高 峰 楊 平 謝金亮

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司；2.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司)

尾礦庫揚(yáng)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(shù)有限公司；2.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司)

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

尾礦庫揚(yáng)塵 風(fēng)蝕風(fēng)洞模型試驗(yàn) 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(xué)者一般較多關(guān)注尾礦庫滲透水對地下水系的影響，而對尾礦庫表面揚(yáng)塵則較少關(guān)注。由于尾礦庫中堆存尾礦的顆粒較細(xì)，一般尾礦粒徑約0.074 mm，在風(fēng)力影響下尾礦庫干灘表面會造成揚(yáng)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(yáng)塵或酸雨將會對周邊的動(dòng)植物造成危害，尤其會對周邊的活動(dòng)人群的身體健康產(chǎn)生影響。隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，社會上對防治尾礦庫揚(yáng)塵污染的重視程度越來越高，因而有必要對尾礦庫揚(yáng)塵污染的特點(diǎn)、規(guī)律和治理措施展開專項(xiàng)研究。

1 尾礦庫揚(yáng)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(fēng)力引起的空氣流動(dòng)是形成尾礦庫表面揚(yáng)塵的直接原因，由于風(fēng)力作用使得尾礦顆粒經(jīng)歷了分離、運(yùn)移、沉積等3個(gè)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(yán)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(fēng)等天氣變化也會導(dǎo)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(yùn)移

在尾礦顆粒發(fā)生分離后，由于空氣流動(dòng)的影響，顆粒會發(fā)生運(yùn)移。影響尾礦顆粒運(yùn)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(yùn)移的狀態(tài)一般有3種形式：

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

(2)跳躍式運(yùn)移。尾礦粒徑一般為0.10～0.50 mm，容易形成跳躍式運(yùn)移，該運(yùn)移方法尾礦顆粒沿著地表旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，運(yùn)移距離比懸浮顆粒近。跳躍前進(jìn)的顆粒速度受到風(fēng)力和尾礦顆粒旋轉(zhuǎn)的影響。跳躍式運(yùn)移顆粒轉(zhuǎn)速一般為1 200～60 000次/min,跳躍式運(yùn)移顆粒一般占運(yùn)移顆?？偭康?5%～72%。

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

1.3 尾礦顆粒沉積

在尾礦顆粒運(yùn)移過程中，由于風(fēng)速降低或者發(fā)生降雨導(dǎo)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(xì)的顆粒將在風(fēng)中懸浮。

2 尾礦庫表面揚(yáng)塵研究方法

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

2.1 風(fēng)蝕風(fēng)洞試驗(yàn)機(jī)理

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

2.2 風(fēng)蝕風(fēng)洞模型試驗(yàn)實(shí)例

2.2.1 試驗(yàn)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(shí)，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(fēng)速數(shù)據(jù)來自于當(dāng)?shù)貧庀笳镜挠涗?，氣象站記錄了日常平均風(fēng)速，從1962年開始記錄數(shù)據(jù)，每天記錄2次，每次測量時(shí)間超過3 h，風(fēng)速測試記錄設(shè)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(fēng)速，具體見表1。

表1 礦山所在地風(fēng)速 m/s

日常風(fēng)速百年一遇風(fēng)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(fēng)速28.6m/s，10a一遇風(fēng)速為21.7m/s，平均風(fēng)速3.6m/s，43a的記錄中，占3.5%的風(fēng)速均超過10m/s。

2.2.2 試驗(yàn)概況

某礦山為褐鐵礦和殘積礦，采礦是分別開采堆存，不進(jìn)行配礦，選礦、冶煉對2種礦石分別進(jìn)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(xì)，具體的尾礦特性見表2。

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

表2 尾礦特性指標(biāo)

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

試樣安裝完畢后開始測試，風(fēng)洞的風(fēng)扇打開產(chǎn)生試驗(yàn)需要的風(fēng)速，并且每組試驗(yàn)時(shí)均保持設(shè)定的風(fēng)速并測試3min，通過稱重設(shè)備測試出試驗(yàn)前后試樣的重量，計(jì)算出導(dǎo)致尾礦顆粒的損失量。

