矿山资源是人类赖以生产和发展的基本条件。矿山开发是人类社会活动中的一个重要组成部分, 它一方面促进了国民经济的发展和社会进步, 另一方面其产生大量尾矿也给矿山环境造成了严重的污染和危害, 并带来了占用土地、资源浪费等诸多问题。
我国现有大小尾矿库400多个, 全部金属矿山堆存的尾矿则高达50亿t以上。有关资料统计表明, 1996年全国铁矿山、有色矿山、黄金矿山选矿厂年排出的尾矿分别高达1.30亿t、6547万t、2450万t。预测到2002年后, 我国每年产生的矿业尾矿将达到6亿t以上。
目前我国的尾矿综合利用率仅为7%左右, 大量的尾矿只能长期堆放在地表的尾矿库内。与此同时, 由于矿产资源的开发, 所留下的大量地下空区和露天采坑尚未处理, 给矿山的开采带来较大的安全隐患。因此将尾矿直接向地下空区和露天采坑内或地表塌陷区排放是直接解决尾矿出路的最有效的途径之一。它既可解决矿山开采引起低压活动带来的安全隐患, 而且可以节约扩建、增建尾矿库所占用土地的建设投资, 以及尾矿库的治理和管理费用。
此外, 从当前国外矿业开发与环境保护的发展趋势来看, 矿业开发将逐渐淘汰陈旧落后的生产工艺, 采用采矿无废料开采新工艺, 将尾矿废料全部用以填充地下空区或露天采坑或地表塌陷区, 最终实现无尾排放的目标。我国也认识到矿业开发与保护环境的重要性, 提出了建设环保型和无公害型的新矿山。为此, 分析了矿山废弃空间 (地下空区、露天采坑、地表塌陷区等) 和矿山尾矿存在的现状及其危害性, 结合近十年来对该方面的研究, 对矿山废弃空间安全排放尾矿的技术进展、技术问题及应用前景进行了系统的总结。
尾矿和废弃空间是一对矛盾, 由于矿业开采的要求, 在井下形成空区或露天形成露天采坑, 危及矿山的安全生产;而采出的矿石经选矿处理提炼出有用矿物后留下的尾矿 (俗称工业垃圾) , 常常是在地表建立尾矿库堆放的, 不仅占用大量耕地和污染环境, 而且还增加了尾矿库的治理和管理费用。给矿山带来经济损失。
综合分析尾矿地表堆放主要存在以下几方面的危害。
(1) 矿山尾矿地表堆放及其危害性。国内每年将产生6亿t以上的尾矿, 而这些尾矿大部分是堆放在地表的尾矿库内, 目前国内大部分尾矿库超期服务、超库容使用, 使原设计坝体的稳定性和抗渗性受到严重影响。尾矿库溃坝等灾害事故常有发生。如之前的云锡公司大古都尾矿库发生溃坝事故、湖南柿竹园有色金属矿尾矿库被洪水毁坝事故、金堆城钼业公司尾矿库排洪隧洞发生塌陷事故, 造成的经济损失都超过千万元以上。
(2) 扩建和新建矿山尾矿库投资大、而且占用大量土地。针对国内大部分尾矿库超期服役和新建矿山尾矿排放的需要, 矿业开发中将扩建和新建矿山尾矿库, 按目前尾矿产生规模每年6亿t、建1立方米库容需投资6～7元计算, 需要尾矿库建设投资16～19亿元。此外, 地面建设尾矿库还需要占用大量的土地, 而我国现行的土地使用政策明确规定, 对今后日趋紧张的农业用地, 今后一段时间内将暂缓矿山用地的征用。因此, 新建和扩建地面尾矿库对矿山来讲已不现实, 必须通过技术攻关另找出路。
(3) 矿山环境污染和生态环境污染日趋严重。矿山尾矿由于常年在地表堆放, 而尾矿中含有大量的有害物质和尾矿细颗粒的存在等原因, 严重污染矿山环境, 给常年生活在矿山尾矿库周围的职工带来极大地影响, 改善矿山生活环境尤为重要。如金川有色金属公司的尾矿, 在狂风季节中细颗粒尾矿腾空而起, 形成数里的“黄龙”, 严重污染环境。另据中国社会科学院最新公布的一份报告显示, 1995年环境污染和生态破坏对我国造成的经济损失达到了1875亿元, 占当年国内GDP的3.72%, 这其中矿业开发也占有相当数额。
