金屬礦山地質環境保護與治理新技術

　　摘要：礦產資源的開發利用為國民經濟發展提供了不可缺少的原材料，已成為我國社會經濟發展的重要支柱，我國92%以上的一次性能源、80%的工業原材料、70%以上的農業生產資料都來自于礦產資源。本文結合我院多年研究應用成果，簡要闡述有關金屬礦山地質環境保護與治理方面的新技術。
　　關鍵詞：地質環境保護；地質環境治理，金屬礦山
　　
　　長期以來，由于觀念、管理、技術等多方面的原因，致使許多礦山的開發對周邊生態環境造成了嚴重破壞和影響，產生了各種各樣的礦山地質環境問題，危及到礦區周邊人居生態環境的安全，制約了地方經濟和礦山企業的可持續發展。
　　
　　1 無廢開采技術
　　采礦業在提供原材料的同時也不可避免地擾動環境、破壞生態等，其負面效應主要表現方式有：資源損失、地表塌陷、排放廢石、排放尾砂（赤泥）。礦山固體廢料的排放占用了大量寶貴的土地，造成生態環境惡化，采礦引發的環境破壞已成為不可忽視的嚴峻問題。如何減輕采礦業對地質環境的影響與破壞，已是國內外面臨的一項重大任務。因此，無廢開采方式及其工藝技術已成為國內外主要發展方向，走綠色礦山發展的模式。近年來，在國內采礦行業提出了工業生態型開采理念和無廢開采模式。南京鉛鋅銀礦將成為我國有色礦山第一個無廢開采的礦山，實現廢渣、廢水兩個“零排放”，確保生態平衡、環境優美。冬瓜山銅礦和會澤鉛鋅礦的深部開采也按無廢開采模式進行設計和建設。
　　1.1 無廢開采模式
　　礦床無廢開采模式遵從工業生態學的觀點，以采礦活動為中心，將礦山人文環境、生態環境、資源環境和經濟環境相互聯系起來，構成一個有機的工業系統；在采礦過程中，以最小的排放量獲取最大資源量和企業經濟效益；在采礦活動結束后，通過最小的末端治理使礦山工程與生態環境融為一個整體。
　　無廢開采模式將結合礦床開采工藝控制和消除危害源。因此，開采模式包括三項基本要素：資源效率高；廢料流出量小；地表不受破壞。于是，在礦床開采過程中將實現礦產資源充分利用與有效保護、礦區地表不塌陷、礦山固體廢料少排放或零排放的目標；在礦山生產過程中可以保持礦區完整的生態體系和人文環境，礦床開采結束后只需少量甚至不需要進行末端治理。
　　無廢開采模式要求在工藝和技術上能消除或減少礦床開采過程中帶來的負面效應，在經濟上應滿足最小損益率原則。
　　1.2 無廢開采工藝與技術
　　礦山充填是無廢開采模式的工藝基礎，在提高礦產資源的回采率、保護地表不破壞和充分利用礦山固體廢物方面具有不可替代的作用。
　　針對金屬礦床開采的主要固體廢物源廢石和尾礦（包括赤泥等其他尾廢料），研發成功了全尾砂膠結充填、廢石膠結充填等固廢充填技術，能夠實現礦山廢料資源化，達到資源與環境、安全、經濟協調發展的綜合目標。全尾砂脫水工藝、活化制備技術、結構流自流輸送和膏體泵壓輸送技術均取得重大進展。固體廢料充填技術已在銅綠山銅礦、南京鉛鋅銀礦、張馬屯鐵礦、冬瓜山銅礦和豐山銅礦等礦山得到工業應用和發展，會澤鉛鋅礦、草樓鐵礦和白象山鐵礦也將相繼推廣應用。
　　高濃度全尾砂膠結充填技術于20世紀90年代在凡口鉛鋅礦試驗成功，但推廣應用不夠。20世紀90年代后期以來，隨著全尾砂脫水工藝、活化制備技術、高濃度泵壓輸送和自流輸送技術等方面取得重大進展，因而加速了其推廣應用。其中在南京鉛鋅銀礦研究采用了倉式沉密脫水新工藝，尾砂利用率達到95%以上。同時成功地發展應用了全尾砂膏體泵送充填技術和結構流自流充填工藝，開發了高濃度充填料井下增壓輸送工藝及裝備。
　　自然級配廢石膠結充填技術利用采空區落差條件和充填體的低標號特點89b53c60432fb4e96268d206b449cda0，充分利用礦山廢石作為充填材料，實現地下礦山掘進廢石零排放。通過充填料分流輸送和自淋混合新工藝，將充填效率提高膠結充填工藝的15~25倍。在充填體試塊28 d單軸抗壓強度達3MPa時，充填體水泥耗量降低至100 kg/m3，是傳統膠結充填工藝水泥耗量的30%~50%。因而，可以在各種開采條件下推廣應用，特別是能夠實現井下掘進廢石不出窿，既解決廢石污染問題，又降低開采成本。
　　
　　2 減輕礦山地質災害發生的巖層控制技術
