王家臣，王炳文，徐文彬，李乾龍

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

0 引言

我國對金屬礦產(chǎn)資源需求量持續(xù)增加，而低海拔地區(qū)資源量日趨減少，高海拔寒區(qū)金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用將上升到國家戰(zhàn)略層面[1]。其中，礦產(chǎn)資源開發(fā)和利用過程中會產(chǎn)生大量的采選固廢，主要包括剝離的表土層、巷道開拓產(chǎn)生廢石及選礦形成的尾砂[2-3]，高海拔高寒地區(qū)因其生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境溫度和氣壓低、凍融循環(huán)等外部條件及高山深切峽谷的地貌特征，對金屬礦山采選固廢安全處置提出了更高要求。

目前高海拔寒區(qū)缺乏排土場堆置及尾砂充填成熟技術(shù)，針對高海拔高寒地區(qū)金屬礦山采選固廢處置成本高、有效處置率偏低、安全隱患多等問題，本文通過開展凍融循環(huán)條件下散體物料物理力學(xué)特性、排土場致災(zāi)機理、堆置工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和低溫低氣壓環(huán)境下尾砂膠結(jié)充填料漿的流變特性、固結(jié)機理、改性增強技術(shù)研究，建立多尺度多場耦合作用下軟-陡基底大段高排土場安全評價和設(shè)計方法及膠結(jié)尾砂充填料漿固結(jié)理論，形成一套基于全生命服役期性能演化的排土場堆排工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、安全預(yù)警與安全控制的理論和技術(shù)，研發(fā)一種低成本、低環(huán)境負荷的尾砂防凍充填膠結(jié)材料和大流量-長距離抗凍尾砂充填料漿輸送工藝與裝備，構(gòu)建一套適合高海拔高寒地區(qū)金屬礦山采選固廢處置理論、關(guān)鍵技術(shù)與裝備體系，相關(guān)研究成果對于提高我國高海拔高寒地區(qū)金屬礦山采選固廢的有效處置率，降低固廢處置成本，保障礦山可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟和社會效益具有重要理論價值和實際指導(dǎo)意義。

1 高海拔寒區(qū)采選固廢處置現(xiàn)狀

1.1 采選固廢處置方式

1.1.1 地表堆積

地表堆積是一種比較傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的礦山固體廢棄物處理方式。對于金屬礦山前期基建、采掘過程中剝離的表層土及碎石通常采用此方法，圖1所示為西藏某金屬礦角巖排土場,這種方法具有管理方便、成本低廉、處理量大等優(yōu)點，但同時存在占用大量土地資源、潛在環(huán)境污染、滑坡安全隱患等缺點。

圖1 西藏某金屬礦角巖排土場

1.1.2 尾礦濕排入庫

尾礦庫是礦山選礦廠生產(chǎn)過程中用于堆存尾砂的重要設(shè)施。高海拔礦區(qū)地貌具有明顯的高山深切峽谷的特征，尾礦庫的建設(shè)多以山谷型或傍山型為主，圖2所示為西藏某金屬礦尾礦庫，壩體高、勢能大，是礦山企業(yè)的環(huán)境污染和安全事故等風(fēng)險來源。《防范化解尾礦庫安全風(fēng)險工作方案》(應(yīng)急〔2020〕15號)要求在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)礦山正常建設(shè)開發(fā)的前提下，全國尾礦庫數(shù)量原則上只減不增，鼓勵尾礦庫企業(yè)通過尾礦綜合利用減少尾礦堆存量乃至消除尾礦庫，從源頭上消除尾礦庫安全風(fēng)險[4]。

圖2 西藏某金屬礦尾礦庫

1.1.3 井下充填采空區(qū)

利用地表建設(shè)的充填站將尾砂或廢石、膠凝材料與水混合制備成料漿，通過管道輸送系統(tǒng)輸送到井下采空區(qū)。井下充填可避免尾礦地表排放及其帶來的生態(tài)環(huán)境、安全等問題，同時提高礦石回采率，改善礦山企業(yè)的經(jīng)濟和社會效益?，F(xiàn)階段，充填采礦法已成為金屬礦山固廢處置的主要發(fā)展方向。因高海拔地區(qū)特殊的地形地貌特征，充填站的選址設(shè)計相較常規(guī)的礦山存在較多困難，且無成熟的充填開采理論與工藝作為指導(dǎo)，目前在高海拔地區(qū)只有部分礦山采用充填采礦法，如西藏華鈺礦業(yè)扎西康鉛鋅多金屬礦[5]、甲瑪銅多金屬礦[6]。

