無廢、無尾生態(tài)智能礦山建設(shè)模式探討

梁新民， 劉明權(quán)， 張愛民， 滕 偉， 羅良烽

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038；2.招遠市九洲礦業(yè)有限公司， 招遠 264000)

1 前言

我國不僅是礦業(yè)大國，也是世界最大的礦產(chǎn)品生產(chǎn)國、消費國和貿(mào)易國，礦業(yè)長期以來是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。在碳達峰、碳中和背景下，傳統(tǒng)礦業(yè)的粗放型發(fā)展模式已經(jīng)難以適應(yīng)在新發(fā)展階段的要求，推動礦業(yè)向本質(zhì)安全、資源集約、綠色高效的生態(tài)智能礦山建設(shè)為我國礦業(yè)指明了發(fā)展方向。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前我國非油氣類礦山年開采礦石量超過300億t，礦山固體廢棄物堆存量超過600億t，占工業(yè)固廢總排放量的80%以上[2]。礦山固廢主要指采選作業(yè)產(chǎn)生的廢石和尾礦。過去，國內(nèi)處理礦山固廢的思路主要是通過在地表建設(shè)廢石堆場、修建尾礦庫進行堆存，企業(yè)承擔(dān)著巨大的安全、環(huán)保管控風(fēng)險，同時這種管理思路沒有從源頭消減礦山固廢和資源化利用，只是防止了礦山開發(fā)過程中固廢的亂排、亂倒等無序排放的問題。

隨著我國經(jīng)濟水平的快速發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展面臨越來越突出的資源環(huán)境制約，生態(tài)文明建設(shè)的重要性更加突出。礦山無序開采和地表固廢的堆放，引發(fā)的地表塌陷、尾礦庫潰壩、環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)退化等諸多問題給人們敲響了警鐘。自2006年以來，生態(tài)環(huán)境部直接調(diào)度處置67起尾礦庫突發(fā)環(huán)境事件，約15%造成跨省界污染，30%威脅到飲水安全，40%造成重金屬污染。圖1所示為2008年山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦庫潰壩照片，造成下游村鎮(zhèn)277人死亡。礦山無序開采和礦山固廢的長期堆存為生態(tài)環(huán)境保護和礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖1 9·8山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦庫潰壩事故

2 生態(tài)智能礦山建設(shè)意義

近年來，國家部委及相關(guān)地方政府相繼出臺各種政策、規(guī)范，為保障我國礦業(yè)綠色發(fā)展起到有力的支撐作用。2018年實施國家首部環(huán)境保護稅法；2019年自然資源部發(fā)布九大行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范；2020年新的固體廢棄物污染環(huán)境防治法開始實施；2020年國務(wù)院印發(fā)的《全國安全生產(chǎn)專項整治三年計劃》中明確指出新建礦山首選充填法開采；固廢綜合利用相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也正在加緊制定中。

在礦業(yè)領(lǐng)域，世界上主要的礦業(yè)發(fā)達國家把無廢低碳開采作為未來礦產(chǎn)資源開發(fā)的主要方向，其中把礦山固廢的綜合利用程度作為考核的關(guān)鍵指標(biāo)。目前國外發(fā)達國家的固廢的利用率達到60%以上，歐洲一些國家的先進礦山已經(jīng)向無廢礦山的目標(biāo)發(fā)展。近年來，隨著國內(nèi)環(huán)保督察力度的加強，建材用河砂、海沙等原料價格大漲，固廢綜合利用產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，利用情況如圖2所示，但固廢的綜合利用率較發(fā)達國家還有一定差距。2021年國家發(fā)改委印發(fā)的“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見中明確提出，2025年新增大宗固廢綜合利用率要達到60%，推動采礦廢石制備砂石、骨料、陶粒干混砂漿等砂源替代材料和膠凝回填利用，探索礦山固廢在生態(tài)環(huán)境治理領(lǐng)域的利用。未來礦山固廢資源化利用的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

