王湖鑫¹  陳  何¹  吳桂才²  張紹國²

(1．北京礦冶研究總院，北京，100160；2．華錫集團(tuán)銅坑礦，廣西南丹，545006)

摘要：銅坑礦細(xì)脈帶礦體自燃主要生成氣體為S0₂，給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了一定的污染。經(jīng)過對其發(fā)火機(jī)理進(jìn)行深人研究，提出了回收殘礦以根除火源、密閉空區(qū)以隔絕氧氣、噴灑堿水以無害化處理溢出SO₂的處理方案。該方案實施后，消除火區(qū)隱患，自燃產(chǎn)生的SO₂得到徹底治理，達(dá)到了治理目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：SO₂污染治理；火區(qū)隱患；環(huán)境治理

1項目背景

銅坑礦主要開采對象為細(xì)脈帶、91號、92號三大礦體。開采的三大礦體從上至下依次為細(xì)脈帶、91號、92號礦體，在豎直方向局部呈重疊狀態(tài)。

最先開采的細(xì)脈帶礦體位于銅坑礦三大礦體最上部。1976年礦巖崩落帶發(fā)生了礦巖自燃，燃燒物質(zhì)隨著出礦而進(jìn)入到工作面，對采礦作業(yè)造成極大的威脅。銅坑礦經(jīng)過30多年的開采，遺留下大量空區(qū)，隨著時間的推移，空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性逐步降低，形成空區(qū)垮塌、隔火礦柱冒落等事故隱患。如果發(fā)生事故，必將造成火區(qū)蔓延、地壓災(zāi)害失控的情況出現(xiàn)。1997年，被廣西認(rèn)定為特大事故隱患區(qū) 。河池市環(huán)境保護(hù)局、南丹縣環(huán)境保護(hù)局將其列為 “環(huán)境問題突出掛牌督辦企業(yè)”。

多年來，雖然銅坑礦投入了大量的人力物力進(jìn)行治理，是火區(qū)和地壓災(zāi)害隱患基本處于受控狀態(tài)。但是，觸發(fā)事故的因素依然存在。1998年、1999年、2003年均出現(xiàn)了地表塌陷。采場局部垮塌和采區(qū)巖層移動也時有發(fā)生，火區(qū)自然產(chǎn)生的SO₂氣體對環(huán)境也造成很大的污染。細(xì)脈帶火區(qū)與空區(qū)隱患成為困擾銅坑礦正常生產(chǎn)的重大難題。從2003年，受華錫集團(tuán)委托，北京礦冶研究總院礦山所開始進(jìn)行銅坑礦隱患治理研究。

2發(fā)火機(jī)理

物質(zhì)要發(fā)生燃燒的必要條件是：具有可燃燒的物質(zhì)，達(dá)到一定的溫度和供物質(zhì)燃燒的氧氣。根據(jù)研究，銅坑礦細(xì)脈帶火區(qū)自燃的可燃燒物質(zhì)是含碳的碳質(zhì)頁巖，達(dá)到發(fā)生燃燒溫度的熱量是通過礦石中(特別是經(jīng)過預(yù)氧化的黃鐵礦)的氧化而聚集。當(dāng)同時具備充足的氧氣時，礦石即發(fā)生自燃^[1]。

 由于細(xì)脈帶上部礦體大部分為含錫黃鐵礦和磁黃鐵礦，含硫量高達(dá)10．16％以上，如暴露在通風(fēng)好的情況下易引起自燃。只有硫化物中硫鐵礦的硫含量達(dá)到足以引起礦巖自燃的量才發(fā)火自燃，因此該礦物是引起火災(zāi)的主要物質(zhì)。經(jīng)試驗表明，接觸破碎帶是主要的自燃發(fā)火帶，其原因是黃鐵礦不同程度地演變?yōu)闊o定形黃鐵礦，經(jīng)歷了預(yù)氧化過程。隨著深度增加，礦石中黃鐵礦預(yù)氧化程度降低。礦巖自燃可能性減小。

現(xiàn)場試驗還表明，炭質(zhì)巖中只有局部地點的炭質(zhì)巖有自燃特性，由于炭在高于140℃以上時即開始氧化并放出熱量，主要是FeS₂、C與氧氣復(fù)合作用引起。由于炭質(zhì)頁巖成片伸入，礦段內(nèi)大量流礦，以及炭質(zhì)貝巖大量冒落，其中的單質(zhì)碳參與氧化，釋放熱量，同時放出S0₂，與C0₂。