1.2 排土場穩(wěn)定性研究

高海拔地區(qū)突出的特點是環(huán)境溫度低，晝夜溫差大，季節(jié)凍融作用對于礦山排土場的穩(wěn)定性影響問題日益突出。國內(nèi)外學(xué)者針對凍融循環(huán)條件下巖土材料物理力學(xué)性能及排土場穩(wěn)定性進行研究和分析，取得階段性成果。

1.2.1 凍融循環(huán)下散體物料力學(xué)特性

陳國良等[7]利用可控溫大型直剪儀對西藏某礦排土場粗粒土進行剪切試驗，考察了礫粒組含量在全融狀態(tài)、凍融交界面2種狀態(tài)下對粗粒土剪切強度的影響。佘長超等[8]以某寒區(qū)露天礦排土場散體軟巖為對象，研究發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，散體物料的抗剪強度、內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角呈指數(shù)型衰減，在經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定。Xing等[9]采用大型室內(nèi)三軸試驗研究了含石量35%,45%,55%,65%對土石混合體凍融循環(huán)后損傷行為影響，發(fā)現(xiàn)含石量為55%的土石混合體凍融損傷最為嚴重。Zhou等[10-11]得到土石混合體的抗剪強度和彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加均呈二次型關(guān)系降低，并建立了凍融循環(huán)條件下土石混合體彈性模量的雙包體嵌入模型。Tang等[12]指出在凍融循環(huán)作用下土石混合體孔隙具有分形特征，經(jīng)歷2～3次凍融循環(huán)后，土體團聚顆粒逐漸分解并趨于均勻化。

1.2.2 寒區(qū)排土場穩(wěn)定性分析

楊幼清等[13]以青海某露天礦排土場為研究對象，采用二維有限元法模擬研究了5種堆載高度條件下排土場邊坡變形破壞模式，并基于折減系數(shù)法確定了排土場邊坡安全系數(shù)。佘長超等[8]研究表明，排土場散體軟巖邊坡受凍融影響具有時效性，新堆積的邊坡在初次受凍后穩(wěn)定性系數(shù)急劇下降，并隨凍融循環(huán)周期的延長，在6～7 a后趨于穩(wěn)定。董建軍等[14]采用短基線集合成孔徑雷達干涉測量(SBAS-InSAR)技術(shù)對西藏某排土場邊坡地表形變進行監(jiān)測，評判了該排土場邊坡的安全穩(wěn)定狀態(tài)。張凱等[15]將凍融損傷修正后的巖體力學(xué)參數(shù)引入FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析了西藏甲瑪?shù)V區(qū)角礫巖排土場邊坡變形特征，評價了邊坡穩(wěn)定性并優(yōu)化了關(guān)鍵參數(shù)。李鋼[16]以烏努格吐山銅鉬礦排土場為工程背景，利用數(shù)值模擬軟件對邊坡穩(wěn)定性進行分析，提出了削坡治理及布置抗滑樁措施，對邊坡的治理起到了良好效果。

1.3 低溫環(huán)境下尾砂膠結(jié)充填

1.3.1 低溫環(huán)境下充填料漿流變及輸送特性

對于高海拔寒區(qū)礦山而言，充填料漿制備與輸送面臨低溫、負壓環(huán)境等難題，現(xiàn)有的實際工程可借鑒經(jīng)驗較少。薛振林等[17]探究了環(huán)境溫度、料漿濃度和水泥摻量對充填料漿流變參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明質(zhì)量濃度對充填料漿屈服應(yīng)力的影響最大，環(huán)境溫度次之，水泥摻量最小。針對永久凍土區(qū)或高寒地區(qū)礦山充填料漿的輸送問題，Jiang等[18]對-1，-6，-12 ℃養(yǎng)護下充填料漿進行流變試驗，研究發(fā)現(xiàn)低溫養(yǎng)護條件下充填料漿屈服應(yīng)力要小于常溫養(yǎng)護的，添加NaCl可改善充填料漿的流動性。Wang等[19]測試了2～60 ℃養(yǎng)護下充填料漿的屈服應(yīng)力，結(jié)果顯示與常溫相比，溫度升高或降低均會導(dǎo)致充填料漿屈服應(yīng)力增加，當(dāng)溫度下降至2 ℃時，充填料漿屈服應(yīng)力的增長幅度為8.82%。

