磷石膏充填采礦技術(shù)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益評價

劉小力,高忠民,唐飛勇

(化工部長沙設(shè)計研究院,湖南 長沙 410116)

0 引 言

磷礦石產(chǎn)量的約90%用于生產(chǎn)磷肥.近10年來,我國磷肥工業(yè)和磷礦采選業(yè)均得到了快速的發(fā)展,年生產(chǎn)和消費磷礦石量超過6 000萬噸,為我國糧食安全和農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn).然而,磷礦加工要產(chǎn)出大量的磷石膏渣,我國每年有高達(dá)5 000萬噸的磷石膏渣產(chǎn)出,需要占用大量的土地堆存,越來越成為一個嚴(yán)重的環(huán)境問題,制約著磷肥工業(yè)的發(fā)展.磷石膏的綜合利用方面也做了大量卓有成效的工作,但其利用率僅為20%,遠(yuǎn)未從根本上解決問題.因此,無論從節(jié)約土地資源還是從環(huán)境保護(hù)角度考慮,尋求更多更廣泛的磷石膏處理新途徑均顯得十分必要.以貴州開陽磷礦采用磷石膏作為充填骨料進(jìn)行的充填采礦工業(yè)化試驗為基礎(chǔ),就其工業(yè)應(yīng)用的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)保等方面的問題進(jìn)行分析.

1 磷石膏對地表環(huán)境的影響及其綜合利用狀況

磷石膏是濕法生產(chǎn)磷酸時磷礦石與硫酸作用產(chǎn)生的工業(yè)廢料,每生產(chǎn)1噸磷酸就要產(chǎn)生5噸磷石膏.我國磷肥年生產(chǎn)能力已超過1300萬噸(P2O5),磷石膏年產(chǎn)出量達(dá)5 000萬噸,累計堆存量超過2億噸,居世界第一.磷石膏中的主要成分為二水石膏(CaSO4·2H2O),含量一般在90%以上,同時含有一定量的P2O5(0.3%～1.5%)和F(0.1%～1.5%)以及Ra-226等危害人體健康和植物生長的有害雜質(zhì),給生態(tài)與環(huán)境帶來危害.另外,磷石膏的排放要占用大量的土地,并且需要筑壩和防滲處理,花費大量投資.

對磷石膏的綜合利用率2005年以前不到10%,近幾年經(jīng)過努力有了明顯的提高,每年綜合利用量已超過1 000萬噸,達(dá)到20%,主要利用途徑包括制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥、石膏板材和建筑砌塊等.但是,大量堆積的磷石膏仍然是制約我國磷肥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,在相當(dāng)一段時間內(nèi),如何有效地處理磷石膏仍是一個迫切需要解決的課題,特別是探尋到一種磷石膏消耗量大、處理成本低的磷石膏處置途徑意義尤為重大.研究表明,采用磷石膏作為充填骨料進(jìn)行的充填采礦符合這個目標(biāo).

2 磷石膏充填采礦的技術(shù)可行性分析

2.1 磷石膏的物理和化學(xué)性質(zhì)

磷石膏粒級較細(xì),根據(jù)研究單位對貴州開陽磷礦所產(chǎn)磷石膏進(jìn)行的測定(詳見表1和表2),0.1 mm以下顆粒占93%,中值粒徑0.043 mm,孔隙比1.064～3.415,滲透系數(shù)0.002 94 cm/s.這些參數(shù)表明磷石膏是不利于充填體脫水和快速硬化,單獨作為充填骨料是不理想的[1].

表1 貴州開陽磷礦所產(chǎn)磷石膏物理力學(xué)性能表

表2 貴州開陽磷礦所產(chǎn)磷石膏化學(xué)成份測定結(jié)果表

2.2 磷石膏作為充填骨料的可行性

盡管磷石膏不是理想的充填骨料,但利用粗、細(xì)粉煤灰及適量的活化劑進(jìn)行改性,可以使之成為滿足生產(chǎn)需要的充填骨料.充填膠結(jié)成本的有效控制則是其工業(yè)利用的關(guān)鍵.試驗結(jié)果表明,使用比例為水泥:粉煤灰:磷石膏=1∶1∶8進(jìn)行膠結(jié)充填,漿體濃度:60%～63%,充填體90天抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.56～1.72 MPa,完全滿足嗣后充填需要[1].也即磷石膏通過摻和適量的水泥和粉煤灰進(jìn)行改性后可以作為井下采礦的充填材料.

