磷石膏充填采礦技術應用及經濟環境效益評價

劉小力,高忠民,唐飛勇

(化工部長沙設計研究院,湖南 長沙 410116)

0 引 言

磷礦石產量的約90%用于生產磷肥.近10年來,我國磷肥工業和磷礦采選業均得到了快速的發展,年生產和消費磷礦石量超過6 000萬噸,為我國糧食安全和農業的穩定發展做出了重要貢獻.然而,磷礦加工要產出大量的磷石膏渣,我國每年有高達5 000萬噸的磷石膏渣產出,需要占用大量的土地堆存,越來越成為一個嚴重的環境問題,制約著磷肥工業的發展.磷石膏的綜合利用方面也做了大量卓有成效的工作,但其利用率僅為20%,遠未從根本上解決問題.因此,無論從節約土地資源還是從環境保護角度考慮,尋求更多更廣泛的磷石膏處理新途徑均顯得十分必要.以貴州開陽磷礦采用磷石膏作為充填骨料進行的充填采礦工業化試驗為基礎,就其工業應用的有關技術經濟和資源環保等方面的問題進行分析.

1 磷石膏對地表環境的影響及其綜合利用狀況

磷石膏是濕法生產磷酸時磷礦石與硫酸作用產生的工業廢料,每生產1噸磷酸就要產生5噸磷石膏.我國磷肥年生產能力已超過1300萬噸(P2O5),磷石膏年產出量達5 000萬噸,累計堆存量超過2億噸,居世界第一.磷石膏中的主要成分為二水石膏(CaSO4·2H2O),含量一般在90%以上,同時含有一定量的P2O5(0.3%～1.5%)和F(0.1%～1.5%)以及Ra-226等危害人體健康和植物生長的有害雜質,給生態與環境帶來危害.另外,磷石膏的排放要占用大量的土地,并且需要筑壩和防滲處理,花費大量投資.

對磷石膏的綜合利用率2005年以前不到10%,近幾年經過努力有了明顯的提高,每年綜合利用量已超過1 000萬噸,達到20%,主要利用途徑包括制硫酸聯產水泥、石膏板材和建筑砌塊等.但是,大量堆積的磷石膏仍然是制約我國磷肥工業可持續發展的瓶頸,在相當一段時間內,如何有效地處理磷石膏仍是一個迫切需要解決的課題,特別是探尋到一種磷石膏消耗量大、處理成本低的磷石膏處置途徑意義尤為重大.研究表明,采用磷石膏作為充填骨料進行的充填采礦符合這個目標.

2 磷石膏充填采礦的技術可行性分析

2.1 磷石膏的物理和化學性質

磷石膏粒級較細,根據研究單位對貴州開陽磷礦所產磷石膏進行的測定(詳見表1和表2),0.1 mm以下顆粒占93%,中值粒徑0.043 mm,孔隙比1.064～3.415,滲透系數0.002 94 cm/s.這些參數表明磷石膏是不利于充填體脫水和快速硬化,單獨作為充填骨料是不理想的[1].

表1 貴州開陽磷礦所產磷石膏物理力學性能表

表2 貴州開陽磷礦所產磷石膏化學成份測定結果表

2.2 磷石膏作為充填骨料的可行性

盡管磷石膏不是理想的充填骨料,但利用粗、細粉煤灰及適量的活化劑進行改性,可以使之成為滿足生產需要的充填骨料.充填膠結成本的有效控制則是其工業利用的關鍵.試驗結果表明,使用比例為水泥:粉煤灰:磷石膏=1∶1∶8進行膠結充填,漿體濃度:60%～63%,充填體90天抗壓強度達到1.56～1.72 MPa,完全滿足嗣后充填需要[1].也即磷石膏通過摻和適量的水泥和粉煤灰進行改性后可以作為井下采礦的充填材料.

