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銅坑礦細脈帶火區S02煙氣治理
時間:2017-09-12 22:54:34  來源:  作者:

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.華錫集團銅坑礦,廣西南丹,545006)

摘要:銅坑礦細脈帶礦體自燃主要生成氣體為S02,給當地環境造成了一定的汙染。經過對其發火機理進行深人研究,提出了回收殘礦以根除火源、密閉空區以隔絕氧氣、噴灑堿水以無害化處理溢出SO2的處理方案。該方案實施後,消除火區隱患,自燃產生的SO2得到徹底治理,達到了治理目標。

關鍵詞:SO2汙染治理;火區隱患;環境治理

 

1項目背景

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

最先開采的細脈帶礦體位於銅坑礦三大礦體最上部。1976年礦岩崩落帶發生了礦岩自燃,燃燒物質隨著出礦而進入到工作麵,對采礦作業造成極大的威脅。銅坑礦經過30多年的開采,遺留下大量空區,隨著時間的推移,空區圍岩的穩定性逐步降低,形成空區垮塌、隔火礦柱冒落等事故隱患。如果發生事故,必將造成火區蔓延、地壓災害失控的情況出現。1997年,被廣西認定為特大事故隱患區 。河池市環境保護局、南丹縣環境保護局將其列為 “環境問題突出掛牌督辦企業”。

多年來,雖然銅坑礦投入了大量的人力物力進行治理,是火區和地壓災害隱患基本處於受控狀態。但是,觸發事故的因素依然存在。1998年、1999年、2003年均出現了地表塌陷。采場局部垮塌和采區岩層移動也時有發生,火區自然產生的SO2氣體對環境也造成很大的汙染。細脈帶火區與空區隱患成為困擾銅坑礦正常生產的重大難題。從2003年,受華錫集團委托,北京礦冶研究總院礦山所開始進行銅坑礦隱患治理研究。

2發火機理

物質要發生燃燒的必要條件是:具有可燃燒的物質,達到一定的溫度和供物質燃燒的氧氣。根據研究,銅坑礦細脈帶火區自燃的可燃燒物質是含碳的碳質頁岩,達到發生燃燒溫度的熱量是通過礦石中(特別是經過預氧化的黃鐵礦)的氧化而聚集。當同時具備充足的氧氣時,礦石即發生自燃[1]

 由於細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10.16%以上,如暴露在通風好的情況下易引起自燃。隻有硫化物中硫鐵礦的硫含量達到足以引起礦岩自燃的量才發火自燃,因此該礦物是引起火災的主要物質。經試驗表明,接觸破碎帶是主要的自燃發火帶,其原因是黃鐵礦不同程度地演變為無定形黃鐵礦,經曆了預氧化過程。隨著深度增加,礦石中黃鐵礦預氧化程度降低。礦岩自燃可能性減小。

現場試驗還表明,炭質岩中隻有局部地點的炭質岩有自燃特性,由於炭在高於140℃以上時即開始氧化並放出熱量,主要是FeS2、C與氧氣複合作用引起。由於炭質頁岩成片伸入,礦段內大量流礦,以及炭質貝岩大量冒落,其中的單質碳參與氧化,釋放熱量,同時放出S02,與C02

也就是上述原因,在細脈帶火區封閉多年得到治理後,由於民窿非法在隔火礦柱及其上部崩落大量礦石和圍岩,造成地表原來已填平的6號、8號等陷坑發生新的塌陷,從而導致了1999年以來火區的複燃,給生產與礦山環境帶來很大危害。

3治理辦案

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

采用集束孔區域整體崩落采礦、高階段斜麵大量放礦等先進技術對殘礦進行回收,除去火區燃燒源,從源頭上控製煙氣的產生,同時治理空區隱患。

井下修建密閉牆,地表采用硐室爆破覆蓋結合機械取土覆蓋塌陷坑等技術措施,隔絕火區氧氣供應,阻止SO2溢出對井下工作影響和地表環境破壞。

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號回風井排出的SO2,噴淋液滲入到塌陷坑內吸收SO2,並抑製火區的燃燒。