3 磷石膏充填采礦工業(yè)試驗設(shè)計及試驗結(jié)果分析

3.1 磷石膏充填采礦工業(yè)試驗設(shè)計方案

磷石膏充填采礦工業(yè)試驗對象選擇在貴州開磷集團(tuán)的用沙壩礦段.用沙壩礦段1989年11月投產(chǎn)峻工,采用機(jī)械化盤區(qū)分段中深孔房柱空場采礦法,至2008年初累計采出礦量650多萬噸.礦層頂板為白云巖,中等堅硬,在無溶洞和斷層條件下穩(wěn)定;礦層底板為灰綠色細(xì)砂巖,局部屬中粒砂巖,中厚層狀產(chǎn)出,致密堅硬;礦層直接頂板為泥質(zhì)頁巖,呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),厚度薄,遇水易膨脹冒落,極不穩(wěn)固;礦層的直接底板為黃、灰白色硅質(zhì)頁巖,同呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),容易產(chǎn)生滑動.磷礦層由呈粒狀結(jié)構(gòu),致密塊狀,條帶狀構(gòu)造的磷塊巖構(gòu)成,有節(jié)理發(fā)育,易冒落,不穩(wěn)固.其W11～W17勘探線礦體位于金陽公路和牯牛背村莊下部.金陽公路壓礦走向長1 200 m,影響到的地質(zhì)儲量為2262萬噸,劃為用沙壩礦段的保安礦柱,如何安全經(jīng)濟(jì)地回采這部分資源,是一個迫切需要解決的技術(shù)難題.為此從2003年開始,貴州開磷集團(tuán)組織中南大學(xué)、長沙礦山研究院和化工部長沙設(shè)計研究院等高校和研究設(shè)計單位進(jìn)行磷石膏充填開采的試驗研究攻關(guān),2004年底完成充填系統(tǒng)和試驗礦段開采工藝的工程化設(shè)計[2],2005年建成了磷石膏充填料制備和管道自流充填系統(tǒng),2006年開始進(jìn)行充填法采場的回采試驗.

采礦方法試驗地點選擇位于用沙壩礦段主斜坡道一側(cè)的W11～W17勘探線、垂直標(biāo)高+1 170 m～+1 120 m地段.此地段是用沙壩礦段的主要壓礦段,礦體賦存于金陽公路的下方,金陽公路完全處于礦體開采移動境界內(nèi).

經(jīng)綜合比較,推薦采礦技術(shù)方案為分礦房礦柱中深孔落礦嗣后充填采礦法,如圖1所示.

圖1 分礦房礦柱中深孔落礦嗣后充填采礦法示意圖

3.2 試驗結(jié)果

磷石膏井下充填采礦過程中,通過對礦山上下盤巖體取樣,進(jìn)行了巖石力學(xué)測試,得出了巖石力學(xué)參數(shù);通過對采場上部巖體及地表移動變形監(jiān)測,全站儀監(jiān)測精度為3.5 mm,在全站儀精度范圍內(nèi),公路基本沒有發(fā)生位移變化,金陽公路全程路面未見裂隙與裂縫,表明使用磷石膏充填采礦,公路是安全的.再通過對用沙壩試驗礦段井下巖層和地表位移變形的觀測,以及采場回采過程中的事故統(tǒng)計,表明井下開采未發(fā)生大的冒落事故,回采采場頂板也未見大的巖層移動和變形,地表基本無變形發(fā)生[1].可以肯定,用沙壩公路下的壓礦,用磷石膏膠結(jié)充填采礦法開采,能很好地保護(hù)公路與附近村莊安全.

公路下礦體開采試驗表明,保安礦柱開采回采率達(dá)到79.64%,貧化率僅4.52%,取得了良好的技術(shù)指標(biāo).開采用沙壩礦段公路下保安礦柱2 200萬t,可采出保安礦柱礦石量1 753.2萬t,預(yù)計該保安礦柱開采將實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益54.87億元;按年生產(chǎn)能力25萬噸計算,年創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益6 235.8萬元.截至2007年底,用沙壩礦段公路下保安礦柱累計開采了71.3萬噸礦石.2008年初,開始在用沙壩礦段南端非公路保安礦柱地段進(jìn)行試驗,試驗結(jié)果表明,非公路下礦床開采時,礦床開采回收率達(dá)到92.64%,貧化率為4.59%.采用充填法采礦,充填直接成本為35.22元/噸,經(jīng)濟(jì)上能夠承受,而且充填系統(tǒng)運行良好穩(wěn)定.用磷石膏充填采場后,礦坑所排放的廢水均達(dá)到國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn),未對井下環(huán)境產(chǎn)生污染.磷石膏充填采礦試驗取得了預(yù)期的良好效果.

3.3 結(jié)果分析

從試驗結(jié)果中得出,對于用沙壩礦段公路下的壓礦,運用磷石膏膠結(jié)充填采礦法開采,有效地保護(hù)了公路和附近村莊.磷石膏膠結(jié)嗣后充填采礦法不僅能保證礦山安全高效生產(chǎn),提高礦石回收率,并且磷礦資源得到了充分的回收利用,效益顯著;同時還能有效地保護(hù)礦山環(huán)境,解決空場法采礦形成地質(zhì)災(zāi)害、礦山生產(chǎn)不安全等給地表工業(yè)設(shè)施、公路及房屋帶來威脅的問題[3].用磷石膏充填采空區(qū),能夠確保礦床安全開采,有效實現(xiàn)礦山無廢害開采和磷礦資源的高效利用.

