尾矿坝化学淤堵机理与过程模拟研究

论文摘要

尾矿坝的安全稳定性对周围生态环境和人民生命财产安全都具有非常重要的影响。淤堵的发生会导致尾矿坝的排水不畅,从而影响其稳定性与安全性。淤堵的形成机理与控制等的研究是解决这一问题的关键。本文在国家自然科学基金“变饱和介质中变形-渗流-化学过程耦合模型研究”（批准号:10572090）资助下,通过现场调查与观测、实验室ICP-AES、XRD和SEM-EDS分析、室内砂柱试验等方法,探讨了引起尾矿坝淤堵的主要物质、淤堵形成机理、淤堵过程与渗流之间的相互作用,取得了以下主要研究成果:（1）对金堆城钼业公司栗西尾矿坝进行的现场调查结果表明,尾矿坝库水及辐射井出水主要为SO42-—Ca2+和SO42--HCO3-—Ca2+型水,pH值为6.8-7.5。淤堵物质中铁元素的含量最高,2个淤堵样品铁元素含量分别为54.35%和40.24%。淤堵物质主要是氢氧化铁及其转化产物组成的混合物质,结构松散,并呈团簇状分布。（2）亚铁氧化试验结果表明,亚铁的氧化服从一级动力学方程,氧化速率与pH值联系密切,pH值越高,氧化速率越快;亚铁初始浓度越大,氧化速率也越快。（3）以不同粒径石英砂（5#砂,粒径0.20-0.50 mm;6#砂,粒径0.10-0.20 mm;8#砂,粒径0.076-0.15 mm）为填充介质,通过上流式运行方式向试验柱内连续输入亚铁溶液,同时不断调节溶液层pH值在6.8-7.5间变动,在自然供氧条件下,溶液层中的亚铁不断发生氧化反应,逐渐生成淤堵物质,淤堵物质不断积累堵塞出水口是引起淤堵的主要原因。当输入的亚铁溶液浓度为100 mg/L时,5#石英砂柱、6#石英砂柱及8#石英砂柱分别经过20、23和26天运行,淤堵发生;当输入的亚铁溶液浓度为10 mg/L时,5#石英砂柱、6#石英砂柱及8#石英砂柱分别经过54、51和77天运行,淤堵发生。试验结果表明,淤堵的发生与亚铁输入浓度有关,浓度越高,淤堵发生的时间越短;同时淤堵的发生也与填充介质性能存在一定关系。各淤堵试验过程中,渗透系数只在最后阶段发生突变,显著降低。同时进行了尾矿砂柱淤堵试验,当输入的亚铁溶液浓度为100 mg/L和10 mg/L时,分别经过42和105天运行,淤堵发生。试验过程呈现两个变化阶段:第一阶段尾矿砂层缓冲能力不断饱和;第二阶段亚铁不断氧化生成淤堵物质,导致淤堵发生。渗透系数的变化类似于石英砂柱淤堵试验。各淤堵试验结束后对淤堵物质进行分析,淤堵物质铁元素含量均高于37%。分析结果表明淤堵物质呈松散的团簇状结构,氢氧化铁是其初始主要成分。（4）采用交替式输入溶液运行方法进行的淤堵试验中,弥散系数的变化可分为两个阶段。第一阶段随着淤堵的不断发生,淤堵物质的积累造成多孔介质系统异质性增强,引起弥散系数逐渐增大;第二阶段,淤堵物质在多孔介质中的积累逐渐达到相对稳定平衡的状态,孔隙分布又逐渐趋于均匀,导致弥散作用减弱,相应地弥散系数从最大逐渐减小。（5）假定亚铁离子已经氧化形成氢氧化铁淤堵物质,开展了一系列砂柱试验,获得了浓度与渗透系数、弥散系数等量之间的关系,建立了多孔介质淤堵过程的渗流和溶质运移耦合模型。（6）对6#石英砂柱淤堵试验出水的亚铁、总铁和可过滤性总铁的浓度变化尝试采用混沌理论和分形理论进行了模拟。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 尾矿坝研究进展
• 1.2.1 尾矿坝事故回顾
• 1.2.2 尾矿坝安全稳定性研究
• 1.2.3 尾矿坝环境问题研究
• 1.3 淤堵现象研究进展
• 1.3.1 淤堵现象的试验研究
• 1.3.2 淤堵现象的数学模型研究
• 1.3.3 淤堵现象的现场研究
• 1.4 选题依据
