基于绿色开采的深部金属矿开采模式与技术体系研究

赵国彦　吴攀　裴佃飞　赵源

摘要：绿色开采是“绿水青山就是金山银山”的充分体现。随着中国金属矿开采逐渐走向深部和国家对资源环保政策的落实与严格管控，深部金属矿绿色开采将成为矿业开发的新常态。为了在满足国民经济发展需要的同时实现金属矿开采的持续稳定发展，回顾了国内金属矿绿色开采发展的3个阶段，系统分析了深部金属矿绿色开采面临的挑战，提出了金属矿山的绿色开采模式，探寻了深部金属矿绿色开采“高效两无一生态”的技术架构体系，介绍了金属矿绿色开采关键技术及其应用，以期为深部金属矿安全高效环保开采提供理论和技术支撑。

关键词：绿色开采;深部金属矿;绿色开采模式;技术体系;全尾砂充填;生态重构;尾废堆存

中图分类号：TD85 文章编号：1001-1277（2020）09-0058-08

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20200909

引 言

得益于科学技术和经济社会的快速发展，金属矿山机械化水平不断提高、开采规模和开采深度逐渐加大[1]。目前，浅层矿床已经被开采殆尽，根据“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”的口号，深部开采将成为未来金属矿山的发展趋势[2]。因此，国家科技部提出“十三五”重点研发计划“深部金属矿绿色开采关键技术研发与示范”。绿色开采的概念首先由钱鸣高院士针对煤矿提出[3]，而关于金属矿绿色开采理论和技术的研究方兴未艾，并已取得一定成果。王建法等[4-5]提出了金属矿绿色开采的理念和技术框架，并构建了金属矿绿色开采指标体系;仝海伟[6]分析了金属矿绿色开采技术的内涵和意义，介绍了绿色开采技术在金属矿山的应用。姜廷剑[7]结合可持续发展理论和循环经济理论提出了一种金属矿绿色开采评价体系。赵国彦等[8]针对金属矿绿色开采技术应用灰色关联分析进行了优先级评价。本研究在分析深部金属矿绿色开采现状和开采模式的基础上，提出金属矿绿色开采技术体系并对具体技术的应用进行了实例分析，既总揽了矿山深部开采的主流事实，又顺应了当前矿业绿色、环保、安全、高效的国家政策与经济发展趋势，以期为深部金属矿安全高效环保开采提供理论支撑和技术保障。

1 绿色开采历史与发展

自20世纪中叶以来，人们的绿色环保意识逐渐觉醒，矿山的绿色发展日渐成熟，通观金属矿绿色开采的发展历程，金属矿绿色开采历史与发展可分为3个阶段。

第一，绿色开采萌芽阶段。21世纪前，人们提出了绿色矿业、绿色矿山等概念，矿山绿色发展成为普遍共识，与绿色相关的研究、理论、技术得到发展，虽然这一阶段的绿色矿山、绿色矿业仅仅停留在矿区植被保护及周边环境美化等外观初级绿色，并没有细化至资源开发利用领域，但是矿山对于资源环境的重视孕育了绿色开采的萌芽。

第二，绿色开采初级阶段。2003年，钱鸣高院士针对煤矿提出绿色开采的概念，随后国内针对绿色开采的相关研究逐渐增多，绿色开采技术也得到大力发展。此阶段绿色开采政策激励机制逐步完善，绿色开采技术在矿山得到实际应用，矿山绿色发展从关注景观过渡到关注资源综合利用。

第三，绿色开采推广发展阶段。2015年至今，国家制定各项矿山环保政策，形成绿色标准体系并落实与绿色开采配套的政策措施，全面推广绿色开采技术，提出了“大中型矿山基本达到绿色标准，小型礦山按照绿色规范管理”的全国绿色矿山总体目标。从此绿色开采进入关注实质内涵的阶段。矿山在生命周期的全过程全方位开展绿色开采，建立、完善并形成了各矿山特有的绿色技术与绿色标准体系。

