金属矿山开采及提炼过程中环保节能技术探讨及应用浅析

刘永红

(1. 广西壮族自治区二七二地质队，广西 南宁 530031； 2. 广西有色勘察设计研究院，广西 南宁 530031)

0 前 言

我国地域辽阔，可以利用的资源数不胜数，其中对发展较为重要的就是金属矿山，金属矿山的开采在国家“绿水青山就是金山银山”的政策下，环保节能的设计更凸显重要。为了使金属矿山的开发环保节能，结合当今社会的发展方向，制定一个环保计划，利用节能技术促进金属矿山开采过程更节能有效。针对当前现状，较多学者都开展了研究，其中，李燕[1]研究了三维激光测量技术在矿山地质环境动态监测中的应用方法，该技术预先分析了矿山地质环境，提出紧急事故快速处理方法，重点引入三维激光测量技术，实现对矿山开采更有针对性、更环保节能。肖体群等[2]研究了大新锰矿西北地采矿区产状复杂矿体分区协同开采技术，该技术预先分析矿体地质赋存条件，结合矿体三维模型对矿体分区，并针对矿体分区依据，选择不同的开采方法，实现矿山开采的环保节能最优化。由于现有技术节能效果较差，为此设计一个金属矿山开采工程的环保节能技术，了解环境的变化，做到不影响矿山开采，又能达到节能减排，更符合“碳达峰、碳中和”的国家战略需求。

1 设定开采过程

此次研究的节能技术的重点是减少污染、降低能耗、优化开采效率，提高生产能力。为此重点设计了通风系统，在通风系统的支持下，提出了金属矿山开采的环保节能技术。

金属矿山的矿体往往是由于地质体之间的活动较强，构造活动较强，存在着物理性质、化学性质的变化从而形成的一个具有工业经济价值的矿体。矿体所处的地质环境一般较为复杂，岩土稳定性相对较差，在开采过程中易发生岩土工程问题。为了实现矿山开采环保节能的最优化，就要分析金属矿山的形成原因[3]，找到合适的开采方法与节能技术，在不破坏矿体现有赋存环境的条件下实现资源优化，保护环境。开采矿石是一项复杂的技术，以往的经验不足致使工作人员开采起来十分苦恼，在开采过程中不仅涉及周围的自然环境，还要考虑到地质地形的变化。如果开采不慎，会造成坍塌等情况，为此设定如下采集过程：①实地考察，精准测量，包括矿体、矿体围岩、夹层等分层特征；②采取节能技术，按照比例采集不同矿石类型及围岩、夹石，进行岩石物性特征分析；③在较深部位开采时，要注意方法及手段，不能引起波动；④必要时使用深部工程探索矿体的赋存位置，确定矿体的赋存位置，研究矿体及周边地质环境的特征，采取有针对性的措施方法对矿体进行开采；⑤若矿体周边地质环境不曾发生过变化，可利用地质勘查手段确定矿体的位置，对其中矿体位置及矿体周边地质环境精确化确定，然后在较深的位置再收集同样重量的岩石，进行岩土工程物性指标测试；⑥监测地面下沉的问题[4]，加入喷水淋滤作业使开采区减少粉尘污染；⑦观察不同岩石样本的物性指标属性后，按照含有的矿体及周边岩石地质环境的特征与对环境的危害等进行分类与检测。开采全过程应用通风系统及对不同岩石物性指标进行测试，采用节能环保技的设计，以达到节能减排的环保设计。

2 开采过程中环保节能技术设计

2.1 通风参数优化设计

要采用节能减排等绿色健康的模式来控制污染物的来源，通过特殊的工艺技术扩大操作面积，确定矿体的主要赋存环境，使用新技术、新方法，尽量减少污染物的产生。在构建通风系统[5]时，要考虑到不同的开采地质环境，也要保证能量平衡，使节能装置持续工作，为系统不断供电[6]。在此前提下净化污染空气的浑浊物与颗粒物，保障空气清新与环境稳定，仪器运行的标准速度用公式表示为：

Ef=λk/λ′f

(1)

