《Cleaner Waste Systems》：Exposure time risk assessment for filtered tailings facilities generating acid mine drainage
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本文为解决酸化废矿（AMD）风险，针对过滤尾矿在长期大气暴露下的环境风险问题，研究人员通过定性与定量风险评估相结合的方法，评估了尾矿暴露时间的关键参数，并构建了预测模型。结果表明，修复作业是尾矿暴露风险最高的阶段，而定量模型能有效识别最易受暴露影响的参数，为优化尾矿堆设计、降低AMD风险提供了科学决策依据。
每年全球会产生数十亿吨的矿山尾矿，这些尾矿通常以泥浆形式储存在大型地表设施中，但由此引发的溃坝等地质工程风险不容忽视。为了降低此类风险，业界正逐步转向一种名为“过滤尾矿”的处理技术，通过降低尾矿含水量，增强其固体性质，从而减少了储水需求和相关安全隐患。然而，这项技术也带来了新的环境挑战：当含硫化物（Sulfide）的尾矿被干燥并暴露在大气中时，氧气和水的介入会触发氧化反应，可能产生极具腐蚀性和毒性的酸矿排水（AMD），污染周边水体和土壤。这就引出了一个核心矛盾：如何在利用过滤尾矿的地质工程优势的同时，有效管控其潜在的化学环境风险？其中，尾矿暴露于大气中的“时长”成为了风险管控的关键。
针对这一问题，由Chevalier Corentin、Morales Varela Nelson和Demers Isabelle等研究者组成的小组，在《Cleaner Waste Systems》上发表了他们的研究成果。他们创造性地将风险管理的理念应用到矿山尾矿环境管理中，旨在识别和量化与酸性过滤尾矿长期暴露相关的风险，为矿场设计和运营提供科学依据。
为了回答上述问题，研究团队主要采用了两种方法：一是组织专家研讨会进行定性风险评估；二是基于实际生产数据建立三维模型进行定量概率分析。定性部分，他们邀请了来自加拿大魁北克省两个实际运营的过滤尾矿矿场（éléonore金矿和LaRonde多金属矿）的资深专家，通过工作坊形式，系统梳理了从尾矿生产、堆存到最终修复全过程中可能导致过度暴露的风险事件，并使用5x5风险矩阵进行评估。定量部分，研究以éléonore矿的数据为基础，构建了一个三维沉积模型，模拟在不同沉积面积、保护层厚度、沉积层厚、尾矿干密度以及生产中断等变量下，尾矿层达到所需保护厚度（以减少氧气通量）所需的暴露时间，并采用Gamma分布分析其概率特征。
研究结果部分如下：
3.1. 定性评估
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一般污染风险：研讨会确认，地表径流和风蚀是导致酸性矿山废水污染最主要的源头和迁移途径。无论渗出液水质如何，水处理在整个矿山运营期直至修复完成都至关重要。
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临界时间风险：研究引入了“临界时间”（critical time）的概念，即尾矿层孔隙水pH值降至6以下所需的大气暴露时间。计算显示，LaRonde矿尾矿（考虑全部碳酸盐中和潜力）的临界时间为249天，而仅考虑方解石（Calcite）时，临界时间缩短至163天。研究据此提出了一个可根据尾矿矿物含量、气候和场地限制进行调整的“诺模图”，用于辅助风险判断和沉积规划。
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运营风险：通过风险矩阵分析，日常设备故障等运营问题虽频繁，但对沉积计划的影响较小。而运营中的岩土工程约束（如地基变形、孔隙水压力消散）则可能导致显著延迟，特别是在现有尾矿设施上进行扩建时风险更高。最重要的是，修复阶段被确定为尾矿暴露风险最高的环节，因其涉及复杂的规划调整、高昂的成本和漫长的暴露时间（可能长达数年），其发生概率被评估为“几乎必然”，后果为“非常高”。
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缓解措施：讨论中提及的缓解策略包括使用抑尘剂（效果短）、加强坡面压实以促进径流、采用牺牲性土工膜排水、设计阶梯式堆叠斜坡以减少大气暴露面积，以及定期在表层覆盖新鲜尾矿层等。
3.2. 定量评估
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基准模型：模拟得到的平均暴露时间为75.03天，与理论值75天（以2.5米保护层厚度、每15天沉积0.5米层厚计算）高度吻合，数据较好地符合Gamma分布。
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设计参数的影响：
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沉积面积：是影响暴露时间的最关键因素。面积越大，平均暴露时间及其变异性显著增加。例如，面积从50，000平方米增至215，000平方米时，平均暴露时间从59.2天飙升至248.4天。研究表明，将堆场划分为更小、分阶段的沉积区域是降低风险的有效策略。
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最小保护层厚度：所需保护层厚度每增加0.5米，平均暴露时间约增加14.8天。从1.5米到4.0米，平均时间从45.5天增至119.4天。
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沉积层厚度与速率：在保持相同沉积速率（0.033米/天）下，改变单层厚度（0.3米至0.6米）对暴露时间影响相对较小，但为了达到相同的总保护厚度（如2.5米），所需的层数不同。
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尾矿干密度：干密度增加会导致暴露时间轻微延长（从1，400千克/立方米时的68.0天到1，800千克/立方米时的86.6天），但同时会降低介质孔隙度，从而可能减少氧气通量，部分抵消了暴露时间增加的风险。
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生产中断事件：模拟生产量减少30%或临时关闭一个月的情景，结果显示平均暴露时间增加有限（分别增加至86.6天和81.8天），但暴露时间的变异性（标准差）显著增大，意味着出现极端长暴露时间的概率更高。
3.3. 对风险驱动因素的解读
研究指出，减少暴露时间是降低高密度尾矿AMD风险的关键。尾矿的矿物成分和反应活性（尤其是方解石等碳酸盐矿物的含量）直接影响临界时间和所需的保护策略。运营中的岩土工程约束是影响沉积计划的重要风险因素。未来的风险评估需要整合更先进的数值模拟，以动态地刻画氧气通量、水流及尾矿堆整体水文地球化学演化等多重因素。
结论与讨论
本研究综合运用定性与定量风险评估方法，系统评估了产生酸矿排水的过滤尾矿在堆存过程中的暴露时间风险。主要结论包括：1) 地表水和风蚀是主要污染途径，持续的水处理至关重要；2) 提出了一个可针对场地特点调整的临界时间诺模图，为沉积规划提供工具；3) 定性分析明确指出，修复阶段是尾矿过度暴露风险最关键的环节，其风险等级最高；4) 定量分析表明，沉积面积和保护层厚度是影响暴露时间的核心设计参数，而生产波动主要影响暴露时间的分布变异性。这项工作的重要意义在于，它为矿山设计者和运营者提供了一个基于风险的决策框架。通过在设计阶段预估暴露时间，可以优化尾矿堆的布局和沉积策略（例如采用更小的分阶段沉积区），从而在源头控制AMD的生成风险。同时，研究强调了对尾矿矿物学变异性进行持续监测、并将“最坏情况”纳入规划的必要性。该研究将传统的工程风险分析工具创新性地应用于环境地球化学问题，为促进更安全、更环保的过滤尾矿管理实践提供了重要的科学依据。
