在過去的二十年，土工合成材料廣泛地應(yīng)用于采礦工業(yè)。典型的應(yīng)用包括土工布過濾、土工膜防滲和土工格柵加固。一般而言，土工合成材料的表現(xiàn)令人滿意，并且提高了采礦工程的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境保護(hù)效果。然而，也出現(xiàn)了一些失敗。大多數(shù)失敗與邊坡穩(wěn)定性有關(guān)。邊坡穩(wěn)定性取決于層面間的磨擦角。本文綜述了土工合成物在礦業(yè)中的各種應(yīng)用，討論了典型的設(shè)計(jì)方法，指出了需要開展更多的研究和評估的方面。本文的撰稿者希望通過這種形式的討論，使得更多的礦山了解土工合成物在采礦工程中的應(yīng)用，有更多的礦山更廣泛地應(yīng)用土工合成物。這對于提高我國礦產(chǎn)資源的回收利用率與礦山的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，大大減少滴、跑、滲、漏液體對礦山生態(tài)環(huán)境的污染，具有重要的作用。
1 法律、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保方面的考慮
采礦工業(yè)生產(chǎn)的商品，按市場價(jià)格在市場上銷售。在開發(fā)一個(gè)新的采礦工程項(xiàng)目時(shí)，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保是兩個(gè)重要的考慮因素。與垃圾等有毒有害廢棄物填埋場和其它公共工程不同，采礦業(yè)成本不能直接由消費(fèi)者來支付。因此，土工合成物在采礦中愈來愈廣泛的應(yīng)用是經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)共同作用的結(jié)果。
在美國，垃圾填埋場和有毒有害廢物處理是受聯(lián)邦法規(guī)制約的。1976年頒布的“資源保護(hù)和回收法案（RCRA）”的第C和D條下的法規(guī)及其隨后的修改案，在很大程度上控制著土工合成物在固體廢物填埋場和有毒有害廢物填埋場的應(yīng)用及其詳細(xì)設(shè)計(jì)。由于聯(lián)邦法規(guī)沒有專門針對采礦工程中土工合成物的應(yīng)用條款，于是上述條款中的大部分就成了采礦工業(yè)應(yīng)用土工合成物的法律基礎(chǔ)依據(jù)。根據(jù)1977年“凈水法案”通過的科羅拉多州立法規(guī)和其它州立礦山墾復(fù)法案，控制著采礦工業(yè)中土工合成物的應(yīng)用設(shè)計(jì)。這些法規(guī)中的大多數(shù)是建立在效果之上，而不是建立在既定的準(zhǔn)則之上的。這就允許采礦工程師在進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)時(shí)，可以有一定的靈活性，能夠創(chuàng)新和使用新材料。這種靈活性，對于維持采礦工業(yè)的長期經(jīng)濟(jì)繁榮是非常重要的。
在我國，愈來愈嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求，也促使礦山企業(yè)將符合市場需要的土工合成物產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于礦業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。
采礦工業(yè)中最突出的環(huán)境問題，是采礦過程中如何保護(hù)地下水和地表水不受污染。因此，礦石、廢石和尾礦的容納與堆積是否符合環(huán)保要求應(yīng)當(dāng)是礦山工程設(shè)計(jì)人員在選擇土工材料時(shí)必須考慮的最重要的因素。
為了從礦物中提取金屬，需要使用各種各樣的化學(xué)試劑。堆浸工藝可用于提取金、銀、銅和其它金屬。氰化鈉溶液可用作金、銀的堆浸劑；而硫酸則可用作銅的堆浸劑。浮選工藝也可以用來提取礦物。在這些例子中，需要使用少量的有機(jī)物和其它化學(xué)試劑，其產(chǎn)生的溶液中，通常也含有某些低濃度的化學(xué)物質(zhì)。
現(xiàn)有的土工合成物，一般都能承受采礦業(yè)通常使用的化學(xué)試劑的腐蝕。在常見的pH值2到10.5范圍內(nèi)，土工膜能抵抗化學(xué)腐蝕，土工布也能安全地使用。通常，較多考慮的是土工膜對化學(xué)元素的適應(yīng)性，而不是采礦業(yè)所使用的化學(xué)試劑。
2 堆浸場
堆浸法廣泛地用來提取金、銀、銅和其它金屬。使用該法時(shí)，低品位的礦石堆放在堆浸場里，堆浸場事先用滲透系數(shù)低的材料來作防滲襯墊。堆浸液從礦堆的頂部淋下，滲透過礦堆（礦堆并沒有完全浸透）并最終匯積在底部透水層，然后在鋪有襯墊的集液池中收集母液，最后通過不同的工藝提取各種金屬。堆浸場使用土工合成物時(shí)，防止污染和順腸排水是應(yīng)當(dāng)考慮的兩個(gè)最重要的因素。