圖2 2011—2020年我國尾礦綜合利用情況統(tǒng)計

因此大力推廣綠色充填開采技術(shù)，尋找礦山固廢無害化處理和綜合利用途徑，建設(shè)無廢、無尾的生態(tài)智能礦山是未來礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，對于提升礦業(yè)的高質(zhì)量綠色發(fā)展具有十分重要的意義，也符合新發(fā)展階段生態(tài)文明建設(shè)的要求。

3 生態(tài)智能礦山建設(shè)思路

傳統(tǒng)礦山針對產(chǎn)生的尾砂及廢石采取的處理方式主要有：

(1)采用崩落法或者空場法開采，選廠產(chǎn)生的尾砂堆存在尾礦庫；廢石堆存在地表或部分堆存在采場。

(2)采用全尾砂或分級尾砂膠結(jié)充填體回填采空區(qū)，多余的尾砂濕排或壓濾干排至尾礦庫；廢石堆存在地表或部分回填采場。

(3)將尾砂或廢石排放到過去已有的露天坑。

傳統(tǒng)礦山固廢的處理方式并沒有從根本上減少固廢的產(chǎn)生，固廢在地表長期排放與堆存成為企業(yè)和社會的重大安全隱患。同時，對于尾礦中的金屬和非金屬有價組分利用率較低，資源嚴(yán)重浪費[3]。

生態(tài)智能礦山建設(shè)從系統(tǒng)的觀念出發(fā)，做好頂層設(shè)計。堅持采用綠色充填技術(shù)和固廢資源化利用技術(shù)，從生產(chǎn)源頭減少固廢的排放；建設(shè)礦山融合網(wǎng)絡(luò)和智能化管控平臺，創(chuàng)新生態(tài)智能礦山的管理模式，把生態(tài)、智能的發(fā)展理念貫穿于礦山建設(shè)的全過程和各方面，切實改變傳統(tǒng)礦山的發(fā)展模式，推動礦業(yè)向高品質(zhì)、高效率、可持續(xù)、更安全的生態(tài)智能礦山發(fā)展，具體思路如圖3所示。

圖3 生態(tài)智能礦山建設(shè)思路

4 生態(tài)智能礦山建設(shè)案例研究

4.1 礦山生產(chǎn)概況

某金礦屬于新建礦山，位于山東省膠東半島。礦床的成因類型屬于中低溫巖漿熱液破碎帶蝕變巖型(焦家式)金礦，礦體賦存埋深超過2 200 m，采礦設(shè)計生產(chǎn)能力為264萬t/a，根據(jù)礦體厚度，采礦方法分別選用機械化盤區(qū)上向進路式充填法和分段空場嗣后充填法。選礦工藝流程采用“兩段一閉路+球磨”的碎磨流程；磨礦后先通過跳汰和搖床重選后再采用一粗二精二掃的浮選流程。由于國家環(huán)保政策持續(xù)高壓，礦區(qū)周邊附近尾礦庫選址難度較大，結(jié)合前期的資金投入，為了實現(xiàn)礦山綠色高效開發(fā)，采用“無廢、無尾”的生態(tài)智能礦山理念進行設(shè)計和建設(shè)。

無廢開采指地表不設(shè)廢石堆場，提出地表的廢石經(jīng)過砂石處理系統(tǒng)進行多級破碎、篩分處理，轉(zhuǎn)化為建材全部實現(xiàn)資源化利用。無尾指不建設(shè)無尾礦庫，選礦廠浮選后的尾礦通過旋流器組進行粒度分級，對尾礦進行梯級回收資源化利用，最終實現(xiàn)礦山真正意義上的固廢零排放。

4.2 采充平衡和物料平衡計算

1)日平均充填采空區(qū)體積

(1)

式中：Vr——日平均充填采空區(qū)體積，m3/d；

Vk——采用充填法回采的礦石日產(chǎn)量8 000 t/d；

Z——采充比，取Z=1；

γk——礦石體重，γk=2.71 t/m3。

經(jīng)計算，Vr=2 952 m3/d。

2)日平均充填料漿需用量

Qr=VrK1K2

(2)