式(1)中，Ef为设备耗能，λk为优化前的系数，λ′f为优化后的速度系数。

经过计算可知，当设备的运行速度达到70 m/s时，为最佳排风速度，此时节能可达到 以上，对环境的影响也会降到最低，在国家规定的空气安全指数范围内[7]。

而随着能量的不断消耗，以及矿体随着深度的增加也会发生变化，矿体随着深度增加的关系见图1[8]。

图1 矿体随着深度增加的关系

根据金属矿山的内部结构与地理位置可以确定压力的分布情况[9]，可用公式表达为：

O=Pln max×Pln min×Pm

(2)

式(2)中，Pln min为最小压力，MPa；Pln max为最大压力，MPa；Pm为中等级压力，MPa。

基于上述分析可知，开采深度的增加，能量的消耗也不断发生改变，最初制定的通风参数已经不能够承担岩土的压力[10]，严重情况下会造成通风口堵塞。因此建立一个多出口的通风参数，增加矿体的通风面积，减小能量消耗，使土地对矿体的压力与风对矿体的压力保持平衡，那么损失的能量[11]用公式表示为：

式(3)中，edp为损失的能量，Rx为介质，kw为计量单位，n为原有通风口数量，个。为了加大通风的速度与面积，对之前的通风系统改进，假设原有通风口的数量为n，继续增加，表达式为：

式(4)中，Kdp代表损耗系数，R′x代表优化后的阻力介质，Q′3x代表优化后的风压，m代表新增的通风口数量，个。结合上述公式预测节能公式为：

Kdp=m2/n

(5)

对比得知，优化后消耗的能量比原来减小一半，功率也是如此，为工程后期维护储存了能量，从而形成一个循环能量系统[12]。不需要外力的参与，依旧能够开采，保证环保与节能同时进行，那么效率公式可表示为：

Ødp=(1-Kdp)×100%

(6)

由公式可知，效率的大小与系统中通风口的数量有关，数量越多，风阻越小，消耗的能量越少，所需要的功率也就越小，金属矿石的利用率越高，所得到的经济效益越高。

2.2 矿山开采的优化设计

选取合适的矿化菌种，可以是不具有腐蚀功能的普通溶液与真菌[13]，在温度为28 ℃与湿度为26%的环境下自行生出分解酶，本身具有酸性，与金属矿石混合就会发生特异性反应，沉淀即可，需要注意的是任何溶液反应的时间都需要控制，并且要实时监测溶液或者固体的pH，当pH=7.0时，为最佳配制时间。

在时间一定的基础上，逐渐增加对岩石的压力，直到出现破裂为止，然后分别测量出不同种类岩石的硬度。

岩土的硬度与弹性是控制岩土危害的主要参数， 将岩土的弹性公式表示为：

(7)

式(7)中，We为岩土的弹性性能，δ20代表弹性系数，E代表磁场强度。

考虑到各种干扰因素[14]，需要控制参数的波动范围，因此按照国家规定的岩土的各项标准数据，可将样本的类别划分为：①当We<40 kJ/m3时代表该岩石性质为弱性岩石；②当We<100 kJ/m3时代表该岩石的弹性程度在标准范围内；③当We>100 kJ/m3时代表该岩石为强弹性岩石。

若以铜作为主要的金属物质，为了控制其质变的范围，通过实验仪器来进行测试[15]，可得到表达式为：

(8)

式(8)中，Qcu为岩土的原始压力，P为土地对岩石的压力，t为受力面积。

确定岩体的基本性能后，把重量为1 kg的样本土壤沉淀分层，取出主要部分，与配制的溶液按照比例完成配制，根据矿山的面积制定环保计划，将溶液的浓度依次设定为1%、5%、10%、15%、20%分别混合，20 min后将沉淀物加压碾碎，通过仪器提取出其中的Cu、Ag、Hg等，检测出含量多少，剩余物质利用物理技术销毁，保证环境清洁。经过检测与排出后，将含有金属的矿石用作工艺材料，制作出商品，流程见图2。

