銅坑礦地表塌陷坑廢氣綜合治理

羅先偉

(廣西柳州華錫集團(tuán)銅坑礦， 廣西 南丹 547205)

廣西柳州華錫集團(tuán)銅坑細(xì)脈帶火區(qū)地表塌陷區(qū)，于1997年被廣西區(qū)人民政府列為特大事故隱患區(qū)。礦巖自燃等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境破壞極其嚴(yán)重。特別是礦巖自燃產(chǎn)生的有毒有害氣體，不僅污染了大氣環(huán)境，而且不同程度地污染了當(dāng)?shù)氐耐寥篮退础榱吮ＷC礦山和當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷陌踩蜕眢w健康，必須對(duì)細(xì)脈帶火區(qū)礦巖自燃所產(chǎn)生的廢氣排放污染進(jìn)行徹底治理。

從 “七五”科技攻關(guān)到目前為止，礦山針對(duì)火區(qū)地表塌陷區(qū)以及廢氣治理開(kāi)展了一系列研究和治理工作，火區(qū)燃燒得到一定程度的控制。2003年至今，為最終消除火區(qū)隱患，礦山在結(jié)合井下火區(qū)出礦治理期間，通過(guò)井下密閉、地表硐室爆破拋擲覆蓋、地表廢氣堿吸收工程等手段，擬將細(xì)脈帶火區(qū)燃燒的礦巖徹底熄滅，消除火區(qū)廢氣排放污染，保護(hù)礦區(qū)及其周邊環(huán)境。治理措施的實(shí)施，使得礦山常年由此帶來(lái)的大氣污染問(wèn)題得到解決，當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境得到逐步恢復(fù)，并從根本上消除火區(qū)對(duì)當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境污染的隱患，為當(dāng)?shù)厝嗣裆顒?chuàng)造良好的自然生態(tài)環(huán)境，具有重要的意義。

1 工程概況

銅坑礦為一大型地下有色金屬礦山，是華錫集團(tuán)的主要供礦基地。礦山上部急傾斜的細(xì)脈帶，由于大部分為含錫黃鐵礦和磁黃鐵礦，含硫量高達(dá)10.16%以上，與碳質(zhì)頁(yè)巖接觸處，在暴露通風(fēng)好的情況下，極易引起自燃。同時(shí)，由于礦山初期采用分段崩落法回采，采區(qū)已形成至地表的崩落帶和十余個(gè)大小不等的塌陷坑。自1976年礦巖崩落帶發(fā)生礦巖自燃至今，礦山一直進(jìn)行著抗火生產(chǎn)和治理研究。

最初，礦山采用“井下密閉通道、地表塌陷坑覆蓋惰性物質(zhì)”，使火區(qū)與氧氣隔絕的辦法，一度將火區(qū)控制住。然而，火區(qū)內(nèi)的燃料(含硫礦石)仍然存在，一旦形成供氧條件，就會(huì)產(chǎn)生復(fù)燃。二十余年來(lái)，由于井下采動(dòng)與民采破壞保安礦柱等原因，曾多次發(fā)生地表塌陷、火區(qū)復(fù)燃事件，產(chǎn)生的高溫以及SO2等有毒氣體，對(duì)井下生產(chǎn)及地面環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。

2 廢氣的地表塌陷坑覆蓋治理

采用地表塌陷坑覆蓋的方法進(jìn)行廢氣治理，就是根據(jù)火區(qū)地表地形條件與表土狀況，將地表塌陷坑附近山體，通過(guò)施工平巷、裝藥硐室，利用硐室加強(qiáng)松動(dòng)爆破或拋擲爆破，將塌陷坑邊壁的山體崩落至坑內(nèi)，將塌陷坑填滿；爆破后，根據(jù)覆蓋層的密封效果，采用噴漿膠結(jié)等進(jìn)一步的密實(shí)措施，使其形成良好的覆蓋層，即硐室爆破方案。或者在地表塌陷坑周邊區(qū)域，開(kāi)挖施工通道，進(jìn)入作業(yè)區(qū)域；然后在塌陷區(qū)附近，采用挖掘機(jī)或鏟運(yùn)機(jī)挖掘取土裝車(chē)，通過(guò)東風(fēng)車(chē)、川路車(chē)搬運(yùn)泥土至塌陷坑卸載覆蓋，即機(jī)械鏟裝方案。由于塌陷坑覆蓋量大，礦山選擇覆蓋效率高、成本低、治理速度快的硐室爆破覆蓋方案，如圖1所示。

2.1 方案工程設(shè)計(jì)與實(shí)施

以礦山2#塌陷坑為例，爆破地點(diǎn)所揭露的巖層為灰?guī)r、泥質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖等。設(shè)計(jì)將塌陷坑邊壁的山頭崩落至坑內(nèi)，形成覆蓋層。經(jīng)計(jì)算和分析得到主要爆破參數(shù)為：爆破作用指數(shù)n取0.6；單位炸藥消耗量k取1kg/m3；藥包最小抵抗線w=15m；藥包間距12m；爆破裝藥量為4.8t，屬D級(jí)爆破。爆破安全距離，500～700m。爆破漏斗計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