同時,建設安全保障係統工程,包括井下地壓監測係統、地表岩層移動觀測網、有害氣體監測係統。

4方案實施

4.1  殘礦回收和空區處理

細脈帶經過多年開采,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水平為細脈帶開采主體。開采形成的空區部分用廢石充填、塊石膠結充填進行了處理,部分發生垮落。截至2003年12月底,570~625m水平剩餘空區量為8.8×104m3

根據細脈帶礦體剩餘礦量的分布情況及開采條件,對560m以下關鍵部位的空區進行充填治理後,分兩個區域逐次采用大爆破進行細脈帶礦石資源回收。采用空區部分充填、深孔區域整體崩落隔火柱礦、空區方案。按不同爆破條件和預期的效果要求,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。關鍵技術有:階段束狀深孔變抵抗線爆破技術、區域整體崩落、高階段斜麵放礦等技術。建立了爆破震動衰減模型、井下衝擊波傳播衰減模型,對爆破有害效應進行準確預測。采用預裂降震、柔性阻波牆、實時監測等技術手段,對爆破有害效應進行有效控製[2~4]。空區分布圖和空區群區域整體崩落如圖1和圖2所示。

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

2007年2月6日,成功實施了第二爆區大爆破。爆破崩落礦岩總量為2.2萬噸,其中束狀大孔崩落1.5萬噸,硐室崩落O.7萬噸。強製放頂麵積1500m2。采空區內冒落存窿礦石11萬噸。

在大爆破後,開始進行放礦和覆蓋岩層下分段無底柱開采爆區西部相對完整的細脈帶礦體。根據采區情況,分別采用Ф65mm,Ф100mm兩種孔徑中深孔進行爆破落礦。中深孔控製崩礦總量為44.1萬噸。

細脈帶爆破後,即開始高強度出礦,從2005年至2011年,共計出礦195.5萬噸。該方案實施後,成功地消除空區地壓隱患,消除火區燃燒源。

細脈帶火區治理充填空區8×104m3,崩落空區6.4×105m3,回收殘留礦石195.5萬噸。

4.2  空區密閉

4.2.1  井下密閉牆

 井下密閉工程的布置原則是密閉範圍為560m以上各水平細脈帶範圍的出礦穿與細脈帶火區聯通的通道,根據生產係統的要求,對上、下盤的一些溜井及通風天井要保持暢通,繼續使用。共設計了94道密閉牆(如圖3、圖4所示)。

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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,利用硐室加強鬆動爆破或拋擲爆破,將塌陷坑邊壁的山體崩落至坑內,將塌陷坑填滿(見圖5);爆破後根據覆蓋層的密封效果,決定是否采用噴漿膠結等進一步的密實措施,使其形成良好的覆蓋層。在塌陷坑周邊開挖水溝排水,阻止地表水流進入塌陷坑。

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爆破區域屬於銅坑礦地表允許塌陷區域。爆破地點所揭露的岩層為灰岩、泥質頁岩、碳質頁岩等,岩層上部有黃土覆蓋層,岩層含少量水,但不滴水。

根據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,形成覆蓋層。同時考慮爆破規模對周邊環境影響的控製和組織實施的可操作性,每次爆破的規模控製在15t炸藥量以內,崩落岩土方量6×104m3以內。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地表塌陷坑機械取土覆蓋方案

由於塌陷坑周邊形成大量裂縫,部分塌陷坑無法采用大規模硐室爆破,采用機械鏟裝、汽車拉運進行覆蓋。

土方由現場指定地方進行挖掘,填方量根據地形圖施工前後現場實測量為準。有明顯塌陷坑的區域要填平,無明顯下陷但正在冒煙的區域覆蓋厚度以覆土壓實後不再冒煙為準。

地表塌陷坑硐室爆破覆蓋共計爆破11次。地表機械取土覆蓋量計1.12l×105m3

4.3 SO2無害化處理

SO2廢氣的治理方法共有兩種,即收集法和轉化法。這兩種方法又分為若幹方法,具體分類見表l。

表1  SO2廢棄的治理方法

收集法

轉化法

吸收法

吸附法

(再生的吸附法)

