劉永紅

(1. 廣西壯族自治區(qū)二七二地質(zhì)隊，廣西 南寧 530031； 2. 廣西有色勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530031)

0 前 言

我國地域遼闊，可以利用的資源數(shù)不勝數(shù)，其中對發(fā)展較為重要的就是金屬礦山，金屬礦山的開采在國家“綠水青山就是金山銀山”的政策下，環(huán)保節(jié)能的設(shè)計更凸顯重要。為了使金屬礦山的開發(fā)環(huán)保節(jié)能，結(jié)合當(dāng)今社會的發(fā)展方向，制定一個環(huán)保計劃，利用節(jié)能技術(shù)促進(jìn)金屬礦山開采過程更節(jié)能有效。針對當(dāng)前現(xiàn)狀，較多學(xué)者都開展了研究，其中，李燕[1]研究了三維激光測量技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用方法，該技術(shù)預(yù)先分析了礦山地質(zhì)環(huán)境，提出緊急事故快速處理方法，重點引入三維激光測量技術(shù)，實現(xiàn)對礦山開采更有針對性、更環(huán)保節(jié)能。肖體群等[2]研究了大新錳礦西北地采礦區(qū)產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)，該技術(shù)預(yù)先分析礦體地質(zhì)賦存條件，結(jié)合礦體三維模型對礦體分區(qū)，并針對礦體分區(qū)依據(jù)，選擇不同的開采方法，實現(xiàn)礦山開采的環(huán)保節(jié)能最優(yōu)化。由于現(xiàn)有技術(shù)節(jié)能效果較差，為此設(shè)計一個金屬礦山開采工程的環(huán)保節(jié)能技術(shù)，了解環(huán)境的變化，做到不影響礦山開采，又能達(dá)到節(jié)能減排，更符合“碳達(dá)峰、碳中和”的國家戰(zhàn)略需求。

1 設(shè)定開采過程

此次研究的節(jié)能技術(shù)的重點是減少污染、降低能耗、優(yōu)化開采效率，提高生產(chǎn)能力。為此重點設(shè)計了通風(fēng)系統(tǒng)，在通風(fēng)系統(tǒng)的支持下，提出了金屬礦山開采的環(huán)保節(jié)能技術(shù)。

金屬礦山的礦體往往是由于地質(zhì)體之間的活動較強(qiáng)，構(gòu)造活動較強(qiáng)，存在著物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的變化從而形成的一個具有工業(yè)經(jīng)濟(jì)價值的礦體。礦體所處的地質(zhì)環(huán)境一般較為復(fù)雜，巖土穩(wěn)定性相對較差，在開采過程中易發(fā)生巖土工程問題。為了實現(xiàn)礦山開采環(huán)保節(jié)能的最優(yōu)化，就要分析金屬礦山的形成原因[3]，找到合適的開采方法與節(jié)能技術(shù)，在不破壞礦體現(xiàn)有賦存環(huán)境的條件下實現(xiàn)資源優(yōu)化，保護(hù)環(huán)境。開采礦石是一項復(fù)雜的技術(shù)，以往的經(jīng)驗不足致使工作人員開采起來十分苦惱，在開采過程中不僅涉及周圍的自然環(huán)境，還要考慮到地質(zhì)地形的變化。如果開采不慎，會造成坍塌等情況，為此設(shè)定如下采集過程：①實地考察，精準(zhǔn)測量，包括礦體、礦體圍巖、夾層等分層特征；②采取節(jié)能技術(shù)，按照比例采集不同礦石類型及圍巖、夾石，進(jìn)行巖石物性特征分析；③在較深部位開采時，要注意方法及手段，不能引起波動；④必要時使用深部工程探索礦體的賦存位置，確定礦體的賦存位置，研究礦體及周邊地質(zhì)環(huán)境的特征，采取有針對性的措施方法對礦體進(jìn)行開采；⑤若礦體周邊地質(zhì)環(huán)境不曾發(fā)生過變化，可利用地質(zhì)勘查手段確定礦體的位置，對其中礦體位置及礦體周邊地質(zhì)環(huán)境精確化確定，然后在較深的位置再收集同樣重量的巖石，進(jìn)行巖土工程物性指標(biāo)測試；⑥監(jiān)測地面下沉的問題[4]，加入噴水淋濾作業(yè)使開采區(qū)減少粉塵污染；⑦觀察不同巖石樣本的物性指標(biāo)屬性后，按照含有的礦體及周邊巖石地質(zhì)環(huán)境的特征與對環(huán)境的危害等進(jìn)行分類與檢測。開采全過程應(yīng)用通風(fēng)系統(tǒng)及對不同巖石物性指標(biāo)進(jìn)行測試，采用節(jié)能環(huán)保技的設(shè)計，以達(dá)到節(jié)能減排的環(huán)保設(shè)計。

