基于工业生态学的矿山充填模式.pdf

第35卷第3期 2004年6月 中南大学学报自然科学版 J. CENT. SOUTH UNIV. SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.35 No13 June 2004 基于工业生态学的矿山充填模式 周爱民,古德生 中南大学 资源与安全工程学院,湖南长沙,410083 摘要从工业生态学的观点阐述了矿山环境问题的新观念和矿山工业生态系统;建立了充分利用矿山废料的矿山 充填模式,把矿山充填作为矿山固体废料资源化的有效手段,通过矿山充填将矿山废料转化为矿山内部资源,最大 限度地降低向地表排放矿山废料量,从根本上解决矿山环境污染问题,提高资源效率,实现矿山效益最大化;提出 并阐述了矿山充填新模式的3个基本要素充填技术、 经济效益、 废料资源化,分析了通过矿山充填实现矿山固体 废料零排放在技术、 经济和废料流量匹配条件等方面的可能性。 关键词工业生态学;矿山充填;矿山废料;充填模式 中图分类号TD88; X826; X322文献标识码A文章编号16722720720040320468205 Mine2filling model based on industrial ecology ZHOU Ai2min , G U De2sheng School of Resources and Safety Engineering , Central South University , Changsha 410083 , China Abstract From the viewpoint of industrial ecology , a new concept of mine environment problem and the indus2 trial ecologic systemof mines are described. The mine2filling model of making good use of mine waste is estab2 lished , in which the mine filling is taken as an effective tool for turning the solid waste produced in mines into resources. Through the medium of mine filling , the solid wastes can be turned into the internal resources of mines in order to minimize mine waste stored on the surface , solve the problemon mine environment protection basically , improve the utilization factor of resources and realize the maximization of mine profit. The three ba2 sic elements of new mine filling model are proposedi. e. filling technology , economic profit and wastes2into2 resources. By means of mine filling , and the probabilities of realizing the zero discharge of solid waste in tech2 nology , economics and wastes flow match conditions are analyzed. Key words industrial ecology; mine filling; mine waste ; filling model 工业生态学是将工业体系模仿生物界的生态规 则运行的类比概念,属于可持续发展的科学。早在 20世纪70年代初联合国工业发展组织提出了 “与 环境平衡的工业联合企业” 和 “零污染” 的观点。但 直至20世纪90年代初,工业生态学才开始引起人 们的广泛重视。在传统的工业体系中,每道制造工 序都独立于其他工序,消耗原料,产出被销售的产品 和堆积起来的废料。传统的工业体系是不能实现可 持续发展的,但可以通过一种更为一体化的生产方 式来代替简单化的传统生产方式,这就是工业生态 系统化[1]。一般认为解决环境问题的方案就是治理 污染,也即末端治理。但经验表明,末端治理不是有 收稿日期2003 - 10 - 18 作者简介周爱民1957 - ,男,湖南涟源人,中南大学高级工程师,从事采矿工程研究 论文联系人周爱民,男,高级工程师;电话073128670969O ;E2mail aimin 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 效的解决方法,因为这种方法只是使污染问题在空 间和时间内移动。