沙土固化技術在綠色礦山建設中的應用

毛靜民 高大峰 劉 捷 周天興 劉 浪

（武漢工程職業技術學院 湖北 武漢：430080）

21世紀現代工業生產高速增長，對礦產資源的開發利用規模和強度是人類歷史上從來沒有出現過的。礦產資源是不可再生資源，一方面，隨著礦產資源的開采，礦物、原材料趨于枯竭，另一方面，工業生產的廢棄物日積月累，全國累積的工業固體廢棄物多達80億噸，不斷吞噬著生態環境。采礦工業的資源浪費現象嚴重，如崩落法采礦的損失率、貧化率高達30%。因開采而形成的塌陷區破壞地表環境，因技術原因而排棄的剝離廢物和尾礦占用大量耕地，在惡劣氣候條件下它們形成泥石流、沙塵暴，一部分尾礦還產生化學有害物，危及動植物、人類的健康。2008年，陜西省襄汾“9·8”特別重大事故就是一個小規模的尾礦庫因管理維護不善而潰壩，造成267人死亡。

工業固體廢棄物的排放和危害與日俱增，與我國發展循環經濟，實現節能減排，建設“兩型”社會的要求不符。文獻介紹［1－4］，環保節能的PCSB新技術在處理工業固體廢棄物的過程中顯現出巨大威力。在PCSB應用技術中，取得2項國家發明專利，武鋼礦山引進PCSB固化劑新材料技術加大礦山尾礦利用力度，成功申報了節能減排綜合利用國家級示范工程。

1 應用尾礦固化技術制作墻體材料，解決烏龍泉礦尾排放問題

烏龍泉礦大洪山尾礦庫位于礦區西側，距破碎洗礦車間約3km。1966年10月建成投產，設計堆積壩最終標高為90m，有效庫容為419.8萬m3，屬Ⅳ級建筑物。烏龍泉礦礦山生產分為采礦、運輸、破碎等工藝過程，其中礦石的破碎、篩分、洗礦是將原礦轉變為精礦的重要環節。期間有大量的排放物（尾礦＋水），通過砂漿泵排放到尾礦庫。尾礦庫中的礦漿經過沉淀后，水被抽回循環使用，尾礦則沉積在庫內，使尾礦庫容量逐年減少。目前，堆積尾礦近400萬m3，尾礦壩上堆積尾礦至88m的高程。烏龍泉礦尾礦庫被列為A級危險源，防汛安全維護費用每年達10萬元。近年來，最新地質勘探查明，烏龍泉礦尾礦庫區地下有大量優質石灰石礦，若能利用，可大大延長礦山開采年限。

烏龍泉礦尾礦的主要化學成份為CaCO3，其次為MgCO3，化學組份較為單一。其他化學成份SiO2、Al2O3、S、K2O、Na2O、有機 C等成份含量少。礦物組成主要有深色石灰、淺色石灰、白云石，其次還有圍巖中的燧石灰巖、矽質灰巖、閃長巖。尾礦含泥量在15%～60%，d50粒徑在0.05mm～0.25mm。尾礦顆粒細、排放量大，遇風容易揚起灰塵，見水則容易形成泥沙流，破壞其周邊的生態環境。

在水泥等多種膠凝材料與烏龍泉礦尾礦的固化相容性試驗分析中，發現PCSB沙土固化劑與烏龍泉礦尾礦的固化相容性最好，其固化試件具有建筑墻材應有的性能。

應用PCSB固化技術制作尾礦墻材，經過實驗室研究、工業試驗，尾礦樣磚的強度指標、抗凍性指標達到NY／T671－2003《混凝土普通磚和裝飾磚》產品規范中承重磚 MU10的強度等級［4］。建成年產環保磚3000萬塊的生產線，試用產品良好。

2 利用程潮鐵礦尾礦充填塌陷區

程潮鐵礦采用無底柱分段崩落法開采，自正式投產以來多次發生泥石流涌入巷道、采場的事故，造成了設備損壞、人員傷亡，增加了回采、選礦成本。由于需要崩落圍巖，地表形成了十幾個不同時期、不同規模、不同原因所引起的面積高達2000畝的塌陷區和錯動帶。礦區地表覆蓋著3m厚的第四系的細粒粘土、亞粘土、亞砂土，其下部是3m厚的粗砂、礫石風化層，這些粘土在大量連續降雨的作用下，由吸水飽和，含水率超過液限，逐漸液化，在采空區上方積蓄能量，當這些粘性流體聚集到一定量時，突出裂隙，沿著破碎巖體的通道，涌入采場，形成泥石流［5］。