我国矿山经过几十年的开采, 留下了大量的地下空区或露天采坑或地表塌陷区没有得到处理, 给当今及今后的矿山生产带来重大的安全危害, 同时还困扰和制约了矿山的可持续发展。地下空区或露天采坑或地表塌陷区存在以下几方面的危害。
(1) 地下空区给矿山生产带来安全隐患。矿山地下空区的存在, 造成空区周围岩层的跨冒, 严重影响矿山的安全生产。如铜都铜业股份有限公司狮子山铜矿从1958年建矿至今, 由于该矿矿岩稳固, 采空区没有处理, 到2000年底已形成采空区体积339万立方米 (其中东狮子山102万立方米, 西狮子山237万立方米) , 由于空区的存在, 始终给矿山安全生产带来隐患;又如河北西石门铁矿地下采矿后形成了约200万立方米的采空区, 1998年该矿中区7线北大空区地表突然跨落, 塌陷面积达1.2万平方米, 体积约78万立方米, 虽然采取措施得当, 没有造成较大的经济损失, 但也给矿山敲响了警钟。
(2) 露天采坑或地表塌陷区危及井下的安全生产和破坏了矿山的生态环境。国内有相当一部分矿山采用露天开采, 并逐渐转入地下开采的开采方式进行采矿, 由于露天采场闭坑或转入地下采矿后, 露天开采形成的露天采坑是一个集水漏斗, 并逐步渗流到井下, 它一方面增大了井水的涌水量, 增加采矿成本, 另一方面因水大而影响矿山的安全生产。
(3) 此外露天开采后破坏了矿山地表的植被, 形成了露天采坑或地表塌陷区, 常年作为废弃空间在地面闲置, 破坏了矿山的生态环境。
20世纪国外在合理的利用矿山资源、保护自然环境方面开展了一系列科学研究工作, 目前对尾矿处置方法除工程建设、建筑材料、磁化肥料和土壤改良剂以外, 主要有: (1) 无废料开采技术——尾矿用作充填采空区; (2) 尾矿深海排放; (3) 利用露天采坑排放尾矿等几种尾矿处置方式。由于上述几种方式不仅可以充分利用矿产资源, 提高企业的经济效益, 而且可以避免废弃物对自然环境造成污染和危害。因此在前苏联、德国、加拿大、美国、英国等国家得以广泛应用。
前苏联对尾矿处理问题非常重视, 早在70年代就开始进行采选无废料工艺的研究。从20世纪80年代初开始陆续制定了一些为矿山设计采选无废料的工艺流程, 从铁矿山扩展到钛铁矿、萤石矿和金矿。如库尔斯克磁异常区的克罗布科夫斯克铁矿开展了地下采选无废料生产工艺的研究, 该矿将选矿厂产出的尾矿全部用于井下充填采空区, 从而实现采选无废料生产工艺。该项技术主要包括尾矿输送技术、尾矿的特性、充填材料强度等, 采用该技术后, 尾矿库不再占用农田, 不会产生扬尘和污染矿区大气的现象, 矿山周围的环境得到了保护[1]。
加拿大和美国研究了尾矿的海底处置方法, 这种方法包括尾矿处理作业线、海水投放作业线并在排气/混合室处理尾矿, 然后把尾矿排放到局部的深处且能靠重力沉积的区域。这种尾矿处置方法首次在1971年应用于加拿大的Island铜矿后, 随后在加拿大的Kitsault铜矿、格枝兰的Black Angel铅锌矿及巴布亚新几内亚的Misima金银矿应用[1]。