土工膜材料的總體表現(xiàn)及其作為襯墊防滲系統(tǒng)的原理是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。在襯墊設(shè)計(jì)中，只有兩個(gè)參數(shù)可以控制：在襯墊上的水頭和襯墊的滲透系數(shù)。復(fù)合襯墊已成功地應(yīng)用于堆浸池設(shè)計(jì)。在復(fù)合襯墊上的水頭一般非常低（小于1m）。在使用天然山谷作為堆浸池時(shí)，由于母液是在礦堆的孔隙中流動的，因此可以使用較高的堆高。水頭較低的復(fù)合襯墊，對大多數(shù)堆浸場來講是優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
堆浸場通常配有地面溶液池。無礦殘液和母液分別貯存在有襯墊防滲層的池中。母液池收集到通過礦堆滲透下來的含礦溶液后，再經(jīng)過碳吸附或其它金屬的置換處理，提取可回收的金屬元素，例如金、銀和銅等。無礦廢液則送到另一個(gè)襯墊防滲池中貯存，直到加入新的化學(xué)試劑配制成新的堆浸液。因此，堆浸液可以循環(huán)使用。
如果池中有高壓水頭，通常需要在復(fù)合襯墊上設(shè)置排水層和另外一層土工膜。這個(gè)上層土工膜的作用是減少在復(fù)合襯墊層上的水頭，因?yàn)橥ㄟ^該層土工膜的滲漏液，將由排水層排走。在這種情況下，最重要的襯墊層仍然是底部的復(fù)合襯墊層。上層土工膜和排水層不應(yīng)理解為滲漏探測系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兾挥谡麄€(gè)系統(tǒng)中最重要的復(fù)合襯墊層上面。只有當(dāng)滲漏液進(jìn)入復(fù)合襯墊下面的地層時(shí)，才有滲漏探測出現(xiàn)。
在堆浸場常用的土工膜有PVC、HDPE、LLDPE和VLDPE。在過去，其它材料，象Hypalon和XR-5，也有用于收集溝和收集池的，但這種應(yīng)用在近10年已大為減少。聚乙烯土工網(wǎng)也可用作排水材料。不同厚度和不同材料的有紡和無紡?fù)凉げ家彩褂幂^廣。土工膜的常用設(shè)計(jì)方法描述如下。
1 )界面荷載測試
首先，為了評估土工膜在礦堆靜載作用下的特性，需要用設(shè)計(jì)材料進(jìn)行界面靜載測試。這種測試可用加力計(jì)來做。加力計(jì)的直徑應(yīng)當(dāng)足夠的大，以避免比例效應(yīng)。在采礦實(shí)踐中，與土工合成物相接觸的礦石的粒徑一般為1.25cm到4cm。
豎直荷載的大小一般從550kPa到2000kPa，加在加力計(jì)的頂部。要測試的襯墊，排水層和襯墊上的材料，按工程設(shè)計(jì)的方式放置在加力計(jì)內(nèi)。施加的豎直荷載一般維持24h到48h。記錄樣品的沉降量以檢驗(yàn)樣品的固結(jié)情況。加載完畢后，從加力計(jì)中取出樣品并檢查其損傷。損傷一般根據(jù)磨損，刻痕和穿孔情況來描述。
也可用真空盒測試來檢測土工膜的完整性。此外，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的土工合成物測試，來檢測土工膜的物理性質(zhì)，并和原生樣品的測試結(jié)果相比較。這種加載測試獲得的結(jié)果，可用來判斷材料在靜載下的適應(yīng)能力及其變形特性。
2 )界面剪力強(qiáng)度
另一個(gè)重要問題，是土工膜與其相接觸的各種材料的界面剪力強(qiáng)度。界面剪力強(qiáng)度一般按ASTM D 5321用大型的直剪儀來測試。界面根據(jù)加載條件進(jìn)行評估，包括：
襯墊和排水系統(tǒng)可能有很多潛在的破壞面。通常應(yīng)對幾種不同的界面，在不同的荷載作用下進(jìn)行評估，以決定最弱的界面（控制界面）。盡管殘余值和峰值包絡(luò)線都應(yīng)確定，但是一般用殘余值作穩(wěn)定性分析。
美國丹佛市的 Golder Associates Inc. 公司對某堆浸工程用大型直剪儀（30cm X 30cm）對幾種設(shè)計(jì)的土工合成材料和土，作了很多界面剪切強(qiáng)度測試。對HDPE和LLDPE材料都作了測試，測量了峰值和殘余剪切強(qiáng)度。測試結(jié)果表明，襯墊下的細(xì)粒土層和襯墊上的粗粒徑的排水層，在測試荷載范圍內(nèi)并沒有明顯地改變界面強(qiáng)度。此外，測得的峰值和殘余值是一致的。發(fā)現(xiàn)的唯一明顯不同，是磨擦角隨土工膜類型的不同而有輕微變化。
3 )滲漏液估計(jì)
可用Bonaparte等人1989年提出的方法來估算滲漏液。該方法一般假定每4000 m2有一個(gè)10mm2的漏洞。關(guān)于土工合成物在堆浸場的使用，還有很多要研究的問題。很多時(shí)候，這些問題是由于好奇而提出的，而不是針對專門的技術(shù)設(shè)計(jì)考慮因素而提出的。一個(gè)特定的問題是，不同的土工膜在與顆粒材料直接接觸時(shí)，在荷載作用下它的長期特性究竟如何。實(shí)驗(yàn)室加載測試一般最多只持續(xù)幾天，而現(xiàn)場加載則是整個(gè)生產(chǎn)期（一般2到10年）。尚不清楚的是，它是否會出現(xiàn)蠕變變形，也不清楚它在荷載作用下，已經(jīng)形成的穿刺能否自愈（也就是說，顆粒有可能最終充填了穿孔的大部分，因而沒有出現(xiàn)明顯的滲漏）。
