國(guó)內(nèi)外環(huán)保防滲工程領(lǐng)域的主要材料。

我國(guó)地域幅員遼闊，部分區(qū)域夏季白天溫度高達(dá)40℃以上，冬季夜晚溫度低至零下30～40℃，溫度變化幅度大。這就要求HDPE膜需同時(shí)具備優(yōu)良的抗紫外線能力、耐低溫脆化性能和耐環(huán)境應(yīng)力開裂能力。但市面上存在一些摻雜再生料生產(chǎn)的HDPE膜。這類膜抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率下降，相比純?cè)仙a(chǎn)的HDPE膜，耐環(huán)境應(yīng)力開裂能力大幅度降低，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的防滲隔離屏障的作用，且容易發(fā)生老化、開裂，從而造成嚴(yán)重的滲漏、污染事故。因此，在防滲系統(tǒng)中需要使用HDPE膜時(shí)，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)原材料加工生產(chǎn)的HDPE膜，才能滿足復(fù)雜外部環(huán)境下對(duì)膜材料質(zhì)量的要求。

3.2 膨潤(rùn)土材料的問(wèn)題

天然膨潤(rùn)土分為鈣基和鈉基兩大類。在一般情況下，鈉基膨潤(rùn)土較鈣基膨潤(rùn)土的防滲性能優(yōu)越，其主要表現(xiàn)在：吸水率與膨脹倍數(shù)大,防滲性能好。天然鈣基膨潤(rùn)土在吸水率與膨脹倍數(shù)方面相比鈉基膨潤(rùn)土大100及以上，無(wú)法滿足環(huán)保防滲方面對(duì)滲透系數(shù)k≤1.0×10-7cm/s的要求。因此在國(guó)際上、我國(guó)環(huán)保規(guī)范的均要求采用鈉基膨潤(rùn)土作為防滲材料。

膨潤(rùn)土存在某些使用條件的限制。膨潤(rùn)土在Ca2+、Cl-、K+電解質(zhì)溶液中不膨脹，即在有Ca2+、Cl-、K+電解液存在環(huán)境中，不能用膨潤(rùn)土作為防滲材料。膨潤(rùn)土吸附Cl-后，其產(chǎn)生物易燃，且具有毒性，會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。我國(guó)的《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》（JG/T 193—2006）標(biāo)準(zhǔn)中也明確指出“鈉基膨潤(rùn)土防水毯不適用于存在高濃度的電解質(zhì)溶液的防水、防滲工程”[4]。

另外，膨潤(rùn)土的pH值也是影響膨潤(rùn)土抗?jié)B能力的重要因素。國(guó)際上對(duì)膨潤(rùn)土的各項(xiàng)指標(biāo)，各國(guó)的提法不一樣，也很不規(guī)范。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中還未對(duì)膨潤(rùn)土的pH值提出要求。但美國(guó)防滲膨潤(rùn)土的pH值要求為中性（pH≈7）。試驗(yàn)證明，當(dāng)膨潤(rùn)土pH＞8時(shí)，其抗?jié)B能力衰減得很快，甚至半年就失效，將不能達(dá)到永久防滲的要求。

因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者[5]認(rèn)為膨潤(rùn)土要作為環(huán)保防滲材料使用必須同時(shí)滿足以下條件：1）膨潤(rùn)土的pH值不應(yīng)大于8；2）滲透系數(shù)應(yīng)小于5.0×10-7m/s；3）通過(guò)百年加速老化試驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得到如下結(jié)論：1）堆浸場(chǎng)堆浸工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，工藝效果好壞關(guān)鍵在于堆浸場(chǎng)的防滲系統(tǒng)是否具有高效屏障隔離的作用。由此，防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是堆浸場(chǎng)技術(shù)的關(guān)鍵。2）根據(jù)各個(gè)場(chǎng)地地質(zhì)條件特點(diǎn)，選擇不同結(jié)構(gòu)的防滲體系，能夠有效地回收浸出液，并建立地下水的污染隔離屏障。3）相對(duì)天然黏土防滲層，土工材料組成的防滲系統(tǒng)對(duì)各種基礎(chǔ)層類型的場(chǎng)地具有更好的適應(yīng)性。4)面對(duì)我國(guó)日益嚴(yán)峻的環(huán)保問(wèn)題，雙層復(fù)合人工材料防滲層對(duì)比其它結(jié)構(gòu)形式的防滲層，更加適應(yīng)復(fù)雜地基層場(chǎng)地，以保障銅礦堆浸場(chǎng)安全有效性的運(yùn)行。