矿山开采中会排放大量的尾砂,尾砂若不能被用于井下充填则需在地表设置尾矿库来储存。传统的尾矿库存在溃坝隐患,是重大的安全危险源。排放尾砂中硫、砷、重金属等污染物及残存的选矿药剂还会对环境造成污染。通过掺水泥胶结尾砂膏体的尾砂固结排放技术具有安全、环保、经济、节约土地资源的优势,是有望解决两大危害的新技术。本文在国家基金项目“多过程耦合效应下尾砂固结行为研究”(No.51674263)的资助下,开展了尾砂固结对重金属迁移的阻滞效应研究。论文首先确立了考虑尾砂固结排放各个环节重金属浸出的研究思路,采用理论分析、室内试验、数值模拟等方法,围绕尾砂固结体物性演化规律、尾砂固结过程中多场耦合理论、尾砂固结对重金属污染物迁移的调控效应进行了系统的研究,考察和探索了尾砂固结排放的不同阶段、不同外界条件、不同配比条件作用下重金属污染物的浸出和迁移行为。主要研究内容如下:(1)开展了固结改性作用下全尾砂固结体物性演化的实验研究。通过全尾砂固结材料基础性能的实验,对尾砂粒级、尾砂中化学成分进行了测定;开展了不同配比条件下尾砂料浆流变性能、料浆固结初终凝时间、全尾砂固结体单轴抗压抗剪强度、孔隙结构参数、渗透性的全面实验;建立了基于实验数据的水化反应度数学模型,推导了尾砂固结体孔隙率及渗透系数随水化反应度演化的数学模型;对固结体微观结构进行SEM扫描,揭示了固结体微观结构发育机制。研究发现:影响料浆流变特性主要因素是料浆浓度,灰砂比对料浆的流变特性影响较小;固结体单轴抗压强度随水泥掺量、料浆浓度及养护龄期的增加而增大;其中,水泥掺量是影响固结体强度的主要因素,料浆浓度为第二因素;固结体内聚力随水泥掺量、料浆浓度及养护龄期的增加而增加;固结体内摩擦角随着水泥掺量的增加而增大,内摩擦角变化范围为5°~35°;随着料浆浓度及养护时间的增加,固结体孔隙率减小、总孔隙量减小、平均孔径减小、孔隙结构分形维数增大,孔隙结构更加复杂,空间占据能力增大;揭示了固结体微观结构发育机制:水化产物与尾砂颗粒粘结构成了固相骨架,并将孔隙充填、将尾砂中的细粒级物料紧密包裹,使固结体微观结构致密,实现了固结改性的作用。(2)开展了全尾砂固结排放的重金属浸出规律及固结体崩解特性的实验研究。研究了尾砂排放初期的沉降泌水规律、长期堆置下固结体崩解规律,掌握了尾砂固结排放不同阶段重金属浸出规律,阐明了不同阶段尾砂固结排放的重金属固化效应,揭示了尾砂固结体崩解机制,主要结论如下:影响沉降泌水量的主要因素为料浆浓度,水泥掺量和种类对泌水量的影响较小;不同水泥掺量下全尾砂固结过程中泌出水中重金属含量基本一致;料浆浓度对固结体崩解影响不大,水泥掺量对固结体崩解影响较大;水泥掺量3%为固结体发生崩解的临界水泥掺量,小于此值,固结体遇水发生崩解,引起固结体重金属浸出量急剧增加;水泥掺量大于3.0%时,固结体遇水基本不再崩解,重金属浸出量大大减小,因此固结体抗崩解性能对重金属固化尤为重要;随着水泥掺量增加,全尾砂固结体浸泡液中重金属浸出量减小;揭示了尾砂固结排放的重金属固化效应:沉降泌水阶段添加水泥不会减少重金属的浸出,尾砂固结排放的重金属固化效果不明显;长期堆置过程中若能通过添加水泥而保证固结体不崩解则重金属浸出会显著降低,具有较好的固化效果;得到了尾砂固结体崩解机制:全尾砂固结体浸入水中后孔隙间会形成基质吸力,基质吸力引起的水份入渗会使孔隙间原有气体受到挤压并排出,气体排出过程中形成的扰动和水份的入渗对孔隙间原有气体的挤压会破坏颗粒间联结物质,引起固结体的崩解。