3 磷石膏充填采礦工業試驗設計及試驗結果分析

3.1 磷石膏充填采礦工業試驗設計方案

磷石膏充填采礦工業試驗對象選擇在貴州開磷集團的用沙壩礦段.用沙壩礦段1989年11月投產峻工,采用機械化盤區分段中深孔房柱空場采礦法,至2008年初累計采出礦量650多萬噸.礦層頂板為白云巖,中等堅硬,在無溶洞和斷層條件下穩定;礦層底板為灰綠色細砂巖,局部屬中粒砂巖,中厚層狀產出,致密堅硬;礦層直接頂板為泥質頁巖,呈強風化狀態,厚度薄,遇水易膨脹冒落,極不穩固;礦層的直接底板為黃、灰白色硅質頁巖,同呈強風化狀態,容易產生滑動.磷礦層由呈粒狀結構,致密塊狀,條帶狀構造的磷塊巖構成,有節理發育,易冒落,不穩固.其W11～W17勘探線礦體位于金陽公路和牯牛背村莊下部.金陽公路壓礦走向長1 200 m,影響到的地質儲量為2262萬噸,劃為用沙壩礦段的保安礦柱,如何安全經濟地回采這部分資源,是一個迫切需要解決的技術難題.為此從2003年開始,貴州開磷集團組織中南大學、長沙礦山研究院和化工部長沙設計研究院等高校和研究設計單位進行磷石膏充填開采的試驗研究攻關,2004年底完成充填系統和試驗礦段開采工藝的工程化設計[2],2005年建成了磷石膏充填料制備和管道自流充填系統,2006年開始進行充填法采場的回采試驗.

采礦方法試驗地點選擇位于用沙壩礦段主斜坡道一側的W11～W17勘探線、垂直標高+1 170 m～+1 120 m地段.此地段是用沙壩礦段的主要壓礦段,礦體賦存于金陽公路的下方,金陽公路完全處于礦體開采移動境界內.

經綜合比較,推薦采礦技術方案為分礦房礦柱中深孔落礦嗣后充填采礦法,如圖1所示.

圖1 分礦房礦柱中深孔落礦嗣后充填采礦法示意圖

3.2 試驗結果

磷石膏井下充填采礦過程中,通過對礦山上下盤巖體取樣,進行了巖石力學測試,得出了巖石力學參數;通過對采場上部巖體及地表移動變形監測,全站儀監測精度為3.5 mm,在全站儀精度范圍內,公路基本沒有發生位移變化,金陽公路全程路面未見裂隙與裂縫,表明使用磷石膏充填采礦,公路是安全的.再通過對用沙壩試驗礦段井下巖層和地表位移變形的觀測,以及采場回采過程中的事故統計,表明井下開采未發生大的冒落事故,回采采場頂板也未見大的巖層移動和變形,地表基本無變形發生[1].可以肯定,用沙壩公路下的壓礦,用磷石膏膠結充填采礦法開采,能很好地保護公路與附近村莊安全.

公路下礦體開采試驗表明,保安礦柱開采回采率達到79.64%,貧化率僅4.52%,取得了良好的技術指標.開采用沙壩礦段公路下保安礦柱2 200萬t,可采出保安礦柱礦石量1 753.2萬t,預計該保安礦柱開采將實現經濟效益54.87億元;按年生產能力25萬噸計算,年創直接經濟效益6 235.8萬元.截至2007年底,用沙壩礦段公路下保安礦柱累計開采了71.3萬噸礦石.2008年初,開始在用沙壩礦段南端非公路保安礦柱地段進行試驗,試驗結果表明,非公路下礦床開采時,礦床開采回收率達到92.64%,貧化率為4.59%.采用充填法采礦,充填直接成本為35.22元/噸,經濟上能夠承受,而且充填系統運行良好穩定.用磷石膏充填采場后,礦坑所排放的廢水均達到國家污水綜合排放標準,未對井下環境產生污染.磷石膏充填采礦試驗取得了預期的良好效果.

3.3 結果分析

從試驗結果中得出,對于用沙壩礦段公路下的壓礦,運用磷石膏膠結充填采礦法開采,有效地保護了公路和附近村莊.磷石膏膠結嗣后充填采礦法不僅能保證礦山安全高效生產,提高礦石回收率,并且磷礦資源得到了充分的回收利用,效益顯著;同時還能有效地保護礦山環境,解決空場法采礦形成地質災害、礦山生產不安全等給地表工業設施、公路及房屋帶來威脅的問題[3].用磷石膏充填采空區,能夠確保礦床安全開采,有效實現礦山無廢害開采和磷礦資源的高效利用.