从长远来看,末端治理的设备维 修更新费用昂贵,且废料还必须进行最终处理。工 业生态学完全打破了末端治理的观念,并就工业技 术问题提出了新观点,认为工业体系是一些相互不 发生关系的线形物质流的叠加,其运行方式是开采 资源和抛弃废料,这是环境问题的根源[1 ,2]。有效解 决环境问题的方案是要将费用昂贵的废物处理变成 企业的新利益源。因为企业所产生的废料或许正是 其他工序或企业可利用的原料。可见,工业生态学 为全面解决环境污染和提高资源利用率以及提高企 业的竞争力提供了理论基础和实施方法。 采矿是矿产资源开发和利用的基础,但是采矿 活动严重扰动和破坏地表环境。特别是我国大多数 矿山生产规模小,工艺技术落后,生产盲目性大,被 动性大,再加上生产效益低和管理不善等,导致矿山 环境保护工作滞后,给自然生态环境、 社会经济生活 带来了很大的负面影响[3 5]。为了满足降低生产成 本和采矿工艺的要求,一些研究者对减少废石排放 量[6 ,7]、 通过矿山充填保护地表与提高资源回收 率[8 ,9]、 充填体特性[10]和矿山充填技术[11215]等进行 了研究。不过这些研究没有脱离传统作法,其目标 仍是孤立的,满足不了可持续发展战略的要求。为 此,作者用工业生态学的观点对组织矿山充填进行 了研究,把矿山充填作为矿床开采的必要工序,最大 限度地减少矿山废料向地表排放,尽可能地充分回 收矿产资源和阻止地表破坏。 1 矿山工业生态系统与充填模式基本 要素 1. 1 矿山工业生态系统 按照工业生态学的观点,对矿山工业生态系统 定义如下以采矿活动为中心,将矿山人文环境、 生 态环境、 资源环境和经济环境相互联系起来,构成有 机的工业系统;在采矿过程中,以最少的废料排放量 获取最大资源量和最高的企业经济效益;在采矿活 动结束后,通过最少的末端治理使矿山工程与生态 环境融为一个整体。 在矿山工业生态系统内,一方面要尽可能地少 产出废料,多产出合格产品;另一方面要求将废料再 次资源化,并将矿山固体废料作为内部资源被重新 循环利用,达到最大的资源效率并获得最高的经济 效益。 1. 2 工业生态学的矿山充填模式基本要素 根据矿山工业生态系统的定义,将基于工业生 态学的矿山充填模式描述为将矿山充填作为矿山 固体废料资源化的有效手段,通过矿山充填将矿山 废料转化为矿山内部资源,从根源上解决矿山环境 问题,提高资源利用率,实现矿山效益最大化。 矿山充填模式包括3项基本要素充填技术;经 济效益;废料资源化。第1要素是必要条件,即该充 填模式必须以低成本、 高效率和高可靠性能的矿山 充填技术作为支撑,如果没有这种技术支撑,就不可 能实现充填模式。故充填技术是新充填模式的核心 要素。第2要素为充分条件,通过矿山充填提高矿 山经济效益,以有效地促进矿山充填的应用推广。 第3要素为目标要素,表示该充填模式将矿山废料 作为资源被重新利用,可实现矿山固体废料排放量 最少甚至为零。 2 利用矿山固体废料的充填新技术 从矿产品的开发流程可知,矿山固体废料并不 是产品流程中必须被利用的物料,因而可将矿山废 料重新利用。这就为矿山废料在内部循环创造了基 本条件。 矿山充填利用矿山废料必须具备以下技术条 件充填效率和可靠性高,采场脱水量少;可输性和 流动性好;胶凝特性优良;充填体抗压强度高和长期 稳定等。只有以高效率和高可靠性能的矿山充填技 术作为支撑,才能具备通过矿山充填利用矿山废料 的技术条件。当然,大部分技术性能与经济因素紧 密相关。对于矿山,只有在矿山经济效益的约束条 件下利用废料的充填技术才具有实用性。所以,矿 山固体废料内部循环的技术条件的实质性含义必须 是能利用废料,其性能满足工艺要求,且成本低。 自然级配废石胶结充填技术、 赤泥胶结充填技术和 高浓度全尾矿挤压输送充填技术可以满足这些基本 要求。 自然级配废石胶结充填技术的实质是利用未经 分级的掘进废石或破碎废石作为充填集料,以水泥 或赤泥等作为胶结剂,经自淋混合后充入采空区。 其特点是在矿山内部充分利用矿山固体废料,按照 矿山生态系统的要求进行充填;通过集料与浆料分 流输送和自淋混合工艺,以实现最佳含水量充填,最 大限度地降低能耗和胶结剂消耗。每座矿山都会产 生废石,若不被处理,将会对环境造成污染。对废石 964第3期 周爱民,等基于工业生态学的矿山充填模式 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 加以利用正好符合矿山生态系统和可持续发展的要 求。 赤泥胶结充填技术是结合矿山充填量大、 强度 要求低的特点,利用赤泥的活性,研究开发出成本 低、 赤泥利用量大的新技术。其实质是通过添加激 化剂使赤泥获得满足采矿工艺要求的胶结强度,以 其作为胶结剂,以全尾矿等废料作为填料,经双管输 送充入采场,形成胶结强度高、 采场不脱水和流平性 能好的充填体。该技术具有效率高、 成本低、 性能好 和矿山废料利用率高的特点。 