1.3.2 低溫環(huán)境下充填體力學(xué)性能

趙國彥等[20]、王炳文等[21]采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對7 ℃[20]、5 ℃[21]低溫環(huán)境下充填體抗壓強度的影響因素敏感度進行分析，得到各因素影響權(quán)重次序為灰砂比>養(yǎng)護齡期>質(zhì)量濃度。關(guān)士良等[22]指出溫度對充填體強度影響的顯著性與水泥摻量呈正相關(guān)，在5 ℃養(yǎng)護下不同水泥含量的充填體強度降幅約為5%～30%。甘德清等[23]研究表明，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護相比，井下采場(溫度11 ℃、濕度46%)養(yǎng)護的充填體抗壓強度偏低約20%。王勇等[24]制備溫度為8～12 ℃膏體，探討了初始溫度對充填材料固結(jié)特性的影響。劉超等[25]、韓斌等[26]分析了養(yǎng)護溫度在5～20 ℃范圍內(nèi)廢石膠結(jié)充填體單軸抗壓強度的發(fā)展規(guī)律。Han等[27]研究發(fā)現(xiàn)溫度在10 ℃以下對充填體早期強度影響較顯著。

1.3.3 低溫環(huán)境下充填體改性增強措施

王炳文等[21]發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下外摻Na2CO3、NaOH可明顯提高充填體早期7 d抗壓強度，但對中后期14 d、28 d強度增長不利。Xu等[28]評估了硅灰部分替代水泥的可行性，指出低溫養(yǎng)護下?lián)饺牍杌耶a(chǎn)生的充填體早期抗壓強度增幅比后期更加顯著。針對低溫環(huán)境下膠結(jié)充填體強度發(fā)展緩慢的問題，王勇等[24]、劉超等[25]、韓斌等[26]提出用熱水制備料漿的方法來改善充填體的力學(xué)特性的建議。

以往的研究針對膠結(jié)充填材料增強改性措施，取得豐富的成果，但這些研究主要是在室溫或低溫環(huán)境下進行，涉及低溫低氣壓耦合環(huán)境下膠結(jié)充填料漿固結(jié)演化特性的研究較少，尚缺乏成熟的理論用于指導(dǎo)高海拔地區(qū)應(yīng)用充填采礦技術(shù)。

2 高海拔寒區(qū)采選固廢處置關(guān)鍵問題

針對高海拔寒區(qū)所處的地理位置及環(huán)境氣候的特殊性，結(jié)合金屬礦山采選固廢處置成本高、有效處置率偏低、安全隱患多等開采現(xiàn)狀，本文總結(jié)了有關(guān)高海拔寒區(qū)金屬礦山采選固廢安全處置需要深入研究的2個關(guān)鍵科學(xué)問題：1)凍融循環(huán)及多場多相耦合條件下排土場致災(zāi)機理；2)低溫低氣壓條件下膠結(jié)充填料漿流動特性及輸送機理。

2.1 凍融循環(huán)及多場多相耦合條件下排土場致災(zāi)機理

高海拔寒區(qū)礦山采選固廢堆積體性能演化的動力主要來自復(fù)雜的環(huán)境因子，包括地質(zhì)條件、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)及瞬態(tài)荷載條件。研究復(fù)雜環(huán)境條件下金屬礦山采選固廢堆積體時效特性的宏細觀機制、凍融與干濕耦合致災(zāi)機理以及時效力學(xué)特性的多尺度模型，有助于提升采選固廢有效處置率和排土場安全保障能力，揭示不同環(huán)境下的排土場演化機制，建立全生命周期性能演化的安全評價模型，可為解決高海拔寒區(qū)排土場失穩(wěn)預(yù)警提供科學(xué)支撐。