試驗(yàn)還考慮的一種工況，即尾礦庫表面干灘開裂表面揚(yáng)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(fēng)洞中進(jìn)行測試，試驗(yàn)步驟與表面完好情況下的試驗(yàn)步驟一致，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表面龜裂的情況是否會對揚(yáng)塵產(chǎn)生影響。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)蝕風(fēng)洞模型試驗(yàn)結(jié)果

風(fēng)蝕風(fēng)洞模型試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)對于平均風(fēng)速條件下，尾礦含水率在21%以上，風(fēng)蝕影響是無關(guān)緊要的。一旦尾礦含水率降低至21%以下，風(fēng)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(fēng)蝕，但由于固體損失量相對不大，不會產(chǎn)生很大的揚(yáng)塵污染。

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

(3)干灘表面一旦產(chǎn)生龜裂，風(fēng)蝕的影響將會增大，僅在平均風(fēng)速條件下固體損失已經(jīng)很大，將產(chǎn)生揚(yáng)塵污染。如果極端風(fēng)速情況發(fā)生，揚(yáng)塵污染將更加嚴(yán)重，應(yīng)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(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮揚(yáng)塵的影響，在尾礦庫設(shè)計(jì)時(shí)制定相應(yīng)的揚(yáng)塵防治措施和復(fù)墾計(jì)劃；其次在尾礦庫的建設(shè)管理階段，按照設(shè)計(jì)要求，采用更為合理的材料進(jìn)行固塵綠化。

3.1 設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮控制尾礦庫的揚(yáng)塵污染，便于復(fù)墾，盡量不破壞或少破壞周圍環(huán)境。如在尾礦庫設(shè)計(jì)中，應(yīng)制定出與礦區(qū)周圍地形、環(huán)境相適應(yīng)的尾礦堆存和復(fù)墾計(jì)劃。

仍以文中2.2.1節(jié)的某礦山為例進(jìn)行說明，在尾礦庫可研設(shè)計(jì)時(shí)，為了確定尾礦庫表面揚(yáng)塵的影響，首先進(jìn)行了風(fēng)蝕風(fēng)洞模型試驗(yàn)，確定揚(yáng)塵的具體影響；其次在尾礦庫設(shè)計(jì)時(shí)，專門進(jìn)行復(fù)墾設(shè)計(jì)。復(fù)墾設(shè)計(jì)一方面可以減少尾礦與空氣接觸時(shí)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(yáng)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(shí)，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(shè)施，及時(shí)排出尾礦

澄清水。當(dāng)尾礦堆積高度接近北壩段壩頂時(shí)，則改為東西2個(gè)壩段放礦，此時(shí)便可以將北壩段尾礦復(fù)墾，種植作物，見圖1。在高程最低的南壩段排礦，此時(shí)東西壩段堆積尾礦便可進(jìn)行復(fù)墾，見圖2。通過設(shè)計(jì)，使得尾礦堆積與復(fù)墾有計(jì)劃的進(jìn)行，當(dāng)尾礦庫閉庫時(shí)，尾礦庫已經(jīng)大部分復(fù)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(jì)劃

圖2 尾礦庫后期排礦計(jì)劃

3.2 在建設(shè)管理階段

在建設(shè)管理階段，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行操作，并根據(jù)尾礦的特性選擇更為合理的材料進(jìn)行固塵綠化。采用化學(xué)材料固塵，利用化學(xué)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(xué)反應(yīng)，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(chǔ)上種植植物也可以起到固塵的作用。

4 結(jié) 語

通過采用風(fēng)蝕風(fēng)洞模型試驗(yàn)的研究方法來研究尾礦庫表面揚(yáng)塵，并且分別在尾礦設(shè)計(jì)階段和尾礦建設(shè)管理階段提出了尾礦庫表面揚(yáng)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(fù)興路12號。