4 磷石膏充填采礦的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境影響分析

4.1 磷石膏充填采礦的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

盡管應(yīng)用磷石膏充填采礦需投入一定的資金建充填系統(tǒng),采礦成本高于空場法和崩落法,但磷石膏充填采礦可提高資源回收率、延長礦山生產(chǎn)服務(wù)年限,并節(jié)省大量磷石膏庫征地費、建壩費、防滲處理費及運營管理費用等等,同時有效阻止巖層的移動,大量減少礦山井下排水量,節(jié)約大量排水費,經(jīng)濟(jì)效益凸顯.開磷集團(tuán)磷石膏膠結(jié)充填采礦法的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1]如表3所示.

表3 磷石膏膠結(jié)充填采礦法主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),開陽磷礦按礦區(qū)保有儲量和遠(yuǎn)景儲量4.5億t、生產(chǎn)規(guī)模800萬t/年計算,采用磷石膏充填采礦與原來采用的錨桿護(hù)頂分段空場法開采相比,礦石回收率提高18%.由于回收率提高和公路地下保安礦柱礦量的開采,多采出礦石資源量約1.10億t,延長礦山服務(wù)年限15年,采出礦石品位提高0.67%,每年消耗磷石膏約300萬t.雖然增加充填站建設(shè)投資2.5億元,年采礦直接成本增加約2億元,整個開采服務(wù)年限內(nèi)增加投入約230億元,但由于回收率提高和貧化率降低增加的礦石銷售收入約450億元.另外節(jié)省磷石膏庫征地費、建壩費、防滲處理費及運營管理費等約27億元.經(jīng)濟(jì)效益十分顯著.

4.2 磷石膏充填采礦的資源環(huán)境影響分析

采礦工業(yè)不可避免地破壞自然環(huán)境.開陽礦區(qū)各礦段全面建成充填采礦設(shè)施以后,將大大減少礦山廢石和磷石膏等的堆放,礦區(qū)及其周圍的環(huán)境將得到大幅度改善;同時山體崩塌和滑坡、泥石流、地面塌陷和裂縫以及水土流失等問題將得到有效遏制,有利于保護(hù)農(nóng)民房舍的安全和田土不被破壞,大大減少礦農(nóng)間的矛盾糾紛.

采用磷石膏充填采礦獲得了節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的雙重收益,不僅節(jié)省土地,資源回收率提高,而且保護(hù)公路和村莊安全,減少工程地質(zhì)災(zāi)害.特別是磷石膏用于充填采礦后,可大大減輕加工廠磷石膏堆存壓力,有效實現(xiàn)資源開發(fā)與生態(tài)、環(huán)境保護(hù)的和諧統(tǒng)一.

5 結(jié) 語

磷石膏充填采礦技術(shù)在開陽磷礦用沙壩礦段的成功應(yīng)用,對于實現(xiàn)磷礦資源無廢害開采具有十分重要的意義,為磷石膏綜合利用開辟了一種新的工藝和方法.在采礦試驗成功的基礎(chǔ)上,通過消化、改進(jìn)、完善,現(xiàn)在已在礦區(qū)全面推廣,除對用沙壩1號充填站進(jìn)行原址擴(kuò)建外,又建成了馬路坪礦充填站,用沙壩礦2號充填站、青菜沖礦充填站和沙壩土礦充填站正在建設(shè)中,開陽磷礦區(qū)即將實現(xiàn)磷石膏充填采礦的全面推廣應(yīng)用.

磷石膏作為充填骨料的充填采礦技術(shù)在開陽磷礦區(qū)的應(yīng)用不僅減少了磷石膏的排放,改善了礦山的安全條件,而且可提高磷礦資源回采率并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益.可以預(yù)計,該項技術(shù)在全國其他礦區(qū)的推廣應(yīng)用,將為構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型綠色礦山發(fā)揮更大的作用,獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,其推廣應(yīng)用前景十分廣闊.

參考文獻(xiàn):

[1]磷石膏充填無廢害開采綜合技術(shù)研究技術(shù)總報告[R].長沙:中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,2008.

[2]貴州開磷集團(tuán)磷石膏充填采礦工業(yè)試驗設(shè)計方案說明書[R].長沙:化工部長沙設(shè)計研究院,2008.

[3]貴州開磷(集團(tuán))有限責(zé)任公司.磷石膏膠結(jié)嗣后充填采礦法及其制漿工藝[P].中國專利:CN101008316,2007-08-01.