一般不會將堆浸場的土工膜挖出來進(jìn)行調(diào)查。1995年，對美國科羅拉多州的一個(gè)堆浸場的襯墊作了定性評估。該堆浸場建在一個(gè)尾礦池的上游，其自然邊坡延伸到尾礦池邊。自然邊坡角為2H：1V。堆浸池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：在基層上鋪土工膜，膜上鋪土工網(wǎng)，網(wǎng)上是另一層土工膜。礦堆最大高度為60m。當(dāng)堆浸過的礦石挖出后，對土工膜及其接縫處的樣品進(jìn)行了測試。檢測結(jié)果表明，土工膜及其接縫都沒有出現(xiàn)明顯的損傷，檢測過的試樣也沒有發(fā)現(xiàn)穿孔。
另一個(gè)要考慮的問題是，土工膜/土工網(wǎng)界面在高壓流體作用下的長期表現(xiàn)，如在非常深的池中，將土工網(wǎng)布置于雙層土工膜之間。目前，還不能確定在礦堆荷載作用下，土工網(wǎng)是否會刺入土工膜。因此從長遠(yuǎn)來看，有可能會在土工膜上造成漏洞。在有些案例中，發(fā)現(xiàn)土工網(wǎng)部分地刺入土工膜。一般當(dāng)土工膜的密度比土工網(wǎng)低時(shí)，這種情況會出現(xiàn)（和土工膜相比，土工網(wǎng)相對較硬）。
還有一個(gè)一般不會涉及到的問題是，在峽谷堆浸場中可固結(jié)的材料對邊坡界面作用力的影響。由于礦石的堆置厚度不同，礦堆的沉降會有差異。這會導(dǎo)致沿邊坡上的土工膜產(chǎn)生位移，從而影響礦堆的穩(wěn)定性。只要沿著邊坡上的土工膜產(chǎn)生較小的位移，殘余剪切強(qiáng)度值就能很快達(dá)到。這個(gè)問題可用數(shù)值分析方法來評估，根據(jù)固結(jié)沉降引起的位移來決定可能的剪切強(qiáng)度。
由于土工布會發(fā)生堵塞問題，因此在堆浸場一般不會用土工布來覆蓋排水導(dǎo)管。在作銅礦石堆浸時(shí)，使用細(xì)菌是工藝的一部分，細(xì)菌也因此被認(rèn)為是造成排水管外圍的土工布發(fā)生堵塞的原因之一。到目前為止，并未針對采礦工藝對這個(gè)問題進(jìn)行詳細(xì)研究。
因?yàn)榈V物價(jià)值是通過排水系統(tǒng)的回收來實(shí)現(xiàn)的，因此，解決堆浸場排水系統(tǒng)的堵塞問題是非常重要的。此外，如果發(fā)生土工布堵塞，就會在堆浸池中形成高壓水頭，從而誘發(fā)穩(wěn)定性問題。還有，對于硫化物礦石，維持一個(gè)氧化環(huán)境對于堆浸的成功是非常重要的。如果土工布發(fā)生堵塞而礦石已開始浸透，金屬的回收率就會下降。
尾礦是使用球磨機(jī)或濃縮池選礦時(shí)，從礦石中提取金屬后留下的細(xì)粒物質(zhì)。尾礦的粒徑分布，一般為非常細(xì)的砂到粉沙土。在許多例子中，尾礦含有多達(dá)60%的0.075mm篩下物質(zhì)。
在尾礦池中使用土工合成物時(shí)，主要考慮的是要防止尾礦中液相的污染物因存放過久而發(fā)生滲漏，或者用來減少襯墊上的水頭?？刂莆驳V庫內(nèi)的水位，是庫池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。有些尾礦庫設(shè)計(jì)采用上游建筑法。為了保證壩體的穩(wěn)定，該法需要保持地下水面遠(yuǎn)離尾礦壩面。由于尾礦是泥漿形態(tài)，因此土工合成物在尾礦放置初期，在尾礦壩前面起隔水體的作用。此外，土工合成物還用來構(gòu)筑尾礦庫底部襯墊系統(tǒng)及其下的排水系統(tǒng)。尾礦排放后，就立即通過排水系統(tǒng)和地面尾礦庫管理進(jìn)行脫水。使用庫水管理系統(tǒng)來降低壩面附近的地下水面，以保持壩體土的高強(qiáng)度。
防水襯墊和排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其在不同水頭下的表現(xiàn)，是在設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)研究的問題。在北方地區(qū)寒冷的冬天生產(chǎn)時(shí)，尾礦漿與襯墊的相互作用應(yīng)當(dāng)特別注意。壩臺形成后，壩臺對土工膜在長期使用狀態(tài)下的影響是非常重要的。土工膜及其上面的排水材料的長期耐久性，也是一個(gè)必須研究的問題。
HDPE和LLDPE是尾礦庫中常用的土工膜。如果有貨源，VLDPE也使用較廣。由于PVC對紫外線照射很敏感，因此，PVC的應(yīng)用不太廣。有紡和無紡?fù)凉げ荚谖驳V庫設(shè)計(jì)中也有應(yīng)用。
