王湖鑫¹  陈  何¹  吴桂才²  张绍国²

(1．北京矿冶研究总院，北京，100160；2．华锡集团铜坑矿，广西南丹，545006)

摘要：铜坑矿细脉带矿体自燃主要生成气体为S0₂，给当地环境造成了一定的污染。经过对其发火机理进行深人研究，提出了回收残矿以根除火源、密闭空区以隔绝氧气、喷洒碱水以无害化处理溢出SO₂的处理方案。该方案实施后，消除火区隐患，自燃产生的SO₂得到彻底治理，达到了治理目标。

关键词：SO₂污染治理；火区隐患；环境治理

1项目背景

铜坑矿主要开采对象为细脉带、91号、92号三大矿体。开采的三大矿体从上至下依次为细脉带、91号、92号矿体，在竖直方向局部呈重叠状态。

最先开采的细脉带矿体位于铜坑矿三大矿体最上部。1976年矿岩崩落带发生了矿岩自燃，燃烧物质随着出矿而进入到工作面，对采矿作业造成极大的威胁。铜坑矿经过30多年的开采，遗留下大量空区，随着时间的推移，空区围岩的稳定性逐步降低，形成空区垮塌、隔火矿柱冒落等事故隐患。如果发生事故，必将造成火区蔓延、地压灾害失控的情况出现。1997年，被广西认定为特大事故隐患区 。河池市环境保护局、南丹县环境保护局将其列为 “环境问题突出挂牌督办企业”。

多年来，虽然铜坑矿投入了大量的人力物力进行治理，是火区和地压灾害隐患基本处于受控状态。但是，触发事故的因素依然存在。1998年、1999年、2003年均出现了地表塌陷。采场局部垮塌和采区岩层移动也时有发生，火区自然产生的SO₂气体对环境也造成很大的污染。细脉带火区与空区隐患成为困扰铜坑矿正常生产的重大难题。从2003年，受华锡集团委托，北京矿冶研究总院矿山所开始进行铜坑矿隐患治理研究。

2发火机理

物质要发生燃烧的必要条件是：具有可燃烧的物质，达到一定的温度和供物质燃烧的氧气。根据研究，铜坑矿细脉带火区自燃的可燃烧物质是含碳的碳质页岩，达到发生燃烧温度的热量是通过矿石中(特别是经过预氧化的黄铁矿)的氧化而聚集。当同时具备充足的氧气时，矿石即发生自燃^[1]。

 由于细脉带上部矿体大部分为含锡黄铁矿和磁黄铁矿，含硫量高达10．16％以上，如暴露在通风好的情况下易引起自燃。只有硫化物中硫铁矿的硫含量达到足以引起矿岩自燃的量才发火自燃，因此该矿物是引起火灾的主要物质。经试验表明，接触破碎带是主要的自燃发火带，其原因是黄铁矿不同程度地演变为无定形黄铁矿，经历了预氧化过程。随着深度增加，矿石中黄铁矿预氧化程度降低。矿岩自燃可能性减小。

现场试验还表明，炭质岩中只有局部地点的炭质岩有自燃特性，由于炭在高于140℃以上时即开始氧化并放出热量，主要是FeS₂、C与氧气复合作用引起。由于炭质页岩成片伸入，矿段内大量流矿，以及炭质贝岩大量冒落，其中的单质碳参与氧化，释放热量，同时放出S0₂，与C0₂。

也就是上述原因，在细脉带火区封闭多年得到治理后，由于民窿非法在隔火矿柱及其上部崩落大量矿石和围岩，造成地表原来已填平的6号、8号等陷坑发生新的塌陷，从而导致了1999年以来火区的复燃，给生产与矿山环境带来很大危害。

3治理办案

铜坑矿细脉带火区烟气治理方案是回收残矿除去燃烧源，密闭隔绝氧气供应，对地表处理溢出SO₂进行无害化处理。

采用集束孔区域整体崩落采矿、高阶段斜面大量放矿等先进技术对残矿进行回收，除去火区燃烧源，从源头上控制烟气的产生，同时治理空区隐患。

井下修建密闭墙，地表采用硐室爆破覆盖结合机械取土覆盖塌陷坑等技术措施，隔绝火区氧气供应，阻止SO₂溢出对井下工作影响和地表环境破坏。

地表溢出SO₂无害化处理。采用碱吸收法——氢氧化钙湿式洗涤法吸收塌陷坑溢出的SO₂、2号回风井排出的SO₂，喷淋液渗入到塌陷坑内吸收SO₂，并抑制火区的燃烧。

同时，建设安全保障系统工程，包括井下地压监测系统、地表岩层移动观测网、有害气体监测系统。

4方案实施

4．1  残矿回收和空区处理

细脉带经过多年开采，650m水平以上已形成至地表的崩落带；625～650m水平留作隔火矿柱；570～625m水平为细脉带开采主体。开采形成的空区部分用废石充填、块石胶结充填进行了处理，部分发生垮落。截至2003年12月底，570～625m水平剩余空区量为8．8×10⁴m³。

