如何为采矿防渗设施选择适宜的土工膜
采矿业土工膜概述
在采矿业中，土工膜被广泛用于衬垫尾矿、堆浸垫、矿井溶液和蒸发池。在聚合物土工膜中，高密度聚乙烯 (HDPE) 和线性低密度聚乙烯 (LLDPE) 因其耐化学腐蚀性强、易于安装和成本效益高而成为采矿防渗设施中使用最广泛的衬垫材料。处理具有强碱性或强酸性 pH 值且高温的废水和浸出液，是对土工膜长期性能的最大威胁（Hornsey W.P.等人 2009。）因此，在具有挑战性的采矿业应用中选择“理想”的土工膜衬垫并不像在传统应用中那样简单。
采矿业防渗设施用土工膜选择的几点考虑
选择最适合采矿业防渗设施的土工膜衬垫需要对多个关键因素进行全面评估，以确保在整个使用寿命期间的有效性和耐用性，这些因素包括但不限于以下几点：
a)土工膜衬垫的应力
对于承受中等到高负荷（超过 300 kPa）的采矿设施，通常使用 HDPE 和 LLDPE 土工膜，这是因为行业对这种材料有丰富的经验以及已建矿井的成效记录。（Lupo, J.H. 等人2007 年）。此外，与主要的土工膜类型相比，LLDPE 和 HDPE 通常具有相对更好的延伸性和强度特性。通常情况下，使用耐化学性和抗紫外线能力更强的 HDPE，除非有更重要的原因需要采用 LLDPE。
b)过往经验和技术指南
堆浸垫的土工膜衬垫结构，通常由单层复合材料或不太常见的、带泄漏收集层的双复合材料系统组成。单层复合衬垫系统由放置在压实衬垫土壤上的土工膜衬垫组成，适用于水头较低的区域（通常低于 1 m）。在堆浸垫和尾矿库中使用的土工膜衬垫经常暴露在高负荷条件下。土工膜的厚度从 1.5 mm 到 2.5 mm 不等，是最常用的主要屏障材料。高负荷采矿项目的经验表明，土工膜的性能取决于衬垫厚度、土工膜类型、衬垫上下方的材料类型以及地基沉降（Fourie, A. 等人 2010 年）。根据在实际工地上对高负荷土工膜的经验，Lupo and Morrison（2007 年）开发出一个设计矩阵，为根据施加的负荷和地基特征、覆盖材料和衬垫垫层材料选择土工膜提供了一般指导。设计矩阵可作为选择土工膜的一般起点。然而，应进行特定测试以评估在给定场地条件下的土工膜性能。
c)采矿废水类型
采矿废水通常包含一些具有侵蚀性的化学物质，例如用于铜和镍提取的硫酸，以及来自煤层气作业的高盐度卤水溶液，这些都可能显著影响抗氧化剂的功能，从而影响土工膜的耐用性。因此，需要进行适当的评估，以确保所选的土工膜与采矿废水（化学和热暴露）的兼容性，这可以通过对浸泡在特定液体和温度中的土工膜进行基于性能的测试来评估。
d)温度
标准 HDPE 土工膜应用的最高温度建议为 60°C。符合 GRI-GM13 规范最低要求的 HDPE 薄膜适用于采矿业应用，但对于需要更长使用寿命的应用，则需要具有更高性能和更好材料特性的薄膜，并且可以通过在模拟液体中的浸泡测试来证明其兼容性和预期使用寿命。
较高的温度往往会加速氧气存在下的氧化反应，进一步削弱聚合物链，并导致土工膜的失效。在卤水蒸发池中的关键应用，例如涉及超过 60°C 的极端热量，需要进一步的研究。可考虑使用耐高温的替代土工膜（如 GSE HDH）。
e)使用寿命/暴露时间
太阳辐射会严重影响土工膜的使用寿命，长期的紫外线暴露会导致土工膜的严重降解。在蒸发池等应用中，土工膜在使用期内会长期暴露在阳光直射下。除了确保选择知名制造商生产的紫外线 (UV) 稳定的优质土工膜外，还可考虑使用较厚的土工膜，以确保衬垫在设计寿命内的耐用性。
f)放射性
在采矿业中，土工膜用于低放射性 (LLW)（如铀和钍）天然放射性物质 (NORM) 的遏制/屏障，或 LLW 废物的处置。尽管研究表明，HDPE 土工膜在接触低放废物浸出液时能够提供令人满意的使用寿命（数个世纪），并且在抗氧化剂耗竭方面具有统计学显著性（近 9%），但其影响较为微妙（Tian, K., 等人2017 年），仍需对由于 LLW 及其他因素（如温度）引起的整体降解机制进行全面研究。
长期性能验证
在为特定应用选择适宜的土工膜时，工程师必须考虑待保留材料的性质，特别是其化学成分和温度，以及其将暴露的环境。土工膜的使用寿命取决于其成分与化学和热暴露的兼容性。可通过性能测试进行评估。工程师可通过在不同温度（例如 75、60、40 和 20°C）下测试浸没在特定液体中的土工膜来评估其相对性能。将选定的土工膜样品在受控条件下（如温度、持续时间）放入选定的液体中，以研究其在实验室环境中对特定液体或化学溶液的耐化学性。浸泡一定时间后，将样品从液体中取出，并进行测试以测量性能的变化，即机械性能和耐久性能（氧化诱导时间 (OIT)，热氧化诱导时间 (HP - OIT)，应力开裂）。浸泡时间可长达数月（如 30、60、120、150 天等）。Abdelaal F.B.等人（2023 年）报告，浸泡测试可能会揭示在标准实验室测试中不明显的潜在降解问题。研究发现，标准 HDPE 土工膜在暴露于尾矿中的复杂化学混合物时，会出现不同程度的降解，这突出表明了定制材料规格和严格测试协议的必要性。