• 1.5 本文的研究内容和技术路线
• 第二章 金堆城栗西尾矿坝淤堵现象现场调查
• 2.1 金堆城栗西尾矿坝概况
• 2.1.1 金堆城矿区概况
• 2.1.2 金堆城栗西尾矿坝基本情况
• 2.2 现场调查材料与方法
• 2.2.1 样品采集
• 2.2.2 样品分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 固体和淤堵样品的化学组成
• 2.3.2 尾矿坝出水水质
• 2.4 小结
• 第三章 尾矿坝化学淤堵现象的室内试验
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 亚铁氧化试验材料与方法
• 3.1.2 石英砂柱淤堵试验材料与方法
• 3.1.3 尾矿砂柱淤堵试验材料与方法
• 3.2 亚铁氧化试验结果与分析
• 3.2.1 pH 值对亚铁氧化速率的影响
• 3.2.2 初始浓度对亚铁氧化速率的影响
• 3.2.3 亚铁氧化试验其他参数变化
• 3.3 石英砂柱淤堵试验
• 3.3.1 6#石英砂柱淤堵试验
• 3.3.2 5#石英砂柱淤堵试验
• 3.3.3 8#石英砂柱淤堵试验
• 3.3.4 分析与讨论
• 3.4 尾矿砂柱淤堵试验
• 3.4.1 亚铁溶液输入浓度为100 mg/L 的淤堵试验
• 3.4.2 亚铁溶液输入浓度为10 mg/L 的淤堵试验
• 3.4.3 分析与讨论
• 3.5 淤堵物质分析
• 3.6 小结
• 第四章 示踪试验研究砂柱化学淤堵过程中水动力弥散系数变化
• 4.1 水动力弥散系数
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验装置
• 4.2.3 试验步骤
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 亚铁溶液输入浓度为1000 mg/L 的6#石英砂柱示踪试验
• 4.3.2 亚铁溶液输入浓度为100 mg/L 的6#石英砂柱示踪试验
• 4.3.3 亚铁溶液输入浓度为1000 mg/L 的5#石英砂柱示踪试验
• 4.3.4 亚铁溶液输入浓度为100 mg/L 的5#石英砂柱示踪试验
• 4.4 小结
• 第五章 多孔介质淤堵现象数学模拟
• 5.1 多孔介质淤堵现象数学模拟理论基础
• 5.1.1 多孔介质渗流方程
• 5.1.2 多孔介质系统溶质运移方程
• 5.2 试验材料与方法
• 5.2.1 试验材料及其性能
• 5.2.2 确定渗透系数等物理量与浓度关系的试验方法
• 5.2.3 柱试验方法
• 5.3 数学模拟
• 5.3.1 计算机模拟流程
• 5.3.2 数学模型的求解
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 确定渗透系数等物理量与浓度关系的试验结果与讨论
• 5.4.2 柱试验结果与讨论
• 5.5 小结
• 第六章 混沌与分形在淤堵试验水质模拟预测中的应用
• 6.1 混沌法在淤堵试验水质模拟预测中的应用
• 6.1.1 全域混沌法及其降维改进法在淤堵试验水质模拟中的应用
• 6.1.2 传统混沌预测法在淤堵试验水质模拟预测中的应用
• 6.2 分形理论在淤堵试验水质模拟预测中的应用
• 6.2.1 分段变维分形方法在淤堵试验水质模拟预测中的应用
• 6.2.2 分形插值在淤堵试验水质模拟预测中的应用
• 6.3 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 研究的创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间完成的论文