据不完全统计，截至2019年，国外开采深度超过千米的深井矿山有112座[9-11]。国内方面，目前开采深度达到或超过千米的金属矿山已达16座（见表1、图1），半数以上为金矿（见图2），而有分析预计国内深井矿山的数量将在较短时间内达到世界第一[12]。进入深部开采的矿山前期大多经历过非绿色的粗放式浅部资源开采，因此，深井矿山不仅需要解决高地应力、高井深、高地温等诸多深部关键难题[13]，同时还面临着前期矿山堆积尾废的处理，隐蔽灾害的探测与控制，以及地表生态破坏的修复等问题。而绿色开采前期投资较高、绿色开采系统建设周期较长、短期投资收益不明显等问题，限制了绿色开采技术在深部金属矿的普及应用。鉴于以上问题，有必要构建深部金属矿绿色开采技术体系，实现资源、环境、深地、绿色四大要素的和谐统一。

2 绿色开采模式

2.1 按矿山生命周期划分

金属矿绿色开采模式有多种，按照开采的生产时序和矿山生命周期，可以将模式划分为3个类型：源头预防型、末端治理型和全程管控型。

1）源头预防型。源头预防型模式在生产时序上重点关注采矿的前段工艺。例如：选择合适的金属矿深部开采方法以降低矿石贫化率，从源头减少废石;将矿废分选环节放在井下，并将选出的废石用于井下充填，实现“废石不出井”。在矿山生命周期中，源头预防型模式关注矿山规划和建设阶段，提倡在前期建设尾废处置设施并制定详细的尾废处置及环境保护方案。政府为治理矿山环境污染采取的环境影响评估（EIA）、颁发许可证书、建立矿山地质环境治理恢复基金等措施均是在落实源头预防。

2）末端治理型。末端治理型模式的核心思想是在矿山生产的最后环节，对即将进入自然环境的污染物进行处理，使其符合能够向环境排放的环保标准。在金属矿开采中，末端治理体现在企业对采选产生的废水、废气经过集中净化处理后排放;对废石和尾矿在矿山开采期间按照环保要求进行堆存，在尾矿库库容用尽后按照要求封闭并进行生态绿化或者复垦。

这一模式仅需要在污染物进入环境前的最后环节采取治理措施，具有思路简单的优点。但是，也需要较大规模的污染物处理设施，且不能消除末端治理前已经扩散的污染物。对于产生污染物较多的大中型金属矿，治理效果有限。

3）全程管控型。这一模式既优化开采的中间过程又兼顾最后的治理环节，提倡在生产过程中就开始着手降低污染物的产量，而不仅仅是将污染物治理的措施放在生产末端甚至是矿山生命后期。“无废开采”和“协同开采”是本模式的典型案例。“无废开采”强调在金属矿采选生产中，企业应对开采环节产生的废石和选矿环节产生的尾矿进行综合利用，对矿井水进行循环使用，降低最终要堆存和排放到环境中的污染物数量。“协同开采”主要指企业的资源开采行为应当与灾害处理及污染物治理的行为合作、协调与同步，从开采工艺上融合矿石开采和废物利用的环节，深部金属矿开采中常用的充填采矿法就是一种典型的协同开采方式。

2.2 按尾废处置方式划分

金属矿尾废处置主要有资源化利用、充填、堆存3种方式，因此按照处置方式可归纳为资源化利用主导型、全尾砂充填主导型、生态处置无害堆存主导型和复合型4种类型。其中，复合型是指由2种及2种以上处置方式主导的模式，如山东平度金矿尾砂细粒级井下充填、粗粒级资源化利用就属于复合型。

1）资源化利用主导型。该绿色开采模式即将尾废作为资源充分利用，增加了尾矿加工厂和废石加工点，将尾废变成产品外售。资源化利用主导型模式需要研究尾废特性，精炼其中的有用矿物，研发生产市场需求的产品，为尾废的消化处置寻找渠道。通常，资源化利用方式多种多样，包括有价成分再选、建筑材料、路基材料、陶瓷材料、石子等，还可以生产水泥、微晶玻璃、3D打印材料等。