2 開采過程中環(huán)保節(jié)能技術(shù)設(shè)計

2.1 通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

要采用節(jié)能減排等綠色健康的模式來控制污染物的來源，通過特殊的工藝技術(shù)擴(kuò)大操作面積，確定礦體的主要賦存環(huán)境，使用新技術(shù)、新方法，盡量減少污染物的產(chǎn)生。在構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)[5]時，要考慮到不同的開采地質(zhì)環(huán)境，也要保證能量平衡，使節(jié)能裝置持續(xù)工作，為系統(tǒng)不斷供電[6]。在此前提下凈化污染空氣的渾濁物與顆粒物，保障空氣清新與環(huán)境穩(wěn)定，儀器運行的標(biāo)準(zhǔn)速度用公式表示為：

Ef=λk/λ′f

(1)

式(1)中，Ef為設(shè)備耗能，λk為優(yōu)化前的系數(shù)，λ′f為優(yōu)化后的速度系數(shù)。

經(jīng)過計算可知，當(dāng)設(shè)備的運行速度達(dá)到70 m/s時，為最佳排風(fēng)速度，此時節(jié)能可達(dá)到 以上，對環(huán)境的影響也會降到最低，在國家規(guī)定的空氣安全指數(shù)范圍內(nèi)[7]。

而隨著能量的不斷消耗，以及礦體隨著深度的增加也會發(fā)生變化，礦體隨著深度增加的關(guān)系見圖1[8]。

圖1 礦體隨著深度增加的關(guān)系

根據(jù)金屬礦山的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地理位置可以確定壓力的分布情況[9]，可用公式表達(dá)為：

O=Pln max×Pln min×Pm

(2)

式(2)中，Pln min為最小壓力，MPa；Pln max為最大壓力，MPa；Pm為中等級壓力，MPa。

基于上述分析可知，開采深度的增加，能量的消耗也不斷發(fā)生改變，最初制定的通風(fēng)參數(shù)已經(jīng)不能夠承擔(dān)巖土的壓力[10]，嚴(yán)重情況下會造成通風(fēng)口堵塞。因此建立一個多出口的通風(fēng)參數(shù)，增加礦體的通風(fēng)面積，減小能量消耗，使土地對礦體的壓力與風(fēng)對礦體的壓力保持平衡，那么損失的能量[11]用公式表示為：

式(3)中，edp為損失的能量，Rx為介質(zhì)，kw為計量單位，n為原有通風(fēng)口數(shù)量，個。為了加大通風(fēng)的速度與面積，對之前的通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)，假設(shè)原有通風(fēng)口的數(shù)量為n，繼續(xù)增加，表達(dá)式為：

式(4)中，Kdp代表損耗系數(shù)，R′x代表優(yōu)化后的阻力介質(zhì)，Q′3x代表優(yōu)化后的風(fēng)壓，m代表新增的通風(fēng)口數(shù)量，個。結(jié)合上述公式預(yù)測節(jié)能公式為：

Kdp=m2/n

(5)

對比得知，優(yōu)化后消耗的能量比原來減小一半，功率也是如此，為工程后期維護(hù)儲存了能量，從而形成一個循環(huán)能量系統(tǒng)[12]。不需要外力的參與，依舊能夠開采，保證環(huán)保與節(jié)能同時進(jìn)行，那么效率公式可表示為：

