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2010年第六次自然计算国际会议(ICNC 2010)
矿山尾矿库排水质量的模拟与预测
中国衡阳南大核子资源与核燃料工程学院：
电子邮件：kxtan@usc.edu.cn
文摘：建立了尾矿-水相互作用的动力学模型，该模型考虑了硫化物氧化、煤矸石溶解、氧扩散、水的流动和传质、矿物溶解沉淀引起的尾矿孔隙度和渗透率的演化等多种因素和过程之间的耦合和反馈。采用有限元法和改进的拉格朗日法求解动力方程组，编制了建模程序。以湘西金矿为例，说明了该模型在尾矿废水质量模拟与预测中的应用。数值模拟结果表明，尾矿-水的相互作用在早期会导致重金属的酸化和释放，而重金属是造成环境持续污染30年的主要原因。尾矿孔隙水可逐渐中和，受污染物种含量随时间的推移呈明显下降趋势。结果表明，煤矸石溶解和有机质反应能促进酸性中和，降低氧在尾矿蓄水中的扩散速率。尾矿上部孔隙水含量明显高于下部，6m深度变化较大。因此，尾矿蓄水中的水文分带现象是地球化学分带的原因之一。模拟结果与现场数据吻合较好，表明该模型具有预测硫化物矿山尾矿蓄水水质的潜力。
关键词：尾矿-水相互作用；动力学模型；数值模拟；湘西金矿
- 导言
矿石的开采和加工产生了大量的尾矿，这些尾矿通常以尾矿蓄水的形式存在于特定区域的地表上。硫化物矿山尾矿库出水是一个重要的环境问题。尾矿蓄水中硫化物矿物的氧化以及由此产生的酸和污染物(包括重金属和砷)向尾矿孔隙水的释放可持续几十年至几个世纪[1-2]。当降水不受阻碍地渗透、没有底盘、不安装排水装置时，包括地表水和地下水在内的水体污染就会发生。摘要数学建模是了解尾矿蓄水下游地下水系统的物理、化学和生化过程，了解这些过程之间复杂的相互作用的有效工具，为尾矿蓄水的管理提供了许多启示。尽量减少环境污染。因此，迫切需要开发可靠的模拟技术来描述尾矿内部的地球化学相互作用，预测未来的环境危害，有利于酸性矿山废水的进一步防治和修复。近20年来，利用耦合反应输运模型，发展了一些模拟污染物在地下的归宿和迁移的新方法[3]。然而，耦合反应输运模型在尾矿蓄水中的应用尚不多见[4]。
湘西金矿(XXGM)是位于湖南省境内的大型金锑钨矿床，已开发了120多年.在长期的采矿和碾磨活动中，产生了大量的尾矿，包括3个尾矿蓄水池和10个废物堆场。对湖南西部地区尾矿-水相互作用的环境效应进行了探讨，结果表明，尾矿-水的相互作用在这些地区是很强的，导致了酸性水的产生和重金属(Au、Sb、As、Hg、Cd、Pb)的释放，污染了水、土壤。植物和其他表面环境。本文在化学反应和传质耦合过程的基础上，对XXGM尾矿与水相互作用的动力学过程和机理进行了数值模拟。
- 计算模拟
- 尾矿-水相互作用的化学机制
对XXGM尾矿矿物学和地球化学的研究表明，尾矿中的金属矿物包括富硫化物的锑铁矿和黄铁矿，伴随少量方铅矿、闪锌矿、黄铜矿和毒砂[5]。黄铁矿中的Au、Sb、Cu、Pb、Zn、As、Cd等微量元素含量较高。尾矿中的脉石矿物主要由石英、方解石、白云石、绿泥石、绢云母等组成。
首先，黄铁矿和其他金属硫化物的氧化主要是酸和重金属的释放。与黄铁矿氧化有关的化学反应如下：
FeS2(s) 7/2O2 H2O→Fe2 2SO4 2– 2H . (1)
Fe2 1/4O2 H →Fe3 1/2H2O. (2)
Fe3 3H2O→Fe(OH)3(s) 3H . (3)
FeS2(s) Fe3 3O2 2H2O→3Fe3 2SO42– 4H . (4)
铁离子氧化黄铁矿的速率(Eq.4)比氧气快3~100倍(Eq.1)(摩西和赫尔曼，1991)。在非生物条件下，前者受铁离子氧化速率和铁离子氧化速率(Eq.2)的控制随pH值的降低而迅速下降。但某些氧化铁细菌(主要是氧化亚铁硫杆菌)能催化亚铁氧化，使总黄铁矿氧化速率提高1times;106倍。一般来说，黄铁矿在生物条件下的氧化速率是非生物条件下的10~100倍[6]。在我们的模拟中，我们用Eq.1计算了黄铁矿氧化过程中的耗水量、耗氧量和产能量。
黄铜矿和毒砂在表面环境中被铁离子氧化的典型过程可以描述为Eq.5和Eq.6.此外，其它金属硫化矿与黄铁矿在尾矿中的氧化反应也可以用Eq.7进行总结。
CuFeS2 16Fe3 8H2O→Cu2 17Fe2 2SO42– 16H (5)
FeAsS 13Fe3 8H2O→14Fe2 SO4 13H H3AsO4 (6)
MS 2Fe3 3/2O2 H2O→Mn2 2Fe2 SO 2– 2H (7)
4
其中M是二价金属，如Pb2 ，Zn2 等。
在此应强调的是，Au元素在XXGM尾矿中有明显的迁移和二次富集。近年来的研究表明，硫代硫酸盐作为硫化物氧化产生的亚稳态中间体，在表面氧化环境中对金的溶解和迁移起着重要作用。
Au Fe3 2S2O32–→Fe2 Au(S2O3)2 3– (8)