也就是上述原因，在細(xì)脈帶火區(qū)封閉多年得到治理后，由于民窿非法在隔火礦柱及其上部崩落大量礦石和圍巖，造成地表原來已填平的6號、8號等陷坑發(fā)生新的塌陷，從而導(dǎo)致了1999年以來火區(qū)的復(fù)燃，給生產(chǎn)與礦山環(huán)境帶來很大危害。

3治理辦案

銅坑礦細(xì)脈帶火區(qū)煙氣治理方案是回收殘礦除去燃燒源，密閉隔絕氧氣供應(yīng)，對地表處理溢出SO₂進(jìn)行無害化處理。

采用集束孔區(qū)域整體崩落采礦、高階段斜面大量放礦等先進(jìn)技術(shù)對殘礦進(jìn)行回收，除去火區(qū)燃燒源，從源頭上控制煙氣的產(chǎn)生，同時治理空區(qū)隱患。

井下修建密閉墻，地表采用硐室爆破覆蓋結(jié)合機(jī)械取土覆蓋塌陷坑等技術(shù)措施，隔絕火區(qū)氧氣供應(yīng)，阻止SO₂溢出對井下工作影響和地表環(huán)境破壞。

地表溢出SO₂無害化處理。采用堿吸收法——氫氧化鈣濕式洗滌法吸收塌陷坑溢出的SO₂、2號回風(fēng)井排出的SO₂，噴淋液滲入到塌陷坑內(nèi)吸收SO₂，并抑制火區(qū)的燃燒。

同時，建設(shè)安全保障系統(tǒng)工程，包括井下地壓監(jiān)測系統(tǒng)、地表巖層移動觀測網(wǎng)、有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)。

4方案實施

4．1  殘礦回收和空區(qū)處理

細(xì)脈帶經(jīng)過多年開采，650m水平以上已形成至地表的崩落帶；625～650m水平留作隔火礦柱；570～625m水平為細(xì)脈帶開采主體。開采形成的空區(qū)部分用廢石充填、塊石膠結(jié)充填進(jìn)行了處理，部分發(fā)生垮落。截至2003年12月底，570～625m水平剩余空區(qū)量為8．8×10⁴m³。

根據(jù)細(xì)脈帶礦體剩余礦量的分布情況及開采條件，對560m以下關(guān)鍵部位的空區(qū)進(jìn)行充填治理后，分兩個區(qū)域逐次采用大爆破進(jìn)行細(xì)脈帶礦石資源回收。采用空區(qū)部分充填、深孔區(qū)域整體崩落隔火柱礦、空區(qū)方案。按不同爆破條件和預(yù)期的效果要求，采用束狀豎直大直徑深孔為主，局部輔以100mm的上向中深孔和小型硐室分次爆破技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)有：階段束狀深孔變抵抗線爆破技術(shù)、區(qū)域整體崩落、高階段斜面放礦等技術(shù)。建立了爆破震動衰減模型、井下沖擊波傳播衰減模型，對爆破有害效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。采用預(yù)裂降震、柔性阻波墻、實時監(jiān)測等技術(shù)手段，對爆破有害效應(yīng)進(jìn)行有效控制^[2～4]�？諈^(qū)分布圖和空區(qū)群區(qū)域整體崩落如圖1和圖2所示。

2005年3月28日，在銅坑礦進(jìn)行了裝藥量為150t的地下大爆破。這次大爆破是到目前為止國內(nèi)最大爆破量的大直徑深孔地下礦山爆破。爆區(qū)爆破崩落面積為6500m²，崩落礦量77萬噸，總裝藥量達(dá)150t。

2007年2月6日，成功實施了第二爆區(qū)大爆破。爆破崩落礦巖總量為2．2萬噸，其中束狀大孔崩落1．5萬噸，硐室崩落O．7萬噸。強制放頂面積1500m²。采空區(qū)內(nèi)冒落存窿礦石11萬噸。

在大爆破后，開始進(jìn)行放礦和覆蓋巖層下分段無底柱開采爆區(qū)西部相對完整的細(xì)脈帶礦體。根據(jù)采區(qū)情況，分別采用Ф65mm，Ф100mm兩種孔徑中深孔進(jìn)行爆破落礦。中深孔控制崩礦總量為44．1萬噸。

細(xì)脈帶爆破后，即開始高強度出礦，從2005年至2011年，共計出礦195．5萬噸。該方案實施后，成功地消除空區(qū)地壓隱患，消除火區(qū)燃燒源。

細(xì)脈帶火區(qū)治理充填空區(qū)8×10⁴m³，崩落空區(qū)6．4×10⁵m³，回收殘留礦石195．5萬噸。

4．2  空區(qū)密閉

4．2．1  井下密閉墻

 井下密閉工程的布置原則是密閉范圍為560m以上各水平細(xì)脈帶范圍的出礦穿與細(xì)脈帶火區(qū)聯(lián)通的通道，根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的要求，對上、下盤的一些溜井及通風(fēng)天井要保持暢通，繼續(xù)使用。共設(shè)計了94道密閉墻(如圖3、圖4所示)。

