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        塌陷區(qū)尾砂固結(jié)排放環(huán)境影響模型構(gòu)建及應(yīng)用

        2014-03-22 01:30:16
        采礦技術(shù) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:尾礦庫尾礦環(huán)境影響

        楊 麗

        (五礦邯邢礦業(yè)有限公司, 河北 邯鄲市 056002)

        0 引 言

        尾礦處理是金屬礦區(qū)的重要問題,尾礦處理工程帶來的環(huán)境問題更是越來越受到社會(huì)關(guān)注和重視。為準(zhǔn)確描述尾礦庫對(duì)環(huán)境的影響,不少學(xué)者對(duì)尾礦庫的安全和環(huán)境等方面進(jìn)行了研究。李桂榮等提出了礦山可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r評(píng)價(jià)方法的定量評(píng)價(jià)模型[1];羅娟、陳守余提出了礦山環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及層次分析法[2],陳慶等基于模糊數(shù)學(xué)理論建立了尾礦庫環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型[3];冀紅娟等采用模糊綜合層次分析模型對(duì)銀山尾礦進(jìn)行了環(huán)境影響評(píng)價(jià)[4],對(duì)尾礦庫的環(huán)境影響做了定性和定量的分析研究。

        這些模型評(píng)價(jià)了尾礦庫對(duì)環(huán)境破壞程度,沒有考慮到一些工程對(duì)環(huán)境的修復(fù)功能。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),近年來,一些尾礦處理工程,不僅在努力減輕對(duì)自然環(huán)境造成的破壞,同時(shí)在某些方面會(huì)對(duì)現(xiàn)有的環(huán)境產(chǎn)生修復(fù)作用。本文旨在綜合分析尾礦處理工程對(duì)環(huán)境破壞和修復(fù)兩方面的影響,建立相應(yīng)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和計(jì)算模型,并用此模型評(píng)價(jià)西石門鐵礦北區(qū)塌陷區(qū)尾砂固結(jié)干式排放項(xiàng)目的環(huán)境影響。

        1 尾礦處理工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型

        該模型的實(shí)質(zhì)是綜合工程對(duì)環(huán)境中各個(gè)因素的影響,給出一個(gè)總體概括的評(píng)價(jià)結(jié)果,主要包括選擇評(píng)價(jià)因素、確定各因素權(quán)重、量化評(píng)價(jià)因素對(duì)環(huán)境的影響、算出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果、根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得出結(jié)論等幾個(gè)步驟。

        1.1 環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

        尾礦處理工程對(duì)環(huán)境的影響是多方面的,可以把環(huán)境評(píng)價(jià)體系分為評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)因子3個(gè)層次。根據(jù)尾礦處理工程的自身特點(diǎn),選取地質(zhì)狀況、環(huán)境污染和生態(tài)安全三個(gè)方面作為評(píng)價(jià)指標(biāo),再概括出各指標(biāo)包括的評(píng)價(jià)因子,由此建立環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]。

        表1 環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

        模糊綜合評(píng)價(jià)是在考慮多種因素的影響下,運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)工具對(duì)事物做出綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)上述環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系劃分的三個(gè)層次,此處采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型,其基本步驟如下:

        (1) 定義評(píng)價(jià)指標(biāo)集:Y={Y1,Y2,Y3}和因子集X={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8},其中Y1={X1,X2},Y1={X3,X4,X5} ,Y1={X6,X7,X8}。

        (2) 對(duì)子因子Xi進(jìn)行逐一評(píng)價(jià),將其影響量化為ai,構(gòu)成評(píng)價(jià)因子賦值矩陣:A1=[a1,a2];A2=[a3,a4,a5];A3=[a6,a7,a8]。

        (4) 評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合分值:

        Yi=Ai·Pi;i=1,2,3;

        (1)

        (5)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合分值:

        Z=Y·P*;

        (2)

        1.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

        評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定是建立環(huán)境評(píng)價(jià)模型非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),在很大程度上反映了評(píng)價(jià)模型的合理程度。本文采用層次分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重。

        定義bij是因子Bi和Bj對(duì)上一層指標(biāo)影響程度之比,根據(jù)相對(duì)重要程度差異的大小,將標(biāo)度進(jìn)行分級(jí)并賦值[5],標(biāo)度含義見表2。

        表2 標(biāo)度的含義

        注:2,4,6,8,表示上述相鄰判斷的中間值,如果影響強(qiáng)烈程度顛倒則用標(biāo)度的倒數(shù)表示。

        將評(píng)價(jià)因子兩兩對(duì)比的結(jié)果按表3進(jìn)行排列,構(gòu)成判斷矩陣[6]。

        表3 判斷矩陣形式

        對(duì)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算,用Matlab軟件求解每一個(gè)判斷矩陣最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量,對(duì)結(jié)果做一致性檢驗(yàn)。

        一致性指標(biāo):CI=(λmax-n)/(n-1)

        一致性比率:CR=CI/RI

        式中:λmax判斷矩陣最大特征值,n為矩陣階數(shù),RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)均值。n=1,2時(shí),RI=0;n=3時(shí),RI=0.51。