根据细脉带矿体剩余矿量的分布情况及开采条件，对560m以下关键部位的空区进行充填治理后，分两个区域逐次采用大爆破进行细脉带矿石资源回收。采用空区部分充填、深孔区域整体崩落隔火柱矿、空区方案。按不同爆破条件和预期的效果要求，采用束状竖直大直径深孔为主，局部辅以100mm的上向中深孔和小型硐室分次爆破技术。关键技术有：阶段束状深孔变抵抗线爆破技术、区域整体崩落、高阶段斜面放矿等技术。建立了爆破震动衰减模型、井下冲击波传播衰减模型，对爆破有害效应进行准确预测。采用预裂降震、柔性阻波墙、实时监测等技术手段，对爆破有害效应进行有效控制^[2～4]。空区分布图和空区群区域整体崩落如图1和图2所示。

2005年3月28日，在铜坑矿进行了装药量为150t的地下大爆破。这次大爆破是到目前为止国内最大爆破量的大直径深孔地下矿山爆破。爆区爆破崩落面积为6500m²，崩落矿量77万吨，总装药量达150t。

2007年2月6日，成功实施了第二爆区大爆破。爆破崩落矿岩总量为2．2万吨，其中束状大孔崩落1．5万吨，硐室崩落O．7万吨。强制放顶面积1500m²。采空区内冒落存窿矿石11万吨。

在大爆破后，开始进行放矿和覆盖岩层下分段无底柱开采爆区西部相对完整的细脉带矿体。根据采区情况，分别采用Ф65mm，Ф100mm两种孔径中深孔进行爆破落矿。中深孔控制崩矿总量为44．1万吨。

细脉带爆破后，即开始高强度出矿，从2005年至2011年，共计出矿195．5万吨。该方案实施后，成功地消除空区地压隐患，消除火区燃烧源。

细脉带火区治理充填空区8×10⁴m³，崩落空区6．4×10⁵m³，回收残留矿石195．5万吨。

4．2  空区密闭

4．2．1  井下密闭墙

 井下密闭工程的布置原则是密闭范围为560m以上各水平细脉带范围的出矿穿与细脉带火区联通的通道，根据生产系统的要求，对上、下盘的一些溜井及通风天井要保持畅通，继续使用。共设计了94道密闭墙(如图3、图4所示)。

4．2．2地表塌陷坑硐室爆破覆盖

地表塌陷坑硐室爆破覆盖方案，利用地表塌陷坑附近山体，通过施工平巷、装药硐室，利用硐室加强松动爆破或抛掷爆破，将塌陷坑边壁的山体崩落至坑内，将塌陷坑填满(见图5)；爆破后根据覆盖层的密封效果，决定是否采用喷浆胶结等进一步的密实措施，使其形成良好的覆盖层。在塌陷坑周边开挖水沟排水，阻止地表水流进入塌陷坑。

爆破区域属于铜坑矿地表允许塌陷区域。爆破地点所揭露的岩层为灰岩、泥质页岩、碳质页岩等，岩层上部有黄土覆盖层，岩层含少量水，但不滴水。

根据塌陷坑空间估算每次需要填方量。将塌陷坑边壁的山头崩落至坑内，形成覆盖层。同时考虑爆破规模对周边环境影响的控制和组织实施的可操作性，每次爆破的规模控制在15t炸药量以内，崩落岩土方量6×10⁴m³以内。一般选择单层多硐室或单层单硐室集中药包布置方式。

4．2．3地表塌陷坑机械取土覆盖方案

由于塌陷坑周边形成大量裂缝，部分塌陷坑无法采用大规模硐室爆破，采用机械铲装、汽车拉运进行覆盖。

土方由现场指定地方进行挖掘，填方量根据地形图施工前后现场实测量为准。有明显塌陷坑的区域要填平，无明显下陷但正在冒烟的区域覆盖厚度以覆土压实后不再冒烟为准。

地表塌陷坑硐室爆破覆盖共计爆破11次。地表机械取土覆盖量计1．12l×10⁵m³。

4．3 SO₂无害化处理

SO₂废气的治理方法共有两种，即收集法和转化法。这两种方法又分为若干方法，具体分类见表l。

表1  SO2废弃的治理方法

按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫分为湿法、半干法、干法三大类脱硫工艺。湿法脱硫技术较为成熟，效率高，操作简单；但脱硫产物的处理较难，烟气温度较低，不利于扩散，设备及管道防腐蚀问题较为突出。半干法、干法脱硫技术的脱硫产物为干粉状，容易处理，工艺较简单；但脱硫效率较低，脱硫剂利用率低。

