金屬礦山開采及提煉過程中環保節能技術探討及應用淺析

劉永紅

(1. 廣西壯族自治區二七二地質隊，廣西 南寧 530031； 2. 廣西有色勘察設計研究院，廣西 南寧 530031)

0 前 言

我國地域遼闊，可以利用的資源數不勝數，其中對發展較為重要的就是金屬礦山，金屬礦山的開采在國家“綠水青山就是金山銀山”的政策下，環保節能的設計更凸顯重要。為了使金屬礦山的開發環保節能，結合當今社會的發展方向，制定一個環保計劃，利用節能技術促進金屬礦山開采過程更節能有效。針對當前現狀，較多學者都開展了研究，其中，李燕[1]研究了三維激光測量技術在礦山地質環境動態監測中的應用方法，該技術預先分析了礦山地質環境，提出緊急事故快速處理方法，重點引入三維激光測量技術，實現對礦山開采更有針對性、更環保節能。肖體群等[2]研究了大新錳礦西北地采礦區產狀復雜礦體分區協同開采技術，該技術預先分析礦體地質賦存條件，結合礦體三維模型對礦體分區，并針對礦體分區依據，選擇不同的開采方法，實現礦山開采的環保節能最優化。由于現有技術節能效果較差，為此設計一個金屬礦山開采工程的環保節能技術，了解環境的變化，做到不影響礦山開采，又能達到節能減排，更符合“碳達峰、碳中和”的國家戰略需求。

1 設定開采過程

此次研究的節能技術的重點是減少污染、降低能耗、優化開采效率，提高生產能力。為此重點設計了通風系統，在通風系統的支持下，提出了金屬礦山開采的環保節能技術。

金屬礦山的礦體往往是由于地質體之間的活動較強，構造活動較強，存在著物理性質、化學性質的變化從而形成的一個具有工業經濟價值的礦體。礦體所處的地質環境一般較為復雜，巖土穩定性相對較差，在開采過程中易發生巖土工程問題。為了實現礦山開采環保節能的最優化，就要分析金屬礦山的形成原因[3]，找到合適的開采方法與節能技術，在不破壞礦體現有賦存環境的條件下實現資源優化，保護環境。開采礦石是一項復雜的技術，以往的經驗不足致使工作人員開采起來十分苦惱，在開采過程中不僅涉及周圍的自然環境，還要考慮到地質地形的變化。如果開采不慎，會造成坍塌等情況，為此設定如下采集過程：①實地考察，精準測量，包括礦體、礦體圍巖、夾層等分層特征；②采取節能技術，按照比例采集不同礦石類型及圍巖、夾石，進行巖石物性特征分析；③在較深部位開采時，要注意方法及手段，不能引起波動；④必要時使用深部工程探索礦體的賦存位置，確定礦體的賦存位置，研究礦體及周邊地質環境的特征，采取有針對性的措施方法對礦體進行開采；⑤若礦體周邊地質環境不曾發生過變化，可利用地質勘查手段確定礦體的位置，對其中礦體位置及礦體周邊地質環境精確化確定，然后在較深的位置再收集同樣重量的巖石，進行巖土工程物性指標測試；⑥監測地面下沉的問題[4]，加入噴水淋濾作業使開采區減少粉塵污染；⑦觀察不同巖石樣本的物性指標屬性后，按照含有的礦體及周邊巖石地質環境的特征與對環境的危害等進行分類與檢測。開采全過程應用通風系統及對不同巖石物性指標進行測試，采用節能環保技的設計，以達到節能減排的環保設計。

2 開采過程中環保節能技術設計

2.1 通風參數優化設計

要采用節能減排等綠色健康的模式來控制污染物的來源，通過特殊的工藝技術擴大操作面積，確定礦體的主要賦存環境，使用新技術、新方法，盡量減少污染物的產生。在構建通風系統[5]時，要考慮到不同的開采地質環境，也要保證能量平衡，使節能裝置持續工作，為系統不斷供電[6]。在此前提下凈化污染空氣的渾濁物與顆粒物，保障空氣清新與環境穩定，儀器運行的標準速度用公式表示為：

Ef=λk/λ′f

(1)

