露天礦的伴生資源綜合利用模式及技術(shù)創(chuàng)新

陳憲武

（1. 山東能源棗莊礦業(yè)集團(tuán)，山東 棗莊 277100 ；2. 準(zhǔn)格爾旗金正泰煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

為了保護(hù)與合理利用礦產(chǎn)資源，優(yōu)化資源開發(fā)保護(hù)格局，國務(wù)院在2016 年頒布《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016-2020）》規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，旨在根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，加快轉(zhuǎn)型礦業(yè)基本發(fā)展方向，為全面建成小康社會，提供可靠的能源資源，通過綜合利用礦產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的共贏。我國共擁有約960 萬km2的陸地面積，擁有約473 萬km2的海域面積，具有幅員遼闊、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的優(yōu)越成礦條件，使得土地與海域中，孕育著豐富的礦產(chǎn)資源。

我國目前擁有的主要礦產(chǎn)超過170 種，其中被探明的礦產(chǎn)，更是超過了150 種。以鐵礦為例，目前我國已查明的鐵礦資源，平均品位約為34.29%，其中品位超過45% 的鐵礦僅有2%，而貧礦占比在45%～46% 左右，可見雖然我國的礦產(chǎn)資源類型多、開采位置多，但富礦相對較少，礦產(chǎn)資源多以貧礦為主。再加之貧礦石需要選礦、球團(tuán)燒結(jié)等工藝，才能對礦產(chǎn)資源進(jìn)行冶煉加工，浪費(fèi)礦產(chǎn)資源的同時，大量的冶煉廢料、雜料，給生態(tài)環(huán)境也帶來了惡劣的影響，因此研究露天礦的伴生資源綜合利用模式及技術(shù)創(chuàng)新[1]。露天礦伴生資源綜合利用模式，是通過科學(xué)的采礦工藝和先進(jìn)的選礦方法，同時開采出主要礦種與伴生資源，分別提取礦物質(zhì)并加以利用，節(jié)約礦產(chǎn)資源的同時，提高礦產(chǎn)資源利用效率，降低采礦成本，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)階段礦產(chǎn)資源的開發(fā)、開采以及利用要求。

1 實(shí)地調(diào)查與分析

根據(jù)中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院，在2014 年頒布的《紅格礦區(qū)礦產(chǎn)資源綜合利用調(diào)研報告》（簡稱《調(diào)研報告》）可知，目前紅格礦區(qū)的露天礦及其伴生資源儲量較好，有極高的綜合開發(fā)利用前景，下表1、表2，為《調(diào)研報告》中的部分儲量統(tǒng)計信息。

表1 紅格礦區(qū)露天礦及伴生資源的儲量統(tǒng)計表1（萬噸）

表2 紅格礦區(qū)露天礦及伴生資源的儲量統(tǒng)計表2（萬噸）

根據(jù)上述《調(diào)研報告》中，部分露天礦的伴生資源現(xiàn)狀可知，目前我國還有大量類似表1、表2 中的露天礦，此類礦中的伴生資源類型多，且儲量豐富，因此研究露天礦的伴生資源綜合利用模式及技術(shù)創(chuàng)新，是現(xiàn)階段礦業(yè)發(fā)展的主要問題。

2 制定露天礦的伴生資源綜合利用模式

制定露天礦的伴生資源綜合利用模式，需要從多個角度出發(fā)，考慮礦產(chǎn)資源綜合利用工作的前提、核心以及未來發(fā)展重心，因此制定綜合利用模式，要大力調(diào)查現(xiàn)階段全國露天礦的伴生資源綜合利用現(xiàn)狀，查清露天礦的伴生資源的“三率”水平，預(yù)測露天礦的伴生資源的發(fā)展?jié)摿?。要?yōu)化露天礦伴生資源配置，一方面，要重組資源存量資產(chǎn)，優(yōu)化礦業(yè)企業(yè)；另一方面要在綜合勘查、綜合評價的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌礦產(chǎn)資源開發(fā)時序，制定完善的開發(fā)利用方案。制定該模式，要積極研發(fā)并創(chuàng)新礦產(chǎn)資源綜合利用領(lǐng)域的科技，例如聯(lián)合“產(chǎn)學(xué)研”，重點(diǎn)攻關(guān)低品位礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)、深度加工以及綜合利用技術(shù)，以節(jié)約集約的方式利用露天礦伴生資源；同時要創(chuàng)新礦產(chǎn)資源開發(fā)利用工藝，例如對資源回收工藝、尾礦資源利用工藝、伴生礦種綜合利用工藝等進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新。制定礦產(chǎn)資源綜合利用模式，需要根據(jù)實(shí)際技術(shù)與利用現(xiàn)狀，調(diào)整與資源綜合利用相關(guān)的稅收政策；優(yōu)化資源綜合利用認(rèn)定制度，落實(shí)對資源綜合利用的扶持政策；設(shè)立專項(xiàng)貸款、引導(dǎo)銀行、企業(yè)等國內(nèi)資本，以及其他符合規(guī)定的國外資本，投入到露天礦的伴生資源綜合利用中，保證資源的開發(fā)與利用資金，實(shí)現(xiàn)對礦產(chǎn)資源綜合利用激勵機(jī)制的完善。

