塌陷區(qū)尾砂固結(jié)排放環(huán)境影響模型構(gòu)建及應(yīng)用

楊 麗

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司, 河北 邯鄲市 056002)

0 引 言

尾礦處理是金屬礦區(qū)的重要問題，尾礦處理工程帶來的環(huán)境問題更是越來越受到社會關(guān)注和重視。為準(zhǔn)確描述尾礦庫對環(huán)境的影響，不少學(xué)者對尾礦庫的安全和環(huán)境等方面進行了研究。李桂榮等提出了礦山可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r評價方法的定量評價模型[1]；羅娟、陳守余提出了礦山環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系及層次分析法[2]，陳慶等基于模糊數(shù)學(xué)理論建立了尾礦庫環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型[3]；冀紅娟等采用模糊綜合層次分析模型對銀山尾礦進行了環(huán)境影響評價[4]，對尾礦庫的環(huán)境影響做了定性和定量的分析研究。

這些模型評價了尾礦庫對環(huán)境破壞程度，沒有考慮到一些工程對環(huán)境的修復(fù)功能。隨著人們環(huán)境保護意識的增強，近年來，一些尾礦處理工程，不僅在努力減輕對自然環(huán)境造成的破壞，同時在某些方面會對現(xiàn)有的環(huán)境產(chǎn)生修復(fù)作用。本文旨在綜合分析尾礦處理工程對環(huán)境破壞和修復(fù)兩方面的影響，建立相應(yīng)的環(huán)境影響評價指標(biāo)體系和計算模型，并用此模型評價西石門鐵礦北區(qū)塌陷區(qū)尾砂固結(jié)干式排放項目的環(huán)境影響。

1 尾礦處理工程環(huán)境影響評價模型

該模型的實質(zhì)是綜合工程對環(huán)境中各個因素的影響，給出一個總體概括的評價結(jié)果，主要包括選擇評價因素、確定各因素權(quán)重、量化評價因素對環(huán)境的影響、算出綜合評價結(jié)果、根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)得出結(jié)論等幾個步驟。

1.1 環(huán)境評價指標(biāo)體系的建立

尾礦處理工程對環(huán)境的影響是多方面的，可以把環(huán)境評價體系分為評價對象、評價指標(biāo)、評價因子3個層次。根據(jù)尾礦處理工程的自身特點，選取地質(zhì)狀況、環(huán)境污染和生態(tài)安全三個方面作為評價指標(biāo)，再概括出各指標(biāo)包括的評價因子，由此建立環(huán)境評價指標(biāo)體系[4]。

表1 環(huán)境評價指標(biāo)體系

1.2 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價是在考慮多種因素的影響下，運用模糊數(shù)學(xué)工具對事物做出綜合評價。根據(jù)上述環(huán)境評價指標(biāo)體系劃分的三個層次，此處采用二級模糊綜合評價模型，其基本步驟如下：

(1) 定義評價指標(biāo)集：Y={Y1，Y2，Y3}和因子集X={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8}，其中Y1={X1，X2}，Y1={X3，X4，X5} ，Y1={X6，X7，X8}。

(2) 對子因子Xi進行逐一評價，將其影響量化為ai，構(gòu)成評價因子賦值矩陣：A1=[a1，a2]；A2=[a3，a4，a5]；A3=[a6，a7，a8]。

(4) 評價指標(biāo)的綜合分值：

Yi=Ai·Pi；i=1，2，3；

(1)

(5)評價對象的綜合分值：

Z=Y·P*；

(2)

1.3 評價因子權(quán)重的確定

評價因子權(quán)重的確定是建立環(huán)境評價模型非常重要的一個環(huán)節(jié)，在很大程度上反映了評價模型的合理程度。本文采用層次分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重。

定義bij是因子Bi和Bj對上一層指標(biāo)影響程度之比，根據(jù)相對重要程度差異的大小，將標(biāo)度進行分級并賦值[5]，標(biāo)度含義見表2。

表2 標(biāo)度的含義

注：2，4，6，8，表示上述相鄰判斷的中間值，如果影響強烈程度顛倒則用標(biāo)度的倒數(shù)表示。

將評價因子兩兩對比的結(jié)果按表3進行排列，構(gòu)成判斷矩陣[6]。

表3 判斷矩陣形式

對判斷矩陣進行計算，用Matlab軟件求解每一個判斷矩陣最大特征值和對應(yīng)的特征向量，對結(jié)果做一致性檢驗。

一致性指標(biāo)：CI=(λmax-n)/(n-1)