(3)阐述了尾砂固结排放的应力-化学-渗流-污染物浸出及迁移耦合理论,分别构建了考虑尾砂固结排放不同阶段、不同外界环境及不同配比条件等多因素及多场耦合作用下全尾砂固结排放的污染物浸出-迁移行为数学模型,用以描述尾砂排放初期重力和化学作用下泌水和溶质迁移行为、描述干旱地区非饱和排放体与多雨地区饱和排放体发生补水时化学场作用下渗流和溶质迁移行为;揭示了固结体中重金属浸出的机理,阐明了固结体孔隙间溶质迁移的机制。主要结论如下:(1)建立了沉降泌水阶段应力-化学耦合作用下全尾砂排放体的沉降变形模型,推导了应力-化学耦合作用下全尾砂排放体的沉降变形计算公式;(2)揭示了固结体中重金属浸出的机理:流经排放体孔隙间的水会与尾砂接触,由于固相骨架上的重金属离子与孔隙间水存在浓度差,重金属离子会扩散到到孔隙水中,造成了重金属的浸出;在此基础上构建了固结体中重金属浸出的模型,获得了表征溶质浸出速度的表达式;(3)阐明了固结体孔隙间溶质迁移的机制:浸出到孔隙间的重金属污染物由于对流、机械弥散、分子扩散等作用而发生的迁移。在此过程中,排放体由于应力-化学-渗流等多场耦合作用,孔隙体积减小、渗透性能降低、溶质扩散能力减弱,进而引起了重金属迁移能力的变化。(4)研究了多场耦合作用下全尾砂固结排放的污染物浸出-迁移行为。将构建的数学模型嵌入到Comsol软件中,对不同阶段、不同外界环境及不同配比条件下污染物浸出-迁移行为进行模拟研究,主要结论如下:(1)尾砂排放的沉降泌水阶段,随着水泥水化反应的开展,排放体中孔隙率、储水系数及渗透系数降低,孔隙水压力增加,固相骨架上应力减小,排放体体积减小;不同水泥掺量的排放体中,孔隙水压力、固相上应力、体积变形的变化规律基本一致;最初排放时,排放体孔隙间流体中溶质浓度较高,随着固相上重金属的浸出,排放体中溶质浓度进一步升高;基底土壤中重金属含量较少,而孔隙水的消散会带走部分溶质,其含量会进一步降低;由于尾砂固结排放沉降泌水的时间较短,排放体中水份尚未来得及排除,导致尾砂中重金属基本未向基底土壤中转移,这一阶段模型中污染物迁移不显著。(2)尾砂排放较长时间后,排放体内散体结构发生了改性,排放体孔隙率、储水系数、渗透系数、污染物浸出速度及溶质扩散系数发生了显著降低,且水泥掺量越大降低幅度越大。对于干旱地区,当排放体发生补水时,排放体及基底土壤中饱和度、流网及孔隙水压力等渗流特征随水泥掺量不同而变化。水泥掺量越大,水份渗透越慢,有效饱和度大小和范围变化越慢,孔隙水压变化越慢;对于多雨地区,其孔隙水压力和渗透速度也随水泥掺量的变化。水泥掺量越大,水份渗透越慢,孔隙水压变化越慢。显然,掺水泥固结排放尾砂能够显著地减弱排放场的渗流行为。(3)干旱地区和多雨地区的污染物浸出与迁移行为有很大不同。干旱地区发生补水时,排放体中重金属开始浸出、溶质浓度升高,并向土壤中迁移;排放体向基底土壤中溶质迁移范围随着补水时间的增长而扩大,随着水泥掺量的增加而减小。可以看出,由于水泥掺量的增加,排放体渗透性能及溶质迁移性能降低,重金属的浸出及迁移到有效的控制。而对于多雨地区,由于排放体长期处于饱和状态,排放体中重金属污染物已充分浸出并发生一定程度的迁移,污染物迁移的范围本身较大;多雨地区发生降雨时引起的补水水头大、持续时间长,当水泥掺量较低或不掺水泥时,多雨地区补水引起的重金属污染物扩散范围会远大于干旱地区的污染物扩散范围;而随着水泥掺量的增加,排放体向基底土壤中溶质迁移范围显著减小,固结排放的尾砂中重金属浸出及迁移也能得到显著的控制。因此,尾砂固结排放能够有效地控制排放体中污染物的浸出,对排放体中污染物向基底土壤中迁移形成较好的阻滞和调控作用。