泥石流形成與崩落法采礦方法、塌陷區和采空區、第四系粘土覆蓋層、大氣降雨和液化粘土的積蓄、裂隙弱面和通道等幾個關鍵因素有關。用尾礦充填塌陷區，堵塞裂隙弱面既能防治井下泥石流，又能解決尾礦存放的出路，還避免了征地、擴建尾礦庫。目前，塌陷區充填方案有尾礦干排方案、尾礦造塊方案、尾礦造漿方案。尾礦干排方案需要陶瓷過濾機，濾機效率低，能耗大，占地面積更大，投入過高。尾礦造塊方案可以采用與制磚相同的技術。尾礦造漿方案是在尾礦漿中添加適量固化劑材料，通過管道輸送到塌陷區，固化形成足夠強度的充填體。其中，尾礦造塊的方案和尾礦造漿的方案都是有競爭力的。

程潮鐵礦尾礦中的金屬礦物有磁鐵礦、赤鐵礦、鏡鐵礦、針鐵礦、菱鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦，脈石礦物有綠泥石、金云母、方解石、白云石、石膏、鈉長石、綠簾石、透輝石等。尾礦粒徑d50＝0.064mm［6］。

針對程潮鐵尾礦性能，配制PCSB的2種劑型，對鐵尾礦固化，在固化劑摻量為5%～11%的條件下，7天強度為3.81MPa～8.72MPa，28天強度為6.89MPa～16.23MPa。

3 程潮鐵礦充填法采礦的技術研究

我國地下鐵礦山多數采用崩落采礦法回采，這是因為崩落法采礦的適用范圍廣、采場結構簡單、安全性好、技術成熟、回采強度高，生產效率高，采礦成本低。但是近年來，經濟發展促使了對資源掠奪式開發，而資源數量逐漸枯竭和礦產資源的不可再生性又反過來限制經濟的發展，隨著人們對科學發展觀的深入理解，人們的環境保護意識不斷加強。崩落法損失、貧化率高居不下，塌陷區征地成本節節攀升，人們在思考崩落法帶來的廢石、尾礦、地表塌陷等頑癥；礦石價格大幅度飆升，膠結材料、工藝、技術有了長足的發展，使得人們重新認識充填法采礦［7］。

充填采礦方法是在采出地下礦石的過程中，用尾礦回填到采空區，從而避免地表塌陷，又為尾礦找到了排放場地。因此充填采礦方法是保護環境的綠色采礦方法。

研究顯示，PCSB充填材料有突出的效果：

對尾礦不需分級，充填料漿中不需添加粗顆?；蚬橇希瑢崿F全尾礦充填；

充填料漿能夠產生較好的早期強度和后期強度，3天、28天強度最高可達到3MPa、7.7MPa，而同等情況下水泥充填料漿的7天、28天強度只有0.8MPa、1.6MPa；

充填料漿具有較好的流動性能，80%濃度的坍落度最低為26cm，而75%濃度的水泥料漿的坍落度最高只有22cm。

4 結語

武鋼礦山引進PCSB固化劑新材料技術，開展了尾礦制磚、尾礦充填等研究工作，治理礦山尾礦，研究實踐表明，利用烏龍泉礦石灰白云石尾礦制作建筑用磚，既能夠消納多年的尾礦排放物，又能夠為新生尾礦找到用途，解決礦山生產后顧之憂；利用尾礦充填塌陷區和采空區，一方面，給尾礦找到了理想的排放地點，解決原來崩落法采礦遺留塌陷區對礦山生產的安全隱患，另一方面，在武鋼礦山進行充填采礦方法試驗，為武鋼礦山引進充填技術積累了經驗。

利用PCSB新型適用技術，解決工業固體廢棄物排放、堆存問題，降低了礦山生產成本，保護了環境，同時將廢棄物資源化循環利用，實現了建設生態綠色礦山的目標。

［1］毛靜民.利用石灰石白云石尾礦制作墻體材料應用技術的研究［R］.武鋼礦業責任有限公司，2010.

［2］毛靜民.程潮鐵礦充填采礦法材料試驗研究［R］.武鋼礦業責任有限公司，2011年8月.

［3］毛靜民.PCSB固化建筑廢渣的路面基層性能研究［J］.長江科學院院報，2012，（8（：122－128.

［4］毛靜民等.烏龍泉礦尾礦分類及特性研究［J］.中國礦業，2013，（8）：72－75.

［5］陳振清等.程潮鐵礦井下泥石流形成機理分析［J］.礦業工程，2006，（3）：27－29.

［6］劉曙等.程潮鐵礦選礦廠尾礦再選生產實踐［J］.冶金礦山與冶金設備，1998，（4）：35－36＋26.

［7］劉同有.充填采礦技術與應用［M］.北京：冶金工業出版社，2001.