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尾矿膏体处置将成金属矿绿色开采主趋势

——访北京科技大学副校长、膏体充填采矿技术研究中心主任吴爱祥

2018-6-20 9:23:00 来源:中国矿业报社 本报记者:刘晓慧

尾矿作为矿山生产过程中产生的最主要的固体废物,由于堆存面积大、环境污染严重、安全隐患多等问题,已经成为建设绿色矿山亟待解决的主要问题之一。

那么,如何才能变废为宝、化害为利,把尾矿资源化利用起来?

近日,《中国矿业报》记者专访了北京科技大学副校长、北京科技大学膏体充填采矿技术研究中心主任吴爱祥教授。

《中国矿业报》:我国尾矿处置在现阶段处于怎样的状况?

尾矿膏体堆坝

吴爱祥:我国有色金属产量连续多年居世界第一,但是矿山开采产生大量尾矿(固体废弃物),目前我国尾矿堆存量为146亿吨。其中,83%为铁矿、铜矿、金矿开采形成的尾矿。传统的尾矿处置方式以低浓度料浆的形式输送到尾矿库堆存,溃坝风险高,并侵占大量土地、污染大气和水体,是重大的危险源与污染源。近年来,随着尾矿处置技术的不断发展以及国家政策的大力支持,尾矿膏体处置技术逐渐成为尾矿处置的主流技术,并已在国内外矿山大面积推广应用。

《中国矿业报》:请您从技术角度介绍一下什么是尾矿膏体处置?

吴爱祥:打破传统低浓度分级尾砂充填与尾矿库排放模式,以提高尾矿处置浓度为主线,尾矿膏体处置技术将从选矿厂来的低浓度全尾砂料浆,不经分级,直接输送至深锥浓密机,添加絮凝剂并使用耙架进行搅拌,形成高浓度、牙膏状、无泌水的膏体料浆,再选择性添加粗骨料、细骨料以及其它外加剂,搅拌并通过柱塞泵输送至采空区充填或者直接输送至尾矿库进行堆存。这样既解决了地表尾矿库溃坝与环境污染的灾害问题,又解决了井下采空区垮冒的灾害问题,具有“一废治两害”的优势。

《中国矿业报》:尾矿膏体处置的关键技术有哪些?

吴爱祥:由于尾矿颗粒超细,脱水性能差,因此如何实现全尾砂料浆的快速深度脱水,提高尾矿处置浓度,是尾矿膏体处置的关键技术之一。传统的立式砂仓采用单颗粒自然沉降,重力压密,存在尾砂底流浓度低且波动大、稳定放砂时间短的问题。国内以飞翼股份有限公司为代表的企业与高校,突破全尾砂深度浓密技术瓶颈,构建了系统的设计方法,成功研制全尾砂浓密专用装备-深锥浓密机,实现全尾砂快速深度浓密,为提高浓度提供保障。

同时,膏体浓度高、输送阻力大,再加上开采深度不断加大,如何实现膏体的长距离稳定输送是尾矿膏体处置的另一关键技术。膏体浓度高输送阻力大,在充填或排放过程中不允许停机,作业时间长,而传统渣浆泵无法实现。为此,飞翼股份有限公司打破国外技术垄断,发明了活塞式膏体输送泵,首创大通径滑阀及并联同步控制液压技术,成功解决了特大流量液压系统换向难题;创新自适应动力总成智能开启模式,采用完全一样的两组动力单元,互为备用,根据料浆输送阻力自适应启动,两台动力既可同时工作,也可单台动力工作,不堵管,能耗低;设计独特的回油过滤与冷却装置,实现温度为主导条件的过滤与冷却智能调控,解决了系统长时间运行温度高的问题,从而实现24h×7d长时间可靠运行。

《中国矿业报》:目前,在国内尾矿膏体处置技术推广应用现状如何?

吴爱祥:北京科技大学、飞翼股份有限公司、金诚信矿山技术研究院等国内高校与企业,从发明专利、实验室建设、国际合作、标准制定等方面对膏体处置技术进行推广,并在国内外矿山广泛应用。

首先,北京科技大学成立了膏体充填采矿技术研究中心,并与金诚信矿山技术研究院、德国普茨迈斯特固体泵有限公司(PM公司)合作共建了我国第一个尾矿膏体处置实验室,实验室具备完善的膏体及充填体理化性能检测功能及膏体充填中试系统,具有工业级、精度高、功能全和智能化的特点,适应国内外井下膏体充填采矿及尾矿膏体排放技术发展的需要。由中国有色金属工业协会组织以于润沧、孙传尧、古德生3位院士为组长的专家评审委员会认为该实验室装备、功能及试验研究方法总体达到国际领先水平。目前,该实验室已为博伦矿业、拉拉铜矿、黄屯硫铁矿、小坝磷矿等多家矿山企业完成了膏体充填试验,推动了本专利技术的快速推广。

