铜矿堆浸场防渗系统选择

张建军，罗敏杰

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

近年来，随着科学技术的进步与发展，世界各国对矿产资源的需求量也日益增加。然而，随着资源开发地不断深入，高品位资源将面临枯竭。为了最大限度地开发和利用现有的矿产资源，各国对金属品位低、细小分散和组成复杂的矿石，往往采用堆浸技术进行处理。目前，堆浸因其工艺简单、设备少，投资少，见效快，生产成本低和矿石的适应性强等优点已成为矿山大规模处理贫矿、尾矿和废矿石的经济有效的重要方法。

在堆浸过程中，堆浸场防渗系统尤其重要。堆浸场防渗系统是在堆浸场底部及边坡采取工程措施建立一种水力屏障，一般由基础层、防渗层和防渗保护层组成。其主要作用是将堆浸场内的含铜酸性溶液与外界隔离，一方面有利于高效收集堆浸场的浸出液，可大幅提高矿山的经济效益；一方面将含铜酸性溶液与地下水、地表水周边土壤进行隔离,使其不污染周边环境,有效地保护环境[1]。因此，建设具有高标准、高水平防渗系统的堆浸场是现代湿法冶炼矿山体现高标准环保要求的关键标志。

1 堆浸场防渗系统形式与选择

根据场地不同基础层条件，堆浸场防渗系统分为天然黏土防渗层和人工材料防渗层[2]。天然黏土防渗层中的黏土往往可在现场就近取材，成本低廉，因而被广泛用于堆浸场的防渗系统。黏土防渗层的渗透系数必须很低（k≤1.0×10-7cm/s），并且还需有足够的抗剪强度和最小的收缩势以防止防渗层脱水开裂。天然黏土防渗系统（见图1）主要应用于早期的堆浸场，随着人工材料的兴起，天然黏土目前主要是作为堆浸场的初级垫层。

图1 压实黏土防渗层结构示意

20世纪80年代初起，人工材料开始广泛运用于堆浸场。一套完好的人工材料防渗系统，相当于约30 m厚的低渗透性黏土防渗层[2]。按照人工防渗材料的材质分类，目前常用的人工防渗材料有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、乙烯/醋酸乙烯共聚物（EVA）、高密度聚乙烯（HDPE）等。它们是一种高分子化学柔性材料，具有渗透系数小，比重较小，延伸性较强，耐腐蚀、耐低温等优势。堆浸场中采用最广泛的人工防渗材料为HDPE土工膜，该材料水蒸气渗透系数为k≤1.0×10-13g·cm/(cm2·s·Pa)，具有良好的防渗性能。人工材料防渗层按照人工防渗材料的数量可分为单层人工材料防渗层、复合人工材料防渗层和双层人工材料防渗层。单层人工防渗层主要由一层HDPE土工膜组成（见图2），在基础层较好的场地，可以极大地提高堆浸场浸出液的收集效率，降低地下水受污染的风险。

图2 单层人工材料防渗层结构示意

由于单层人工防渗层偶尔存在着接缝、破洞等风险，人工防渗系统将压实黏土防渗层、单层人工防渗层相结合，拟推出“HDPE膜+压实黏土/钠基膨润土防水毯”（简称“复合人工材料防渗层”）和“双层HDPE膜+压实黏土/钠基膨润土防水毯”（简称“双层人工材料防渗层”）的复合人工材料防渗系统，见图3、图4），以适应要求更加严格的复杂场地。

图3 复合人工材料防渗层结构示意

图4 双层人工材料防渗层结构示意

防渗结构选用主要受基础层的地质条件影响：天然黏土防渗层对场地基础层要求高，国内能够满足此类要求的场地较少；单层人工防渗材料防渗层只有1个防渗层，系统构筑相对简单，对场地基础层要求较高；复合人工材料防渗层和双层人工材料防渗层适用于场地基础层条件差的场地。依据不同的场地基础条件，防渗结构选择可参考图5。

图5 防渗结构选择参考

在进行堆浸场防渗系统设计应根据环境影响评价确定的建设标准和不同的场地基础条件对防渗系统进行选择。

2 工程实例

本文以紫金山金铜矿铜矿堆浸场为例，对防渗结构选择进行分析。

该项目位于福建省上杭县境内。铜矿堆浸场拟建堆场区域所在的同康沟沟谷区域，周围山体高厚，无强透水层分布，不存在向邻谷渗漏，为独立的水文地质单元。深部地下水贫乏，无供水意义，水文地质、工程地质条件简单。沟谷底部地段仅上部分布有含水层厚度不大的第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，不是地下水的主要补给区和饮用水源含水层。场地现状上部由渣土堆填而成，下部分布有层位稳定，渗透系数小的岩层。铜矿堆浸场底部各岩层分布情况见表1。