式中：Qr——需料漿充填量，m3/d；

K1——流失系數(shù)，取K1=1.05；

K2——沉縮比，取K2=1.15。

經(jīng)計算，Qr=3 565 m3/d。

3)采充平衡和物料平衡計算

采充平衡計算的實質(zhì)是井下開采產(chǎn)生的空區(qū)能夠被充填站制備的充填料漿充滿，保障地表不塌陷和采場的安全回采。物料平衡要求選礦廠產(chǎn)出的尾砂要全部進行資源化利用和無害化回填，實現(xiàn)地表不設(shè)尾礦庫[4]。

根據(jù)全尾砂的化學(xué)成分(見表1)及顆粒級配分析表(見表2)，結(jié)合充填試驗的研究結(jié)果，為了消耗多余尾砂，需要對尾砂中的有用成分進行回收，通過旋流器組進行尾砂分級，實現(xiàn)尾砂的梯級回收資源化利用和物料平衡。

表1 尾礦的化學(xué)多元素分析

表2 全尾砂綜合粒度分析表

經(jīng)計算，全尾砂分級界限分別按照粒級10 um和100 um進行劃分可以實現(xiàn)礦山生產(chǎn)采充平衡和物料平衡。粒級為-100～10 μm的尾砂通過利用高效倉儲濃密機提高底流放砂濃度，研發(fā)新型細尾砂高凝材料和激發(fā)劑使得細尾砂膠結(jié)充填體強度滿足采礦工藝的要求[5-6]。井下采用上向進路式充填開采，一步驟采場用尾砂膠結(jié)充填，灰砂比1∶6，充填體7天強度不低于0.5～1 MPa；二步驟采場用灰砂比1∶15膠結(jié)充填；澆面采用1∶4的膠結(jié)充填，澆面層厚度0.4 m，充填體7天強度不低于1.5 MPa～2 MPa，滿足設(shè)備行走要求。充填料漿的輸送濃度為65%。井下充填共需要消耗分級細尾砂3 270 t(見表3)；

表3 充填材料單耗及用量表

粒級100 um以上粗尾砂及粒徑小于10 um的極細尾砂分別用于建材或者制陶球顆粒和生態(tài)水泥。

4.3 礦山固廢資源化利用方案

1)礦山尾砂資源化利用方案

黃金礦山尾砂一般呈堿性(pH>10)，主要礦物組成成分由SiO2、Al2O3、CaO、MgO和少量的Au、Ag、Cu、Pb、Zn等組成，可以作為建筑材料利用。通過對尾砂中的有用成分進行梯級回收資源化利用，主要產(chǎn)品可分為充填尾砂、建筑細沙、陶瓷原料、生態(tài)水泥和陶粒五種，副產(chǎn)品為鐵質(zhì)礦物。

選礦廠浮選后的尾砂經(jīng)泵揚送至尾砂處理車間進行處理。浮選后的尾礦經(jīng)水力旋流器組進行粒度分級，沉砂產(chǎn)品(粒級為+100 μm)經(jīng)雙滾筒磁選機除去鐵性雜質(zhì)后通過脫水直線篩進行脫水后經(jīng)帶式輸送機輸送至粗砂粗礦堆進行堆存，該部分物料可作為建筑用砂或作為陶瓷制品的原料外售；溢流產(chǎn)品(粒級為-100 μm)自流至泵池后經(jīng)泵揚送至水力旋流器組再次進行粒度分級，沉砂產(chǎn)品(粒級為-100+10 μm)自流至充填攪拌系統(tǒng)進行井下充填，溢流產(chǎn)品(粒級為-10 μm)自流至泵池后經(jīng)泵揚送至細泥處理系統(tǒng)進行處理后制成生態(tài)水泥和陶粒外售，尾砂回收如圖4所示。