其次,为了提升我国膏体处置技术的国际影响力,推动我国膏体技术登上世界舞台,北京科技大学与金诚信矿山技术研究院申请并建立了“基于膏体充填的绿色开采技术”北京市国际科技合作基地,先后与美国、德国、澳大利亚、加拿大、智利、南非等国家开展合作与交流。同时,北京科技大学于2013年发起并连续举办了三届“中国膏体充填采矿国际学术研讨会”,并于2017年举办了第二十届国际膏体充填与尾矿浓密学术研讨会(Paste2017,该系列会议首次在亚洲举办),积极推广我国膏体处置技术。目前,已在我国在海外开发建设的第一座铜矿山赞比亚谦比希铜矿建成了非洲第一套膏体充填系统,获得了较大的经济社会效益。

再次,为了更加规范应用膏体处置技术,北京科技大学先后申请并立项两项国家标准《全尾砂膏体充填技术规范,Regulations of full tailings cemented paste backfill》《全尾砂膏体制备与堆存技术规范,Regulations of full tailings paste production and discharge》。

目前,尾矿膏体处置技术已在国内外矿山广泛应用,并取得了良好的经济社会效益,铸就了一大批绿色矿山。在我国金属矿最深矿井之一云南会泽铅锌矿建成了我国第一套以深锥浓密机为核心的长距离输送膏体充填系统,被评为国家级绿色示范矿山;在新疆伽师县铜辉矿业建成了新疆第一套膏体充填系统,实现了软破难采矿体膏体充填安全高效开采,2017年被工信部评为第一批国家级绿色工厂;在阿希金矿建成全尾砂废石胶结充填系统,将矿山原采用废石胶结充填方法变更为全尾砂废石胶结充填,实现了地表露天坑和井下空区的回填处理,被中国环境科学学会评为环保科技创新示范项目。同时,还在哈尔滨金大铜锌矿业、贵州川恒化工、云南保山飞龙矿业、西部黄金伊利有限公司、西部矿业集团、云南金沙矿业、江西耀升钨业等全国多座矿山等到了工业化应用。

《中国矿业报》:请您谈谈在当前生态文明建设和绿色矿山建设的大背景下,尾矿膏体处置的发展趋势如何?

吴爱祥:在2017年12月21日举行的绿色矿业发展战略联盟成立大会上,由中国矿业联合会、中国国土资源经济研究院起草的我国首个绿色矿山建设全国标准——《固体矿产绿色矿山建设指南(试行)》(T/CMAS)正式发布。对与地下矿山开采,提出了优先采用充填采矿方法的要求,对共伴生矿产开采在提出综合利用、开采层序的同时,特别提出了提高煤矿瓦斯抽采利用率和先抽后掘、先抽后采的要求。对于选矿回收阶段,明确提出了废水闭路循环、固体废物的安全和资源化处置等要求。

目前,膏体处置技术的研究应用已取得了较大的进展。在“向地球深部进军”的探索过程中,深地膏体充填将会成为金属矿绿色开采的主要趋势。对于其未来发展,有以下几个构想:感知计算精准化、充填工艺智能化、设计3D模块化、膏体热量资源化。

膏体浓度的精准控制是深地膏体充填的纳米工程,未来通过感知计算、快速响应、自控系统实现膏体浓度精准控制;充填工艺智能化主要考虑到未来深地开采环境越来越恶劣,井下尽量少人甚至无人,通过井下挡墙构筑、管路架设以及采场充填等环节智能控制,实现膏体充填工艺智能化;基于理论计算和大数据,输入充填材料及系统属性参数,即可对尾矿沉降特性、膏体流变特性和力学特性进行预测,进而对浓密系统、搅拌系统、管输系统以及采场尺寸进行模块化设计和输出,并采用智能化自控系统对整个流程进行控制;膏体在养护过程中由于水化反应会释放大量的热,有模拟结果表明,60m×30m的充填体在养护30天,最高温度可达80℃,基于这一事实,可对膏体热量进行供暖等有效利用,清洁无污染,且无需专门的管道工程,但是需与传统供暖方式进行经济比较。

未来十年,千米深井将成为我国金属矿开采的主战场。深井膏体充填面临着温度高、应力大、输送难、浓度精准控制要求高四大挑战。亟需开展深地膏体充填成套理论及技术研究,旨在实现深地膏体精准控制、均质制备、可靠输送、采场安全,为我国深地金属矿安全、高效、经济、绿色开采保驾护航。□

网站编辑:宫莉

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