对中国金堆城栗希尾矿坝阻力的模拟实验和研究.docx

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对中国金堆城栗希尾矿坝阻力的模拟实验和研究

对中国金堆城栗希尾矿坝阻力的模拟实验和研究

摘要：

堵塞是影响尾矿坝稳定性最重要的因素之一。

首先，本文研究栗希尾矿坝堵塞材料采用了ICP-AES法、X-射线粉末衍射（XRD）、扫描电镜分析方法。

检测结果表明，铁是阻力材料主要构成元素。

从2#辐射井和尾矿坝入口处的检查孔处检测试样中铁的含量分别为54.35%和40.24%。

XRD谱表明，铁的氢氧化物是阻力材料的基础构成成分。

其他混合物例如四方纤铁矿、赤铁矿、针铁矿是从铁的氢氧化物转换而来。

因此，堵塞材料是铁的氢氧化物及其转化物的混合物，且经扫描电镜观察呈簇状非晶体结构。

其次，本文使用连续流在实验室模拟堵塞，并对堵塞材料进行XRD、SEM分析。

化学分析表明，用于模拟实验的堵塞材料中铁含量为45.43%。

XRD谱检测表明，赤铁矿是唯一的混合物。

实验研究使用的堵塞材料经扫描电镜观察也呈簇状非晶体结构。

关键词尾矿坝堵塞铁化合物实验研究

简介

为采矿作业的一个重要组成部分，主要用于堆放矿产开采和加工的废弃材料。

尾矿坝的稳定性对于矿厂的安全管理和环境保护具有重要意义。

尾矿坝溃坝对环境的影响和其他与尾矿坝相关的问题经常被报道（Murillo等.1999；Dome`nech等.2002;Macklin等.2003;Bonilla-Valverde等.2004;Ferna´ndez等.2005;Morillo等.2005;VanNiekerkandViljoen2005;LeiandWatkins2005）。

有许多因素影响着尾矿坝的稳定性，包括排水系统的堵塞。

尽管在其他领域的堵塞研究被广泛的报道，但很少有机构研究尾矿坝的堵塞。

（塞基等人报道。

Fleming等人1998。

1999；林克—菲佛等人。

2000；罗斯等人。

2001伊斯兰教等。

2001。

伊斯兰教与Singhalvangulck等人，2004。

2003。

vangulck2003；vangulck和Rowe福斯2004；等人。

2004；罗和麦基萨克2005）。

金堆城钼业集团矿业公司位于中国陕西省内，如图1所示。

栗西尾矿坝目前坝高164.5米，是上游筑堤的尾矿坝。

尾矿坝由16个子坝组成。

管道的检测孔由于长期被矿浆覆盖导致了浸润线的增高，从而严重威胁到尾矿坝的稳定性，因此，加强对堵塞机理的研究是十分必要的。

本文的目的是通过对栗西尾矿坝的实地调查确定堵塞材料的主要元素，分析堵塞材料的组成和类型，并在实验室通过使用连续流注模拟堵塞过程。

图1尾矿坝位置图和取样地点图

材料和方法

取样

如图1和2，在2005年11月进行的一项新的领域研究。

从尾矿坝坝体和排水管采集固体样品，从径向收集井卸料口采集液体样品。

通过用木铲挖掘一个10cmx10cm的段沟，用采集木勺来收集固体样品，并用聚氯乙烯（PVC）塑料袋进行存放。

堵塞材料的泥浆样品（广泛分布在排水管内）用木勺进行采集，并用聚氯乙烯（PVC）塑料瓶进行存放。

从排水口采集的水样品在分析前用pvc瓶储存，分别标号为w0—w6。

W0号水样从尾矿沉淀池中收集，W1号样品从尾矿泥浆中采集，w2号样品取自初期坝接入孔中流出的水样，W3–W6取自1#，2#，4#，8#辐射井中的水样。

此外，水样W1应通过一个0.45LM膜过滤并存储用于ICP-AES分析。

图2表1中I–I¢的横截面坡面图

从尾矿大坝处收集六固体样品，包括两个堵塞样品，分别标号为S1–S6。

其中，S1从所沉积的海滩收集，S2和S3从坝体2#径向井附近收集，样品堵塞材料S4和S5分别从2#径向井管和进入孔处收集，和图1所示不同的是，S6取自经离心分离的尾矿浆。