制定露天礦的伴生資源綜合利用模式，需要設(shè)置礦產(chǎn)資源綜合開發(fā)利用評價體系，需要的指標(biāo)包括：礦產(chǎn)資源綜合利用率、尾礦利用率等，利用該體系綜合評價企業(yè)綜合利用水平，主動企業(yè)在選礦、采礦、冶煉等環(huán)節(jié)，對于礦產(chǎn)資源的綜合利用。還要健全資源綜合利用模式的監(jiān)督管理機(jī)制，定量化、科學(xué)化監(jiān)管開采回采率、選礦回收率、綜合利用率等指標(biāo)，對于沒有被綜合勘探和綜合評價的地質(zhì)報告，政府不予認(rèn)可；對于沒有綜合利用方案、無法保證露天礦周圍生態(tài)環(huán)境的，政府不予頒發(fā)采礦許可證。將上述監(jiān)督管理機(jī)制，作為綜合利用模式的一部分。同時制定伴生資源綜合利用模式，還要完善相關(guān)法律法規(guī)，例如依據(jù)《資源綜合利用法》、《再生資源回收利用法》，加強(qiáng)對綜合利用模式的管理。還要增加投入資金，建立資源綜合利用專項(xiàng)，完善綜合利用模式的制定標(biāo)準(zhǔn)。最后制定露天礦的伴生資源綜合利用模式，需要加大宣傳力度，增強(qiáng)全民的“資源節(jié)約”意識和“環(huán)境保護(hù)”意識，建立礦產(chǎn)資源綜合利用情報網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對露天礦的伴生資源綜合利用的實(shí)時監(jiān)測。通過上述采取的多個手段，制定露天礦的伴生資源綜合利用模式，在源頭環(huán)節(jié)就降低了露天礦伴生資源的利用損失[2]。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 更新使用設(shè)備

由于不同露天礦的伴生資源，其質(zhì)量不同、疏水性礦粒與氣泡碰撞幾率不一致，回收難度有所差異，采礦過程中，細(xì)粒脈石容易隨著水流的上升而活動，形成礦石與伴生資源夾雜的現(xiàn)象，致使兩類物質(zhì)之間的溶解度和粘稠度都發(fā)生了變化，不利于資源浮選，因此選用一批新的設(shè)備，解決因礦產(chǎn)資源摻雜而導(dǎo)致的難浮問題。首先更新后的離心力場浮選機(jī)，需要配有可向下方旋轉(zhuǎn)移動的給礦裝置，使細(xì)礦粒和氣泡進(jìn)入到葉輪腔內(nèi)，碰撞與粘附處理后，在分離槽分選礦石與伴生資源。再更換微泡析出式浮選機(jī)，新投入的浮選機(jī)需要有拱形擺線型導(dǎo)氣葉片噴嘴，利用該結(jié)構(gòu)增加礦漿與空氣的接觸面積，并提高機(jī)器夾帶空氣的能力，將疏水礦物表面中的空氣，以微泡的形式析出，加強(qiáng)設(shè)備捕集細(xì)粒礦物的能力。再有就是調(diào)換浮選柱，選擇高度在2m～13m 之間，半徑在0.25m～1.5m 之間。設(shè)置分布器，從柱體底部導(dǎo)入空氣供給氣泡，然后噴灑沖洗水，實(shí)現(xiàn)二次富集操作。當(dāng)?shù)V漿與氣泡逆向流動，接觸碰撞形成礦化氣泡，且上升至泡沫層中時，沖洗水精選得到精礦，而未附著的顆粒物則可以在柱底排出[3]。通過更新上述三組基本資源開發(fā)開采設(shè)備，保證露天礦的伴生資源綜合利用技術(shù)，可以正常、穩(wěn)定發(fā)揮其固有功能，是技術(shù)創(chuàng)新的最基本環(huán)節(jié)，為新技術(shù)的合理使用，提供依附載體。

3.2 創(chuàng)新綜合利用技術(shù)