由于铜坑矿危害气体为SO₂毒气，选择碱吸收法----氢氧化钙湿式洗涤法予以处理。雾状的石灰水首先与冒出地面的SO₂发生吸收反应，再渗入塌陷坑内吸收废气，抑制火区的燃烧^[1,2]。实践证明，均匀喷射石灰水对地表塌陷坑废气治理有显著效果。石灰水与S0₂、O₂等气体发生反应，主要分为吸收和氧化两个步骤，但反应机理很复杂，主要反应方程式如下：

Ca(0H)₂+S0₂＝Ca S0₃·1／2H₂0+1／2H₂0

2CaSO₃·1／2H₂0+3H₂0+0₂＝2CaS0₂·2H₂0

氢氧化钙湿式洗涤法原料来源广，工艺操作简单、成熟可靠，运行成本低，副产品不会对环境产生二次污染。

井下的S0₂经过回风系统，通过2号回风井排除，采用碱吸收方案对其进行处理。如图6所示为地表废气碱吸收工艺图。

4．4 SO₂气体监测

根据铜坑细脉带火区燃烧的特性，影响环境的主要因素为矿岩燃烧释放的S0₂等有害气体，因此，将S0₂作为重点监测内容。

为掌握铜坑矿地表塌陷区废气治理效果，铜坑矿聘请河池市环境监测站、广西矿山救援大队华锡中队与铜坑矿安环科组成专业监测组，对塌陷区及其周边矿区环境进行长期的跟踪监测与分析，并对治理措施、效果进行评价。

在地表塌陷坑四周布置环境监测点，重点监测塌陷坑附近，铜坑矿生产区、生活区，长坡矿生产区、生活区。采样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。主要仪器采用TH-150智能流量悬浮颗粒采样器、721分光光度计。

井下环境因素变化监测区域为细脉带作业区，环境因素变化主要受作业区通风情况、放矿速度及火区燃烧物质下降速度的影响。

环境空气评价标准执行《环境空气质量标准》(GB 3095一1996)中的二级标准。

5治理效果

根据相关部门的监测表明，临测点位环境空气中的S0₂小时平均浓度及日均浓度、NO₂小时平均浓度及日平均浓度、TSP日平均浓度、PMl0日平均浓度均符合《环境空气质量标准》(GB3095一l996)及其修改单中的二级标准。如长坡口生活区治理前最高超过7×10^-6(日平均)，治理后低于0．009×10^-6(日平均)，达到了治理目标，2014年2月26日，通过河池市环境保护局的工作验收。烟气治理前后的效果图分别如图7和图8所示。

6结论

(1)细脉带矿体开采过程中留下的采空区，随着时间的推移，空区围岩的稳定性逐步降低，从而形成空区垮塌、隔火矿柱冒落等事故隐患。上述情况有造成火区蔓延、地压危害失控的可能性，造成资源浪费，因此开展相关采矿技术的研究是非常必要的，对消除安全隐患和细脉带资源回收有重大意义。

(2)总体治理措施包括：

1)脉带火区残留矿体回收，消除火区燃烧源；

2)火区的密闭采用井下密闭墙，地表塌陷坑崩落覆盖，地表塌陷坑机械取土覆盖等技术措施，隔绝火区氧气供应，阻止S0₂溢出对井下工作影响和地表环境破坏；

3)地表溢出SO₂无害化处理采用碱吸收法——氢氧化钙湿式洗涤法吸收塌陷坑溢出的SO₂、2号回风井排出的SO₂，通过渗入到塌陷坑内吸收SO₂，并抑制火区的燃烧。

(3)细脉带火区烟气治理充填空区8×10⁴m³，崩落空区6．4×10⁵m³，回收残留矿石195．5万吨；井下建市了94道密闭墙，进行了11次地表硐室爆破覆盖，地表机械取土覆盖方量1．121×10⁵m³；建设了地表石灰水喷淋系统，处理溢出S0₂。

(4)河池市环保监测站的监测数据表明，细脉带火区环境数据已符合《环境空气质量》(GB 3095—1996)中的二级标准，达到了治理目标要求。

[1]  韦显云．广西大厂铜坑矿火区烟气治理与控制[J]．采矿技术，2009，（3）．

[2]  罗先伟．特大事故隐患矿群回采技术研究[J]．中国矿业，2007，（9）．

[3]  陈何，孙忠铭，等．铜坑矿细脉带矿体特大事故隐患区治理方案的研究[J]．中国矿业，2008，（3）．

[4]  陈何，韦方景．铜坑矿细脉带特大事故隐患区火区治理技术与工程实施[J]．中国矿业，2009，(11)．

摘自《中国爆破新进展》