位置的S6不图1显示的是因为它的离心分离从尾矿浆，收集从同一位置的W1。

在分析前，固体堵塞样品首先在室温空气中进行干燥，放于在玛瑙研钵并经过筛选（网目尺寸0.074毫米）

实验设置和准备程序

根据现场观测可以假设，促进铁离子水解可以降低坝体的堵塞，从辐射井中流动的水应包含一些亚铁离子。

在pH值较高（6.8–7.5）的条件下，铁被氧化形成氢氧化铁沉淀造成堵塞。

故通过设置在实验中模拟亚铁溶液形成堵塞的过程。

实验前，对去离子水连续鼓入高纯度氮气约30分钟，进行脱氧处理，同时为确保被测试溶液处于还原状态，继续不断向其中氮气，并加入适量硫酸亚铁达到所需的初始亚铁浓度。

最后，将试验溶液注入到输液袋以隔离空气。

试液应提前2天进行准备，且必须防止亚铁被氧化和保持柱较低的内部条件。

整个实验期间，每天对出口处流动的亚铁和铁的总浓度进行监测。

柱的直径为5厘米，长110厘米，里面填满清洁的石英砂0.10～0.20毫米（尺寸类似于尾矿粒度坝），有一个入口在底部和一个出口在顶部。

为了确保其处于饱和状态，在其底部入口使用了蠕动泵。

流沙层深70厘米，砂层顶部与出口之间的距离约10厘米，以便形成堵塞材料。

同时，为了模拟自然尾矿坝料，亚铁的水溶液层保持在pH范围为6.8–7.5。

实验期间，向硫酸亚铁中连续鼓泡高纯氮，并且在实验柱的顶部不断使用蠕动泵。

实验进行了23天，结束时实验柱的出口被完全堵塞，并导致水层高度的增加和流量的明显减少。

堵塞样品SE1是从柱收集并存储在PVC瓶。

石英砂样品从柱的砂层不同部分收集E2：

0–20厘米、SE3：

20–40厘米、SE4：

60–40厘米和SE5：

60–70厘米，从底部（0厘米）到顶部（70厘米）的砂土层]并储存在PVC袋。

进行化学分析前，沙样和堵塞样品首先在室温空气干燥，放于玛瑙研钵内并通过筛选（网目尺寸0.074毫米）。

化学分析

取自尾矿坝中的水样按照美国环保局所规定的标准检测方法分析主要存在以下离子：

Ca+2,Na+,SO4-2,CO3-2,HCO3—,Cl—，其中铁离子占主要成分。

向其中加入甲基百里香酚蓝和硫氰酸汞分别检测SO42–和Cl–,并用滴定法分析其中的阴离子包括CO32–andHCO3–。

用UltrameterIITM6P（MyronLCompany,USA）.测定当时的温度、ph、电导率、ORPandTDS。

固体堵塞尾矿样品大坝使用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）。

这些样品用IrisAdvantage1000（热贾雷尔灰公司，美国）进行分析。

用一个哈希博士/2400便携式分光光度计测量（HACH公司，美国）测量亚铁和铁的总浓度，以及堵塞的固体试验样品。

亚铁粉粒中1,10邻二氮杂菲，FerroVer粉粒试剂则被用来检测亚铁和总铁的含量。

其他参数如温度和pH值用ultrameterIITM6P测量（MyronL公司）进行测量。

尾矿堵塞固体堵塞样品和实验室堵塞固体样品用X射线粉末衍射（XRD）进行表征分析。

X射线分析通过X射线进行多晶衍射仪（BrukerAXS有限公司，卡尔斯鲁厄，德国）完成。

X射线分析运用了带石墨过滤器和位置敏感探测器（PSD）的铜卡辐射（K=1.5406°）。

XRD在40伏和40毫安下进行操作，其散射强度用NaI动态闪烁计数器进行测量。

扫描运行10°到90°（2H），一个步长0.02°。

用费西瑞安采取200扫描电镜（FEI公司，美国）对尾矿堵塞固体堵塞样品和实验室堵塞固体样品进行表面形态扫描，并用FEISIRION200SEM（FEICompany,USA）得到其显微照片。