4 磷石膏充填采礦的技術經濟和資源環境影響分析

4.1 磷石膏充填采礦的技術經濟分析

盡管應用磷石膏充填采礦需投入一定的資金建充填系統,采礦成本高于空場法和崩落法,但磷石膏充填采礦可提高資源回收率、延長礦山生產服務年限,并節省大量磷石膏庫征地費、建壩費、防滲處理費及運營管理費用等等,同時有效阻止巖層的移動,大量減少礦山井下排水量,節約大量排水費,經濟效益凸顯.開磷集團磷石膏膠結充填采礦法的主要技術經濟指標[1]如表3所示.

表3 磷石膏膠結充填采礦法主要技術經濟指標表

根據技術經濟指標,開陽磷礦按礦區保有儲量和遠景儲量4.5億t、生產規模800萬t/年計算,采用磷石膏充填采礦與原來采用的錨桿護頂分段空場法開采相比,礦石回收率提高18%.由于回收率提高和公路地下保安礦柱礦量的開采,多采出礦石資源量約1.10億t,延長礦山服務年限15年,采出礦石品位提高0.67%,每年消耗磷石膏約300萬t.雖然增加充填站建設投資2.5億元,年采礦直接成本增加約2億元,整個開采服務年限內增加投入約230億元,但由于回收率提高和貧化率降低增加的礦石銷售收入約450億元.另外節省磷石膏庫征地費、建壩費、防滲處理費及運營管理費等約27億元.經濟效益十分顯著.

4.2 磷石膏充填采礦的資源環境影響分析

采礦工業不可避免地破壞自然環境.開陽礦區各礦段全面建成充填采礦設施以后,將大大減少礦山廢石和磷石膏等的堆放,礦區及其周圍的環境將得到大幅度改善;同時山體崩塌和滑坡、泥石流、地面塌陷和裂縫以及水土流失等問題將得到有效遏制,有利于保護農民房舍的安全和田土不被破壞,大大減少礦農間的矛盾糾紛.

采用磷石膏充填采礦獲得了節約資源和保護環境的雙重收益,不僅節省土地,資源回收率提高,而且保護公路和村莊安全,減少工程地質災害.特別是磷石膏用于充填采礦后,可大大減輕加工廠磷石膏堆存壓力,有效實現資源開發與生態、環境保護的和諧統一.

5 結 語

磷石膏充填采礦技術在開陽磷礦用沙壩礦段的成功應用,對于實現磷礦資源無廢害開采具有十分重要的意義,為磷石膏綜合利用開辟了一種新的工藝和方法.在采礦試驗成功的基礎上,通過消化、改進、完善,現在已在礦區全面推廣,除對用沙壩1號充填站進行原址擴建外,又建成了馬路坪礦充填站,用沙壩礦2號充填站、青菜沖礦充填站和沙壩土礦充填站正在建設中,開陽磷礦區即將實現磷石膏充填采礦的全面推廣應用.

磷石膏作為充填骨料的充填采礦技術在開陽磷礦區的應用不僅減少了磷石膏的排放,改善了礦山的安全條件,而且可提高磷礦資源回采率并取得了良好的經濟效益.可以預計,該項技術在全國其他礦區的推廣應用,將為構建資源節約型和環境友好型綠色礦山發揮更大的作用,獲得更大的經濟效益和環境效益,其推廣應用前景十分廣闊.

參考文獻:

[1]磷石膏充填無廢害開采綜合技術研究技術總報告[R].長沙:中南大學資源與安全工程學院,2008.

[2]貴州開磷集團磷石膏充填采礦工業試驗設計方案說明書[R].長沙:化工部長沙設計研究院,2008.

[3]貴州開磷(集團)有限責任公司.磷石膏膠結嗣后充填采礦法及其制漿工藝[P].中國專利:CN101008316,2007-08-01.