2.2 低溫低氣壓條件下膠結(jié)充填料漿流動特性及輸送機理

高海拔地區(qū)低溫、低氣壓環(huán)境限制了膠凝材料的水化反應(yīng)速率，進而會影響膠結(jié)充填料漿的流變特性，料漿過稀容易發(fā)生離析、沉降，而料漿黏度增大易導(dǎo)致管道堵塞。開展低溫低氣壓環(huán)境下膠結(jié)充填料漿流動特性研究，探明膠結(jié)充填料漿坍落度、屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)等參數(shù)隨溫度、時間的演化規(guī)律，揭示低溫低氣壓環(huán)境下充填料漿流變特性和輸送性能的影響機理，可為實現(xiàn)大流量-長距離穩(wěn)定輸送提供科學(xué)依據(jù)。

3 解決思路及研究成果

基于上述2個關(guān)鍵科學(xué)問題的探討與分析，構(gòu)建高海拔寒區(qū)金屬礦山采選固廢安全處置關(guān)鍵技術(shù)研究框架，主要包括6方面：1)凍融循環(huán)條件下散體物料物理力學(xué)特性研究；2)多尺度多場耦合作用下軟-陡基底大段高排土場致災(zāi)機理及安全評價方法研究；3)凍融循環(huán)條件下排土場堆置工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計研究；4)低溫低氣壓條件下尾砂膠結(jié)料漿流變特性和固化機理研究；5)低成本低環(huán)境負荷的尾砂防凍充填材料；6)抗凍大流量-長距離料漿輸送工藝技術(shù)及設(shè)備研究。

3.1 凍融循環(huán)條件下排土場散體物料物理力學(xué)特性

選取我國高海拔寒區(qū)典型的金屬礦山排土場為研究對象，開展凍融循環(huán)下排土場散體物料物理力學(xué)特性研究，分析凍融循環(huán)對散體物料顆粒級配、化學(xué)成分、孔隙分布參數(shù)的影響，研發(fā)用于高海拔寒區(qū)散體物料剪切測試的大型直剪系統(tǒng)[29]，如圖3(a)所示，其中，凍融循環(huán)試驗分為凍結(jié)、融化2個步驟，凍結(jié)溫度為-20 ℃，融化溫度為20 ℃，每個過程時長均為12 h；探討凍融循環(huán)條件下散體物料力學(xué)性能、微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)演變規(guī)律[29]，如圖3(b)～圖3(d)所示，構(gòu)建凍融循環(huán)條件下散體物料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)信息與宏觀力學(xué)參數(shù)定量關(guān)系模型，揭示凍融循環(huán)條件下采選固廢散體物料在多場多相耦合作用下強度演化規(guī)律及其損傷力學(xué)機制。

圖3 凍融循環(huán)下散體物料大型直剪試驗及結(jié)果分析

3.2 軟-陡基底大段高排土場致災(zāi)機理及安全評價方法

開展高海拔寒區(qū)金屬礦山采選固廢散體物料排土場災(zāi)害特征和控制要素研究，分析排土場災(zāi)變模式和時空分布規(guī)律。通過典型多尺度地質(zhì)力學(xué)模型試驗[30](圖4)，研究多場耦合作用下軟-陡基底大段高排土場致災(zāi)機理，構(gòu)建凍融條件下排土場穩(wěn)定性評價準(zhǔn)則和方法，開發(fā)高海拔寒區(qū)固體廢棄物大段高排土場安全診斷系統(tǒng)。

圖4 軟-陡基底排土場模型破壞過程

3.3 凍融循環(huán)條件下排土場堆置工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

開展金屬礦山采選固廢散體物料綠色排放技術(shù)與堆置工藝研究，建立排土場容積率-占地面積-坡高多元函數(shù)模型，如式(1)所示，提出“自上而下、多臺階并行壓坡腳推進”的排土方法(圖5)，優(yōu)化高海拔寒區(qū)金屬礦山排土場結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計方法，如通過對相鄰臺階進行合并擴容，將排土場臺階的寬和高由原來30 m分別拓展為60 m，臺階坡比為1∶1.75。

圖5 高海拔地區(qū)金屬礦山排土場排土方法及工藝特征

(1)