过程中使用5kV的加速电压，以达到3纳米的分辨率。

为增加其导电性，在样品表面有一层涂金层。

用EDS（能量色散谱仪）和牛津INCA能谱仪（牛津仪器分析其表面元素。

表1水样品的水质参数

注：

CO2没有检测

以百万分之一流入尾矿浆中的化学成分

注：

（W1）在过滤的水样（W1）中未检测到铁

图3：

派珀图

表1和图3表明了这些水样的含有SO4-2—Ca+2和SO4-2—CO3——Ca+2

尾矿泥浆中的水样（w0）及取自辐射井中的水样（W3,W4,W5和W6）中的阴离子和阳离子的浓度在流入尾矿池后都降低了，从不同井中取出的水样具有相似的性质，在pH值范围为6.8–7.5时形成亚铁离子的可可能性相对较低，在这样的条件下，亚铁离子的氧化速率高于还原速率。

然而，在实际情况中，溶液中含有的溶解氧很少，亚铁离子很容易被氧化。

表1中的数据表明，在所有未经过滤的水中铁的浓度都低于1.6毫克/升，绝大部分铁都以沉淀形式存在于水中，通过表2的数据可以看出，对于经过滤过的样品如w1，在ICP检测下无铁的存在。

堵塞固体的化学组成

从尾矿坝收集了六个固体样品，包括两个堵塞样品。

其中，样品3取自比样品2更深一些的沉淀物中，样品2呈红色，而样品3呈黄色。

其他样品，s4呈红棕色，S5呈咖啡色，S1和S6是灰色的。

表3：

来自尾矿坝中样品的组成成分

单位：

重量％

注：

‘‘–’’表示为被检测

图4通过X射线衍射分析尾矿坝固体材料铁化合物

表3列出的六个样品的化学成分。

通过ICP-AES分析表明，固体样品S1和S6具有相似的化学结构，与其它样品相比铁含量相对较低。

同样，S2和S3有类似的化学结构，并且铁都是其中最基本得元素，尽管S2中铁元素含量高于S3。

由于固体样品S1和S6有相似的XRD谱，S1被选择作为参考物。

同样，固体样品S2和S3有相似的XRD谱，S2被选择作为参考物。

在图4A中，分别显示了S1和S2的XRD谱，其中只有针铁矿（III）可以被检测到。

这表明，在尾矿坝体重可能存在例如FeOOH的铁的化合物的晶体存在。

试样S4和S5取自堵塞材料，具有类似的结构，铁是其中的主要元素，分别占54.35%和40.24%，这些数据足以证明堵塞材料主要是由铁化合物。

其他元素如钙，镁，锰，钼，锌，钛在堵塞材料中含量较低。

在图5a中，表明了试样S4和S5的XRD谱图，假设由于某些非晶态材料的材料的存在难以检测出铁化合物，而只有结构相对较好的晶体可以检测和分析出。

从图5A中，我们可以推断出，堵塞样品的主要组成部分大同小异。

但其中氢氧化铁（Fe（OH）3）是堵塞材料的基本构成。

其他化合物如正方针铁矿（b-FeOOH、赤铁矿（a-Fe2O3）、针铁矿（a-FeOOH）都可由氢氧化铁（Fe（OH）3）转换而来。

试样S4的SEM照片（图6）显示S4在不同比例下的微观结构。

EDS是用来分析的堵塞材料S4表面化学组成，结果如表4和图7所示。

其中，铁和氧是表面化学的基本组成，它进一步表明，氢氧化铁结构松散无良好的晶体结构，可能是堵塞材料的主要成分。

