銅礦堆浸場防滲系統選擇

張建軍，羅敏杰

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

近年來，隨著科學技術的進步與發展，世界各國對礦產資源的需求量也日益增加。然而，隨著資源開發地不斷深入，高品位資源將面臨枯竭。為了最大限度地開發和利用現有的礦產資源，各國對金屬品位低、細小分散和組成復雜的礦石，往往采用堆浸技術進行處理。目前，堆浸因其工藝簡單、設備少，投資少，見效快，生產成本低和礦石的適應性強等優點已成為礦山大規模處理貧礦、尾礦和廢礦石的經濟有效的重要方法。

在堆浸過程中，堆浸場防滲系統尤其重要。堆浸場防滲系統是在堆浸場底部及邊坡采取工程措施建立一種水力屏障，一般由基礎層、防滲層和防滲保護層組成。其主要作用是將堆浸場內的含銅酸性溶液與外界隔離，一方面有利于高效收集堆浸場的浸出液，可大幅提高礦山的經濟效益；一方面將含銅酸性溶液與地下水、地表水周邊土壤進行隔離,使其不污染周邊環境,有效地保護環境[1]。因此，建設具有高標準、高水平防滲系統的堆浸場是現代濕法冶煉礦山體現高標準環保要求的關鍵標志。

1 堆浸場防滲系統形式與選擇

根據場地不同基礎層條件，堆浸場防滲系統分為天然黏土防滲層和人工材料防滲層[2]。天然黏土防滲層中的黏土往往可在現場就近取材，成本低廉，因而被廣泛用于堆浸場的防滲系統。黏土防滲層的滲透系數必須很低（k≤1.0×10-7cm/s），并且還需有足夠的抗剪強度和最小的收縮勢以防止防滲層脫水開裂。天然黏土防滲系統（見圖1）主要應用于早期的堆浸場，隨著人工材料的興起，天然黏土目前主要是作為堆浸場的初級墊層。

圖1 壓實黏土防滲層結構示意

20世紀80年代初起，人工材料開始廣泛運用于堆浸場。一套完好的人工材料防滲系統，相當于約30 m厚的低滲透性黏土防滲層[2]。按照人工防滲材料的材質分類，目前常用的人工防滲材料有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、乙烯/醋酸乙烯共聚物（EVA）、高密度聚乙烯（HDPE）等。它們是一種高分子化學柔性材料，具有滲透系數小，比重較小，延伸性較強，耐腐蝕、耐低溫等優勢。堆浸場中采用最廣泛的人工防滲材料為HDPE土工膜，該材料水蒸氣滲透系數為k≤1.0×10-13g·cm/(cm2·s·Pa)，具有良好的防滲性能。人工材料防滲層按照人工防滲材料的數量可分為單層人工材料防滲層、復合人工材料防滲層和雙層人工材料防滲層。單層人工防滲層主要由一層HDPE土工膜組成（見圖2），在基礎層較好的場地，可以極大地提高堆浸場浸出液的收集效率，降低地下水受污染的風險。

圖2 單層人工材料防滲層結構示意

由于單層人工防滲層偶爾存在著接縫、破洞等風險，人工防滲系統將壓實黏土防滲層、單層人工防滲層相結合，擬推出“HDPE膜+壓實黏土/鈉基膨潤土防水毯”（簡稱“復合人工材料防滲層”）和“雙層HDPE膜+壓實黏土/鈉基膨潤土防水毯”（簡稱“雙層人工材料防滲層”）的復合人工材料防滲系統，見圖3、圖4），以適應要求更加嚴格的復雜場地。

圖3 復合人工材料防滲層結構示意

圖4 雙層人工材料防滲層結構示意

防滲結構選用主要受基礎層的地質條件影響：天然黏土防滲層對場地基礎層要求高，國內能夠滿足此類要求的場地較少；單層人工防滲材料防滲層只有1個防滲層，系統構筑相對簡單，對場地基礎層要求較高；復合人工材料防滲層和雙層人工材料防滲層適用于場地基礎層條件差的場地。依據不同的場地基礎條件，防滲結構選擇可參考圖5。

圖5 防滲結構選擇參考

在進行堆浸場防滲系統設計應根據環境影響評價確定的建設標準和不同的場地基礎條件對防滲系統進行選擇。

2 工程實例

本文以紫金山金銅礦銅礦堆浸場為例，對防滲結構選擇進行分析。

該項目位于福建省上杭縣境內。銅礦堆浸場擬建堆場區域所在的同康溝溝谷區域，周圍山體高厚，無強透水層分布，不存在向鄰谷滲漏，為獨立的水文地質單元。深部地下水貧乏，無供水意義，水文地質、工程地質條件簡單。溝谷底部地段僅上部分布有含水層厚度不大的第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，不是地下水的主要補給區和飲用水源含水層。場地現狀上部由渣土堆填而成，下部分布有層位穩定，滲透系數小的巖層。銅礦堆浸場底部各巖層分布情況見表1。

