沙土固化技術(shù)在綠色礦山建設(shè)中的應(yīng)用

毛靜民 高大峰 劉 捷 周天興 劉 浪

（武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080）

21世紀(jì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)高速增長(zhǎng)，對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用規(guī)模和強(qiáng)度是人類(lèi)歷史上從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的。礦產(chǎn)資源是不可再生資源，一方面，隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，礦物、原材料趨于枯竭，另一方面，工業(yè)生產(chǎn)的廢棄物日積月累，全國(guó)累積的工業(yè)固體廢棄物多達(dá)80億噸，不斷吞噬著生態(tài)環(huán)境。采礦工業(yè)的資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，如崩落法采礦的損失率、貧化率高達(dá)30%。因開(kāi)采而形成的塌陷區(qū)破壞地表環(huán)境，因技術(shù)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(chǎn)生化學(xué)有害物，危及動(dòng)植物、人類(lèi)的健康。2008年，陜西省襄汾“9·8”特別重大事故就是一個(gè)小規(guī)模的尾礦庫(kù)因管理維護(hù)不善而潰壩，造成267人死亡。

工業(yè)固體廢棄物的排放和危害與日俱增，與我國(guó)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，建設(shè)“兩型”社會(huì)的要求不符。文獻(xiàn)介紹［1－4］，環(huán)保節(jié)能的PCSB新技術(shù)在處理工業(yè)固體廢棄物的過(guò)程中顯現(xiàn)出巨大威力。在PCSB應(yīng)用技術(shù)中，取得2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，武鋼礦山引進(jìn)PCSB固化劑新材料技術(shù)加大礦山尾礦利用力度，成功申報(bào)了節(jié)能減排綜合利用國(guó)家級(jí)示范工程。

1 應(yīng)用尾礦固化技術(shù)制作墻體材料，解決烏龍泉礦尾排放問(wèn)題

烏龍泉礦大洪山尾礦庫(kù)位于礦區(qū)西側(cè)，距破碎洗礦車(chē)間約3km。1966年10月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)堆積壩最終標(biāo)高為90m，有效庫(kù)容為419.8萬(wàn)m3，屬Ⅳ級(jí)建筑物。烏龍泉礦礦山生產(chǎn)分為采礦、運(yùn)輸、破碎等工藝過(guò)程，其中礦石的破碎、篩分、洗礦是將原礦轉(zhuǎn)變?yōu)榫V的重要環(huán)節(jié)。期間有大量的排放物（尾礦＋水），通過(guò)砂漿泵排放到尾礦庫(kù)。尾礦庫(kù)中的礦漿經(jīng)過(guò)沉淀后，水被抽回循環(huán)使用，尾礦則沉積在庫(kù)內(nèi)，使尾礦庫(kù)容量逐年減少。目前，堆積尾礦近400萬(wàn)m3，尾礦壩上堆積尾礦至88m的高程。烏龍泉礦尾礦庫(kù)被列為A級(jí)危險(xiǎn)源，防汛安全維護(hù)費(fèi)用每年達(dá)10萬(wàn)元。近年來(lái)，最新地質(zhì)勘探查明，烏龍泉礦尾礦庫(kù)區(qū)地下有大量?jī)?yōu)質(zhì)石灰石礦，若能利用，可大大延長(zhǎng)礦山開(kāi)采年限。

烏龍泉礦尾礦的主要化學(xué)成份為CaCO3，其次為MgCO3，化學(xué)組份較為單一。其他化學(xué)成份SiO2、Al2O3、S、K2O、Na2O、有機(jī) 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?guī)r、矽質(zhì)灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖。尾礦含泥量在15%～60%，d50粒徑在0.05mm～0.25mm。尾礦顆粒細(xì)、排放量大，遇風(fēng)容易揚(yáng)起灰塵，見(jiàn)水則容易形成泥沙流，破壞其周邊的生態(tài)環(huán)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(yàn)分析中，發(fā)現(xiàn)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(yīng)有的性能。

應(yīng)用PCSB固化技術(shù)制作尾礦墻材，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)試驗(yàn)，尾礦樣磚的強(qiáng)度指標(biāo)、抗凍性指標(biāo)達(dá)到NY／T671－2003《混凝土普通磚和裝飾磚》產(chǎn)品規(guī)范中承重磚 MU10的強(qiáng)度等級(jí)［4］。建成年產(chǎn)環(huán)保磚3000萬(wàn)塊的生產(chǎn)線(xiàn)，試用產(chǎn)品良好。

2 利用程潮鐵礦尾礦充填塌陷區(qū)