其中，298.2K反应的lgK为10.49。
除上述金属硫化物氧化反应外，尾矿中大量的煤矸石矿物与硫化物氧化产生的酸性水之间也可能发生溶解反应。尾矿中脉石矿物的主要溶解反应如下(Eqs.9-12):
Calcite:CaCO3 SO42– 2H →CaSO4 H2O CO2 (9)
Dolomite: CaMg(CO3)2 2SO42– 4H →CaSO4 MgSO4 2H2O 2CO2 (10)
Quartz: SiO2 4H →H4SiO4 (11)
Muscovite: KAl2(AlSi3O10)(OH)2 H 3/2H2O
→K 3/2Al2Si2O5(OH)4(s) (12)
可见，上述溶出反应在水溶液中会消耗H，对尾矿孔隙水的pH值产生缓冲作用。这些酸中和反应可导致尾矿蓄水孔隙水(TIPW)pH值的增加和某些重金属的沉淀，这与硫化氢氧化反应不同，其不受氧浓度的影响。它们在尾矿-水的相互作用中也起着重要的作用。
应当指出的是，尾矿蓄水池，特别是一些表面覆盖庄稼的旧矿坑，往往含有有机物。例如，1号和2号XXGM尾矿蓄水池的表面被回收，覆盖着形成有机覆盖层的作物。由于尾矿表面的有机体，也会发生以下反应：
CH2O(org) O2→CO2 H2O (13)
4Fe(OH)3 CH2O 7H →4Fe2 HCO3– 10H2O (14)
CH2O SO42–→HS– H2O3– H (15)
M2 HS–→MS(s) H (16)
有机物可以提高TIPW的pH值和碱度，降低金属离子的浓度，消耗大量的氧气，进而形成氧扩散屏障，对防止硫化物氧化和污染物的产生具有重要意义。
- 氧气输送
如上所述，氧在尾水相互作用中起着重要的作用，尤其是在黄铁矿和其他硫化物的氧化过程中。氧可以通过两种机制进入尾矿蓄水：(1)雨水中的溶解氧渗入尾矿；(2)气相氧在尾矿孔隙中的扩散。
假设溶解物的饱和浓度在25℃的温度下，雨水中的氧气为8mg/L，当雨水在尾矿中的渗透速率为0.5m/y时，则可推断氧通量为1.3times;10-10 kg/(m2·s)。借助当量的化学计量系数。1、在尾矿孔隙中保留一定量的氧，并将一半的氧转化为硫酸盐，上述氧通量可使尾矿孔中的硫酸盐浓度保持在7 mg/L左右。在XXGM中，受尾矿影响的水中硫酸盐浓度为15.3~52.7mg/L，渗透到尾矿中的雨水中溶解氧对硫化物氧化起着重要作用。
氧主要通过尾矿孔隙通过扩散传递，在尾矿孔隙空间中形成氧浓度梯度。松散尾矿中的氧扩散系数与含水量有关，气态扩散系数与松散沉积物中充气孔隙度的关系可用Eq.17表示：
D(o2)=3.98times;10-5 [(Phi;R-0.05)/0.95]1.7T3 / 2 (17)
其中D(o2)是氧扩散系数，Phi;R是充气孔隙度，T是热力学温度，Eq.17结果表明，水饱和尾矿中的氧扩散系数远小于非饱和尾矿中的氧扩散系数。当尾矿孔隙含水量较高时，可减少充气孔隙率、氧气扩散，进而防止硫化物氧化。
3.数字模型
在水岩石相互作用的动力学模型和计算模拟中，已经取得了许多研究成果。当进行尾矿水相互作用的定量模拟以及污染物的生产和运输时，我们必须考虑以下物理化学过程：(1)TiPW中的气体输送和气态氧浓度；(2)硫化物的氧化反应，脉石的溶解反应和其它重要化学反应(有机物反应，二次矿物沉淀，等）(3)水的流动和溶质的传质；(4)尾矿中的热量输送。上述物理化学过程可描述为以下Eq.18-25:
溶质质量守恒：
(18)
氧质量分数守恒：
(19)
气相和水的质量平衡：
(20)
动量守恒(达西定律):
(21)
连续性方程： (22)
能量守恒(热方程)：
(23)
alpha;=g,w,s
反应矿物的分数： (24)
孔隙度方程： (25)
在上述方程中，Ci为溶质组分I的浓度，phi;g为尾矿中的充气孔隙度，phi;w为充水孔隙度，phi;m为m类矿物的体积分数，upsilon;为水流量，DI为组分I的扩散系数，2D()O为氧扩散系数；rho;alpha;为alpha;相的密度[alpha;为气(G)，水(W)，尾矿(S)]，即rho;g，rho;w，rho;s为气、水、尾矿的密度，Valpha;为alpha;-相的体积，sigma;alpha;为相应的源项，KT为总导热系数；omega;s是可以氧化的矿物的质量分数，omega;g是气相中氧的质量分数，kappa;是渗透张量，mu;是TIPW的粘度，calpha;是alpha;-相的比热，ε是单位质量硫化物氧化的需氧量，Ri是组分I的化学反应速率，R(o2)是O2组分的化学反应速率。RS是硫化物氧化的反应速率，p是流体压力，Q是达西流，delta;是单位质量硫化物释放的总热量。
矿物溶解或氧化过程的反应速率可以描述为单位时间溶质
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