图2 开采节能减排技术工艺

为了验证工艺技术的环保性能，分析污染物的形成，检测污染指数，判断指数的大小来确定是否为环保工艺，也可以测定出对生态环境的影响，划分出污染等级，将指数控制在等级范围内，表达式为：

(DN)={[(Bx/Vx)2+(Bx/Vx)2]/2}1/2

(9)

式(9)中，(DN)代表为污染等级，Bx为实际污染程度，Vx为预测污染程度，x为污染物。

通过上述数值模拟可以准确知道开采对环境的危害程度，使用仪器对其监控，确保节能指数的增长。在此基础上计算开挖机构功率消耗问题，将公式表示为：

(10)

式(10)中，ε为开挖机构的开口率，GD为开挖机构的重量，t为开挖机构的转速，n为重力加速度，Fv为掘进速度。

将浸取功率消耗情况表示为：

(11)

式(11)中，η为安全系数，Q为搅拌装置的浸取流量，L为装置长度，w为阻力系数，d为摩擦系数。

经过上述过程计算采矿装置的主要消耗功率，在实际开采时，以此为计算指标，为后续优化采掘装置提供理论依据，以此完成金属矿山环保开采。

3 试验分析

为验证提出的金属矿山开采过程中的环保节能技术的应用效果，以广西河池有色金属矿山为研究对象，经过机器检测可以明确，试验地区最低台阶标高为885 m，最高台阶标高为1 450 m，露天采场上口尺寸为3 042 m×1 012 m，露天境界最大采深为550 m。

样本中含有的金属物质以铜与镍为主，占据样本的一大部分，剩余的包括泥灰岩、石灰岩等，还有一些微量颗粒，有Cu、Ni、As、Sb等。并且该地地形较为复杂，开采起来有一定难度，为此得到的结果更具有代表性。

由于广西河池有色金属矿山岩土工程在开采过程中使用电功率、耗水、耗电和污泥排放量均较大，因此研究试验将使用电功率、每立方米耗电、每立方米耗水与污泥排放量作为试验指标，通过这4个指标来衡量环保节能技术的应用效果。

3.1 使用电功率对比

对比应用本文技术前后在开采中的使用电功率，对比结果见图3。

图3 电功率对比

由图3可知，应用本文技术后在几个点的开采中使用的电功率<20 kW，应用本文技术前的电功率<35 kW，应用本文技术后在开采中的使用电功率是最小的，明显小于应用本文技术前使用的电功率。

3.2 每立方米耗电对比

对比应用本文技术前后在开采过程中每立方耗电，对比结果见图4。

图4 每立方米耗电对比

经过上述对比结果可以发现，应用本文技术前耗费的电量<5 kW·h，应用本文技术后耗费的电量<3 kW·h，应用本文技术后耗费的电量远高于应用本文技术后。

3.3 每立方米耗水对比

对比应用本文技术前后每立方米耗水情况，对比结果见图5。

图5 每立方米耗水对比

由图5可知，应用本文技术后的耗水<1 t，应用本文技术前的耗水<5 t，应用本文技术后的耗水较少，原因是本文技术能够分析出污染物的情况，划分污染等级，及时采用了相关方法处理，从而减少了水资源的浪费，较应用本文技术前的应用效果好。

3.4 污泥排放量对比

对比应用本文技术前后的污泥排放量，对比结果见图6。

图6 污泥排放量对比

由图6可知，应用本文技术后的排污量<2 m3，应用本文技术前的排污量<4 m3，应用本文技术后的排污量较少，符合环保施工的要求。

综上所研究的环保节能技术不仅减少了耗电量，还减少了耗水量与污泥排放量，证明环保节能技术是非常有效的。

4 结 语

经过上述过程完成金属矿山开采工程的环保节能技术的应用，利用更加简单与破坏性弱的节能技术来挖掘与分析，并通过试验验证了该技术的有效性。与传统技术相比，该技术能够控制污染源的产生，加固了自然环境的稳定，能维持生态环境稳定，减少资金与人力，提高生产效率，促进经济的持续发展，具备较好的应用效果。然而，研究时间有限，所提出的技术还有不足之处，后续研究中，还需要进一步优化所提出的方法。