　　由于礦床開采后破壞了巖體的原始應力狀態而引起巖體內部應力的重新分布，從而導致采空周邊巖體失去原有的平衡，引起巖體的移動、變形甚至破壞。對于不同的采礦方法，其誘發地質災害的類型、災害的程度、致災時間有所不同。具體到對于處于某特定環境中的礦床來說，采用某個采礦方法可能導致的地質災害類型，決定于采礦方法的特點和具體的開采條件和地質環境。
　　因此，在礦山的生產實踐中，需要針對礦山賦存條件的特點，從工程地質調查入手，根據室內的巖石物理力學性質的測試結果，依巖體質量的分級評價方法確定礦巖體的力學參數，由礦山的開采特點建立有效的模擬分析模型，采用先進的三維數值模擬技術，對礦山在開采期間內可能所誘發的工程地質災害進行模擬分析，從而采用有力的措施，對礦體巖層的穩定性進行控制。巖層穩定性控制技術具體的內容包括：采場結構參數研究如暴露面積Mathews穩定圖方法及采高與采寬、回采順序優化、礦柱尺寸、巖層支護與加固技術、充填體作用機理及強度確定、巖層移動角與崩落角確定等。
　　3 地質災害監測預警技術
　　地質災害監測預警的目的是：（1）礦床開采過程中，因多方原因致使突發性的工程地質災害頻生。國家對地質災害防治高度重視，為減緩工程地質災害對礦山開采的安全危害，開展好防災減災工作，非常有必要開展對金屬礦山的災害控制與防治研究，而地質災害的監測預警是其重要的內容之一，地質災害的監測可為災害的預測預警提供依據。（2）金屬礦山重大工程地質災害往往具有突發性、破壞性、災難性和繼發性等特點。礦山的開采環境復雜，給工程地質災害的控制與防災減災帶來了極大的困難，但金屬礦山的工程地質災害顯現的前兆明顯，且金屬礦山的災害監測方法上的改進和提高，使工程地質災害的監控預警成為控制地質災害比較有效的途徑之一。實踐證明：對礦山進行長期有效的地壓監測，建立適合礦山實際情況的地壓監測網是非常有用的，它能對礦山的地壓災害予以提前預警預報，有利于礦山企業進一步采取對策措施，避免災害性事故的發生。（3）目前我國系統的礦山地質環境監測體系尚未很好地形成，對工程地質災害的監控能力較低，在對各類地質災害類型的有效識別、成災機理、監控預測、治理技術等方面還存在不足之處，即工程地質災害的監控預警系統化不夠完善，地質災害的監測裝備和手段落后，地質災害的預報成功率低，災害預警能力亟待提高，地質災害信息的共享水平低。對地質災害的監測預警有利于對地質災害發生機理、控制方法等的研究提供技術支撐。
　　目前國內外對工程地質災害的監測技術和方法已發展到一個較高的水平，監測內容豐富，監測方法眾多。監測內容包括：位移監測、應（壓）力監測、聲發射/微震監測及地下水監測等。長沙礦山研究院在國家“十一五”科技支撐計劃課題“特大空區環境下安全開采技術研究”中，主要是采用前三種監測手段，用于對柿竹園多金屬礦群空區崩落法開采下礦柱與頂板的穩定性進行監測預警分析，以及研究采區在崩落開采過程中的地壓活動規律，確保了柿竹園多金屬礦多次的世界特大爆破（最大一次爆破藥量達821.3噸）的順利實施。采用聲發射/微震、位移和鉆孔應力方法建立了地壓監測網，同時建立了基于監測數據的數據庫及地壓災害預警模型庫。預警分析方法包括：灰色理論、分形理論、Verhulst反函數模型和非線性動力學理論方法。根據對監測數據的預警分析，對未來可能發生的地壓災害進行相應的預警預測，指導礦山采取相應的安全措施。
　　
　　參考文獻
　　[1]周愛民 .有色礦山采礦技術新進展[J]. 采礦技術，2006，5（3）：1-7，48.
　　[2]周愛民 .國內金屬礦山地下采礦技術進展[J]. 中國金屬通報，2010（27）：17-19.
　　[3]劉小林 .預測模型在柿竹園礦地壓災害預測預報中的應用研究[J]. 礦業研究與開發，2008，28（3）：56-58.
　　[4]李愛兵 周愛民等.柿竹園多金屬礦床群空區條件下的崩落特性研究[J]. 巖石力學與工程學報，2008（11）：2234-2243.
　　[5]尹彥波 李愛兵.采空區穩定性監測及預測新技術研究[J].見第二屆全國水工巖石力學學術會議論文集（武漢），2008.10：523-526.