表1 銅礦堆浸場底部各巖層分布情況

根據表1中浸場底部各巖層分布情況，基礎層的滲透系數k＞1.0×10-5cm/s，層厚處于3.20～58.50 m之間，基礎層條件復雜。參照圖1,該基礎層可選擇雙層復合人工材料防滲層、復合人工材料防滲層兩種防滲系統類型，方案對比見表2。

表2 防滲系統方案比較

由表2可知，雙層復合人工材料防滲層的防滲安全性能更好，能夠更好地適應復雜條件的堆浸場，但人工材料的增加造成了工程投資的增大。鑒于本案例中，堆浸場產生的浸出液pH極低，且含銅量達到了危險廢物級別，同時堆浸場運行初期礦石大規模進礦筑堆可能對防滲結構層造成一定不利影響。經綜合比較，防滲系統擬采用雙層復合人工材料防滲層，以保障銅礦堆浸場防滲系統的安全性和經濟有效性。

3 應注意的事項

3.1 生產原材料對HDPE膜使用壽命、性能的影響

高密度聚乙烯（HDPE）膜是以原生樹脂為原材料，適當添加了一些抗老化的助劑的一種優質防滲膜。因其防滲性能極好、化學穩定性好，耐酸、堿和各類鹽的腐蝕，已成為國內外環保防滲工程領域的主要材料。

我國地域幅員遼闊，部分區域夏季白天溫度高達40℃以上，冬季夜晚溫度低至零下30～40℃，溫度變化幅度大。這就要求HDPE膜需同時具備優良的抗紫外線能力、耐低溫脆化性能和耐環境應力開裂能力。但市面上存在一些摻雜再生料生產的HDPE膜。這類膜抗拉強度和斷裂延伸率下降，相比純原生料生產的HDPE膜，耐環境應力開裂能力大幅度降低，無法達到預期的防滲隔離屏障的作用，且容易發生老化、開裂，從而造成嚴重的滲漏、污染事故。因此，在防滲系統中需要使用HDPE膜時，應選用優質原材料加工生產的HDPE膜，才能滿足復雜外部環境下對膜材料質量的要求。

3.2 膨潤土材料的問題

天然膨潤土分為鈣基和鈉基兩大類。在一般情況下，鈉基膨潤土較鈣基膨潤土的防滲性能優越，其主要表現在：吸水率與膨脹倍數大,防滲性能好。天然鈣基膨潤土在吸水率與膨脹倍數方面相比鈉基膨潤土大100及以上，無法滿足環保防滲方面對滲透系數k≤1.0×10-7cm/s的要求。因此在國際上、我國環保規范的均要求采用鈉基膨潤土作為防滲材料。

膨潤土存在某些使用條件的限制。膨潤土在Ca2+、Cl-、K+電解質溶液中不膨脹，即在有Ca2+、Cl-、K+電解液存在環境中，不能用膨潤土作為防滲材料。膨潤土吸附Cl-后，其產生物易燃，且具有毒性，會對環境造成危害。我國的《鈉基膨潤土防水毯》（JG/T 193—2006）標準中也明確指出“鈉基膨潤土防水毯不適用于存在高濃度的電解質溶液的防水、防滲工程”[4]。

另外，膨潤土的pH值也是影響膨潤土抗滲能力的重要因素。國際上對膨潤土的各項指標，各國的提法不一樣，也很不規范。我國現行規范中還未對膨潤土的pH值提出要求。但美國防滲膨潤土的pH值要求為中性（pH≈7）。試驗證明，當膨潤土pH＞8時，其抗滲能力衰減得很快，甚至半年就失效，將不能達到永久防滲的要求。

因此，國內學者[5]認為膨潤土要作為環保防滲材料使用必須同時滿足以下條件：1）膨潤土的pH值不應大于8；2）滲透系數應小于5.0×10-7m/s；3）通過百年加速老化試驗。

4 結語

綜上所述，可以得到如下結論：1）堆浸場堆浸工藝相對簡單，工藝效果好壞關鍵在于堆浸場的防滲系統是否具有高效屏障隔離的作用。由此，防滲系統結構的設計是堆浸場技術的關鍵。2）根據各個場地地質條件特點，選擇不同結構的防滲體系，能夠有效地回收浸出液，并建立地下水的污染隔離屏障。3）相對天然黏土防滲層，土工材料組成的防滲系統對各種基礎層類型的場地具有更好的適應性。4)面對我國日益嚴峻的環保問題，雙層復合人工材料防滲層對比其它結構形式的防滲層，更加適應復雜地基層場地，以保障銅礦堆浸場安全有效性的運行。