圖4 多粒級尾砂梯級回收流程圖

2)礦山廢石資源化利用方案

井下開拓采切作業(yè)過程中約產(chǎn)出廢石1 650 t/d，該部分廢石將通過廢石處理系統(tǒng)的破碎、篩選、分級等工藝流程，可以得到5種粒級的產(chǎn)品，分別為：產(chǎn)品1(粒度為-25 mm+20 mm)、產(chǎn)品2(粒度為-20 mm+10 mm)、產(chǎn)品3(粒度為-10 mm+5 mm)、建筑用砂(粒度為-5 mm)以及細泥產(chǎn)品。

井下作業(yè)產(chǎn)生的廢石(粒度-300 mm)經(jīng)豎井提升機提升至地表廢石緩沖倉，廢石經(jīng)緩沖倉下振動給料機卸至帶式輸送機后輸送至砂石處理車間，廢石經(jīng)1臺MJ907型顎式破碎機破碎后輸送至1臺雙層圓振動篩(篩分Ⅰ)進行濕式篩分。篩分Ⅰ篩上產(chǎn)品(即粒度為+25 mm)經(jīng)帶式輸送機返回至1臺MH400(EC)型圓錐破碎機進行細碎，細碎后的產(chǎn)品與粗碎后的產(chǎn)品一并返回圓振篩進行篩分；篩分Ⅰ中間產(chǎn)品(即粒度為-25 mm+5 mm)可通過帶式輸送機1臺雙層圓振動篩(篩分Ⅱ)進行篩分，得到3種粒級的產(chǎn)品，即產(chǎn)品1(粒度為-25 mm+20 mm)、產(chǎn)品2(粒度為-20 mm+10 mm)、產(chǎn)品3(粒度為-10 mm+5 mm)；也可根據(jù)市場的需要進行石料的整形處理，即廢石料進入1臺立軸沖擊式破碎機進行整形，整形后輸送至1臺雙層圓振動篩(篩分Ⅲ)進行濕式篩分，篩分Ⅲ篩上產(chǎn)品進行篩分Ⅱ作業(yè)的得到3種粒級的產(chǎn)品；篩分Ⅰ篩下產(chǎn)品與篩分Ⅲ篩下產(chǎn)品通過1臺XFS200型洗砂脫水篩一體機進行洗砂脫水后得到建筑用砂(粒度為-5 mm)和細泥產(chǎn)品，細泥產(chǎn)品經(jīng)泵揚送至細泥處理系統(tǒng)，廢礦處理流程如圖5所示。

圖5 廢石處理系統(tǒng)流程圖

4.4 智能礦山建設(shè)內(nèi)容

智能礦山建設(shè)依托現(xiàn)代信息技術(shù)、自動化控制技術(shù)和先進裝備為基礎(chǔ)進行建設(shè)，通過工藝流程優(yōu)化、裝備水平提升、采選一體化管控、智慧運營決策、組織架構(gòu)重組、崗位設(shè)置重構(gòu)、業(yè)務(wù)流程再造、數(shù)字化工具應(yīng)用等，全面實現(xiàn)礦山資源數(shù)字化、采礦系統(tǒng)自動化、固定設(shè)施無人化、選礦系統(tǒng)最優(yōu)化、安全管理信息化、生產(chǎn)管控統(tǒng)一化、運營管理一體化的建設(shè)目標(biāo)，打造成本最低、效率最高、本質(zhì)安全的生態(tài)智能礦山[7]。建設(shè)主要內(nèi)容如圖6所示。

圖6 生態(tài)智能礦山建設(shè)主要內(nèi)容

通過智能礦山建設(shè)，可以進一步利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，建立礦山固廢綜合利用信息管理系統(tǒng)，自動采集和分析行業(yè)礦山固廢綜合利用的技術(shù)情報和交易信息，提高礦山固廢資源的配置效率和綜合利用信息化管理水平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值再創(chuàng)新。

