高海拔高寒地区金属矿山采选固废安全处置现状及研究进展*

王家臣，王炳文，徐文彬，李乾龙

(中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083)

0 引言

我国对金属矿产资源需求量持续增加，而低海拔地区资源量日趋减少，高海拔寒区金属矿产资源开发与利用将上升到国家战略层面[1]。其中，矿产资源开发和利用过程中会产生大量的采选固废，主要包括剥离的表土层、巷道开拓产生废石及选矿形成的尾砂[2-3]，高海拔高寒地区因其生态环境脆弱，环境温度和气压低、冻融循环等外部条件及高山深切峡谷的地貌特征，对金属矿山采选固废安全处置提出了更高要求。

目前高海拔寒区缺乏排土场堆置及尾砂充填成熟技术，针对高海拔高寒地区金属矿山采选固废处置成本高、有效处置率偏低、安全隐患多等问题，本文通过开展冻融循环条件下散体物料物理力学特性、排土场致灾机理、堆置工艺、结构参数设计和低温低气压环境下尾砂胶结充填料浆的流变特性、固结机理、改性增强技术研究，建立多尺度多场耦合作用下软-陡基底大段高排土场安全评价和设计方法及胶结尾砂充填料浆固结理论，形成一套基于全生命服役期性能演化的排土场堆排工艺、结构参数、安全预警与安全控制的理论和技术，研发一种低成本、低环境负荷的尾砂防冻充填胶结材料和大流量-长距离抗冻尾砂充填料浆输送工艺与装备，构建一套适合高海拔高寒地区金属矿山采选固废处置理论、关键技术与装备体系，相关研究成果对于提高我国高海拔高寒地区金属矿山采选固废的有效处置率，降低固废处置成本，保障矿山可持续发展，创造显著的经济和社会效益具有重要理论价值和实际指导意义。

1 高海拔寒区采选固废处置现状

1.1 采选固废处置方式

1.1.1 地表堆积

地表堆积是一种比较传统且应用广泛的矿山固体废弃物处理方式。对于金属矿山前期基建、采掘过程中剥离的表层土及碎石通常采用此方法，图1所示为西藏某金属矿角岩排土场,这种方法具有管理方便、成本低廉、处理量大等优点，但同时存在占用大量土地资源、潜在环境污染、滑坡安全隐患等缺点。

图1 西藏某金属矿角岩排土场

1.1.2 尾矿湿排入库

尾矿库是矿山选矿厂生产过程中用于堆存尾砂的重要设施。高海拔矿区地貌具有明显的高山深切峡谷的特征，尾矿库的建设多以山谷型或傍山型为主，图2所示为西藏某金属矿尾矿库，坝体高、势能大，是矿山企业的环境污染和安全事故等风险来源。《防范化解尾矿库安全风险工作方案》(应急〔2020〕15号)要求在保证紧缺和战略性矿产矿山正常建设开发的前提下，全国尾矿库数量原则上只减不增，鼓励尾矿库企业通过尾矿综合利用减少尾矿堆存量乃至消除尾矿库，从源头上消除尾矿库安全风险[4]。

图2 西藏某金属矿尾矿库

1.1.3 井下充填采空区

利用地表建设的充填站将尾砂或废石、胶凝材料与水混合制备成料浆，通过管道输送系统输送到井下采空区。井下充填可避免尾矿地表排放及其带来的生态环境、安全等问题，同时提高矿石回采率，改善矿山企业的经济和社会效益。现阶段，充填采矿法已成为金属矿山固废处置的主要发展方向。因高海拔地区特殊的地形地貌特征，充填站的选址设计相较常规的矿山存在较多困难，且无成熟的充填开采理论与工艺作为指导，目前在高海拔地区只有部分矿山采用充填采矿法，如西藏华钰矿业扎西康铅锌多金属矿[5]、甲玛铜多金属矿[6]。

1.2 排土场稳定性研究

高海拔地区突出的特点是环境温度低，昼夜温差大，季节冻融作用对于矿山排土场的稳定性影响问题日益突出。国内外学者针对冻融循环条件下岩土材料物理力学性能及排土场稳定性进行研究和分析，取得阶段性成果。

