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膏体充填技术解尾矿之苦 有望延长矿山服务年限一倍以上

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  本报记者 俞慧友

  湖南黄金宝山矿业(以下简称宝山矿业),是我国大型Ⅱ类矿山企业,也是湖南省主要的铅锌原料生产基地。与人们想象中的矿山不同,这里“藏”着国家矿山公园科普基地,是传说中的“美丽矿山”。

  不过,再美丽的矿山也有“难言之隐”。站在矿区高处俯瞰,不难看到山间的“黑湖”——尾矿库。宝山矿业副总经理龚勇兵介绍,随着开采推进,尾矿库尾砂“库存”渐满,并且由于尾矿库容量是固定的,所以急需“清库存”。此外,当地矿石以铅锌为主,但金、银等伴生金属较多,使得周边围岩不太稳固,易导致采空区坍塌等问题。如何能解决这两个问题呢?宝山矿业采用了个一举两得的方法。

  不久前召开的“第四届中国膏体充填采矿国际学术研讨会”上,与会的中外专家观摩了宝山矿业的全新“高浓度全尾砂膏体充填”处理技术,该工艺将尾砂进行处理后再回填入采空区。

  “目前装备设计充填能力可达每小时80立方米。正式运行后,有望延长矿山服务年限一倍以上” 龚勇兵告诉科技日报记者。

  美丽矿山面临“难言之隐”

  以往对宝山矿业采空区的充填采用废石非胶结充填法,即将井下掘进废石回填进采空区,因未添加水泥,废石不具稳固能力,需留设保护矿壁,帮助矿区进行稳固防止坍塌,由此造成了宝贵资源的损失。同时,该方法劳动强度大,充填能力难以满足目前采矿的需求。

  根据矿山当前生产实际数据,采用废石充填系统的矿石回采率仅51%,部分地段贫化率(工业矿石品位与采出矿石品位之差与工业品位之差的比值)高达30%以上。同时,充填与采矿之间不能实现有序衔接和配合,影响作业循环时间,制约生产能力的提高。

  为提高充填效率,更绿色安全地开采,延长矿山服务年限,2013年中南大学提出研究报告,建议采用高浓度全尾砂胶结充填系统和工艺,提高充填质量,降低矿石损失率和贫化率,解美丽矿山的“难言之隐”。

  事实上,这样的“难言之隐”,在矿山中普遍存在。矿业为人类提供工业原材料的同时,不可避免的产生大量固体废弃物。数据显示,尾砂排放量在工业固体废弃物总量中居首位,比例高达29%。我国现有尾矿库12万余座,尾砂积存总量超100亿吨,极易发生水土重金属污染、泥石流、尾矿库溃坝等灾情。与此同时,地下采矿产生了大量采空区,成为诱发井下岩石冒落和地表塌陷的主因。

  为治理尾矿库,国家限制了尾矿库“扩容”,将充填开采作为矿山开采的主推模式。其膏体充填开采,是最优的方式。

  所谓膏体充填开采,是把采矿产生的废弃物,如尾矿、煤矸石等,加上粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等,在地面加工成无临界流速、不需脱水的类牙膏状高浓度浆体,并利用大型充填工业泵通过管道输送到井下采空区的新型采矿方法。膏体充填也被称为“置换开采”,把废弃物制成膏体“完璧归赵”到采空区,同时置换出原来采不出来的矿产资源。

  由于充填膏体在地下凝结后强度高,且无风化和有毒物质的释放,不带来二次污染,因此膏体充填也被业界认为是尾矿处理的“终结者”。

  “上世纪90年代,我们开始研究膏体充填。但充填工业泵、深锥浓密机等关键装备,进口太贵,用起来还时有‘水土不服’,国产装备制造也没跟上,因此膏体充填在我国的应用比国外大大滞后。”中南大学资源与安全工程学院教授王新民表示。

  “现在,我国有关国产装备,特别是成套装备与工艺、技术的成功研发和应用,让膏体充填在我国推广应用有了现实基础。甚至建设没有尾矿库的绿色矿山,也不是太久远的梦。”北京科技大学副校长、金属矿山高效开采与安全重点实验室主任吴爱祥说。

  各项性能超越水砂充填

  最终,投资3000多万的全尾砂膏体充填项目在宝山矿业启动,由拥有全尾砂膏体浓密充填核心技术、工艺及五大核心装备的飞翼股份有限公司(以下简称飞翼股份)实施。

  作为我国矿山绿色开采行业的龙头企业,飞翼股份自主研发了高浓度全尾砂膏体充填中的尾砂浓密、搅拌制备、充填泵送、管路及阀组、中央集中控制系统等5大子系统,从源头解决各子系统间不兼容难题,实现系统的集中、高效和管理便利性,确保运行可靠性。

