沙土固化技术在绿色矿山建设中的应用

毛静民 高大峰 刘 捷 周天兴 刘 浪

（武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080）

21世纪现代工业生产高速增长，对矿产资源的开发利用规模和强度是人类历史上从来没有出现过的。矿产资源是不可再生资源，一方面，随着矿产资源的开采，矿物、原材料趋于枯竭，另一方面，工业生产的废弃物日积月累，全国累积的工业固体废弃物多达80亿吨，不断吞噬着生态环境。采矿工业的资源浪费现象严重，如崩落法采矿的损失率、贫化率高达30%。因开采而形成的塌陷区破坏地表环境，因技术原因而排弃的剥离废物和尾矿占用大量耕地，在恶劣气候条件下它们形成泥石流、沙尘暴，一部分尾矿还产生化学有害物，危及动植物、人类的健康。2008年，陕西省襄汾“9·8”特别重大事故就是一个小规模的尾矿库因管理维护不善而溃坝，造成267人死亡。

工业固体废弃物的排放和危害与日俱增，与我国发展循环经济，实现节能减排，建设“两型”社会的要求不符。文献介绍［1－4］，环保节能的PCSB新技术在处理工业固体废弃物的过程中显现出巨大威力。在PCSB应用技术中，取得2项国家发明专利，武钢矿山引进PCSB固化剂新材料技术加大矿山尾矿利用力度，成功申报了节能减排综合利用国家级示范工程。

1 应用尾矿固化技术制作墙体材料，解决乌龙泉矿尾排放问题

乌龙泉矿大洪山尾矿库位于矿区西侧，距破碎洗矿车间约3km。1966年10月建成投产，设计堆积坝最终标高为90m，有效库容为419.8万m3，属Ⅳ级建筑物。乌龙泉矿矿山生产分为采矿、运输、破碎等工艺过程，其中矿石的破碎、筛分、洗矿是将原矿转变为精矿的重要环节。期间有大量的排放物（尾矿＋水），通过砂浆泵排放到尾矿库。尾矿库中的矿浆经过沉淀后，水被抽回循环使用，尾矿则沉积在库内，使尾矿库容量逐年减少。目前，堆积尾矿近400万m3，尾矿坝上堆积尾矿至88m的高程。乌龙泉矿尾矿库被列为A级危险源，防汛安全维护费用每年达10万元。近年来，最新地质勘探查明，乌龙泉矿尾矿库区地下有大量优质石灰石矿，若能利用，可大大延长矿山开采年限。

乌龙泉矿尾矿的主要化学成份为CaCO3，其次为MgCO3，化学组份较为单一。其他化学成份SiO2、Al2O3、S、K2O、Na2O、有机 C等成份含量少。矿物组成主要有深色石灰、浅色石灰、白云石，其次还有围岩中的燧石灰岩、矽质灰岩、闪长岩。尾矿含泥量在15%～60%，d50粒径在0.05mm～0.25mm。尾矿颗粒细、排放量大，遇风容易扬起灰尘，见水则容易形成泥沙流，破坏其周边的生态环境。

在水泥等多种胶凝材料与乌龙泉矿尾矿的固化相容性试验分析中，发现PCSB沙土固化剂与乌龙泉矿尾矿的固化相容性最好，其固化试件具有建筑墙材应有的性能。

应用PCSB固化技术制作尾矿墙材，经过实验室研究、工业试验，尾矿样砖的强度指标、抗冻性指标达到NY／T671－2003《混凝土普通砖和装饰砖》产品规范中承重砖 MU10的强度等级［4］。建成年产环保砖3000万块的生产线，试用产品良好。

2 利用程潮铁矿尾矿充填塌陷区

程潮铁矿采用无底柱分段崩落法开采，自正式投产以来多次发生泥石流涌入巷道、采场的事故，造成了设备损坏、人员伤亡，增加了回采、选矿成本。由于需要崩落围岩，地表形成了十几个不同时期、不同规模、不同原因所引起的面积高达2000亩的塌陷区和错动带。矿区地表覆盖着3m厚的第四系的细粒粘土、亚粘土、亚砂土，其下部是3m厚的粗砂、砾石风化层，这些粘土在大量连续降雨的作用下，由吸水饱和，含水率超过液限，逐渐液化，在采空区上方积蓄能量，当这些粘性流体聚集到一定量时，突出裂隙，沿着破碎岩体的通道，涌入采场，形成泥石流［5］。