一致性比率：CR=CI/RI

式中：λmax判斷矩陣最大特征值，n為矩陣階數(shù)，RI為隨機一致性指標(biāo)均值。n=1,2時，RI=0；n=3時，RI=0.51。

當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為矩陣通過了一致性檢驗，即得到的特征向量為指標(biāo)的權(quán)重；當(dāng)CR≥0.1時，則需要重新構(gòu)造判斷矩陣。

1.4 評價因子對環(huán)境影響程度的量化

為反映尾礦處理工程對自然環(huán)境質(zhì)量正負(fù)兩方面的影響，將影響程度劃分為7個等級，根據(jù)影響的空間范圍、持續(xù)時間、影響的安全性、可逆性等方面可以對劃分影響等級的意義作如下說明：

(1) 嚴(yán)重破壞：對系統(tǒng)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境造成大范圍、長時間的破壞，有明顯安全隱患并且恢復(fù)的難度非常大。

(2) 中度破壞：對環(huán)境的破壞程度不突出，但恢復(fù)工作需要較大的投入和一定的修復(fù)時間。

(3) 輕微破壞：對環(huán)境造成小范圍、暫時的破壞，引起的安全隱患少，恢復(fù)工作容易且見效快。

(4) 沒有影響：對環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響。

(5) 輕微修復(fù)：對已破壞的環(huán)境產(chǎn)生修復(fù)作用，程度比較弱，不利于長時間維持。

(6) 中度修復(fù)：對環(huán)境中較大范圍的環(huán)境破壞實現(xiàn)修復(fù)，在消除環(huán)境中的安全重大不安全因素的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境能通過自動調(diào)節(jié)保持長期的穩(wěn)定。

(7) 良好修復(fù)：對已經(jīng)破壞的環(huán)境產(chǎn)生非常顯著的修復(fù)，使生態(tài)環(huán)境接近自然情況并具有長期的穩(wěn)定性。

對以上劃分進行賦值，見表4，并以此作為評價因子的打分和解釋評價對象的依據(jù)。

表4 影響評價等級量化表

2 西石門鐵礦尾礦處理工程環(huán)境狀況分析及評價

2.1 西石門鐵礦尾礦處理工程概況

本工程位于河北省邯鄲市武安西石門礦境內(nèi)，處于太行山隆起與華北平原沉降帶的接觸部，地處海河流域，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。年平均氣溫11℃至13.5℃，極端最高溫42.5℃，極端最低溫-19.9℃；年平均降水560 mm，年最大降雨量1472.7 mm；年日照時數(shù)平均2297 h；四季之中，屢起西北、西南及西風(fēng)，年平均風(fēng)速2.6 m/s，極端最大風(fēng)速29 m/s；年平均無霜期196 d；主要自然災(zāi)害有旱災(zāi)、水災(zāi)、雹災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、蟲災(zāi)、地震、霜凍等。

西石門礦原尾礦庫容已經(jīng)接近極限，不能再進行擴容，2009年6月邯邢局委托中國礦業(yè)大學(xué)(北京)完成了“全尾砂固結(jié)排放技術(shù)研究”，計劃利用西石門北區(qū)塌陷區(qū)進行全尾砂固結(jié)排放。北區(qū)塌陷區(qū)的容積為100萬m3，而礦山年排尾量在60.19萬t以下，排入塌陷區(qū)的固結(jié)尾礦按重量濃度78%計，其漿體密度為2.006 t/m3，年排尾體積量為38.47萬m3，服務(wù)年限為2.6 a以上。

本工程整體上就屬于環(huán)保投資，估算約1400萬元，主要內(nèi)容包括濃縮-過濾、尾礦回水設(shè)施、環(huán)境綠化等。

2.2 環(huán)境狀況分析和評價因子賦值

2.2.1 塌陷區(qū)的地質(zhì)狀況分析

塌陷區(qū)是無底柱分段崩落法采礦后，地表陷落形成的地表凹陷，塌陷區(qū)正底下雖然不再采礦，但其它地方一般仍在采礦，而且塌陷區(qū)地下一般還有殘存的巷道和其它采礦作業(yè)面或巷道相通，即塌陷區(qū)的縫隙是和采區(qū)相連的，下雨時塌陷區(qū)的水可以進入其它作業(yè)面或巷道。

尾礦濾餅排入塌陷區(qū)中，對地表起到修復(fù)作用。干排到塌陷區(qū)的尾礦必須經(jīng)過徹底的脫水，含水率需達(dá)到雨季自然原土的含水率。為了提高干排尾砂的屈服應(yīng)力，需加入水泥或高水材料等添加劑。