常見的設(shè)計(jì)方法，包括根據(jù)每4000 m2有一個(gè)10mm2的洞，對通過土工膜的滲漏液進(jìn)行估計(jì)。一般在進(jìn)行尾礦庫生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，需要仔細(xì)考慮尾礦漿固結(jié)時(shí)在襯墊上形成的界面力。尾礦庫內(nèi)的不均勻沉降，會造成土工膜襯墊上應(yīng)力的廣泛變化及由此而產(chǎn)生的應(yīng)變差。
其它需要注意的突出問題，還有尾礦沉降對邊坡上界面力的影響。由于尾礦是以礦漿形式排放，孔隙度很大，在自重和其后排放的尾礦的重力作用下，就會出現(xiàn)有明顯的固結(jié)。尾礦固結(jié)形成的拉力，會導(dǎo)致土工膜發(fā)生撕裂和穿破。盡管經(jīng)驗(yàn)表明，由界面力作用引起的這種破壞一般并沒有出現(xiàn)，但是對此應(yīng)有很好的了解。
另一個(gè)問題是，由各種化學(xué)藥劑和細(xì)菌作用引起的土工布堵塞。雖然有若干研究者研究過土工布在不同情況下發(fā)生堵塞的問題，但是采礦工業(yè)界缺乏與其相適應(yīng)的確定的尾礦庫設(shè)計(jì)方法。如果土工布用于含有硫化物尾礦的排水系統(tǒng)，那么土工布會因?yàn)樵谶€原和氧化環(huán)境界面上形成沉淀而發(fā)生堵塞。尾礦庫通常是一個(gè)還原環(huán)境，而排水系統(tǒng)因?yàn)榕c大氣相通則可能是一個(gè)氧化環(huán)境。
在尾礦庫的排水系統(tǒng)中，使用土工布能成為尾礦庫正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分。如前所述，上游法構(gòu)筑尾礦壩時(shí)，要求仔細(xì)地管理庫內(nèi)的水位。通常在構(gòu)筑下部的排水系統(tǒng)時(shí)，用土工布來過濾和分隔。如果在尾礦庫使用期間，土工布嚴(yán)重堵塞，庫內(nèi)水位就會上升，并最終危及尾礦壩的穩(wěn)定。
4 廢石場
廢石場由廢棄巖石和因品位過低而沒有加工價(jià)值的表外礦石組成。廢石場高度可達(dá)300m甚至以上，一般由推土機(jī)的倒棄作業(yè)形成。廢石粒徑從粉砂到很大的巖塊，有時(shí)直徑達(dá)2.5m。在廢石場，土工合成物主要是作排水材料，一般使用有紡和無紡?fù)凉げ肌?nbsp;
設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)現(xiàn)場的水文評估、泉水和滲流勘測來估計(jì)水流量。土工布起隔離作用，把排水材料和周圍的自然材料分開。排水材料一般是直徑為20cm到30cm的巖石。在這種情況下，土工布需要承受很高的荷載。
一個(gè)突出的問題是，土工布因化學(xué)和細(xì)菌作用的影響而發(fā)生堵塞。土工布在廢石場的堵塞問題，不象在堆浸場和尾礦庫那樣嚴(yán)重。大多數(shù)廢石場的廢石粒徑相當(dāng)粗，不會形成額外的孔隙水壓而影響到廢石場的穩(wěn)定。
礦上基礎(chǔ)設(shè)施，如公路、機(jī)場等，通常也使用土工合成物。分隔、加固和排水是在這些場合應(yīng)當(dāng)考慮的主要問題。一般采用公路工程和其它公共工程使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)程序，但尚不知道特別與采礦有關(guān)的突出問題。
礦業(yè)在設(shè)計(jì)容納、堆存場所和排水系統(tǒng)時(shí)，廣泛使用土工合成物是必然的選擇。土工合成物在采礦工程中的應(yīng)用，主要是出于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)兩方面的考慮，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)因素和環(huán)保需求要求礦山設(shè)計(jì)使用更便宜，更有效的材料。采礦工程的成本不能直接由消費(fèi)者來承擔(dān)，因?yàn)椴傻V工業(yè)生產(chǎn)的商品是直接售往市場的。特別是出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，要求堆浸場設(shè)計(jì)、尾礦庫設(shè)計(jì)和廢石場設(shè)計(jì)廣泛地使用在工程上最安全同時(shí)又是最經(jīng)濟(jì)的土工材料，這樣，既能夠滿足環(huán)保方面的要求，又能夠大大降低生產(chǎn)成本。以土工膜為代表的土工合成物具有工程安全性能強(qiáng)，能夠滿足環(huán)保的要求，同時(shí)材料成本又不高，因此，在礦業(yè)中的應(yīng)用將愈來愈廣泛。
1 法律、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保方面的考慮