有价成分再选受选矿条件、冶炼技术和设备限制，许多稀有元素、有价金属及其他有用组分残存在尾矿中，通过采选技术更新和设备升级，有可能对尾矿中有用矿物及稀有元素组分进行再选和回收，取得较好的经济效益。以金矿为例，2013年中国金矿尾矿累计达到12.98亿t[15]，尾矿主要成分为SiO2，还有少量金银铜等。江西某蚀变岩型金矿浮选尾矿采用螺旋溜槽+摇床联合重选工艺重选，总金回收率达到23.70 %[16]。汉阴金矿尾矿采用溜槽膜黏金工艺，进一步回收尾矿中的金，使尾矿中金品位低于0.04 g/t[17]。原义兴寨金矿尾矿中含金、银、锌等多金属，采用浮选—氰化浸出—锌粉置换—尾矿再选工艺，实现金、银、锌的综合回收[18]。

此外，金属尾矿粒度极细，可以代替水泥成为生产原料，还可以作水泥矿化剂;也可以加工成建筑、道路、桥梁等基础设施中用量最大且不可或缺的砂石骨料;同时，还可以生产陶瓷、玻璃、微晶玻璃等，加入起泡剂后又可以生产泡沫微晶玻璃，以及保温、隔热、吸声的新型轻质建材。

2）全尾砂充填主导型。全尾砂充填主导型绿色开采模式的主要思想是将废石和尾矿作为矿山充填骨料。目前最流行的是全尾砂充填技术，通过浓密工艺并添加一定的胶凝材料，可以实现对金属矿山粗粒及细粒尾砂的全部利用，理论利用率可达100 %，因此全尾砂充填逐渐成为主流的充填技术。但是，由于井下充填的采空区有限，所以多数矿种（如金矿）采用全尾砂充填主导型模式依然无法利用全部尾废。

3）生态处置无害堆存主导型。该模式是与现阶段金属矿常用尾废处置方式最为接近的模式。其主要思想是对排土场和尾矿库进行无害化治理和生态化修复，杜绝尾废堆存场所对人类和环境的危害。

国内尾矿以湿式堆存为主，近年来随着对安全、环境、水资源越来越重视，以及尾矿浓密技术的发展，一些矿山采用了干式堆存、膏体堆存和固结堆存。

尾矿干式堆存将尾矿料浆压滤成滤饼后进行排放，滤饼浓度在80 %以上，具有有效库容量大幅上升、服务年限延长、建库成本和管理成本大幅降低、经济效益显著等优点。

20世纪90年代后期，综合尾砂湿排和干堆的优点，发展了一种尾砂半干排的方法，即尾砂浓密成膏体排放，具有尾砂不离析、高黏度、渗透率低等特点，减轻了环境污染和溃坝、渗水危险，保证了堆体的稳定性。

尾矿固结排放是选择性地向堆场四周的尾砂添加适当胶凝材料，将尾砂堆场四周固结，形成汤圆状的尾砂堆场，因而具有自稳性好、防渗能力强、成本低、安全性好的特点。

生态化修复是生态、无害堆存主导型绿色开采模式的关键，由于重金属具有难降解、易聚集、污染时间长的特点，潜在污染风險较严重[19]，造成的污染危害与生态破坏[20]等不容忽视。目前主要有改良剂修复、植物修复、微生物修复3类技术手段。

4）复合型。复合型绿色开采模式是同时采用资源化利用、全尾砂充填、生态处置无害堆存中2种或2种以上方式来主导矿山尾废处置，百分之百消纳矿山尾废，打造真正的“无尾、无废”矿山。

复合型模式的核心在于对尾矿和废石进行精细化的管理，为每种尾废寻找合适的利用途径。在山东平度金矿的细粒级充填、粗粒级资源化实践中，粗粒级尾砂力学性能较好，可制作加气混凝土砌块、瓷砖胶、干混砂浆等建筑材料;细粒级尾砂则利用全尾砂充填技术，经浓密并添加胶凝材料后充填到井下。