1.2.1 冻融循环下散体物料力学特性

陈国良等[7]利用可控温大型直剪仪对西藏某矿排土场粗粒土进行剪切试验，考察了砾粒组含量在全融状态、冻融交界面2种状态下对粗粒土剪切强度的影响。佘长超等[8]以某寒区露天矿排土场散体软岩为对象，研究发现随着冻融循环次数的增加，散体物料的抗剪强度、内聚力及内摩擦角呈指数型衰减，在经历6次冻融循环后趋于稳定。Xing等[9]采用大型室内三轴试验研究了含石量35%,45%,55%,65%对土石混合体冻融循环后损伤行为影响，发现含石量为55%的土石混合体冻融损伤最为严重。Zhou等[10-11]得到土石混合体的抗剪强度和弹性模量随着冻融循环次数的增加均呈二次型关系降低，并建立了冻融循环条件下土石混合体弹性模量的双包体嵌入模型。Tang等[12]指出在冻融循环作用下土石混合体孔隙具有分形特征，经历2～3次冻融循环后，土体团聚颗粒逐渐分解并趋于均匀化。

1.2.2 寒区排土场稳定性分析

杨幼清等[13]以青海某露天矿排土场为研究对象，采用二维有限元法模拟研究了5种堆载高度条件下排土场边坡变形破坏模式，并基于折减系数法确定了排土场边坡安全系数。佘长超等[8]研究表明，排土场散体软岩边坡受冻融影响具有时效性，新堆积的边坡在初次受冻后稳定性系数急剧下降，并随冻融循环周期的延长，在6～7 a后趋于稳定。董建军等[14]采用短基线集合成孔径雷达干涉测量(SBAS-InSAR)技术对西藏某排土场边坡地表形变进行监测，评判了该排土场边坡的安全稳定状态。张凯等[15]将冻融损伤修正后的岩体力学参数引入FLAC3D数值模拟软件，分析了西藏甲玛矿区角砾岩排土场边坡变形特征，评价了边坡稳定性并优化了关键参数。李钢[16]以乌努格吐山铜钼矿排土场为工程背景，利用数值模拟软件对边坡稳定性进行分析，提出了削坡治理及布置抗滑桩措施，对边坡的治理起到了良好效果。

1.3 低温环境下尾砂胶结充填

1.3.1 低温环境下充填料浆流变及输送特性

对于高海拔寒区矿山而言，充填料浆制备与输送面临低温、负压环境等难题，现有的实际工程可借鉴经验较少。薛振林等[17]探究了环境温度、料浆浓度和水泥掺量对充填料浆流变参数的影响规律，结果表明质量浓度对充填料浆屈服应力的影响最大，环境温度次之，水泥掺量最小。针对永久冻土区或高寒地区矿山充填料浆的输送问题，Jiang等[18]对-1，-6，-12 ℃养护下充填料浆进行流变试验，研究发现低温养护条件下充填料浆屈服应力要小于常温养护的，添加NaCl可改善充填料浆的流动性。Wang等[19]测试了2～60 ℃养护下充填料浆的屈服应力，结果显示与常温相比，温度升高或降低均会导致充填料浆屈服应力增加，当温度下降至2 ℃时，充填料浆屈服应力的增长幅度为8.82%。

1.3.2 低温环境下充填体力学性能

赵国彦等[20]、王炳文等[21]采用灰色关联分析法对7 ℃[20]、5 ℃[21]低温环境下充填体抗压强度的影响因素敏感度进行分析，得到各因素影响权重次序为灰砂比>养护龄期>质量浓度。关士良等[22]指出温度对充填体强度影响的显著性与水泥掺量呈正相关，在5 ℃养护下不同水泥含量的充填体强度降幅约为5%～30%。甘德清等[23]研究表明，与标准养护相比，井下采场(温度11 ℃、湿度46%)养护的充填体抗压强度偏低约20%。王勇等[24]制备温度为8～12 ℃膏体，探讨了初始温度对充填材料固结特性的影响。刘超等[25]、韩斌等[26]分析了养护温度在5～20 ℃范围内废石胶结充填体单轴抗压强度的发展规律。Han等[27]研究发现温度在10 ℃以下对充填体早期强度影响较显著。