采礦工業(yè)生產(chǎn)的商品，按市場價(jià)格在市場上銷售。在開發(fā)一個(gè)新的采礦工程項(xiàng)目時(shí)，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保是兩個(gè)重要的考慮因素。與垃圾等有毒有害廢棄物填埋場和其它公共工程不同，采礦業(yè)成本不能直接由消費(fèi)者來支付。因此，土工合成物在采礦中愈來愈廣泛的應(yīng)用是經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)共同作用的結(jié)果。
在美國，垃圾填埋場和有毒有害廢物處理是受聯(lián)邦法規(guī)制約的。1976年頒布的“資源保護(hù)和回收法案（RCRA）”的第C和D條下的法規(guī)及其隨后的修改案，在很大程度上控制著土工合成物在固體廢物填埋場和有毒有害廢物填埋場的應(yīng)用及其詳細(xì)設(shè)計(jì)。由于聯(lián)邦法規(guī)沒有專門針對采礦工程中土工合成物的應(yīng)用條款，于是上述條款中的大部分就成了采礦工業(yè)應(yīng)用土工合成物的法律基礎(chǔ)依據(jù)。根據(jù)1977年“凈水法案”通過的科羅拉多州立法規(guī)和其它州立礦山墾復(fù)法案，控制著采礦工業(yè)中土工合成物的應(yīng)用設(shè)計(jì)。這些法規(guī)中的大多數(shù)是建立在效果之上，而不是建立在既定的準(zhǔn)則之上的。這就允許采礦工程師在進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)時(shí)，可以有一定的靈活性，能夠創(chuàng)新和使用新材料。這種靈活性，對于維持采礦工業(yè)的長期經(jīng)濟(jì)繁榮是非常重要的。
在我國，愈來愈嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求，也促使礦山企業(yè)將符合市場需要的土工合成物產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于礦業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。
采礦工業(yè)中最突出的環(huán)境問題，是采礦過程中如何保護(hù)地下水和地表水不受污染。因此，礦石、廢石和尾礦的容納與堆積是否符合環(huán)保要求應(yīng)當(dāng)是礦山工程設(shè)計(jì)人員在選擇土工材料時(shí)必須考慮的最重要的因素。
為了從礦物中提取金屬，需要使用各種各樣的化學(xué)試劑。堆浸工藝可用于提取金、銀、銅和其它金屬。氰化鈉溶液可用作金、銀的堆浸劑；而硫酸則可用作銅的堆浸劑。浮選工藝也可以用來提取礦物。在這些例子中，需要使用少量的有機(jī)物和其它化學(xué)試劑，其產(chǎn)生的溶液中，通常也含有某些低濃度的化學(xué)物質(zhì)。
現(xiàn)有的土工合成物，一般都能承受采礦業(yè)通常使用的化學(xué)試劑的腐蝕。在常見的pH值2到10.5范圍內(nèi)，土工膜能抵抗化學(xué)腐蝕，土工布也能安全地使用。通常，較多考慮的是土工膜對化學(xué)元素的適應(yīng)性，而不是采礦業(yè)所使用的化學(xué)試劑。
2 堆浸場
堆浸法廣泛地用來提取金、銀、銅和其它金屬。使用該法時(shí)，低品位的礦石堆放在堆浸場里，堆浸場事先用滲透系數(shù)低的材料來作防滲襯墊。堆浸液從礦堆的頂部淋下，滲透過礦堆（礦堆并沒有完全浸透）并最終匯積在底部透水層，然后在鋪有襯墊的集液池中收集母液，最后通過不同的工藝提取各種金屬。堆浸場使用土工合成物時(shí)，防止污染和順腸排水是應(yīng)當(dāng)考慮的兩個(gè)最重要的因素。
在設(shè)計(jì)堆浸場時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮的主要問題還有：
粗料（有時(shí)最大直徑達(dá)4cm）要直接與土工膜接觸。
施加在土工膜上的靜壓力通常很高，礦堆高度有時(shí)高達(dá)125m。
用人造排水材料來收集浸出液和滲漏液時(shí)，材料在高壓下的適應(yīng)能力應(yīng)當(dāng)預(yù)先考慮。
襯墊層要能承受外力和冰凍的雙重作用。外力可能會由于在襯墊上拖拉管子，或在池內(nèi)移動泵駁船而引起硬傷，而由于持續(xù)低溫特別是冰凍天氣有困難造成襯墊層出現(xiàn)開裂。
礦石和土工膜界面的磨擦角以及土工膜和其下低滲透系數(shù)的粘土層間的磨擦角，應(yīng)根據(jù)工程規(guī)范加以考慮。
施加在土工膜上的靜壓力通常很高，礦堆高度有時(shí)高達(dá)125m。
用人造排水材料來收集浸出液和滲漏液時(shí)，材料在高壓下的適應(yīng)能力應(yīng)當(dāng)預(yù)先考慮。
襯墊層要能承受外力和冰凍的雙重作用。外力可能會由于在襯墊上拖拉管子，或在池內(nèi)移動泵駁船而引起硬傷，而由于持續(xù)低溫特別是冰凍天氣有困難造成襯墊層出現(xiàn)開裂。
礦石和土工膜界面的磨擦角以及土工膜和其下低滲透系數(shù)的粘土層間的磨擦角，應(yīng)根據(jù)工程規(guī)范加以考慮。