3 绿色开采技术体系

深部金属矿绿色开采技术体系可概括为“高效两无一生态”——高效化、无废化、无害化和生态化（见图3），涉及的要素有：机械化设备、无人化机器，自动化系统、智能化平台等设施，以及无废开采、尾废综合利用、全尾砂充填、灾害控制、尾废无害处理、生态重构和区域地表修复等技术。深部金属矿生产的高效化、无废化、无害化和生态化，是当代矿山绿色开采的整体构想和阶段目标。

3.1 高效化

高效化是实现深部开采的技术基础。随着信息技术的高速发展，建设智慧矿山的任务提上了日程，机械化、无人化、自动化、智能化成为矿业发展的必然趋势。绿色开采技术作为矿业研究前沿的技术，通过多学科技术交叉融合，以矿山为对象，以信息化技术和计算机网络技术为重要支撑，研究新的高效化采矿工艺，探讨高效化的绿色开采技术装备和采矿技术，可有效解决深部的恶劣环境问题，进而推动深部金属矿的发展。

1）机械化。金属矿机械化与煤矿相比有较大的提升空间，金属矿机械化技术的发展，主要是围绕提高效率，降低工人劳动强度这一核心，以无轨化、大型化、液压化、集中化为方向。

2）无人化。金属矿采矿无人化是在机械化技术的基础上进行再发展，对机械化设备进行无人化改进，应用遥感技术、信息技术与控制技术，实现无人化的井下作业。

3）自动化。金属矿的自动化技术主要是指机电自动化技术和电气自动化。自动化技术以明确的编程程序为基础，可实现对各种控制模块的重设，完成井下人工操作难以完成的任务。

4）智能化。智能化是集信息技术、控制技术、电子技术、通信技术、传感技术、软件技术和专家系统等为一体，实现扩展或替代脑力劳动为目的的高层次控制技术，矿山智能化是实现数字化智慧矿山的重要技术基础。

3.2 无废化

无废化是资源开发与利用的核心要义。矿山废弃物主要来源于3个方面。首先，矿山的建设和开拓阶段会产生大量的废石;其次，开采过程中，采准、切割工艺及回采贫化也会混入废石;最后，选矿及冶炼等一系列环节中，会产生大量的尾砂和炉渣。针对上述问题的无废化技术，一方面是从矿石开采的角度最大限度地减少尾废的产生，另一方面提高资源综合利用率实现尾废的最大限度回收[21]。

1）无废开采。无废开采技术主要是指从矿石开采源头上减少废弃物产生的技术，即通过采矿方法的革新与工艺的革命，提高矿石回采率，减少尾废的产量。

2）尾废充填。全尾砂充填技术是对尾废进行利用的重要技术之一，是实现矿山绿色开采的重要手段，全尾砂充填以全尾砂作为充填骨料，通过活化搅拌，在高浓度状态下输送到采场。该工艺将全部尾砂作为充填料，无需建尾矿库，为无废开采奠定了基础。

3）综合利用。尾废综合利用是将矿山尾废作为有用资源充分利用，包括作建筑材料、工业原料、制备泡沫材料等。尾废综合利用是一项复杂的跨行业、跨部门的系统工程，它是矿产资源综合利用的有效解决途径。

3.3 无害化

矿山无害化技术是指灾害控制、污染控制与环境兼容等技术的综合，包括矿山生产过程和末端治理，以环境可接受的方式最大限度地控制灾害发生、减少环境污染[22]。无害化是矿山安全生产的必要保障。无害化技术包含2个方面内容：

1）灾害控制。深部开采面临的高温、高地应力可能导致矿山地质灾害发生，矿山灾害控制是指采用先进的探测、监测、预警技术及通风降温技术、地压控制技术等，对矿山隐蔽灾害进行控制、防治，保证矿山生产安全。

2）尾废无害处理。部分矿山尾废中含有大量有害元素，污染土地、水源甚至空气，需要经过无害化堆存处理，即采用有效的化学、生物技术手段处理矿山污染，减少尾砂中的有害元素，并进行无害化堆存。