        當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為矩陣通過了一致性檢驗(yàn),即得到的特征向量為指標(biāo)的權(quán)重;當(dāng)CR≥0.1時(shí),則需要重新構(gòu)造判斷矩陣。

        1.4 評(píng)價(jià)因子對(duì)環(huán)境影響程度的量化

        為反映尾礦處理工程對(duì)自然環(huán)境質(zhì)量正負(fù)兩方面的影響,將影響程度劃分為7個(gè)等級(jí),根據(jù)影響的空間范圍、持續(xù)時(shí)間、影響的安全性、可逆性等方面可以對(duì)劃分影響等級(jí)的意義作如下說明:

        (1) 嚴(yán)重破壞:對(duì)系統(tǒng)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境造成大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的破壞,有明顯安全隱患并且恢復(fù)的難度非常大。

        (2) 中度破壞:對(duì)環(huán)境的破壞程度不突出,但恢復(fù)工作需要較大的投入和一定的修復(fù)時(shí)間。

        (3) 輕微破壞:對(duì)環(huán)境造成小范圍、暫時(shí)的破壞,引起的安全隱患少,恢復(fù)工作容易且見效快。

        (4) 沒有影響:對(duì)環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響。

        (5) 輕微修復(fù):對(duì)已破壞的環(huán)境產(chǎn)生修復(fù)作用,程度比較弱,不利于長(zhǎng)時(shí)間維持。

        (6) 中度修復(fù):對(duì)環(huán)境中較大范圍的環(huán)境破壞實(shí)現(xiàn)修復(fù),在消除環(huán)境中的安全重大不安全因素的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境能通過自動(dòng)調(diào)節(jié)保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定。

        (7) 良好修復(fù):對(duì)已經(jīng)破壞的環(huán)境產(chǎn)生非常顯著的修復(fù),使生態(tài)環(huán)境接近自然情況并具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

        對(duì)以上劃分進(jìn)行賦值,見表4,并以此作為評(píng)價(jià)因子的打分和解釋評(píng)價(jià)對(duì)象的依據(jù)。

        表4 影響評(píng)價(jià)等級(jí)量化表

        2 西石門鐵礦尾礦處理工程環(huán)境狀況分析及評(píng)價(jià)

        2.1 西石門鐵礦尾礦處理工程概況

        本工程位于河北省邯鄲市武安西石門礦境內(nèi),處于太行山隆起與華北平原沉降帶的接觸部,地處海河流域,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明。年平均氣溫11℃至13.5℃,極端最高溫42.5℃,極端最低溫-19.9℃;年平均降水560 mm,年最大降雨量1472.7 mm;年日照時(shí)數(shù)平均2297 h;四季之中,屢起西北、西南及西風(fēng),年平均風(fēng)速2.6 m/s,極端最大風(fēng)速29 m/s;年平均無霜期196 d;主要自然災(zāi)害有旱災(zāi)、水災(zāi)、雹災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、蟲災(zāi)、地震、霜凍等。

        西石門礦原尾礦庫容已經(jīng)接近極限,不能再進(jìn)行擴(kuò)容,2009年6月邯邢局委托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)完成了“全尾砂固結(jié)排放技術(shù)研究”,計(jì)劃利用西石門北區(qū)塌陷區(qū)進(jìn)行全尾砂固結(jié)排放。北區(qū)塌陷區(qū)的容積為100萬m3,而礦山年排尾量在60.19萬t以下,排入塌陷區(qū)的固結(jié)尾礦按重量濃度78%計(jì),其漿體密度為2.006 t/m3,年排尾體積量為38.47萬m3,服務(wù)年限為2.6 a以上。

        本工程整體上就屬于環(huán)保投資,估算約1400萬元,主要內(nèi)容包括濃縮-過濾、尾礦回水設(shè)施、環(huán)境綠化等。

        2.2 環(huán)境狀況分析和評(píng)價(jià)因子賦值

        2.2.1 塌陷區(qū)的地質(zhì)狀況分析

        塌陷區(qū)是無底柱分段崩落法采礦后,地表陷落形成的地表凹陷,塌陷區(qū)正底下雖然不再采礦,但其它地方一般仍在采礦,而且塌陷區(qū)地下一般還有殘存的巷道和其它采礦作業(yè)面或巷道相通,即塌陷區(qū)的縫隙是和采區(qū)相連的,下雨時(shí)塌陷區(qū)的水可以進(jìn)入其它作業(yè)面或巷道。

        尾礦濾餅排入塌陷區(qū)中,對(duì)地表起到修復(fù)作用。干排到塌陷區(qū)的尾礦必須經(jīng)過徹底的脫水,含水率需達(dá)到雨季自然原土的含水率。為了提高干排尾砂的屈服應(yīng)力,需加入水泥或高水材料等添加劑。

        2.2.2 環(huán)境污染狀況分析

        西石門鐵礦全尾砂化學(xué)分析結(jié)果為:燒失量為15.38%,SiO2為29.31%,Al2O3為6.42%,F(xiàn)e2O3為4.02%,CaO為26.08%,MgO為14.66%,K2O為1.55%,Na2O為1.68%,MnO為0.818%,其他占0.47%。尾砂中重金屬含量很少,因此不會(huì)造成重金屬污染。