3.4 低成本低環(huán)境負荷的尾砂防凍充填材料

探究膠凝材料潛在的復(fù)合活化機理，提出最優(yōu)活化參數(shù)，研發(fā)適宜高海拔高寒地區(qū)的低成本、低環(huán)境負荷的尾砂防凍充填材料(圖6)；揭示低溫低氣壓環(huán)境下尾砂膠結(jié)充填料漿穩(wěn)定增強機制，構(gòu)建尾砂膠結(jié)充填體固結(jié)全過程穩(wěn)定性評估方法。

圖6 低溫環(huán)境下含早強劑充填體抗壓強度

3.5 低溫低氣壓環(huán)境下膠結(jié)充填料漿固結(jié)演化特性

開展低溫低氣壓環(huán)境下膠結(jié)充填體宏觀力學(xué)強度試驗研究，同時借助XRD、TG-DSC、SEM、MIP等測試技術(shù)對膠結(jié)充填料漿固結(jié)過程中的水化特征、微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)等進行定性、定量表征(圖7)，揭示充填料漿內(nèi)部多場耦合作用機理及其固結(jié)性能演化規(guī)律，建立尾砂膠結(jié)充填體多物理場耦合模型，探究低溫低氣壓條件下尾砂膠結(jié)充填體損傷力學(xué)機理，構(gòu)建尾砂膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)演化的損傷表征方法；研發(fā)低溫低氣壓環(huán)境下充填體強度檢測儀器，制定高海拔寒區(qū)礦山充填體穩(wěn)固性評價與控制體系。

圖7 低溫低氣壓環(huán)境下充填體微觀結(jié)構(gòu)特征

3.6 低溫低氣壓環(huán)境下膠結(jié)充填料漿流動特性及輸送機理研究

開展低溫低氣壓環(huán)境下尾砂固結(jié)膠凝材料水化硬化機理研究，探討低溫低氣壓環(huán)境下尾砂充填料漿流變特性及其溫度-時間效應(yīng)，研究充填料漿的水化放熱行為；利用數(shù)值模擬手段模擬在低溫環(huán)境下充填料漿管道輸送過程中的溫度場，如圖8(a)所示，探究充填管道和外部保溫材料材質(zhì)和厚度等參數(shù)對料漿管道輸送過程中溫度場的影響，研發(fā)低溫低氣壓環(huán)境下尾砂充填料漿蓄熱保溫防凍技術(shù)與大流量-長距離穩(wěn)定輸送技術(shù)，如圖8(b)所示，開發(fā)低溫低氣壓條件下充填料漿輸送管道泄漏實時檢測設(shè)備。

圖8 高海拔寒區(qū)充填料漿管道輸送及蓄熱保溫技術(shù)

4 結(jié)論

1)基于高海拔寒區(qū)所處的地理位置及環(huán)境氣候的特殊性，結(jié)合金屬礦山采選固廢處置現(xiàn)狀，凝練高海拔寒區(qū)金屬礦山采選固廢處置需要深入研究的2個關(guān)鍵的科學(xué)問題：凍融循環(huán)及多場多相耦合條件下排土場致災(zāi)機理和低溫低氣壓條件下膠結(jié)充填料漿流動特性及輸送機理。

2)針對高海拔寒區(qū)金屬礦山采選固廢處置成本高、有效處置率偏低、安全隱患多等問題，提出開展低溫低氣壓環(huán)境下尾砂膠結(jié)充填料漿的固結(jié)機理、流變特性、輸送性能和增強機制研究以及高寒地區(qū)高山深切峽谷地貌環(huán)境條件下采選固廢堆體致災(zāi)機理研究。

3)建立多尺度多場耦合作用下軟-陡基底大段高排土場安全評價與設(shè)計方法，研發(fā)低成本低環(huán)境負荷的尾砂防凍膠結(jié)充填材料和大流量-長距離抗凍尾砂充填料漿輸送工藝與技術(shù)裝備，形成一套基于全生命服役期性能演化的采選固廢堆體的堆排工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、裝備體系、安全預(yù)警與安全控制的理論和技術(shù)。相關(guān)研究成果能夠提高我國高海拔高寒地區(qū)金屬礦山采選固廢的有效處置率，降低固廢處置成本，提高礦山資源開發(fā)能力，保障礦山可持續(xù)發(fā)展。