高浓度全尾矿挤压输送充填技术则是为弥补高 浓度自流输送充填的充填倍线较小,不能满足长距 离输送的要求,而膏体泵送充填系统复杂、 基建投资 高、 控制要求高等不足而开发的。其解决方案是根 据矿山充填的压差特点,充分利用系统中料浆的自 然压头,在井下充填管线的适当位置安装1台无阀 挤压输送泵,对高浓度充填料浆进行增压,实现高浓 度全尾矿的长距离输送。该方案采用一种专用充填 泵,取消了容易产生故障的分配阀,主要由三通管、 输送缸、 活塞和动力组成。将充填泵安装在井下充 填管线的适当位置后,三通管把充填系统中的输送 管路分为2段。由于工艺流程简单,且挤压充填泵 没有分配阀,因而系统简单可靠,基建投资低;尤其 是我国现有浆体充填系统绝大部分为自流输送系 统,国内外已有的泵送充填工艺均很难利用现系统 进行改造,往往损失较大,其适用性受到严重制约。 而高浓度充填料挤压输送技术只需在已有系统的适 当位置安装1台挤压输送泵,能够简便地对现有浆 体充填系统进行改造。我国目前普遍采用自输送的 浆体充填系统,因此,这一解决方案在我国具有广泛 的适用性。 3 矿山固体废料内循环经济模型 实施矿山充填不可避免地需要费用,但通过矿 山充填可以降低采矿贫化率和采矿损失率,从而又 能使矿山效益增加。矿山充填所需成本主要由充填 成本、 采矿贫化率指标和矿石价值等因素决定。通 过对工艺和技术的优化能使企业不增加投入就能处 理废料,甚至还能使企业新增效益,真正符合矿山工 业生态系统的要求。 本研究选取充填综合成本C元/ m3、 矿价值P 元 / t 和采矿贫化率减量D 3个因素进行分析 研究。假设采矿损失率的减量与采矿贫化率减量相 等,则矿山充填的经济模型可构造为 yPD-C/γE。1 令y 0 ,则矿山充填的经济平衡模型为 Cγ PD E 。2 其中y为实行矿山充填后的矿山效益增量,元/ t ;γ 为矿石容重,t/ m3;E为通过矿山充填节省的每吨矿 的末端治理费,元/ t。若不考虑末端治理费用,即 E 0 ,并 取 矿 石 容 重 γ 为3 t/ m3,并 令C 60元/ m3,P 200元/ t和D 10 ,则 a.当C 60元/ t3时,可得维持矿山效益平衡 所对应的矿价值和采矿贫化率减量关系,如图1所 示。 图1 充填体成本为60元/ m3时矿山效益 平衡P2D散点图 Fig. 1 Value of ore2filling cost discrete points pattern for keeping balance between benefit and cost under filling cost being 60 RMB/ m3 b.当P 200元/ t时,可得维持矿山效益平衡 所对应的充填成本和采矿贫化率减量关系,如图2 所示。 图2 矿价值为200元/ t时矿山效益 平衡C2D散点图 Fig. 2 Filling cost2decrement discrete points pattern for keeping balance between benefit and cost under the value of ore being 200 Yuan/ t 074中南大学学报自然科学版 第35卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. c.当D 10 时,可得维持矿山效益平衡所对 应的吨矿价值和充填成本关系,如图3所示。 在不考虑末端治理费用的条件下,当单方充填 体成本为60元/ m3、 矿价值为200元/ t、 采矿贫化率 减量为10 时,矿山充填正好实现矿山内部经济平 衡,即矿山充填的成本支出可以由降低采矿贫化率 带来的矿山效益实现平衡。 图3 贫化率减量为10 时矿山效益平衡 P2C散点图 Fig. 3 Value of ore2filling cost discrete points for keeping balance between benefit and cost under decrement of ore dilution being 10 当单方充填体成本为60元/ m3时,若采矿贫化 率减量达到15 ,则当矿价值为133元/ t时仍可实 现经济平衡。 当矿价值为200元/ t时,若采矿贫化率减量达到 15 ,则单方充填体成本为90元/ m3时仍可实现经济 平衡。 当采矿贫化率减量为10 时,若矿价值为 300元/ t ,则当单方充填体成本为90元/ m3时仍可实 现经济平衡。 采矿实践表明,通过矿山充填使采矿贫化率降 低10 是可以实现的;对于某些复杂矿床,充填采矿 工艺与崩落采矿工艺相比较,采矿贫化率降低 15 ～20 一般也能实现。国内大部分金属矿床的 矿价都在200元/ t以上,而大部分有色金属矿床和 贵金属矿床,如品位较高的黄金矿床、 镍、 锡、 铅锌矿 床以及多金属矿床等,其矿价可达300元/ t以上。通 过开发充填新技术,合理地组织矿山充填,将矿山充 填成本控制在约60元/ m3。事实上,充分利用矿山 内部废料作为充填物料也可以节约充填成本。