1.3.3 低温环境下充填体改性增强措施

王炳文等[21]发现低温环境下外掺Na2CO3、NaOH可明显提高充填体早期7 d抗压强度，但对中后期14 d、28 d强度增长不利。Xu等[28]评估了硅灰部分替代水泥的可行性，指出低温养护下掺入硅灰产生的充填体早期抗压强度增幅比后期更加显著。针对低温环境下胶结充填体强度发展缓慢的问题，王勇等[24]、刘超等[25]、韩斌等[26]提出用热水制备料浆的方法来改善充填体的力学特性的建议。

以往的研究针对胶结充填材料增强改性措施，取得丰富的成果，但这些研究主要是在室温或低温环境下进行，涉及低温低气压耦合环境下胶结充填料浆固结演化特性的研究较少，尚缺乏成熟的理论用于指导高海拔地区应用充填采矿技术。

2 高海拔寒区采选固废处置关键问题

针对高海拔寒区所处的地理位置及环境气候的特殊性，结合金属矿山采选固废处置成本高、有效处置率偏低、安全隐患多等开采现状，本文总结了有关高海拔寒区金属矿山采选固废安全处置需要深入研究的2个关键科学问题：1)冻融循环及多场多相耦合条件下排土场致灾机理；2)低温低气压条件下胶结充填料浆流动特性及输送机理。

2.1 冻融循环及多场多相耦合条件下排土场致灾机理

高海拔寒区矿山采选固废堆积体性能演化的动力主要来自复杂的环境因子，包括地质条件、冻融循环、干湿循环及瞬态荷载条件。研究复杂环境条件下金属矿山采选固废堆积体时效特性的宏细观机制、冻融与干湿耦合致灾机理以及时效力学特性的多尺度模型，有助于提升采选固废有效处置率和排土场安全保障能力，揭示不同环境下的排土场演化机制，建立全生命周期性能演化的安全评价模型，可为解决高海拔寒区排土场失稳预警提供科学支撑。

2.2 低温低气压条件下胶结充填料浆流动特性及输送机理

高海拔地区低温、低气压环境限制了胶凝材料的水化反应速率，进而会影响胶结充填料浆的流变特性，料浆过稀容易发生离析、沉降，而料浆黏度增大易导致管道堵塞。开展低温低气压环境下胶结充填料浆流动特性研究，探明胶结充填料浆坍落度、屈服应力、黏度系数等参数随温度、时间的演化规律，揭示低温低气压环境下充填料浆流变特性和输送性能的影响机理，可为实现大流量-长距离稳定输送提供科学依据。

3 解决思路及研究成果

基于上述2个关键科学问题的探讨与分析，构建高海拔寒区金属矿山采选固废安全处置关键技术研究框架，主要包括6方面：1)冻融循环条件下散体物料物理力学特性研究；2)多尺度多场耦合作用下软-陡基底大段高排土场致灾机理及安全评价方法研究；3)冻融循环条件下排土场堆置工艺及结构参数设计研究；4)低温低气压条件下尾砂胶结料浆流变特性和固化机理研究；5)低成本低环境负荷的尾砂防冻充填材料；6)抗冻大流量-长距离料浆输送工艺技术及设备研究。

3.1 冻融循环条件下排土场散体物料物理力学特性

选取我国高海拔寒区典型的金属矿山排土场为研究对象，开展冻融循环下排土场散体物料物理力学特性研究，分析冻融循环对散体物料颗粒级配、化学成分、孔隙分布参数的影响，研发用于高海拔寒区散体物料剪切测试的大型直剪系统[29]，如图3(a)所示，其中，冻融循环试验分为冻结、融化2个步骤，冻结温度为-20 ℃，融化温度为20 ℃，每个过程时长均为12 h；探讨冻融循环条件下散体物料力学性能、微观形貌、孔隙结构演变规律[29]，如图3(b)～图3(d)所示，构建冻融循环条件下散体物料内部微观结构信息与宏观力学参数定量关系模型，揭示冻融循环条件下采选固废散体物料在多场多相耦合作用下强度演化规律及其损伤力学机制。