土工膜材料的總體表現(xiàn)及其作為襯墊防滲系統(tǒng)的原理是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。在襯墊設(shè)計(jì)中，只有兩個(gè)參數(shù)可以控制：在襯墊上的水頭和襯墊的滲透系數(shù)。復(fù)合襯墊已成功地應(yīng)用于堆浸池設(shè)計(jì)。在復(fù)合襯墊上的水頭一般非常低（小于1m）。在使用天然山谷作為堆浸池時(shí)，由于母液是在礦堆的孔隙中流動的，因此可以使用較高的堆高。水頭較低的復(fù)合襯墊，對大多數(shù)堆浸場來講是優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
堆浸場通常配有地面溶液池。無礦殘液和母液分別貯存在有襯墊防滲層的池中。母液池收集到通過礦堆滲透下來的含礦溶液后，再經(jīng)過碳吸附或其它金屬的置換處理，提取可回收的金屬元素，例如金、銀和銅等。無礦廢液則送到另一個(gè)襯墊防滲池中貯存，直到加入新的化學(xué)試劑配制成新的堆浸液。因此，堆浸液可以循環(huán)使用。
如果池中有高壓水頭，通常需要在復(fù)合襯墊上設(shè)置排水層和另外一層土工膜。這個(gè)上層土工膜的作用是減少在復(fù)合襯墊層上的水頭，因?yàn)橥ㄟ^該層土工膜的滲漏液，將由排水層排走。在這種情況下，最重要的襯墊層仍然是底部的復(fù)合襯墊層。上層土工膜和排水層不應(yīng)理解為滲漏探測系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兾挥谡麄€(gè)系統(tǒng)中最重要的復(fù)合襯墊層上面。只有當(dāng)滲漏液進(jìn)入復(fù)合襯墊下面的地層時(shí)，才有滲漏探測出現(xiàn)。
在堆浸場常用的土工膜有PVC、HDPE、LLDPE和VLDPE。在過去，其它材料，象Hypalon和XR-5，也有用于收集溝和收集池的，但這種應(yīng)用在近10年已大為減少。聚乙烯土工網(wǎng)也可用作排水材料。不同厚度和不同材料的有紡和無紡?fù)凉げ家彩褂幂^廣。土工膜的常用設(shè)計(jì)方法描述如下。
1 )界面荷載測試
首先，為了評估土工膜在礦堆靜載作用下的特性，需要用設(shè)計(jì)材料進(jìn)行界面靜載測試。這種測試可用加力計(jì)來做。加力計(jì)的直徑應(yīng)當(dāng)足夠的大，以避免比例效應(yīng)。在采礦實(shí)踐中，與土工合成物相接觸的礦石的粒徑一般為1.25cm到4cm。
豎直荷載的大小一般從550kPa到2000kPa，加在加力計(jì)的頂部。要測試的襯墊，排水層和襯墊上的材料，按工程設(shè)計(jì)的方式放置在加力計(jì)內(nèi)。施加的豎直荷載一般維持24h到48h。記錄樣品的沉降量以檢驗(yàn)樣品的固結(jié)情況。加載完畢后，從加力計(jì)中取出樣品并檢查其損傷。損傷一般根據(jù)磨損，刻痕和穿孔情況來描述。
也可用真空盒測試來檢測土工膜的完整性。此外，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的土工合成物測試，來檢測土工膜的物理性質(zhì)，并和原生樣品的測試結(jié)果相比較。這種加載測試獲得的結(jié)果，可用來判斷材料在靜載下的適應(yīng)能力及其變形特性。
2 )界面剪力強(qiáng)度
另一個(gè)重要問題，是土工膜與其相接觸的各種材料的界面剪力強(qiáng)度。界面剪力強(qiáng)度一般按ASTM D 5321用大型的直剪儀來測試。界面根據(jù)加載條件進(jìn)行評估，包括：
飽和條件
濕界面（沒有浸透）
低到高的壓力（在高壓下，包絡(luò)線一般較平坦）
不同的剪切速度
濕界面（沒有浸透）
低到高的壓力（在高壓下，包絡(luò)線一般較平坦）
不同的剪切速度
襯墊和排水系統(tǒng)可能有很多潛在的破壞面。通常應(yīng)對幾種不同的界面，在不同的荷載作用下進(jìn)行評估，以決定最弱的界面（控制界面）。盡管殘余值和峰值包絡(luò)線都應(yīng)確定，但是一般用殘余值作穩(wěn)定性分析。
美國丹佛市的 Golder Associates Inc. 公司對某堆浸工程用大型直剪儀（30cm X 30cm）對幾種設(shè)計(jì)的土工合成材料和土，作了很多界面剪切強(qiáng)度測試。對HDPE和LLDPE材料都作了測試，測量了峰值和殘余剪切強(qiáng)度。測試結(jié)果表明，襯墊下的細(xì)粒土層和襯墊上的粗粒徑的排水層，在測試荷載范圍內(nèi)并沒有明顯地改變界面強(qiáng)度。此外，測得的峰值和殘余值是一致的。發(fā)現(xiàn)的唯一明顯不同，是磨擦角隨土工膜類型的不同而有輕微變化。
3 )滲漏液估計(jì)