4.5 效益分析

目前國內(nèi)針對鐵礦、銅礦、鉛鋅礦等礦山產(chǎn)出的固廢進行了大量資源化利用探索，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。如馬鋼張莊鐵礦地表不設(shè)尾礦庫，梯級提取綜合利用尾礦中有用成分，取得了較好的經(jīng)濟效益；江西城門山銅礦通過對尾礦深加工，生產(chǎn)出高品質(zhì)建材，為企業(yè)創(chuàng)造了額外收益。黃金礦山由于尾砂產(chǎn)率較高(一般95%以上)，尾砂粒級偏細，大部分尾砂仍然依賴尾礦庫堆存，造成了土地資源和尾礦資源的嚴(yán)重浪費[8]。

該金礦通過生態(tài)智能礦山頂層設(shè)計和規(guī)劃，從生產(chǎn)源頭實現(xiàn)了采充平衡和物料平衡，采取固廢資源化利用和無害化處理技術(shù)措施實現(xiàn)變廢為寶，利用智能化技術(shù)降低井下作業(yè)人數(shù)，打造一座真正意義上的礦山固廢零排放智能礦山。

1)安全效益

通過采用綠色充填技術(shù)，利用充填體有效的控制采場地壓，為深井礦山安全開采提供了技術(shù)保障，同時避免了地表發(fā)生塌陷、沉降等地質(zhì)災(zāi)害。通過對尾礦和廢石綜合利用和資源化，礦石實現(xiàn)無尾排放和無廢開采，從源頭上消除了尾礦庫潰壩、排土場滑坡等重大事故發(fā)生。通過利用智能化技術(shù)，礦山勞動定員較同規(guī)模礦山減少40%作業(yè)，實現(xiàn)了自動化減人、智能化少人的目的，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)本質(zhì)安全。

2)環(huán)境效益

井下采空區(qū)利用尾砂膠結(jié)充填，充填強度高，地表不塌陷，閉坑后易復(fù)墾，對礦區(qū)的環(huán)境影響降至最小。重金屬離子隨尾砂固結(jié)在充填體內(nèi)，對土壤和水體不會產(chǎn)生二次污染。礦山地表不設(shè)尾礦庫和廢石堆場，從源頭避免了尾礦庫泄露、漫頂、潰壩引起的環(huán)境污染事故和地表排土場粉塵對環(huán)境的污染隱患，保障了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境安全。

3)經(jīng)濟效益

井下采用機械化盤區(qū)充填法開采，應(yīng)用智能化裝備，開采強度大，礦石回收率達到90%以上，貧化率控制在10%以內(nèi)，顯著提高了單位采場的經(jīng)濟效益。礦山無廢、無尾開采方式，縮短了基建周期，節(jié)省了新建尾礦庫和排土場的前期投資及后期運營管理費用。礦山固廢通過資源化利用、變廢為寶，為企業(yè)創(chuàng)造了額外的收益。經(jīng)測算噸礦成本降低40～50元，礦山人均生產(chǎn)礦石4 400 t/年，顯著提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)論

(1)該金礦通過生態(tài)智能礦山頂層設(shè)計和規(guī)劃，遵循了固廢減量化、資源化、無害化的處置原則，從生產(chǎn)源頭實現(xiàn)了采充平衡和物料平衡，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)礦山固廢污染治理的思路，打造了國內(nèi)第一座真正意義上的礦山固廢零排放大型地下開采金礦山。

(2)該金礦通過采用綠色充填技術(shù)、礦山固廢梯級回收資源化利用技術(shù)、智能化采選等技術(shù)，有效的改善了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，避免了礦山固廢資源的浪費，減少了礦山勞動定員，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時增加了額外收益，創(chuàng)新了生態(tài)智能礦山的管理模式。無廢、無尾生態(tài)智能礦山的建設(shè)，符合新發(fā)展階段礦山資源高效開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的生態(tài)文明建設(shè)要求。

(3)礦山固廢的綜合利用應(yīng)遵循“一企一策、一地一策”的原則，因地制宜的選擇適合自己的處理技術(shù)。同時，需要進一步完善礦山固廢資源化轉(zhuǎn)化技術(shù)體系和政策法規(guī)制度，發(fā)揮礦山固廢綜合利用對“碳達峰、碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)的協(xié)同作用。