图3 冻融循环下散体物料大型直剪试验及结果分析

3.2 软-陡基底大段高排土场致灾机理及安全评价方法

开展高海拔寒区金属矿山采选固废散体物料排土场灾害特征和控制要素研究，分析排土场灾变模式和时空分布规律。通过典型多尺度地质力学模型试验[30](图4)，研究多场耦合作用下软-陡基底大段高排土场致灾机理，构建冻融条件下排土场稳定性评价准则和方法，开发高海拔寒区固体废弃物大段高排土场安全诊断系统。

图4 软-陡基底排土场模型破坏过程

3.3 冻融循环条件下排土场堆置工艺及结构参数优化

开展金属矿山采选固废散体物料绿色排放技术与堆置工艺研究，建立排土场容积率-占地面积-坡高多元函数模型，如式(1)所示，提出“自上而下、多台阶并行压坡脚推进”的排土方法(图5)，优化高海拔寒区金属矿山排土场结构参数及设计方法，如通过对相邻台阶进行合并扩容，将排土场台阶的宽和高由原来30 m分别拓展为60 m，台阶坡比为1∶1.75。

图5 高海拔地区金属矿山排土场排土方法及工艺特征

(1)

3.4 低成本低环境负荷的尾砂防冻充填材料

探究胶凝材料潜在的复合活化机理，提出最优活化参数，研发适宜高海拔高寒地区的低成本、低环境负荷的尾砂防冻充填材料(图6)；揭示低温低气压环境下尾砂胶结充填料浆稳定增强机制，构建尾砂胶结充填体固结全过程稳定性评估方法。

图6 低温环境下含早强剂充填体抗压强度

3.5 低温低气压环境下胶结充填料浆固结演化特性

开展低温低气压环境下胶结充填体宏观力学强度试验研究，同时借助XRD、TG-DSC、SEM、MIP等测试技术对胶结充填料浆固结过程中的水化特征、微观形貌、孔隙结构等进行定性、定量表征(图7)，揭示充填料浆内部多场耦合作用机理及其固结性能演化规律，建立尾砂胶结充填体多物理场耦合模型，探究低温低气压条件下尾砂胶结充填体损伤力学机理，构建尾砂胶结充填体结构演化的损伤表征方法；研发低温低气压环境下充填体强度检测仪器，制定高海拔寒区矿山充填体稳固性评价与控制体系。

图7 低温低气压环境下充填体微观结构特征

3.6 低温低气压环境下胶结充填料浆流动特性及输送机理研究

开展低温低气压环境下尾砂固结胶凝材料水化硬化机理研究，探讨低温低气压环境下尾砂充填料浆流变特性及其温度-时间效应，研究充填料浆的水化放热行为；利用数值模拟手段模拟在低温环境下充填料浆管道输送过程中的温度场，如图8(a)所示，探究充填管道和外部保温材料材质和厚度等参数对料浆管道输送过程中温度场的影响，研发低温低气压环境下尾砂充填料浆蓄热保温防冻技术与大流量-长距离稳定输送技术，如图8(b)所示，开发低温低气压条件下充填料浆输送管道泄漏实时检测设备。

图8 高海拔寒区充填料浆管道输送及蓄热保温技术

4 结论

1)基于高海拔寒区所处的地理位置及环境气候的特殊性，结合金属矿山采选固废处置现状，凝练高海拔寒区金属矿山采选固废处置需要深入研究的2个关键的科学问题：冻融循环及多场多相耦合条件下排土场致灾机理和低温低气压条件下胶结充填料浆流动特性及输送机理。

2)针对高海拔寒区金属矿山采选固废处置成本高、有效处置率偏低、安全隐患多等问题，提出开展低温低气压环境下尾砂胶结充填料浆的固结机理、流变特性、输送性能和增强机制研究以及高寒地区高山深切峡谷地貌环境条件下采选固废堆体致灾机理研究。

3)建立多尺度多场耦合作用下软-陡基底大段高排土场安全评价与设计方法，研发低成本低环境负荷的尾砂防冻胶结充填材料和大流量-长距离抗冻尾砂充填料浆输送工艺与技术装备，形成一套基于全生命服役期性能演化的采选固废堆体的堆排工艺、结构参数、装备体系、安全预警与安全控制的理论和技术。相关研究成果能够提高我国高海拔高寒地区金属矿山采选固废的有效处置率，降低固废处置成本，提高矿山资源开发能力，保障矿山可持续发展。