  以往的充填技术还有一种常用的水砂充填法。水砂充填是将充填骨料加水制成质量浓度较低的砂浆,利用管道、溜槽、钻孔等自流输送到待充填地点进行充填的工艺。在水砂充填中水仅仅作为输送物料的载体,充入采空区后,充填料留在采空区,水渗滤出去,沿巷道水沟流入水仓,通过排水和排泥设施将渗滤出的清水和随清水流失的细泥排出地表。与传统的水砂充填相比,膏体充填具有“三不”特性,即浆体不分层、不离析、不脱水。膏体强度均匀、接顶率高,能有效控制岩层移动、防止地表塌陷,可提升金属矿安全生产水平。膏体固结时间短、易实现强化开采,为金属矿高效生产提供新的技术途径。在相同充填体强度要求前提下,膏体充填的胶结材料耗量少,运营成本低,是性价比较高的充填方式。

  “它可以提高全尾砂利用率,最大限度地减少矿山固体废弃物的排放量,实现尾矿废水的循环利用,能有效控制充填材料中有害金属离子扩散,是金属矿山绿色开采体系的一个重要组成部分。”龚勇兵如此“点评”。

  当然,让龚勇兵选择高浓度全尾砂膏体充填技术,不仅因为其“物美”,还有“价廉”的诱惑。飞翼股份率先成功研发出充填核心装备,打造了进口装备的“平替款”。不仅降低了将近五分之二的价格,甚至部分性能超过进口装备。

  “以每小时充填80立方米计算,将2000立方米碎石回填,采用原方法需1个月,现在只需25小时左右。原充填方式需30—40个工人,现在仅需12人,且仅2—3人下井工作即可。高浓度膏体的充填,不仅让充填后的采空区很‘结实’,还不会因雨水冲刷、渗透土地而带出尾砂中的重金属,也没有充填后的二次污染风险,是真正绿色安全高效环保的开采方式。”龚勇兵说。

  以艺定装避免“水土不服”

  “充填开采既复杂又个性化。一万座矿山,就有一万种不同地质条件的矿区。充填开采需根据矿区具体情况,研究配比差异性充填材料,进行个性化工艺设计等,才能利用和调配充填工业泵,达到充填最佳效果。这也是进口装备在我国矿山充填开采中容易‘水土不服’的重要原因。因为他们的装备并非针对中国矿情研制。”飞翼股份董事长张泽武说。

  为此,飞翼股份制定了“以艺定装”的研发方案,“工艺先行,装备随后”,开展充填材料、工艺、全套充填方案设计和装备的一体化研发,研制出了诸多核心技术。

  尾矿膏体充填料浆存在浓度高、输送时间长、输送距离远等特点。从地面往地下输送过程中,受重力作用影响,易带来材料分层、离析问题,也易造成堵管。输送难度远大于从地面往上方泵送的模式。如何输送并避免堵管,是成套充填开采工艺与装备研发的关键难题。飞翼股份研发出一种物料控制方式——满管流输送技术,采用节流排气等专利技术,控制立管料浆流速,实现满管流输送,防止离析,减少堵管机率。

  充填管路根据矿区复杂条件铺设,没有及时有效的检测技术,容易造成严重事故。压力是反映长距离管道输送系统运行状态的重要参数之一,因此要通过对输送管路沿线的压力实时在线监测,及早发现管路堵塞故障位置或预警管道破损位置,以便采取措施避免事故扩大。飞翼股份专项研发了充填管路防堵塞压力检测技术,该项发明专利可预警,并能迅速找到故障发生点,保障了承接充填项目的一次性实施成功。

  “以艺定装”,飞翼股份成为了全球唯一具备了五大核心充填装备系统及工艺的企业,解决了装备不兼容之困与装备“水土不服”难题,这也标志着“高大上”的全尾砂膏体充填模式,有了成熟的中国式全套解决方案。

  随着国产化工艺和装备制造越来越成熟,“平替款”的建设成本较其国产化之初的价格又降低了30%,运营成本也减少了三分之一以上。“这让这种充填中的‘贵族’,能被我国大部分矿区‘消费’得起,对推动我国绿色矿山建设,有积极促进作用。”龚勇兵说。

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