可用Bonaparte等人1989年提出的方法來估算滲漏液。該方法一般假定每4000 m2有一個(gè)10mm2的漏洞。關(guān)于土工合成物在堆浸場的使用，還有很多要研究的問題。很多時(shí)候，這些問題是由于好奇而提出的，而不是針對專門的技術(shù)設(shè)計(jì)考慮因素而提出的。一個(gè)特定的問題是，不同的土工膜在與顆粒材料直接接觸時(shí)，在荷載作用下它的長期特性究竟如何。實(shí)驗(yàn)室加載測試一般最多只持續(xù)幾天，而現(xiàn)場加載則是整個(gè)生產(chǎn)期（一般2到10年）。尚不清楚的是，它是否會出現(xiàn)蠕變變形，也不清楚它在荷載作用下，已經(jīng)形成的穿刺能否自愈（也就是說，顆粒有可能最終充填了穿孔的大部分，因而沒有出現(xiàn)明顯的滲漏）。
一般不會將堆浸場的土工膜挖出來進(jìn)行調(diào)查。1995年，對美國科羅拉多州的一個(gè)堆浸場的襯墊作了定性評估。該堆浸場建在一個(gè)尾礦池的上游，其自然邊坡延伸到尾礦池邊。自然邊坡角為2H：1V。堆浸池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：在基層上鋪土工膜，膜上鋪土工網(wǎng)，網(wǎng)上是另一層土工膜。礦堆最大高度為60m。當(dāng)堆浸過的礦石挖出后，對土工膜及其接縫處的樣品進(jìn)行了測試。檢測結(jié)果表明，土工膜及其接縫都沒有出現(xiàn)明顯的損傷，檢測過的試樣也沒有發(fā)現(xiàn)穿孔。
另一個(gè)要考慮的問題是，土工膜/土工網(wǎng)界面在高壓流體作用下的長期表現(xiàn)，如在非常深的池中，將土工網(wǎng)布置于雙層土工膜之間。目前，還不能確定在礦堆荷載作用下，土工網(wǎng)是否會刺入土工膜。因此從長遠(yuǎn)來看，有可能會在土工膜上造成漏洞。在有些案例中，發(fā)現(xiàn)土工網(wǎng)部分地刺入土工膜。一般當(dāng)土工膜的密度比土工網(wǎng)低時(shí)，這種情況會出現(xiàn)（和土工膜相比，土工網(wǎng)相對較硬）。
還有一個(gè)一般不會涉及到的問題是，在峽谷堆浸場中可固結(jié)的材料對邊坡界面作用力的影響。由于礦石的堆置厚度不同，礦堆的沉降會有差異。這會導(dǎo)致沿邊坡上的土工膜產(chǎn)生位移，從而影響礦堆的穩(wěn)定性。只要沿著邊坡上的土工膜產(chǎn)生較小的位移，殘余剪切強(qiáng)度值就能很快達(dá)到。這個(gè)問題可用數(shù)值分析方法來評估，根據(jù)固結(jié)沉降引起的位移來決定可能的剪切強(qiáng)度。
由于土工布會發(fā)生堵塞問題，因此在堆浸場一般不會用土工布來覆蓋排水導(dǎo)管。在作銅礦石堆浸時(shí)，使用細(xì)菌是工藝的一部分，細(xì)菌也因此被認(rèn)為是造成排水管外圍的土工布發(fā)生堵塞的原因之一。到目前為止，并未針對采礦工藝對這個(gè)問題進(jìn)行詳細(xì)研究。
因?yàn)榈V物價(jià)值是通過排水系統(tǒng)的回收來實(shí)現(xiàn)的，因此，解決堆浸場排水系統(tǒng)的堵塞問題是非常重要的。此外，如果發(fā)生土工布堵塞，就會在堆浸池中形成高壓水頭，從而誘發(fā)穩(wěn)定性問題。還有，對于硫化物礦石，維持一個(gè)氧化環(huán)境對于堆浸的成功是非常重要的。如果土工布發(fā)生堵塞而礦石已開始浸透，金屬的回收率就會下降。
3 尾礦池
尾礦是使用球磨機(jī)或濃縮池選礦時(shí)，從礦石中提取金屬后留下的細(xì)粒物質(zhì)。尾礦的粒徑分布，一般為非常細(xì)的砂到粉沙土。在許多例子中，尾礦含有多達(dá)60%的0.075mm篩下物質(zhì)。
在尾礦池中使用土工合成物時(shí)，主要考慮的是要防止尾礦中液相的污染物因存放過久而發(fā)生滲漏，或者用來減少襯墊上的水頭?？刂莆驳V庫內(nèi)的水位，是庫池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。有些尾礦庫設(shè)計(jì)采用上游建筑法。為了保證壩體的穩(wěn)定，該法需要保持地下水面遠(yuǎn)離尾礦壩面。由于尾礦是泥漿形態(tài)，因此土工合成物在尾礦放置初期，在尾礦壩前面起隔水體的作用。此外，土工合成物還用來構(gòu)筑尾礦庫底部襯墊系統(tǒng)及其下的排水系統(tǒng)。尾礦排放后，就立即通過排水系統(tǒng)和地面尾礦庫管理進(jìn)行脫水。使用庫水管理系統(tǒng)來降低壩面附近的地下水面，以保持壩體土的高強(qiáng)度。
防水襯墊和排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其在不同水頭下的表現(xiàn)，是在設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)研究的問題。在北方地區(qū)寒冷的冬天生產(chǎn)時(shí)，尾礦漿與襯墊的相互作用應(yīng)當(dāng)特別注意。壩臺形成后，壩臺對土工膜在長期使用狀態(tài)下的影響是非常重要的。土工膜及其上面的排水材料的長期耐久性，也是一個(gè)必須研究的問題。
HDPE和LLDPE是尾礦庫中常用的土工膜。如果有貨源，VLDPE也使用較廣。由于PVC對紫外線照射很敏感，因此，PVC的應(yīng)用不太廣。有紡和無紡?fù)凉げ荚谖驳V庫設(shè)計(jì)中也有應(yīng)用。