在更新使用設(shè)備的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新綜合利用技術(shù)的第一點(diǎn)，要創(chuàng)新露天礦伴生資源透視化地質(zhì)保障，即建立一個一體化多方位綜合探測手段，利用核磁、聲光電等綜合成像探測儀器，通過數(shù)據(jù)融合處理多維可視化重構(gòu)數(shù)據(jù)，以全息地質(zhì)全息透明顯示的方式，實(shí)現(xiàn)對露天礦伴生資源的精準(zhǔn)開采，利用互聯(lián)網(wǎng)下的地理空間服務(wù)技術(shù)、AR 技術(shù)、CT 掃描技術(shù)、5G 通訊技術(shù)等，構(gòu)建露天礦伴生資源賦存地質(zhì)結(jié)構(gòu)的1:1 地質(zhì)模型，勘探開發(fā)露天礦伴生資源，動態(tài)精準(zhǔn)掌控露天礦伴生資源的賦存、勘探開發(fā)、地質(zhì)擾動等信息，實(shí)現(xiàn)對露天礦斷層、褶皺、陷落、油氣圈層等地質(zhì)構(gòu)造的特征分析，并實(shí)時掌握活化流體，例如粉塵、礦井水、瓦斯、二氧化碳的動態(tài)運(yùn)移方式，并利用更新后的設(shè)備感知應(yīng)力場、滲流場、裂隙場或者溫度場的變化，構(gòu)建露天礦伴生資源多相多場全息信息庫，通過多層次拓?fù)淠Ｐ?，展現(xiàn)分布式多源異構(gòu)資源信息的基本特征。根據(jù)所獲結(jié)果，分析露天礦伴生資源的多相多場耦合演化機(jī)理，并分析災(zāi)害孕育演化規(guī)律。該分析借助互聯(lián)網(wǎng)，通過模擬實(shí)驗(yàn)的方式，分析多維多源數(shù)據(jù)的傳輸、共享與互饋效果，揭示露天礦伴生資源綜合利用模式下，應(yīng)力場－裂隙場－滲流場－溶質(zhì)化學(xué)反應(yīng)輸運(yùn)場，多相多場的耦合演化機(jī)理，最終得到伴生災(zāi)害孕育演化規(guī)律，根據(jù)該結(jié)果感知、預(yù)警露天礦伴生資源開采時，可能發(fā)生的災(zāi)害，將損失降至最低。

通過上述準(zhǔn)備工作，創(chuàng)新綜合利用技術(shù)。首先對富礦與貧困均進(jìn)行開采，實(shí)現(xiàn)貧富兼采這一理念，然后以全層、連續(xù)的開采方法，增加露天礦伴生資源的儲備量。根據(jù)伴生資源的特性，從選礦或伴生資源加工環(huán)節(jié)入手，研究該資源的綜合回收利用方式。下圖1 為露天礦伴生資源開采實(shí)景圖。

圖1 露天礦伴生資源開采場地

圖中的伴生資源為紅黏土，紅黏土是碳酸鹽類以及其他金屬礦石風(fēng)化后，得到的產(chǎn)物，該土質(zhì)含水量在40%～60%，一些地區(qū)的露天礦伴生紅黏土，其含水量能超過90%，同時該土質(zhì)密度小，空隙比在1.4～1.7 之間，加之紅黏土中含有膠體SiO2、赤鐵礦以及三水鋁土礦等物質(zhì)組成，具有強(qiáng)度大、壓縮性低的特征，因此在開發(fā)露天礦石時，可以利用上一節(jié)的設(shè)備與儀器，對紅黏土進(jìn)行回收，將無害化處理該伴生資源，用來制作瓷器或陶器，至此在保證設(shè)備性能的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新露天礦的伴生資源綜合利用技術(shù)，為礦業(yè)發(fā)展與自然生態(tài)發(fā)展，提供更加科學(xué)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)支持。

4 結(jié)束語

按照此次研究制定的綜合利用模式，改善原有利用模式應(yīng)用下，存在的低利用率、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，但受自身知識范圍與研究能力的限制，本文還有很多地方丞待完善，今后的研究工作，可以從下面四個方面展開：第一，要進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，降低礦產(chǎn)資源的綜合利用成本，以適應(yīng)當(dāng)今礦業(yè)發(fā)展要求；第二，要進(jìn)行實(shí)地考察與測試，應(yīng)用新的利用模式和創(chuàng)新技術(shù)，對不同種類的露天礦及其伴生資源，進(jìn)行實(shí)地考察，計算礦產(chǎn)資源利用率、有效利用率以及回收率等指標(biāo)，是否有所變化；第三，還要對焙燒工藝、冶煉工藝進(jìn)行優(yōu)化；第四，要敢于使用高精尖技術(shù)人才，并重點(diǎn)分析這些技術(shù)人員提出的問題和假設(shè)，加大技術(shù)研究力度，實(shí)現(xiàn)對露天礦產(chǎn)的伴生資源的綜合利用，節(jié)約礦產(chǎn)的開采、開發(fā)成本，為國家資源利用、礦業(yè)發(fā)展，提供更加完善的手段，保證國家屹立于世界強(qiáng)國行列。