国内的尾砂处置方法主要是地表尾矿堆放和用于充填采空区两种。其中尾矿库堆存是处理尾矿量最大的一种尾矿处置方法;随着充填采矿技术的不断发展与进步, 尾矿用于充填地下采空区也占有相当大的比重, 但仅限于贵重金属和有色金属矿山, 而铁矿山因其自身价值偏低而难于推广应用, 其选矿厂产生尾矿以地面建尾矿库堆放为主。随着国家土地政策的变化、环境保护的需要, 以及矿山由于开采而存留大量采空区或露天采坑或地表塌陷区给矿山生产带来的安全隐患, 国内的铁矿山开始探索研究利用地表塌陷区、地下采空区或露天采坑改作尾矿库进行尾矿的处置, 并取得了相关的经验。
南京铅锌银矿与马鞍山矿山研究院从1993年开始联手合作, 对该矿分级尾矿留下的+37以下的尾矿的出路问题开展一系列研究, 针对该矿地下存在大量采空区的现状, 最终将尾泥用于充填井下采空区获得成功, 目前已完成2个中段采空区的充填排放, 是该矿仅环保费用就少支出40多万元/a。同时尾泥充填排放到采空区后, 采空区周围岩层的应力状况得到显著改善, 最大的拉应力值由充填前的1.343MPa降到0.385MPa, 矿山岩层的稳定性得到提高。
马钢桃冲矿业公司在1998年开始委托马鞍山矿山研究院, 对该矿官冲和长龙山顶部塌陷坑改建尾矿库进行可行性论证。研究院认为长龙山顶塌陷不能直接作为尾矿库进行排放尾矿, 但采取安全工程措施后, 即场地平整、多层钢筋网状铺底配合土工布反滤层阻沙漏渗方案或尾矿浆浓缩、旋流分级、粗颗粒干尾砂排入塌陷区方案, 选两个方案之一可以作为尾矿库排放尾矿。目前该矿正在商讨实施阶段。
1998年马鞍山矿山研究院与铜都铜业股份有限公司狮子山铜矿合作, 开展该矿东、西狮子山339万地下空区改建尾矿库的实验研究, 并从以下几个方面开展工作: (1) 地下空区岩体稳定性分析评价; (2) 地下空区改建尾矿库的结构形式; (3) 地下空区充填尾矿后对地下空区稳定性的影响; (4) 地下空区改建尾矿库后对周围环境的影响; (5) 地下空区岩体稳定性监测与控制; (6) 地下空区改建尾矿库的经济评价。上述工作进展顺利, 预计在2002年建成运转后, 将使该矿不建尾矿库, 实现无尾排入的目标, 还清洁于矿山, 换健康于人民, 最终实现尾矿处置产业化。这一目标实现后每年将节约尾矿库建设、尾矿库管理与经营、尾矿库灾害治理、空区治理等费用共计约3550万元经济效益和社会效益显著。
此外, 山东金岭铁矿铁山矿区也进行了尾矿充填露天采坑和地下采空区的工作, 到目前为止已充填了近30万立方米的尾矿, 为解决该矿尾矿出路问题起到了极好的作用。
近10年来的研究经验表明, 要实现在废弃空间安全排放尾矿, 需解决以下技术问题。
(1) 废弃空间的稳定性问题。我们所指的废弃空间, 通常指地下采空区、露天采坑和地表塌陷区等, 在上述地方要实现安全排放尾矿, 其稳定性和安全性是尤为重要的, 也是能否安全排放尾矿的必要条件, 只有在这些废弃空区稳定的条件下, 开展相关的后续工程, 才可避免不必要的浪费。
对于地下空区要研究空区围岩在饱水状态下顶部和帮壁的稳定性;对于露天采坑或地表塌陷区则要研究露天边坡稳定性或地表塌陷区的稳定性。
(2) 废弃空间排放尾矿对周围环境的影响。由于尾矿中有水和少量有害元素的存在, 在废弃空间排放尾矿后, 尾矿的有害元素会随尾矿泄水过程慢慢地渗流到矿区周围的地下水系中, 随着排放的尾矿量不断增加和长时间大量排放, 是否污染矿区地下水的质量?这需要在实施排放尾矿前, 就要对其进行全面的分析评价, 确认没有影响时方可实施。