表1 铜矿堆浸场底部各岩层分布情况

根据表1中浸场底部各岩层分布情况，基础层的渗透系数k＞1.0×10-5cm/s，层厚处于3.20～58.50 m之间，基础层条件复杂。参照图1,该基础层可选择双层复合人工材料防渗层、复合人工材料防渗层两种防渗系统类型，方案对比见表2。

表2 防渗系统方案比较

由表2可知，双层复合人工材料防渗层的防渗安全性能更好，能够更好地适应复杂条件的堆浸场，但人工材料的增加造成了工程投资的增大。鉴于本案例中，堆浸场产生的浸出液pH极低，且含铜量达到了危险废物级别，同时堆浸场运行初期矿石大规模进矿筑堆可能对防渗结构层造成一定不利影响。经综合比较，防渗系统拟采用双层复合人工材料防渗层，以保障铜矿堆浸场防渗系统的安全性和经济有效性。

3 应注意的事项

3.1 生产原材料对HDPE膜使用寿命、性能的影响

高密度聚乙烯（HDPE）膜是以原生树脂为原材料，适当添加了一些抗老化的助剂的一种优质防渗膜。因其防渗性能极好、化学稳定性好，耐酸、碱和各类盐的腐蚀，已成为国内外环保防渗工程领域的主要材料。

我国地域幅员辽阔，部分区域夏季白天温度高达40℃以上，冬季夜晚温度低至零下30～40℃，温度变化幅度大。这就要求HDPE膜需同时具备优良的抗紫外线能力、耐低温脆化性能和耐环境应力开裂能力。但市面上存在一些掺杂再生料生产的HDPE膜。这类膜抗拉强度和断裂延伸率下降，相比纯原生料生产的HDPE膜，耐环境应力开裂能力大幅度降低，无法达到预期的防渗隔离屏障的作用，且容易发生老化、开裂，从而造成严重的渗漏、污染事故。因此，在防渗系统中需要使用HDPE膜时，应选用优质原材料加工生产的HDPE膜，才能满足复杂外部环境下对膜材料质量的要求。

3.2 膨润土材料的问题

天然膨润土分为钙基和钠基两大类。在一般情况下，钠基膨润土较钙基膨润土的防渗性能优越，其主要表现在：吸水率与膨胀倍数大,防渗性能好。天然钙基膨润土在吸水率与膨胀倍数方面相比钠基膨润土大100及以上，无法满足环保防渗方面对渗透系数k≤1.0×10-7cm/s的要求。因此在国际上、我国环保规范的均要求采用钠基膨润土作为防渗材料。

膨润土存在某些使用条件的限制。膨润土在Ca2+、Cl-、K+电解质溶液中不膨胀，即在有Ca2+、Cl-、K+电解液存在环境中，不能用膨润土作为防渗材料。膨润土吸附Cl-后，其产生物易燃，且具有毒性，会对环境造成危害。我国的《钠基膨润土防水毯》（JG/T 193—2006）标准中也明确指出“钠基膨润土防水毯不适用于存在高浓度的电解质溶液的防水、防渗工程”[4]。

另外，膨润土的pH值也是影响膨润土抗渗能力的重要因素。国际上对膨润土的各项指标，各国的提法不一样，也很不规范。我国现行规范中还未对膨润土的pH值提出要求。但美国防渗膨润土的pH值要求为中性（pH≈7）。试验证明，当膨润土pH＞8时，其抗渗能力衰减得很快，甚至半年就失效，将不能达到永久防渗的要求。

因此，国内学者[5]认为膨润土要作为环保防渗材料使用必须同时满足以下条件：1）膨润土的pH值不应大于8；2）渗透系数应小于5.0×10-7m/s；3）通过百年加速老化试验。

4 结语

综上所述，可以得到如下结论：1）堆浸场堆浸工艺相对简单，工艺效果好坏关键在于堆浸场的防渗系统是否具有高效屏障隔离的作用。由此，防渗系统结构的设计是堆浸场技术的关键。2）根据各个场地地质条件特点，选择不同结构的防渗体系，能够有效地回收浸出液，并建立地下水的污染隔离屏障。3）相对天然黏土防渗层，土工材料组成的防渗系统对各种基础层类型的场地具有更好的适应性。4)面对我国日益严峻的环保问题，双层复合人工材料防渗层对比其它结构形式的防渗层，更加适应复杂地基层场地，以保障铜矿堆浸场安全有效性的运行。