3.4 生态化

传统矿业开发隶属于传统经济学，其最明显的外在特征就是无视生态环境的价值，不顾手段的片面追求经济效益。生态化是通过生态技术整合、绿色开采模式完善，降低或修复矿山生态环境的破坏，保持矿山自然生态环境的绿色可持续发展[23]。生态化是资源与环境和谐的必经之路。

1）生态重构。所谓生态修复与重构是指对生态系统停止人为干扰，以减轻负荷压力，依靠生态系统的自我调节能力与自组织能力使其向有序有利的方向进行转化，或者利用生态系统的自我恢复能力，辅以人工措施，使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展。

2）区域地表修复。区域地表修复面临的最大问题就是尾矿库和采空区的地表修复。可应用的技术包括植物修复技术、基质改良技术、微生物修复技术、生态灌浆技术、植物生长基盘技术等。

4 深部金属矿绿色开采关键技术应用

4.1 绿色开采技术集成应用

国内某金矿对深部绿色开采技术进行了现场集成应用，该矿山已进入千米深部开采范围，存在采矿方法不适应，地压控制困难，尾砂利用率不高，充填料浆输送困难，充填体强度不足，矿山尾废堆积严重等众多难点问题。因此，为解决这些开采难题，开展了深部绿色开采技术的试验研究及应用。

1）低废高效分段充填采矿工艺。针对深部高应力矿体开采难点，矿山在千米深部采用了深部机械化分段充填采矿法（见图4）。单个采场呈菱形，在采场中央布置切割天井，由中央向两翼开采，该方法运用集凿岩与出矿工程于一体的“V”形底部堑沟结构，取消了出矿横巷，避免了充填体的二次开挖，充分利用岩体工程自承载特性，构建合理的采场几何结构。采用该采矿方法开采深部矿体取得的主要技术经济指标见表2。

2）全尾砂胶结充填技术。

进入深部开采，传统的分级尾砂胶结充填系统难以实现料浆的长距离高倍线自流输送，严重影响充填体质量。为此，矿山建设了包含浓密机的全尾砂充填系统，全尾砂浆在浓密机中添加絮凝剂处理后，形成高浓度底流砂浆，结合浓密机上部叠层倾斜板组，实现溢流澄清。浓密机中的全尾砂浆存储一段时间后通过仓体顶部阶梯阀排出上部清水，进一步提高放砂浓度。开启仓底均质活化造浆装置，并在放砂过程中间歇性地对高浓度全尾砂浆进行全仓扰动，在降低风耗（能耗）的同时实现高浓度稳态放砂。采用全尾砂胶结充填技术取得的效果见表3。

3）尾廢无害生态化处置技术。针对尾砂产率高、产量大的条件和有害组分复杂而难于处置的难题，矿山通过应用尾砂基质改良剂对全尾砂进行基质改良和生态重构，并应用尾砂固化剂进行全尾砂固化堆存。通过研制的全尾砂基质改良剂对尾砂进行基质改良，随后在基质改良尾砂层上进行植被种植，实现矿山尾矿库绿化。尾砂基质改良与生态重构见图5。 尾废无害生态化处置技术应用取得的效果见表4。

4）深井水力辅助提升技术。深部开采的矿石提升和排水费用随着开采深度增加而急剧上升，制约了矿山的绿色发展。与此同时，地表供给井下凿岩、出矿等生产工序的净水被管道输送至井下，较高的水势能造成井下用水时水压过大，导致水量损失严重。因此，利用深井供水的高水势能作为矿浆提升或者排水系统的辅助动力，将能够实现深部开采的节能与降本增效。

赵国彦等[24]提出一种深井双管水力提升矿石的方法（见图6），利用副井中双管外管的静水压与井下、地面泵站组成抽压双作用系统，可以减少矿浆提升和排水时单个泵体功率与能量耗损，增加深井管道提升高度。赵源等[25]在水力提升系统的基础上，设计了一种深井矿山辅助排水装置（见图7），能够将深井供水的高势能转换为提升矿浆和排水的动力，与泵机协同工作时可以提供稳定的提升力，实现水势能驱动下的连续提升作业。