(3) 尾矿排放浓度与井下排水经营费用的关系。尾矿排放浓度与井下排水经营费用也是制约废弃空间能否作为经济排放尾矿的重要因素之一。因此, 在获取尾矿浆体特性的基础上建立尾矿管道输送参数的数学模型, 通过计算机计算分析后确定最佳的经济适用的尾矿排放浓度, 同时配备相应的尾矿排放输送设备。
(4) 封堵工程的稳定性问题。根据废弃空间的类型, 封堵工程通常包括两种类型对于地下空区是指空区封闭档墙, 对于露天采坑或地表塌陷区是指排放区的坝体它们的稳定性是直接关系到整个工程的安全问题。所以在研究废弃空间排放尾矿时也应作为安全排放尾矿的主要因素来考虑。
对于地下空区封闭墙, 应考虑封闭墙的位置、结构型式与强度、排泄水装置等因素;对于露天采坑或地表塌陷区的排放区坝体, 则更应考虑坝址和地基的稳定性问题, 以及坝体的结构型式与强度的因素。
(5) 废弃空区排放尾矿后的安全监控措施。在建设废弃空区排放尾矿的工程时, 就应该根据废弃空间的类型建立安全监控措施, 也是掌握废弃空间安全排放尾矿的重要手段。对于井下空区排放尾矿, 应建立应力, 应变位移和水质等安全检测体系, 对于露天采坑或地表塌陷区排放尾矿, 则应建立边破位移 (水平和垂直方向) 坝体应变, 位移, 水质等安全检测体系。
我国冶金、有色、建材、化工和核工业矿山每年将生产大量的地下空区或露天采坑或地表塌陷区, 除铜都铜业股份有限公司狮子山铜矿和山东金岭铁矿以外, 存在较大地下空区或露天采坑或地表塌陷区的矿山还有很多, 如河北西石门铁矿, 寿王坟铜矿, 江苏镇江韦岗铁矿, 梅山铁矿江西良山铁矿等, 上述矿山的地下空区或露天采坑或地表塌陷区都不同程度地影响着矿山的安全生产, 因此充分利用矿山地下空区或露天采坑或地表塌陷区, 消除矿山的安全隐患, 降低矿山尾矿处理成本是极为重要的。
针对我国矿山开采地下空区或露天采坑或地表塌陷区存在的现状, 以及给矿山生产和生活带来的安全隐患, 减少矿山尾矿地面堆存的数量, 国内许多矿山急需寻找一种有效的、经济的、可行的地下空区或露天采坑或地表塌陷区的处理方法, 以控制地下空区或露天采坑或地表塌陷区造成的地质灾害, 减少矿山的经济损失。因此若将矿业开发产生的地下空区或露天采坑或地表塌陷区改建尾矿库, 既能消除因地下空区或露天采坑或地表塌陷区给矿山生产带来的安全隐患, 又能减少矿山尾矿库建设、经营、灾害治理等费用, 少征用土地改善矿山生产和生活环境, 把矿山建设成为环保型和无公害型的现代矿山, 它将是我国今后开发矿业的发展方向。采用地下空区或露天采坑或地表塌陷区改建尾矿库的尾矿处置方式具有广阔的推广应用前景, 并可给矿山带来显著的经济效益和社会效益, 为矿山摆脱困境创造条件。
摘要：矿山尾矿大量在地面堆放造成生态环境的严重破坏, 于此同时矿山开采过程留下了大量的废弃空间。总结了自1993年以来对矿山废弃空间排放尾矿研究的技术进展、问题和应用前景。
关键词：矿山,废弃空间,排放尾矿
[1] 郭金峰.我国地下空区改建尾矿库的市场需求和研究现状[J].矿业快报, 2011 (9) :1～2.
[2] 章臣平, 廖凡.地下采矿塌陷区建尾矿库研究[J].金属矿山, 1999增刊1:175～179.
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