在某 些特殊条件下,矿山充填是矿床开采的必要前提,如 城镇或景区附近的矿山、“三下” 开采和难采矿床开 采等;而不进行矿山充填时,必要的末端治理,如采 空区或塌陷区、 尾矿库和废石堆治理等均是不可避 免的;在某些条件下还需要其他费用,如建筑物的搬 迁等。 4 矿山固体废料流量模型 基于工业生态学的矿山充填目标是在多产出矿 物产品的前提下,向地面环境少排放废料或不排放 废料。矿山固体废料主要为废石、 尾矿或赤泥。其 中废石可以通过采矿工艺进行适度控制。尾矿量或 赤泥量一般是常量。废料流量模型不但要考虑尽量 少产出废料,还要充分利用废料以减少流出。 根据矿山生产流程,所构造的矿山固体废料流 程如图4所示。基于工业生态学的矿山充填模式的 废料流量目标,就是要通过充填尽量利用废石和尾 矿,实现废料流出量的最小化。 图4 矿山固体废料流程 Fig. 4 Flow chart of mine solid waste 设矿山生产过程中的矿石产出量为Qr,废石产 出量为Qg,尾矿产出量为Qf,最终排放废弃物为 Qo,则矿山固体废料流量的数学模型可构造的最优 化目标函数为 QominQg 1 - Pg Qf 1 - Pf。3 其中QgKgQr;4 QfKfQr。5 Pg和Pf分别为矿山废石和尾矿综合利用率;Kg和 Kf分别为矿山废石和尾矿的产出率。 基于工业生态学的矿山充填的目标是使Qo最 小化。由式3可知,实现Qo最小化,需要Qg和Qf 最小,或Pg和Pf趋近于1 ,即实现最小的废石与尾 矿产出率或最大的废石与尾矿利用率。在一定条件 下,通过充填实现矿山零排放也是可能的。如在高 174第3期 周爱民,等基于工业生态学的矿山充填模式 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 品位矿床或铁矿床进行地下开采时,合理地组织矿 山充填可以使Pg和Pf都达到1 ,通过矿山充填实现 零排放。 5 结 语 a.矿山充填可以充分回采矿产资源,充分利用 矿山固体废料,有效地保护矿区地表环境。 b.基于工业生态学的矿山充填模式,其实质是 把矿山的各个工序作为一个系统,将矿山充填作为 矿山废料资源化的有效手段,将废料转化为矿山内 部资源,从根本上解决矿山环境保护问题。 c.该充填新模式将是21世纪进行矿床开采的 发展方向,能有效地解决矿山开采过程中排放固体 废料污染地表环境的问题。 参考文献 [1] 苏伦 埃尔克曼.工业生态学[M].徐光元,译.北京经济日报 出版社,1999. Erkman S. Industrial ecology [M]. XU Guang2yuan , translates. Bei2 jing Economy Daily Press , 1999. [2] Thomas E, Allely B R. Industrial ecology and the automobile[M]. New Y ork Prentil all Press , 1998. [3] 李富平,杨福海,张文华.地方矿山生态可持续发展模式研究 [J ].化工矿物与加工,20019 1720. LI Fu2ping ,Y ANGFu2hai , ZHANGWen2hua. Studyon the model of e2 cological sustainable development of local mine [J ]. Industrial Minerals and Processing ,20019 1720. [4] 陶家元.矿区生态环境的初步研究[J ].长江流域资源与环境, 1997 ,66 355362. TAO Jia2yuan. Preliminary research on the ecological environment in the mine area [J ]. Resources and Environment in the Yangtze Valley , 1997 ,66 355362. [5] 樊振辉,庞少静.试论矿山环评中的生态恢复评价问题[J ].城 市环境与城市生态,2000 ,133 1416. FAN Zhen2hui ,PANGShao2jing.Assessment of restoring ecology in en2 vironment impact assessment EIA of mine [J ]. Urban Environment and Urban Ecology ,2000 ,133 1416. [6] 王亚平,鲍征宇,王苏明.矿山固体废物的环境地球化学研究进 展[J ].矿产综合利用,19983 3034. WANG Ya2ping ,BAO Zheng2yu , WANG Su2ming. Progress in studies on environmental effectsof mine solid wastes [J ]. Multipurpose Utiliza2 tion of Mineral Resources , 19983 3034. [7] 彭怀生,古德生,邓 健.