?dp=(1-Kdp)×100%

(6)

由公式可知，效率的大小與系統(tǒng)中通風(fēng)口的數(shù)量有關(guān)，數(shù)量越多，風(fēng)阻越小，消耗的能量越少，所需要的功率也就越小，金屬礦石的利用率越高，所得到的經(jīng)濟(jì)效益越高。

2.2 礦山開采的優(yōu)化設(shè)計

選取合適的礦化菌種，可以是不具有腐蝕功能的普通溶液與真菌[13]，在溫度為28 ℃與濕度為26%的環(huán)境下自行生出分解酶，本身具有酸性，與金屬礦石混合就會發(fā)生特異性反應(yīng)，沉淀即可，需要注意的是任何溶液反應(yīng)的時間都需要控制，并且要實時監(jiān)測溶液或者固體的pH，當(dāng)pH=7.0時，為最佳配制時間。

在時間一定的基礎(chǔ)上，逐漸增加對巖石的壓力，直到出現(xiàn)破裂為止，然后分別測量出不同種類巖石的硬度。

巖土的硬度與彈性是控制巖土危害的主要參數(shù)， 將巖土的彈性公式表示為：

(7)

式(7)中，We為巖土的彈性性能，δ20代表彈性系數(shù)，E代表磁場強(qiáng)度。

考慮到各種干擾因素[14]，需要控制參數(shù)的波動范圍，因此按照國家規(guī)定的巖土的各項標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可將樣本的類別劃分為：①當(dāng)We<40 kJ/m3時代表該巖石性質(zhì)為弱性巖石；②當(dāng)We<100 kJ/m3時代表該巖石的彈性程度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；③當(dāng)We>100 kJ/m3時代表該巖石為強(qiáng)彈性巖石。

若以銅作為主要的金屬物質(zhì)，為了控制其質(zhì)變的范圍，通過實驗儀器來進(jìn)行測試[15]，可得到表達(dá)式為：

(8)

式(8)中，Qcu為巖土的原始壓力，P為土地對巖石的壓力，t為受力面積。

確定巖體的基本性能后，把重量為1 kg的樣本土壤沉淀分層，取出主要部分，與配制的溶液按照比例完成配制，根據(jù)礦山的面積制定環(huán)保計劃，將溶液的濃度依次設(shè)定為1%、5%、10%、15%、20%分別混合，20 min后將沉淀物加壓碾碎，通過儀器提取出其中的Cu、Ag、Hg等，檢測出含量多少，剩余物質(zhì)利用物理技術(shù)銷毀，保證環(huán)境清潔。經(jīng)過檢測與排出后，將含有金屬的礦石用作工藝材料，制作出商品，流程見圖2。

圖2 開采節(jié)能減排技術(shù)工藝

為了驗證工藝技術(shù)的環(huán)保性能，分析污染物的形成，檢測污染指數(shù)，判斷指數(shù)的大小來確定是否為環(huán)保工藝，也可以測定出對生態(tài)環(huán)境的影響，劃分出污染等級，將指數(shù)控制在等級范圍內(nèi)，表達(dá)式為：

(DN)={[(Bx/Vx)2+(Bx/Vx)2]/2}1/2

(9)

式(9)中，(DN)代表為污染等級，Bx為實際污染程度，Vx為預(yù)測污染程度，x為污染物。

通過上述數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確知道開采對環(huán)境的危害程度，使用儀器對其監(jiān)控，確保節(jié)能指數(shù)的增長。在此基礎(chǔ)上計算開挖機(jī)構(gòu)功率消耗問題，將公式表示為：

(10)

式(10)中，ε為開挖機(jī)構(gòu)的開口率，GD為開挖機(jī)構(gòu)的重量，t為開挖機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，n為重力加速度，F(xiàn)v為掘進(jìn)速度。

將浸取功率消耗情況表示為：

(11)