2.2.2 環(huán)境污染狀況分析

西石門鐵礦全尾砂化學(xué)分析結(jié)果為：燒失量為15.38%，SiO2為29.31%，Al2O3為6.42%，F(xiàn)e2O3為4.02%，CaO為26.08%，MgO為14.66%，K2O為1.55%，Na2O為1.68%，MnO為0.818%，其他占0.47%。尾砂中重金屬含量很少，因此不會造成重金屬污染。

北塌陷區(qū)周邊工廠較多，大氣環(huán)境空氣質(zhì)量中等。無地表水系，主要受大氣降水控制，雨季和旱季水量差異較大。生產(chǎn)生活總供新水量約1440 m3/d；循環(huán)到選礦廠的回水量為2718 m3/d；固體廢棄物為選礦生產(chǎn)中產(chǎn)生的尾礦加水泥過濾后的濾餅及少量生活垃圾；噪聲聲源來自盤式真空過濾機，峰值約為100 dB(A)。

項目建設(shè)原則上不向外排放工業(yè)廢水，不會對地表和地下水體產(chǎn)生污染，更不會對當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活產(chǎn)生影響。工業(yè)廢水全部循環(huán)利用。尾礦固結(jié)后堆存，在干旱多風(fēng)季節(jié)，也不易產(chǎn)生粉塵，如產(chǎn)生粉塵，采取灑水保濕的方法也可防止揚塵，對已修復(fù)的塌陷區(qū)，及時進行覆土植被，確保植被成活，防止尾礦揚塵。

2.2.3 生態(tài)安全綜合分析

工程建設(shè)廠區(qū)占用土地共計900 m2，其中建構(gòu)筑物占地900 m2，外部道路為原有道路。本工程不會引起水土流失，塌陷區(qū)及時進行覆土和植被，在有條件進行綠化的地方，植樹或栽種花草，生產(chǎn)活動對植被覆蓋率和物種多樣性帶來的影響很小。除此之外，地面塌陷區(qū)的尾砂排放時，對尾砂進行固結(jié)處理，改變尾砂松散的性質(zhì)，使之具有一定的粘結(jié)力，這樣增強了塌陷區(qū)的穩(wěn)定性，減少其對人類安全的威脅。

依據(jù)以上分析，采用專家評價法對尾砂固結(jié)排放工程環(huán)境影響評價因子進行賦值，見表5。

表5 環(huán)境影響評價因子賦值

2.3 構(gòu)造模糊矩陣并計算指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)西石門鐵礦北區(qū)塌陷區(qū)尾砂固結(jié)干式排放項目設(shè)計要求和現(xiàn)場對環(huán)境的實地調(diào)查試驗，結(jié)合專家的意見，按照表2的評分標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境影響指標(biāo)和因子的相對重要程度進行賦值，得到4個判斷矩陣[3]，見表6～表9。對判斷矩陣進行計算，用Matlab軟件求解每一個判斷矩陣最大特征值和對應(yīng)的特征向量，通過一致性檢驗，對特征值進行歸一化處理得到各指標(biāo)的權(quán)重，見表10。

表6 Z—Y判斷矩陣

表7 Y1—X判斷矩陣

表8 Y2—X判斷矩陣

表9 Y3—X判斷矩陣

表10 環(huán)境影響評價指標(biāo)體系權(quán)重

2.4 綜合評價計算

根據(jù)評價因子賦值矩陣：A1=[1，3] ；A2=[-2，-0.5，-2]；A3=[-1，-0.5，2]。評價指標(biāo)權(quán)重矩陣：P*=[0.216，0.102，0.682]T。評價因子權(quán)重矩陣：P1=[0.2，0.8]T；P2=[0.24， 0.55，0.21]T；P3=[0.085，0.177，0.738]T。

利用公式(1)(2)得：

Z=Y·P*=1.328

根據(jù)表4得出評價結(jié)果為：西石門鐵礦北塌陷區(qū)尾砂固結(jié)干式排放項目對環(huán)境的影響為中度修復(fù)，具有環(huán)境保護功能。此結(jié)果與工程實際相符，說明該評價模型具有一定合理性。

3 結(jié) 論

(1) 考慮到一些尾砂處理工程的環(huán)境保護功能，提出了從正負(fù)兩方面綜合評價尾礦處理工程對自然環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

(2) 利用模糊綜合評價和層次分析的方法，建立了尾砂處理工程環(huán)境影響評價模型。

(3) 對西石門鐵礦北塌陷區(qū)尾砂固結(jié)干式排放項目進行了環(huán)境影響評價，評價結(jié)果為該工程將會對環(huán)境產(chǎn)生中度修復(fù)作用，屬于環(huán)境保護工程。

(4) 要進一步提高評價模型的合理性，可以通過考慮更多的評價指標(biāo)和劃分更多的評價層次。

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