程潮鐵礦采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，自正式投產(chǎn)以來(lái)多次發(fā)生泥石流涌入巷道、采場(chǎng)的事故，造成了設(shè)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(gè)不同時(shí)期、不同規(guī)模、不同原因所引起的面積高達(dá)2000畝的塌陷區(qū)和錯(cuò)動(dòng)帶。礦區(qū)地表覆蓋著3m厚的第四系的細(xì)粒粘土、亞粘土、亞砂土，其下部是3m厚的粗砂、礫石風(fēng)化層，這些粘土在大量連續(xù)降雨的作用下，由吸水飽和，含水率超過(guò)液限，逐漸液化，在采空區(qū)上方積蓄能量，當(dāng)這些粘性流體聚集到一定量時(shí)，突出裂隙，沿著破碎巖體的通道，涌入采場(chǎng)，形成泥石流［5］。

泥石流形成與崩落法采礦方法、塌陷區(qū)和采空區(qū)、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(gè)關(guān)鍵因素有關(guān)。用尾礦充填塌陷區(qū)，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(kuò)建尾礦庫(kù)。目前，塌陷區(qū)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(guò)濾機(jī)，濾機(jī)效率低，能耗大，占地面積更大，投入過(guò)高。尾礦造塊方案可以采用與制磚相同的技術(shù)。尾礦造漿方案是在尾礦漿中添加適量固化劑材料，通過(guò)管道輸送到塌陷區(qū)，固化形成足夠強(qiáng)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(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)石、綠簾石、透輝石等。尾礦粒徑d50＝0.064mm［6］。

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

3 程潮鐵礦充填法采礦的技術(shù)研究

我國(guó)地下鐵礦山多數(shù)采用崩落采礦法回采，這是因?yàn)楸缆浞ú傻V的適用范圍廣、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性好、技術(shù)成熟、回采強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率高，采礦成本低。但是近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展促使了對(duì)資源掠奪式開(kāi)發(fā)，而資源數(shù)量逐漸枯竭和礦產(chǎn)資源的不可再生性又反過(guò)來(lái)限制經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隨著人們對(duì)科學(xué)發(fā)展觀的深入理解，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷加強(qiáng)。崩落法損失、貧化率高居不下，塌陷區(qū)征地成本節(jié)節(jié)攀升，人們?cè)谒伎急缆浞◣?lái)的廢石、尾礦、地表塌陷等頑癥；礦石價(jià)格大幅度飆升，膠結(jié)材料、工藝、技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，使得人們重新認(rèn)識(shí)充填法采礦［7］。

充填采礦方法是在采出地下礦石的過(guò)程中，用尾礦回填到采空區(qū)，從而避免地表塌陷，又為尾礦找到了排放場(chǎng)地。因此充填采礦方法是保護(hù)環(huán)境的綠色采礦方法。

研究顯示，PCSB充填材料有突出的效果：

對(duì)尾礦不需分級(jí)，充填料漿中不需添加粗顆?；蚬橇?，實(shí)現(xiàn)全尾礦充填；

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

充填料漿具有較好的流動(dòng)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(jié)語(yǔ)

武鋼礦山引進(jìn)PCSB固化劑新材料技術(shù)，開(kāi)展了尾礦制磚、尾礦充填等研究工作，治理礦山尾礦，研究實(shí)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?yàn)樾律驳V找到用途，解決礦山生產(chǎn)后顧之憂(yōu)；利用尾礦充填塌陷區(qū)和采空區(qū)，一方面，給尾礦找到了理想的排放地點(diǎn)，解決原來(lái)崩落法采礦遺留塌陷區(qū)對(duì)礦山生產(chǎn)的安全隱患，另一方面，在武鋼礦山進(jìn)行充填采礦方法試驗(yàn)，為武鋼礦山引進(jìn)充填技術(shù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

利用PCSB新型適用技術(shù)，解決工業(yè)固體廢棄物排放、堆存問(wèn)題，降低了礦山生產(chǎn)成本，保護(hù)了環(huán)境，同時(shí)將廢棄物資源化循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)了建設(shè)生態(tài)綠色礦山的目標(biāo)。

［1］毛靜民.利用石灰石白云石尾礦制作墻體材料應(yīng)用技術(shù)的研究［R］.武鋼礦業(yè)責(zé)任有限公司，2010.

［2］毛靜民.程潮鐵礦充填采礦法材料試驗(yàn)研究［R］.武鋼礦業(yè)責(zé)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(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，（8（：122－128.

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

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

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

［7］劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.