泥石流形成与崩落法采矿方法、塌陷区和采空区、第四系粘土覆盖层、大气降雨和液化粘土的积蓄、裂隙弱面和通道等几个关键因素有关。用尾矿充填塌陷区，堵塞裂隙弱面既能防治井下泥石流，又能解决尾矿存放的出路，还避免了征地、扩建尾矿库。目前，塌陷区充填方案有尾矿干排方案、尾矿造块方案、尾矿造浆方案。尾矿干排方案需要陶瓷过滤机，滤机效率低，能耗大，占地面积更大，投入过高。尾矿造块方案可以采用与制砖相同的技术。尾矿造浆方案是在尾矿浆中添加适量固化剂材料，通过管道输送到塌陷区，固化形成足够强度的充填体。其中，尾矿造块的方案和尾矿造浆的方案都是有竞争力的。

程潮铁矿尾矿中的金属矿物有磁铁矿、赤铁矿、镜铁矿、针铁矿、菱铁矿、黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿，脉石矿物有绿泥石、金云母、方解石、白云石、石膏、钠长石、绿帘石、透辉石等。尾矿粒径d50＝0.064mm［6］。

针对程潮铁尾矿性能，配制PCSB的2种剂型，对铁尾矿固化，在固化剂掺量为5%～11%的条件下，7天强度为3.81MPa～8.72MPa，28天强度为6.89MPa～16.23MPa。

3 程潮铁矿充填法采矿的技术研究

我国地下铁矿山多数采用崩落采矿法回采，这是因为崩落法采矿的适用范围广、采场结构简单、安全性好、技术成熟、回采强度高，生产效率高，采矿成本低。但是近年来，经济发展促使了对资源掠夺式开发，而资源数量逐渐枯竭和矿产资源的不可再生性又反过来限制经济的发展，随着人们对科学发展观的深入理解，人们的环境保护意识不断加强。崩落法损失、贫化率高居不下，塌陷区征地成本节节攀升，人们在思考崩落法带来的废石、尾矿、地表塌陷等顽症；矿石价格大幅度飙升，胶结材料、工艺、技术有了长足的发展，使得人们重新认识充填法采矿［7］。

充填采矿方法是在采出地下矿石的过程中，用尾矿回填到采空区，从而避免地表塌陷，又为尾矿找到了排放场地。因此充填采矿方法是保护环境的绿色采矿方法。

研究显示，PCSB充填材料有突出的效果：

对尾矿不需分级，充填料浆中不需添加粗颗粒或骨料，实现全尾矿充填；

充填料浆能够产生较好的早期强度和后期强度，3天、28天强度最高可达到3MPa、7.7MPa，而同等情况下水泥充填料浆的7天、28天强度只有0.8MPa、1.6MPa；

充填料浆具有较好的流动性能，80%浓度的坍落度最低为26cm，而75%浓度的水泥料浆的坍落度最高只有22cm。

4 结语

武钢矿山引进PCSB固化剂新材料技术，开展了尾矿制砖、尾矿充填等研究工作，治理矿山尾矿，研究实践表明，利用乌龙泉矿石灰白云石尾矿制作建筑用砖，既能够消纳多年的尾矿排放物，又能够为新生尾矿找到用途，解决矿山生产后顾之忧；利用尾矿充填塌陷区和采空区，一方面，给尾矿找到了理想的排放地点，解决原来崩落法采矿遗留塌陷区对矿山生产的安全隐患，另一方面，在武钢矿山进行充填采矿方法试验，为武钢矿山引进充填技术积累了经验。

利用PCSB新型适用技术，解决工业固体废弃物排放、堆存问题，降低了矿山生产成本，保护了环境，同时将废弃物资源化循环利用，实现了建设生态绿色矿山的目标。

［1］毛静民.利用石灰石白云石尾矿制作墙体材料应用技术的研究［R］.武钢矿业责任有限公司，2010.

［2］毛静民.程潮铁矿充填采矿法材料试验研究［R］.武钢矿业责任有限公司，2011年8月.

［3］毛静民.PCSB固化建筑废渣的路面基层性能研究［J］.长江科学院院报，2012，（8（：122－128.

［4］毛静民等.乌龙泉矿尾矿分类及特性研究［J］.中国矿业，2013，（8）：72－75.

［5］陈振清等.程潮铁矿井下泥石流形成机理分析［J］.矿业工程，2006，（3）：27－29.

［6］刘曙等.程潮铁矿选矿厂尾矿再选生产实践［J］.冶金矿山与冶金设备，1998，（4）：35－36＋26.

［7］刘同有.充填采矿技术与应用［M］.北京：冶金工业出版社，2001.