4.2 效果分析

该深井矿山对绿色开采技术进行的应用，简化和优化了深部采准工程的布置，建立了结构简单、功能兼顾、系统完整的低废采准工艺系统，减少了掘进废石量。构建的菱形采场几何结构，大大提高采场稳定性，使破碎矿体的大采场结构参数、中深孔凿岩、遥控铲运机出矿的安全高效开采工艺成为可能;全尾砂充填实现了尾废的高效利用，解决了长距离高倍线自流输送难点，同时，提高了充填体强度，为深部开采提供了安全的作业环境;尾砂基质改良和生态重构实现了对尾废的无害化、生态化处理，解决了矿山尾废堆积与污染问题，提高了矿山植被覆盖率，为绿色矿山建设奠定了基础。深井水力辅助提升技术利用深井供水的高势能作为井下提升矿浆和排水的动力，能够极大降低深井提升和排水的成本，有助于深部金属矿绿色开采的持续发展。

5 结 论

1）深部金属矿不仅面临恶劣的开采条件、复杂的地质环境，还有国家战略下对绿色矿山建设的要求。因此，进入千米深部金属矿大力发展并应用绿色开采技术是大势所趋。

2）深部金属矿绿色开采模式有多种，按矿山生命周期可划分为源头预防型、末端冶理型和全程管控型，按尾废处置方式可划分为资源化利用主导型、全尾砂充填主导型、生态处置无害堆存主导型和复合型。

3）现有技术体系多单一针对深部开采或绿色矿山，结合金属矿进入深部开采的主流事实构建绿色开采技术体系既可为深部开采难点问题的解决提供思路，同时也可从环境保护角度缓解矿山资源与生态的矛盾。

4）在因矿生法、因地制宜的前提下，深部金属矿对于绿色开采技术的应用，充分验证了绿色开采技术对深部开采的适用性，使矿山在资源开采、环境保护和经济效益三者间平衡发展。

[参 考 文 献]

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Study on the mining mode in deep metal mines

and its technological system based on green mining

Zhao Guoyan1，Wu Pan1，Pei Dianfei2，Zhao Yuan1

（1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University; 2.Shandong Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：Green mining is the implementation of the "Lucid waters and lush mountains are invaluable assets" .The metal mines in China gradually go deeper and the government tightens and implements the environmental protection policy，and with these facts，green mining of deep metal mines is becoming a new normal.In order to achieve sustainable development of metal mines exploitation while meet the requirements of national economy development，the 3 development stages of green mining in domestic metal mines are reviewed，the challenges faced by green mining of deep metal mines are summarized and analyzed，the green mining modes  are proposed，the technical framework system namely the "efficient，two withouts，oneecological" for green mining of deep metal mines is explored，and the key technology and their application for green mining of metal mines are introduced.Hopefully these measures can provide theoretical and technical support for safe，efficient and environmental mining of deep mines.

Keywords：green mining;deep metal mine;green mining mode;technical system;ungraded tailings filling;ecolo-gical reconstruction;solid waste storage

收稿日期：2020-08-05; 修回日期：2020-08-31

基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC0604606）

作者简介：赵国彦（1963—），男，湖南沅江人，教授，博士生导师，博士，从事金属矿绿色开采与工程灾害防治研究工作;主持的重大项目有国家重点研发计划课题“深部金属矿绿色开采技术集成与示范”（2018YFC0604606），国家自然科学基金面上项目“深井开采岩石孔洞群能量演化与应力调控方法”（51774321）等;获得的主要奖项有中国循环经济协会科学技术奖一等奖，贵州省科技进步奖二等奖，中国黄金协会科技进步奖一/二等奖等;发表高水平论文130多篇，出版专著多部;长沙市岳麓区麓山南路932号，中南大学资源与安全工程学院，410083;E-mail：gy.zhao@263.net