结果表明，铁是在表面和氧气存在的主导因素是第二个最常见的元素。

它进一步表明，氢氧化铁可能堵塞材料和堵塞材料氢氧化铁的结构的主要成分是松散没有良好的晶体形式。

堵塞实验

在堵塞实验开始，水层颜色的变化非常明显。

首先，在进行测试时，有砂层浸泡的水样中，在没有调整pH前是无色的，当加入缓冲溶液调整pH值后，水样变为棕黄色，表明亚铁被氧化为三价铁。

在这个过程中，红棕色沉淀物逐渐沉积在沙层的表面，同时，水变得浑浊和有沉淀层粘附在柱出口的内壁。

在接下来的实验过程中，透明的柱壁被一层薄薄的红褐色物质覆盖，且堵塞层的厚度逐渐增加，出口墙被红棕色沉淀完全覆盖。

在实验室模拟堵塞时，为了使堵塞的形式更容易和更明显，在入口采用浓度（100mg/L）相对高的亚铁。

向测试溶液中鼓入氮气，减少其中的氧含量，限制其中的还原反应条件，使其在柱内形成的沉淀物。

对不同部分的亚铁浓度进行定期监测，这些部分的亚铁浓度（0–20，20，40和40–，–60厘米）为99毫克/升，表明在还原条件下可以减少铁在柱内的沉淀。

图5通过X射线衍射分析尾矿坝堵塞物的铁化合物

在实验过程中，每天对排水口处的亚铁浓度和铁的总浓度进行监测。

图8显示的浓度随时间的变化。

当水中氧含量不足时，空气中的氧也会溶解在水中，但在一般情况下，氧的溶解和亚铁的氧化可以达到平衡状态。

部分二价铁氧化成三价铁离子形成沉淀。

流过柱上的其他液体对堵塞材料没有影响，铁在水中的存在主要有两种形式，一部分是剩余的亚铁，另一部分是三价铁。

铁的沉淀物一部分在沙层的表面，另一部分在柱壁上或在出口处。

其余的铁全部流经柱。

在整个实验过程中，亚铁的难度和铁的总浓度在一个相对稳定的范围内变化，分别为20–60和30–80毫克/升。

这表明，在pH值和氧浓度相对稳定的条件下，亚铁氧化和沉淀达到了平衡。

当柱被堵塞时，对堵塞样品SE1和四个从柱的不同的部分（SE2：

0–20厘米，40厘米–SE3的：

20，40–硒：

60厘米，和60–SE5：

70厘米）收集的样品进行分析，测量每个样品的铁含量，结果见表5。

图6堵塞样品S4的扫描电镜照片

表4从尾矿坝收集的堵塞样品S4的EDS结果

堵塞样品中铁的含量较高，当以Fe2O3含量的百分比来表示时，为64.90%；当以Fe（OH）3含量的百分比来表示时，为86.80%。

同样根据现场调查，堵塞材料主要是铁的化合物。

固体样品的铁含量是相当较小，这表明当柱的内部处于还原条件下时，可以防止亚铁氧化。

堵塞的样品XRD谱如图9所示，表明堵塞材料作为一种无定形状态没有明显的波峰。

赤铁矿（α）通过XRD进行检测分析。

根据现场调查结果，氢氧化铁（Fe（OH）3），针铁矿（a-FeOOH）、正方针铁矿（b-FeOOH）和赤铁矿（α）是堵塞材料的主要成分。

其中，氢氧化铁（Fe（OH）3）应该是堵塞材料的基本组成成分，其他化合物如针铁矿（a-FeOOH）、正方针铁矿（b-FeOOH）和赤铁矿（α）都是从氢氧化铁（Fe（OH）3）转换而来。