式(1)中，Ef為設備耗能，λk為優化前的系數，λ′f為優化后的速度系數。

經過計算可知，當設備的運行速度達到70 m/s時，為最佳排風速度，此時節能可達到 以上，對環境的影響也會降到最低，在國家規定的空氣安全指數范圍內[7]。

而隨著能量的不斷消耗，以及礦體隨著深度的增加也會發生變化，礦體隨著深度增加的關系見圖1[8]。

圖1 礦體隨著深度增加的關系

根據金屬礦山的內部結構與地理位置可以確定壓力的分布情況[9]，可用公式表達為：

O=Pln max×Pln min×Pm

(2)

式(2)中，Pln min為最小壓力，MPa；Pln max為最大壓力，MPa；Pm為中等級壓力，MPa。

基于上述分析可知，開采深度的增加，能量的消耗也不斷發生改變，最初制定的通風參數已經不能夠承擔巖土的壓力[10]，嚴重情況下會造成通風口堵塞。因此建立一個多出口的通風參數，增加礦體的通風面積，減小能量消耗，使土地對礦體的壓力與風對礦體的壓力保持平衡，那么損失的能量[11]用公式表示為：

式(3)中，edp為損失的能量，Rx為介質，kw為計量單位，n為原有通風口數量，個。為了加大通風的速度與面積，對之前的通風系統改進，假設原有通風口的數量為n，繼續增加，表達式為：

式(4)中，Kdp代表損耗系數，R′x代表優化后的阻力介質，Q′3x代表優化后的風壓，m代表新增的通風口數量，個。結合上述公式預測節能公式為：

Kdp=m2/n

(5)

對比得知，優化后消耗的能量比原來減小一半，功率也是如此，為工程后期維護儲存了能量，從而形成一個循環能量系統[12]。不需要外力的參與，依舊能夠開采，保證環保與節能同時進行，那么效率公式可表示為：

?dp=(1-Kdp)×100%

(6)

由公式可知，效率的大小與系統中通風口的數量有關，數量越多，風阻越小，消耗的能量越少，所需要的功率也就越小，金屬礦石的利用率越高，所得到的經濟效益越高。

2.2 礦山開采的優化設計

選取合適的礦化菌種，可以是不具有腐蝕功能的普通溶液與真菌[13]，在溫度為28 ℃與濕度為26%的環境下自行生出分解酶，本身具有酸性，與金屬礦石混合就會發生特異性反應，沉淀即可，需要注意的是任何溶液反應的時間都需要控制，并且要實時監測溶液或者固體的pH，當pH=7.0時，為最佳配制時間。

在時間一定的基礎上，逐漸增加對巖石的壓力，直到出現破裂為止，然后分別測量出不同種類巖石的硬度。

巖土的硬度與彈性是控制巖土危害的主要參數， 將巖土的彈性公式表示為：

(7)

式(7)中，We為巖土的彈性性能，δ20代表彈性系數，E代表磁場強度。

考慮到各種干擾因素[14]，需要控制參數的波動范圍，因此按照國家規定的巖土的各項標準數據，可將樣本的類別劃分為：①當We<40 kJ/m3時代表該巖石性質為弱性巖石；②當We<100 kJ/m3時代表該巖石的彈性程度在標準范圍內；③當We>100 kJ/m3時代表該巖石為強彈性巖石。

若以銅作為主要的金屬物質，為了控制其質變的范圍，通過實驗儀器來進行測試[15]，可得到表達式為：

(8)

式(8)中，Qcu為巖土的原始壓力，P為土地對巖石的壓力，t為受力面積。

確定巖體的基本性能后，把重量為1 kg的樣本土壤沉淀分層，取出主要部分，與配制的溶液按照比例完成配制，根據礦山的面積制定環保計劃，將溶液的濃度依次設定為1%、5%、10%、15%、20%分別混合，20 min后將沉淀物加壓碾碎，通過儀器提取出其中的Cu、Ag、Hg等，檢測出含量多少，剩余物質利用物理技術銷毀，保證環境清潔。經過檢測與排出后，將含有金屬的礦石用作工藝材料，制作出商品，流程見圖2。