充填采矿法的技术评价及对冬瓜山矿 充填开采的设想[J ].矿业研究与开发,1997 ,174 812. PENG Huai2sheng , G U De2sheng , DENGJian. Technical uation of backfill mining and tentative ideas for backfill stopping in Ddongguashan mine [J ]. Mining Research and Development ,1997 ,17 4 812. [8] 邓 健,彭怀生,张 强.矿业可持续发展理论及应用[J ].黄金, 1997 ,187 20 - 23. DENGJian ,PENG Huai2sheng , ZHANGQiang ,et al. Theory of sus2 tainable development of mining industry and its application [J ]. G old , 1997 ,187 20 - 23. [9] 周爱民,廖全佳.分段碎石水泥浆充填采矿方法的研究与应用 [J ].金属矿山,19979 38. ZHOU Ai2min ,LIAO Quan2jia. Research and application of sublevel filling by crushed stone and cement slurry [J ].Metal Mine ,1997 9 38. [10] 周爱民.碎石水泥浆胶结充填料自淋混合与配合参数[J ].中国 有色金属学报,1998 ,83 529534. ZHOU Ai2min. Filling materials mixing by gravity flowing and their batching parameters for cemented waste rock fill [J ]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals ,1998 ,83 529534. [11] 谢长江,何哲祥,谢续文,等.高炉水渣在张马屯铁矿充填中的 应用[J ].中国矿业,1998 ,163 1822. XIE Chang2jiang ,HE Zhe2xiang ,XIE Xu2wen ,et al. Application of blast2furnace slag at zhangmatun iron mine [J ]. China Mining Maga2 zine , 1998 , 163 1822. [12] 张常青.深部铜矿尾砂胶结充填的自动检测与控制[J ].矿业研 究与开发,2002 ,221 4043. ZHANGChang2qing. Automatic monitoring and control of tailings ce2 mented filing in the deep copper mine [J ]. Mining Research and De2 velopment ,2002 ,221 4043. [13] 阮琼平.铜绿山矿井下充填物料选择的探讨[J ].矿业研究与开 发,1998 ,181 1315. Y UAN Qiong2ping. Approach to the selection of filling materials at T onglushan underground mine [J ]. Mining Research and Develop2 ment , 1998 ,181 1315. [14] 王方汉.风景区地下资源开采与环境保护实践与展望[J ].采矿 技术,2002 ,23 4851. WANGFang2han. Practice and prospect of exploitation of underground resource and environmental protection in scenic soot [J ]. Mining Technology , 2002 ,23 4851. [15] 王方汉,曹维勤,康瑞海.南京铅锌银矿全尾砂胶结充填试验 与系统改造[J ].金属矿山,200310 1617 ,70. WANGFang2han ,CAO Wei2qin , K ANG Rui2hai. Whole tailings ce2 ment filling test and system transation at nanjing lead2zinc2silver mine [J ]. Metal Mine ,200310 1617 ,70. 274中南大学学报自然科学版 第35卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.