赤铁矿（α）的存在证实了之前的假说，即氢氧化铁（Fe（OH）3）是基本成分，并且可转化为赤铁矿（α）。

FeOOH未被检测到，可能是由于在实际情况中，堵塞材料中的氢氧化铁（Fe（OH）3转换为FeOOH需要较长的时间，而在实验中对堵塞现象的研究之有23天。

由此可以得出结论，堵塞材料主要以非晶体状态存在，图10A–C显示了堵塞样品在不同尺寸下的微观结构，堵塞样品的EDS分析结果如表6和图11所示，从中可以看出铁（47.61%）和氧（44.91%）是最常见的元素，并且进一步表明，氢氧化铁是主要成分为堵塞材料的主要成分，其结构是松散的晶型结构。

图7堵塞样品S4的EDS结果

图8在柱的出口处亚铁和总的铁的演变图

图9从收集的堵塞样品SE1中铁化合物的XRD分析图

表5从沙柱集的固体堵塞样品的铁含量图

堵塞机理

固体样品和堵塞的样品具有不同的铁含量，两个堵塞材料的铁含量都在40%以，这表明堵塞材料主要是铁化合物，特别是氢氧化铁（Fe（OH）3）。

同时也检测出了其他的晶体如针铁矿（III），akaganeite（b-feooh）和赤铁矿（α），由此可以推断这些化合物由氢氧化铁转化（Fe（OH）3）转换而来。

堵塞材料的形成机理可以解释如下：

首先，坝体内部在还原条件下，易形成亚铁离子，从而可能使辐射井中的水也含有亚铁离子。

图10从沙柱收集的堵塞样品SE1的扫描电镜照片

表6从沙柱收集的堵塞样品SE1的EDS结果

当这些材料逐渐积累，尾矿坝的孔隙和砂柱将被堵塞。

Conclusions

对从尾矿坝采集的堵塞材料进行化学分析表明，占主导地位的元素是铁：

54.35%（从2#径向井管）和40.24%（从起动机坝的接入孔）。

对Fe（OH）3和a-FeOOH的百分比进行XRD半定量分析的结果分别为54.35%（从2#径向井管）和40.24%（从起动机坝的接入孔）；样品S5中的Fe2O3和b-feoo所占百分比分别为94.3和5.7%。

在实验室进行了模拟堵塞的实验。

由于柱的出口被堵塞导致水位的上升，实验进行了23天结束。

在堵塞材料中铁是主要的元素，占45.43%.

虽然XRD谱图表明试样S4和S5之间的一些差异，但这两种材料的主要成分是可以转化为其他铁化合物如四方纤铁矿，针铁矿和赤铁矿的氢氧化铁。

在XRD谱五明显的波峰表明堵塞材料是非晶体结构。

对从赤铁矿是堵塞的砂柱采集的样品进行XRD分析，赤铁矿是唯一被检测出的铁化合物。

由于氢氧化铁可以转变为赤铁矿，由此可以推断氢氧化铁是堵塞材料的主要成分。

图11表6从沙柱收集的堵塞样品SE1的EDS结果

在尾矿坝本身的状态降低的情况下，亚铁离子容易被水中溶解的氧所氧化形成三价铁离子，并形成沉淀并在辐射井内不断累积。

氢氧化铁可以逐渐脱水，慢慢形成Fe2O3和具有不同的晶体形式的Fe的三价化合物，如针铁矿和正方形针铁矿。

因此，堵塞材料主要是氢氧化铁及其转化产物的混合物。

堵塞材料在尾矿坝和实验中意非晶形式成簇微观结构存在。

堵塞是影响尾矿坝稳定性的最重要的因素。

因此，加强铁的隔离

对降低坝的铁含量和堵塞的发生是有益的。

致谢这项工作是中国国家科学基金资助项目（编号：

10572090）。

作者希望感谢上海交通大学分析测试中心提供XRD，SEM-EDSICP-AES和设施给我们。

作者希望感谢郭郭振时和JMGMC的其他人员在现场对我的帮助。

作者还要感谢匿名审稿人对他们的原稿读取，感谢他们的建议和评论。

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