還原

氧化

不再生的吸收法

再生的收集法

催化還原法

生物還原法

催化氧化法

化學氧化法

電化學氧化法

石灰-石灰石類法,其他堿性溶液法,海水吸收法

亞硫酸鈉法,堿式硫酸鋁法,磷酸鈉法,物理吸收法

活性炭法,分子篩法,氧化銅發,碳酸鈉法

常壓催化還原法,高溫高壓催化還原法

濕式生物還原法

氣相催化氧化法,液相催化氧化法

過氧化氫法,黃磷法

電輻射化學氧化法,點解化氧化法

 

按脫硫過程是否加水和脫硫產物的幹濕形態,煙氣脫硫分為濕法、半幹法、幹法三大類脫硫工藝。濕法脫硫技術較為成熟,效率高,操作簡單;但脫硫產物的處理較難,煙氣溫度較低,不利於擴散,設備及管道防腐蝕問題較為突出。半幹法、幹法脫硫技術的脫硫產物為幹粉狀,容易處理,工藝較簡單;但脫硫效率較低,脫硫劑利用率低。

由於銅坑礦危害氣體為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麵的SO2發生吸收反應,再滲入塌陷坑內吸收廢氣,抑製火區的燃燒[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等氣體發生反應,主要分為吸收和氧化兩個步驟,但反應機理很複雜,主要反應方程式如下:

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,副產品不會對環境產生二次汙染。

井下的S02經過回風係統,通過2號回風井排除,采用堿吸收方案對其進行處理。如圖6所示為地表廢氣堿吸收工藝圖。

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4.4 SO2氣體監測

根據銅坑細脈帶火區燃燒的特性,影響環境的主要因素為礦岩燃燒釋放的S02等有害氣體,因此,將S02作為重點監測內容。

為掌握銅坑礦地表塌陷區廢氣治理效果,銅坑礦聘請河池市環境監測站、廣西礦山救援大隊華錫中隊與銅坑礦安環科組成專業監測組,對塌陷區及其周邊礦區環境進行長期的跟蹤監測與分析,並對治理措施、效果進行評價。

在地表塌陷坑四周布置環境監測點,重點監測塌陷坑附近,銅坑礦生產區、生活區,長坡礦生產區、生活區。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。

井下環境因素變化監測區域為細脈帶作業區,環境因素變化主要受作業區通風情況、放礦速度及火區燃燒物質下降速度的影響。

環境空氣評價標準執行《環境空氣質量標準》(GB 3095一1996)中的二級標準。

5治理效果

根據相關部門的監測表明,臨測點位環境空氣中的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《環境空氣質量標準》(GB3095一l996)及其修改單中的二級標準。如長坡口生活區治理前最高超過7×10-6(日平均),治理後低於0.009×10-6(日平均),達到了治理目標,2014年2月26日,通過河池市環境保護局的工作驗收。煙氣治理前後的效果圖分別如圖7和圖8所示。

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6結論

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

(2)總體治理措施包括:

1)脈帶火區殘留礦體回收,消除火區燃燒源;

2)火區的密閉采用井下密閉牆,地表塌陷坑崩落覆蓋,地表塌陷坑機械取土覆蓋等技術措施,隔絕火區氧氣供應,阻止S02溢出對井下工作影響和地表環境破壞;

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號回風井排出的SO2,通過滲入到塌陷坑內吸收SO2,並抑製火區的燃燒。

(3)細脈帶火區煙氣治理充填空區8×104m3,崩落空區6.4×105m3,回收殘留礦石195.5萬噸;井下建市了94道密閉牆,進行了11次地表硐室爆破覆蓋,地表機械取土覆蓋方量1.121×105m3;建設了地表石灰水噴淋係統,處理溢出S02

(4)河池市環保監測站的監測數據表明,細脈帶火區環境數據已符合《環境空氣質量》(GB 3095—1996)中的二級標準,達到了治理目標要求。

[1]  韋顯雲.廣西大廠銅坑礦火區煙氣治理與控製[J].采礦技術,2009,(3).

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

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

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

摘自《中國爆破新進展》

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