4．2．2地表塌陷坑硐室爆破覆蓋

地表塌陷坑硐室爆破覆蓋方案，利用地表塌陷坑附近山體，通過施工平巷、裝藥硐室，利用硐室加強松動爆破或拋擲爆破，將塌陷坑邊壁的山體崩落至坑內(nèi)，將塌陷坑填滿(見圖5)；爆破后根據(jù)覆蓋層的密封效果，決定是否采用噴漿膠結(jié)等進(jìn)一步的密實措施，使其形成良好的覆蓋層。在塌陷坑周邊開挖水溝排水，阻止地表水流進(jìn)入塌陷坑。

爆破區(qū)域?qū)儆阢~坑礦地表允許塌陷區(qū)域。爆破地點所揭露的巖層為灰?guī)r、泥質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖等，巖層上部有黃土覆蓋層，巖層含少量水，但不滴水。

根據(jù)塌陷坑空間估算每次需要填方量。將塌陷坑邊壁的山頭崩落至坑內(nèi)，形成覆蓋層。同時考慮爆破規(guī)模對周邊環(huán)境影響的控制和組織實施的可操作性，每次爆破的規(guī)模控制在15t炸藥量以內(nèi)，崩落巖土方量6×10⁴m³以內(nèi)。一般選擇單層多硐室或單層單硐室集中藥包布置方式。

4．2．3地表塌陷坑機(jī)械取土覆蓋方案

由于塌陷坑周邊形成大量裂縫，部分塌陷坑無法采用大規(guī)模硐室爆破，采用機(jī)械鏟裝、汽車?yán)�運進(jìn)行覆蓋。

土方由現(xiàn)場指定地方進(jìn)行挖掘，填方量根據(jù)地形圖施工前后現(xiàn)場實測量為準(zhǔn)。有明顯塌陷坑的區(qū)域要填平，無明顯下陷但正在冒煙的區(qū)域覆蓋厚度以覆土壓實后不再冒煙為準(zhǔn)。

地表塌陷坑硐室爆破覆蓋共計爆破11次。地表機(jī)械取土覆蓋量計1．12l×10⁵m³。

4．3 SO₂無害化處理

SO₂廢氣的治理方法共有兩種，即收集法和轉(zhuǎn)化法。這兩種方法又分為若干方法，具體分類見表l。

表1  SO2廢棄的治理方法

按脫硫過程是否加水和脫硫產(chǎn)物的干濕形態(tài)，煙氣脫硫分為濕法、半干法、干法三大類脫硫工藝。濕法脫硫技術(shù)較為成熟，效率高，操作簡單；但脫硫產(chǎn)物的處理較難，煙氣溫度較低，不利于擴(kuò)散，設(shè)備及管道防腐蝕問題較為突出。半干法、干法脫硫技術(shù)的脫硫產(chǎn)物為干粉狀，容易處理，工藝較簡單；但脫硫效率較低，脫硫劑利用率低。

由于銅坑礦危害氣體為SO₂毒氣，選擇堿吸收法----氫氧化鈣濕式洗滌法予以處理。霧狀的石灰水首先與冒出地面的SO₂發(fā)生吸收反應(yīng)，再滲入塌陷坑內(nèi)吸收廢氣，抑制火區(qū)的燃燒^[1,2]。實踐證明，均勻噴射石灰水對地表塌陷坑廢氣治理有顯著效果。石灰水與S0₂、O₂等氣體發(fā)生反應(yīng)，主要分為吸收和氧化兩個步驟，但反應(yīng)機(jī)理很復(fù)雜，主要反應(yīng)方程式如下：

Ca(0H)₂+S0₂＝Ca S0₃·1／2H₂0+1／2H₂0

2CaSO₃·1／2H₂0+3H₂0+0₂＝2CaS0₂·2H₂0

氫氧化鈣濕式洗滌法原料來源廣，工藝操作簡單、成熟可靠，運行成本低，副產(chǎn)品不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

井下的S0₂經(jīng)過回風(fēng)系統(tǒng)，通過2號回風(fēng)井排除，采用堿吸收方案對其進(jìn)行處理。如圖6所示為地表廢氣堿吸收工藝圖。