式(11)中，η為安全系數(shù)，Q為攪拌裝置的浸取流量，L為裝置長度，w為阻力系數(shù)，d為摩擦系數(shù)。

經(jīng)過上述過程計算采礦裝置的主要消耗功率，在實際開采時，以此為計算指標(biāo)，為后續(xù)優(yōu)化采掘裝置提供理論依據(jù)，以此完成金屬礦山環(huán)保開采。

3 試驗分析

為驗證提出的金屬礦山開采過程中的環(huán)保節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果，以廣西河池有色金屬礦山為研究對象，經(jīng)過機(jī)器檢測可以明確，試驗地區(qū)最低臺階標(biāo)高為885 m，最高臺階標(biāo)高為1 450 m，露天采場上口尺寸為3 042 m×1 012 m，露天境界最大采深為550 m。

樣本中含有的金屬物質(zhì)以銅與鎳為主，占據(jù)樣本的一大部分，剩余的包括泥灰?guī)r、石灰?guī)r等，還有一些微量顆粒，有Cu、Ni、As、Sb等。并且該地地形較為復(fù)雜，開采起來有一定難度，為此得到的結(jié)果更具有代表性。

由于廣西河池有色金屬礦山巖土工程在開采過程中使用電功率、耗水、耗電和污泥排放量均較大，因此研究試驗將使用電功率、每立方米耗電、每立方米耗水與污泥排放量作為試驗指標(biāo)，通過這4個指標(biāo)來衡量環(huán)保節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果。

3.1 使用電功率對比

對比應(yīng)用本文技術(shù)前后在開采中的使用電功率，對比結(jié)果見圖3。

圖3 電功率對比

由圖3可知，應(yīng)用本文技術(shù)后在幾個點的開采中使用的電功率<20 kW，應(yīng)用本文技術(shù)前的電功率<35 kW，應(yīng)用本文技術(shù)后在開采中的使用電功率是最小的，明顯小于應(yīng)用本文技術(shù)前使用的電功率。

3.2 每立方米耗電對比

對比應(yīng)用本文技術(shù)前后在開采過程中每立方耗電，對比結(jié)果見圖4。

圖4 每立方米耗電對比

經(jīng)過上述對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用本文技術(shù)前耗費的電量<5 kW·h，應(yīng)用本文技術(shù)后耗費的電量<3 kW·h，應(yīng)用本文技術(shù)后耗費的電量遠(yuǎn)高于應(yīng)用本文技術(shù)后。

3.3 每立方米耗水對比

對比應(yīng)用本文技術(shù)前后每立方米耗水情況，對比結(jié)果見圖5。

圖5 每立方米耗水對比

由圖5可知，應(yīng)用本文技術(shù)后的耗水<1 t，應(yīng)用本文技術(shù)前的耗水<5 t，應(yīng)用本文技術(shù)后的耗水較少，原因是本文技術(shù)能夠分析出污染物的情況，劃分污染等級，及時采用了相關(guān)方法處理，從而減少了水資源的浪費，較應(yīng)用本文技術(shù)前的應(yīng)用效果好。

3.4 污泥排放量對比

對比應(yīng)用本文技術(shù)前后的污泥排放量，對比結(jié)果見圖6。

圖6 污泥排放量對比

由圖6可知，應(yīng)用本文技術(shù)后的排污量<2 m3，應(yīng)用本文技術(shù)前的排污量<4 m3，應(yīng)用本文技術(shù)后的排污量較少，符合環(huán)保施工的要求。

綜上所研究的環(huán)保節(jié)能技術(shù)不僅減少了耗電量，還減少了耗水量與污泥排放量，證明環(huán)保節(jié)能技術(shù)是非常有效的。

4 結(jié) 語

經(jīng)過上述過程完成金屬礦山開采工程的環(huán)保節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，利用更加簡單與破壞性弱的節(jié)能技術(shù)來挖掘與分析，并通過試驗驗證了該技術(shù)的有效性。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)能夠控制污染源的產(chǎn)生，加固了自然環(huán)境的穩(wěn)定，能維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，減少資金與人力，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，具備較好的應(yīng)用效果。然而，研究時間有限，所提出的技術(shù)還有不足之處，后續(xù)研究中，還需要進(jìn)一步優(yōu)化所提出的方法。