平巷、藥室規(guī)格(寬×高)為1.4m×1.7m，平坡掘進(jìn)。采用袋裝細(xì)泥、石沙堵塞，導(dǎo)硐、藥室自里向外堵塞，堵塞總長(zhǎng)30m，堵塞量71.4m3。堵塞密實(shí)接頂，采用非電導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)路。

2.2 治理效果分析

拋擲爆破使崩下的大量土方直接垮至塌陷坑內(nèi)，達(dá)到覆蓋的目的。同時(shí)，礦山通過(guò)綜合研究地表的地形、地質(zhì)條件以及對(duì)應(yīng)的井下開(kāi)采現(xiàn)狀，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、安全可靠性方面，對(duì)覆蓋方法進(jìn)行了比較分析，制定了多次硐室爆破覆蓋技術(shù)方案，成功實(shí)施了十一次地表爆破工程。覆蓋總巖土方量達(dá)31.85萬(wàn)m3，形成了細(xì)脈帶事故隱患區(qū)大面積覆蓋，有效窒息火區(qū)的燃燒，達(dá)到了治理效果。爆破效果見(jiàn)圖2(處理后)所示。

圖2 地表塌陷坑覆蓋效果

3 地表廢氣堿吸收治理

不具備爆破覆蓋的地表塌陷坑，采用噴灑石灰水吸收毒氣。根據(jù)廢氣監(jiān)測(cè)結(jié)果，主要危害氣體為SO2毒氣，治理方法為堿吸收法——?dú)溲趸}濕式洗滌法。霧狀的石灰水首先與冒出地面的SO2發(fā)生吸收反應(yīng)，再滲入塌陷坑內(nèi)吸收廢氣，抑制火區(qū)的燃燒。實(shí)踐證明，均勻噴灑石灰水，對(duì)地表塌陷坑廢氣治理有顯著效果。石灰水與SO2、O2等氣體發(fā)生反應(yīng)，主要分為吸收和氧化兩個(gè)步驟，但反應(yīng)機(jī)理很復(fù)雜，主要反應(yīng)方程式如下：

Ca(OH)2+SO2=Ca SO3·1/2H2O+1/2H2O

2CaSO3·1/2H2O+3H2O+O2=2CaSO22H2O

氫氧化鈣濕式洗滌法原料來(lái)源廣，工藝操作簡(jiǎn)單，成熟可靠，運(yùn)行成本低，而且副產(chǎn)品對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

3.1 工藝流程

在地表塌陷坑附近建立石灰水噴射站，在塌陷坑周邊架設(shè)噴頭，采用高壓泵石灰水均勻的噴灑地面冒煙口。當(dāng)塌陷坑跨度較大時(shí)，通過(guò)施工簡(jiǎn)易橫垮塌陷坑的鐵索橋，將高壓泵與輸送管從鐵索橋上鋪設(shè)到塌陷坑中部進(jìn)行噴灑。工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 地表塌陷坑廢氣堿吸收工藝流程圖

選擇2臺(tái)98kW的125D型高壓泵，每臺(tái)噴流量為120m3/h，輸送管為φ159mm鋼管，安裝兩個(gè)可以180°自由轉(zhuǎn)動(dòng)的高壓噴頭，射程60m。全天候?qū)Φ乇硭菘訃姙㈧F狀石灰水(濃度5%)。

3.2 方案實(shí)施與效果

自工藝系統(tǒng)建成，噴淋石灰水對(duì)地表塌陷坑SO2濃度的影響見(jiàn)圖4。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：噴灑石灰水后，地表塌陷坑SO2排放濃度有下降趨勢(shì)。2007年之后，SO2排放濃度基本控制在2ppm以下，達(dá)到國(guó)家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)。圖4為地表6#溜井的SO2監(jiān)測(cè)值。

圖4 地表6#溜井SO2監(jiān)測(cè)值

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)廣西大廠銅坑礦細(xì)脈帶火區(qū)地表塌陷坑廢氣排放帶來(lái)的大氣污染及對(duì)當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境的破壞問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析與比較，采用地表硐室爆破拋擲覆蓋塌陷坑與地表廢氣堿吸收方法進(jìn)行綜合治理。方案實(shí)施后，形成了細(xì)脈帶事故隱患區(qū)大面積覆蓋和SO2有毒毒氣的有效吸收。治理工程達(dá)到預(yù)期效果，大大改善了礦區(qū)環(huán)境，取得了良好的社會(huì)效益。

[1] 吳桂才.銅坑礦火區(qū)下細(xì)脈帶礦體開(kāi)采環(huán)境控制[J].有色金屬,2003,55(3): 36-38.

[2] 毛建華. 金屬礦山特大事故隱患與地質(zhì)環(huán)境的綜合治理[J]. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā), 2006(10): 147-150.

[3] 羅先偉，余陽(yáng)先，陳何. 特大事故隱患區(qū)礦柱群回采技術(shù)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2007,16(9): 83-85.