圖2 開采節能減排技術工藝

為了驗證工藝技術的環保性能，分析污染物的形成，檢測污染指數，判斷指數的大小來確定是否為環保工藝，也可以測定出對生態環境的影響，劃分出污染等級，將指數控制在等級范圍內，表達式為：

(DN)={[(Bx/Vx)2+(Bx/Vx)2]/2}1/2

(9)

式(9)中，(DN)代表為污染等級，Bx為實際污染程度，Vx為預測污染程度，x為污染物。

通過上述數值模擬可以準確知道開采對環境的危害程度，使用儀器對其監控，確保節能指數的增長。在此基礎上計算開挖機構功率消耗問題，將公式表示為：

(10)

式(10)中，ε為開挖機構的開口率，GD為開挖機構的重量，t為開挖機構的轉速，n為重力加速度，Fv為掘進速度。

將浸取功率消耗情況表示為：

(11)

式(11)中，η為安全系數，Q為攪拌裝置的浸取流量，L為裝置長度，w為阻力系數，d為摩擦系數。

經過上述過程計算采礦裝置的主要消耗功率，在實際開采時，以此為計算指標，為后續優化采掘裝置提供理論依據，以此完成金屬礦山環保開采。

3 試驗分析

為驗證提出的金屬礦山開采過程中的環保節能技術的應用效果，以廣西河池有色金屬礦山為研究對象，經過機器檢測可以明確，試驗地區最低臺階標高為885 m，最高臺階標高為1 450 m，露天采場上口尺寸為3 042 m×1 012 m，露天境界最大采深為550 m。

樣本中含有的金屬物質以銅與鎳為主，占據樣本的一大部分，剩余的包括泥灰巖、石灰巖等，還有一些微量顆粒，有Cu、Ni、As、Sb等。并且該地地形較為復雜，開采起來有一定難度，為此得到的結果更具有代表性。

由于廣西河池有色金屬礦山巖土工程在開采過程中使用電功率、耗水、耗電和污泥排放量均較大，因此研究試驗將使用電功率、每立方米耗電、每立方米耗水與污泥排放量作為試驗指標，通過這4個指標來衡量環保節能技術的應用效果。

3.1 使用電功率對比

對比應用本文技術前后在開采中的使用電功率，對比結果見圖3。

圖3 電功率對比

由圖3可知，應用本文技術后在幾個點的開采中使用的電功率<20 kW，應用本文技術前的電功率<35 kW，應用本文技術后在開采中的使用電功率是最小的，明顯小于應用本文技術前使用的電功率。

3.2 每立方米耗電對比

對比應用本文技術前后在開采過程中每立方耗電，對比結果見圖4。

圖4 每立方米耗電對比

經過上述對比結果可以發現，應用本文技術前耗費的電量<5 kW·h，應用本文技術后耗費的電量<3 kW·h，應用本文技術后耗費的電量遠高于應用本文技術后。

3.3 每立方米耗水對比

對比應用本文技術前后每立方米耗水情況，對比結果見圖5。

圖5 每立方米耗水對比

由圖5可知，應用本文技術后的耗水<1 t，應用本文技術前的耗水<5 t，應用本文技術后的耗水較少，原因是本文技術能夠分析出污染物的情況，劃分污染等級，及時采用了相關方法處理，從而減少了水資源的浪費，較應用本文技術前的應用效果好。

3.4 污泥排放量對比

對比應用本文技術前后的污泥排放量，對比結果見圖6。

圖6 污泥排放量對比

由圖6可知，應用本文技術后的排污量<2 m3，應用本文技術前的排污量<4 m3，應用本文技術后的排污量較少，符合環保施工的要求。

綜上所研究的環保節能技術不僅減少了耗電量，還減少了耗水量與污泥排放量，證明環保節能技術是非常有效的。

4 結 語

經過上述過程完成金屬礦山開采工程的環保節能技術的應用，利用更加簡單與破壞性弱的節能技術來挖掘與分析，并通過試驗驗證了該技術的有效性。與傳統技術相比，該技術能夠控制污染源的產生，加固了自然環境的穩定，能維持生態環境穩定，減少資金與人力，提高生產效率，促進經濟的持續發展，具備較好的應用效果。然而，研究時間有限，所提出的技術還有不足之處，后續研究中，還需要進一步優化所提出的方法。