        北塌陷區(qū)周邊工廠較多,大氣環(huán)境空氣質(zhì)量中等。無地表水系,主要受大氣降水控制,雨季和旱季水量差異較大。生產(chǎn)生活總供新水量約1440 m3/d;循環(huán)到選礦廠的回水量為2718 m3/d;固體廢棄物為選礦生產(chǎn)中產(chǎn)生的尾礦加水泥過濾后的濾餅及少量生活垃圾;噪聲聲源來自盤式真空過濾機(jī),峰值約為100 dB(A)。

        項(xiàng)目建設(shè)原則上不向外排放工業(yè)廢水,不會(huì)對(duì)地表和地下水體產(chǎn)生污染,更不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活產(chǎn)生影響。工業(yè)廢水全部循環(huán)利用。尾礦固結(jié)后堆存,在干旱多風(fēng)季節(jié),也不易產(chǎn)生粉塵,如產(chǎn)生粉塵,采取灑水保濕的方法也可防止揚(yáng)塵,對(duì)已修復(fù)的塌陷區(qū),及時(shí)進(jìn)行覆土植被,確保植被成活,防止尾礦揚(yáng)塵。

        2.2.3 生態(tài)安全綜合分析

        工程建設(shè)廠區(qū)占用土地共計(jì)900 m2,其中建構(gòu)筑物占地900 m2,外部道路為原有道路。本工程不會(huì)引起水土流失,塌陷區(qū)及時(shí)進(jìn)行覆土和植被,在有條件進(jìn)行綠化的地方,植樹或栽種花草,生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)植被覆蓋率和物種多樣性帶來的影響很小。除此之外,地面塌陷區(qū)的尾砂排放時(shí),對(duì)尾砂進(jìn)行固結(jié)處理,改變尾砂松散的性質(zhì),使之具有一定的粘結(jié)力,這樣增強(qiáng)了塌陷區(qū)的穩(wěn)定性,減少其對(duì)人類安全的威脅。

        依據(jù)以上分析,采用專家評(píng)價(jià)法對(duì)尾砂固結(jié)排放工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)因子進(jìn)行賦值,見表5。

        表5 環(huán)境影響評(píng)價(jià)因子賦值

        2.3 構(gòu)造模糊矩陣并計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

        根據(jù)西石門鐵礦北區(qū)塌陷區(qū)尾砂固結(jié)干式排放項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)環(huán)境的實(shí)地調(diào)查試驗(yàn),結(jié)合專家的意見,按照表2的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境影響指標(biāo)和因子的相對(duì)重要程度進(jìn)行賦值,得到4個(gè)判斷矩陣[3],見表6~表9。對(duì)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算,用Matlab軟件求解每一個(gè)判斷矩陣最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量,通過一致性檢驗(yàn),對(duì)特征值進(jìn)行歸一化處理得到各指標(biāo)的權(quán)重,見表10。

        表6 Z—Y判斷矩陣

        表7 Y1—X判斷矩陣

        表8 Y2—X判斷矩陣

        表9 Y3—X判斷矩陣

        表10 環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重

        2.4 綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

        根據(jù)評(píng)價(jià)因子賦值矩陣:A1=[1,3] ;A2=[-2,-0.5,-2];A3=[-1,-0.5,2]。評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣:P*=[0.216,0.102,0.682]T。評(píng)價(jià)因子權(quán)重矩陣:P1=[0.2,0.8]T;P2=[0.24, 0.55,0.21]T;P3=[0.085,0.177,0.738]T。

        利用公式(1)(2)得:

        Z=Y·P*=1.328

        根據(jù)表4得出評(píng)價(jià)結(jié)果為:西石門鐵礦北塌陷區(qū)尾砂固結(jié)干式排放項(xiàng)目對(duì)環(huán)境的影響為中度修復(fù),具有環(huán)境保護(hù)功能。此結(jié)果與工程實(shí)際相符,說明該評(píng)價(jià)模型具有一定合理性。

        3 結(jié) 論

        (1) 考慮到一些尾砂處理工程的環(huán)境保護(hù)功能,提出了從正負(fù)兩方面綜合評(píng)價(jià)尾礦處理工程對(duì)自然環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

        (2) 利用模糊綜合評(píng)價(jià)和層次分析的方法,建立了尾砂處理工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型。

        (3) 對(duì)西石門鐵礦北塌陷區(qū)尾砂固結(jié)干式排放項(xiàng)目進(jìn)行了環(huán)境影響評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果為該工程將會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生中度修復(fù)作用,屬于環(huán)境保護(hù)工程。

        (4) 要進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)模型的合理性,可以通過考慮更多的評(píng)價(jià)指標(biāo)和劃分更多的評(píng)價(jià)層次。

        參考文獻(xiàn):

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        [4]冀紅娟,楊春和,張 超,等. 尾礦庫環(huán)境影響指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué),2008(8):2087-2091.

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