4．4 SO₂氣體監(jiān)測

根據(jù)銅坑細(xì)脈帶火區(qū)燃燒的特性，影響環(huán)境的主要因素為礦巖燃燒釋放的S0₂等有害氣體，因此，將S0₂作為重點監(jiān)測內(nèi)容。

為掌握銅坑礦地表塌陷區(qū)廢氣治理效果，銅坑礦聘請河池市環(huán)境監(jiān)測站、廣西礦山救援大隊華錫中隊與銅坑礦安環(huán)科組成專業(yè)監(jiān)測組，對塌陷區(qū)及其周邊礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行長期的跟蹤監(jiān)測與分析，并對治理措施、效果進(jìn)行評價。

在地表塌陷坑四周布置環(huán)境監(jiān)測點，重點監(jiān)測塌陷坑附近，銅坑礦生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)，長坡礦生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)。采樣方法采用甲醛溶液吸收法。分析方法采用甲醛副玫瑰苯胺比色法。主要儀器采用TH-150智能流量懸浮顆粒采樣器、721分光光度計。

井下環(huán)境因素變化監(jiān)測區(qū)域為細(xì)脈帶作業(yè)區(qū)，環(huán)境因素變化主要受作業(yè)區(qū)通風(fēng)情況、放礦速度及火區(qū)燃燒物質(zhì)下降速度的影響。

環(huán)境空氣評價標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095一1996)中的二級標(biāo)準(zhǔn)。

5治理效果

根據(jù)相關(guān)部門的監(jiān)測表明，臨測點位環(huán)境空氣中的S0₂小時平均濃度及日均濃度、NO₂小時平均濃度及日平均濃度、TSP日平均濃度、PMl0日平均濃度均符合《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095一l996)及其修改單中的二級標(biāo)準(zhǔn)。如長坡口生活區(qū)治理前最高超過7×10^-6(日平均)，治理后低于0．009×10^-6(日平均)，達(dá)到了治理目標(biāo)，2014年2月26日，通過河池市環(huán)境保護(hù)局的工作驗收。煙氣治理前后的效果圖分別如圖7和圖8所示。

6結(jié)論

(1)細(xì)脈帶礦體開采過程中留下的采空區(qū)，隨著時間的推移，空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性逐步降低，從而形成空區(qū)垮塌、隔火礦柱冒落等事故隱患。上述情況有造成火區(qū)蔓延、地壓危害失控的可能性，造成資源浪費，因此開展相關(guān)采礦技術(shù)的研究是非常必要的，對消除安全隱患和細(xì)脈帶資源回收有重大意義。

(2)總體治理措施包括：

1)脈帶火區(qū)殘留礦體回收，消除火區(qū)燃燒源；

2)火區(qū)的密閉采用井下密閉墻，地表塌陷坑崩落覆蓋，地表塌陷坑機(jī)械取土覆蓋等技術(shù)措施，隔絕火區(qū)氧氣供應(yīng)，阻止S0₂溢出對井下工作影響和地表環(huán)境破壞；

3)地表溢出SO₂無害化處理采用堿吸收法——氫氧化鈣濕式洗滌法吸收塌陷坑溢出的SO₂、2號回風(fēng)井排出的SO₂，通過滲入到塌陷坑內(nèi)吸收SO₂，并抑制火區(qū)的燃燒。

(3)細(xì)脈帶火區(qū)煙氣治理充填空區(qū)8×10⁴m³，崩落空區(qū)6．4×10⁵m³，回收殘留礦石195．5萬噸；井下建市了94道密閉墻，進(jìn)行了11次地表硐室爆破覆蓋，地表機(jī)械取土覆蓋方量1．121×10⁵m³；建設(shè)了地表石灰水噴淋系統(tǒng)，處理溢出S0₂。

(4)河池市環(huán)保監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，細(xì)脈帶火區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)已符合《環(huán)境空氣質(zhì)量》(GB 3095—1996)中的二級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了治理目標(biāo)要求。

[1]  韋顯云．廣西大廠銅坑礦火區(qū)煙氣治理與控制[J]．采礦技術(shù)，2009，（3）．

[2]  羅先偉．特大事故隱患礦群回采技術(shù)研究[J]．中國礦業(yè)，2007，（9）．

[3]  陳何，孫忠銘，等．銅坑礦細(xì)脈帶礦體特大事故隱患區(qū)治理方案的研究[J]．中國礦業(yè)，2008，（3）．

[4]  陳何，韋方景．銅坑礦細(xì)脈帶特大事故隱患區(qū)火區(qū)治理技術(shù)與工程實施[J]．中國礦業(yè)，2009，(11)．

摘自《中國爆破新進(jìn)展》