常見的設(shè)計(jì)方法，包括根據(jù)每4000 m2有一個(gè)10mm2的洞，對通過土工膜的滲漏液進(jìn)行估計(jì)。一般在進(jìn)行尾礦庫生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，需要仔細(xì)考慮尾礦漿固結(jié)時(shí)在襯墊上形成的界面力。尾礦庫內(nèi)的不均勻沉降，會造成土工膜襯墊上應(yīng)力的廣泛變化及由此而產(chǎn)生的應(yīng)變差。
其它需要注意的突出問題，還有尾礦沉降對邊坡上界面力的影響。由于尾礦是以礦漿形式排放，孔隙度很大，在自重和其后排放的尾礦的重力作用下，就會出現(xiàn)有明顯的固結(jié)。尾礦固結(jié)形成的拉力，會導(dǎo)致土工膜發(fā)生撕裂和穿破。盡管經(jīng)驗(yàn)表明，由界面力作用引起的這種破壞一般并沒有出現(xiàn)，但是對此應(yīng)有很好的了解。
另一個(gè)問題是，由各種化學(xué)藥劑和細(xì)菌作用引起的土工布堵塞。雖然有若干研究者研究過土工布在不同情況下發(fā)生堵塞的問題，但是采礦工業(yè)界缺乏與其相適應(yīng)的確定的尾礦庫設(shè)計(jì)方法。如果土工布用于含有硫化物尾礦的排水系統(tǒng)，那么土工布會因?yàn)樵谶€原和氧化環(huán)境界面上形成沉淀而發(fā)生堵塞。尾礦庫通常是一個(gè)還原環(huán)境，而排水系統(tǒng)因?yàn)榕c大氣相通則可能是一個(gè)氧化環(huán)境。
在尾礦庫的排水系統(tǒng)中，使用土工布能成為尾礦庫正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分。如前所述，上游法構(gòu)筑尾礦壩時(shí)，要求仔細(xì)地管理庫內(nèi)的水位。通常在構(gòu)筑下部的排水系統(tǒng)時(shí)，用土工布來過濾和分隔。如果在尾礦庫使用期間，土工布嚴(yán)重堵塞，庫內(nèi)水位就會上升，并最終危及尾礦壩的穩(wěn)定。
4 廢石場
廢石場由廢棄巖石和因品位過低而沒有加工價(jià)值的表外礦石組成。廢石場高度可達(dá)300m甚至以上，一般由推土機(jī)的倒棄作業(yè)形成。廢石粒徑從粉砂到很大的巖塊，有時(shí)直徑達(dá)2.5m。在廢石場，土工合成物主要是作排水材料，一般使用有紡和無紡?fù)凉げ肌?nbsp;
設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)現(xiàn)場的水文評估、泉水和滲流勘測來估計(jì)水流量。土工布起隔離作用，把排水材料和周圍的自然材料分開。排水材料一般是直徑為20cm到30cm的巖石。在這種情況下，土工布需要承受很高的荷載。
一個(gè)突出的問題是，土工布因化學(xué)和細(xì)菌作用的影響而發(fā)生堵塞。土工布在廢石場的堵塞問題，不象在堆浸場和尾礦庫那樣嚴(yán)重。大多數(shù)廢石場的廢石粒徑相當(dāng)粗，不會形成額外的孔隙水壓而影響到廢石場的穩(wěn)定。
5 基礎(chǔ)設(shè)施
礦上基礎(chǔ)設(shè)施，如公路、機(jī)場等，通常也使用土工合成物。分隔、加固和排水是在這些場合應(yīng)當(dāng)考慮的主要問題。一般采用公路工程和其它公共工程使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)程序，但尚不知道特別與采礦有關(guān)的突出問題。
6 結(jié)論
礦業(yè)在設(shè)計(jì)容納、堆存場所和排水系統(tǒng)時(shí)，廣泛使用土工合成物是必然的選擇。土工合成物在采礦工程中的應(yīng)用，主要是出于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)兩方面的考慮，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)因素和環(huán)保需求要求礦山設(shè)計(jì)使用更便宜，更有效的材料。采礦工程的成本不能直接由消費(fèi)者來承擔(dān)，因?yàn)椴傻V工業(yè)生產(chǎn)的商品是直接售往市場的。特別是出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，要求堆浸場設(shè)計(jì)、尾礦庫設(shè)計(jì)和廢石場設(shè)計(jì)廣泛地使用在工程上最安全同時(shí)又是最經(jīng)濟(jì)的土工材料，這樣，既能夠滿足環(huán)保方面的要求，又能夠大大降低生產(chǎn)成本。以土工膜為代表的土工合成物具有工程安全性能強(qiáng)，能夠滿足環(huán)保的要求，同時(shí)材料成本又不高，因此，在礦業(yè)中的應(yīng)用將愈來愈廣泛。
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