趙國彥　吳攀　裴佃飛　趙源

摘要：綠色開采是“綠水青山就是金山銀山”的充分體現(xiàn)。隨著中國金屬礦開采逐漸走向深部和國家對(duì)資源環(huán)保政策的落實(shí)與嚴(yán)格管控，深部金屬礦綠色開采將成為礦業(yè)開發(fā)的新常態(tài)。為了在滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的同時(shí)實(shí)現(xiàn)金屬礦開采的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，回顧了國內(nèi)金屬礦綠色開采發(fā)展的3個(gè)階段，系統(tǒng)分析了深部金屬礦綠色開采面臨的挑戰(zhàn)，提出了金屬礦山的綠色開采模式，探尋了深部金屬礦綠色開采“高效兩無一生態(tài)”的技術(shù)架構(gòu)體系，介紹了金屬礦綠色開采關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用，以期為深部金屬礦安全高效環(huán)保開采提供理論和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：綠色開采;深部金屬礦;綠色開采模式;技術(shù)體系;全尾砂充填;生態(tài)重構(gòu);尾廢堆存

中圖分類號(hào)：TD85 文章編號(hào)：1001-1277（2020）09-0058-08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20200909

引 言

得益于科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，金屬礦山機(jī)械化水平不斷提高、開采規(guī)模和開采深度逐漸加大[1]。目前，淺層礦床已經(jīng)被開采殆盡，根據(jù)“向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”的口號(hào)，深部開采將成為未來金屬礦山的發(fā)展趨勢[2]。因此，國家科技部提出“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深部金屬礦綠色開采關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”。綠色開采的概念首先由錢鳴高院士針對(duì)煤礦提出[3]，而關(guān)于金屬礦綠色開采理論和技術(shù)的研究方興未艾，并已取得一定成果。王建法等[4-5]提出了金屬礦綠色開采的理念和技術(shù)框架，并構(gòu)建了金屬礦綠色開采指標(biāo)體系;仝海偉[6]分析了金屬礦綠色開采技術(shù)的內(nèi)涵和意義，介紹了綠色開采技術(shù)在金屬礦山的應(yīng)用。姜廷劍[7]結(jié)合可持續(xù)發(fā)展理論和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論提出了一種金屬礦綠色開采評(píng)價(jià)體系。趙國彥等[8]針對(duì)金屬礦綠色開采技術(shù)應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)評(píng)價(jià)。本研究在分析深部金屬礦綠色開采現(xiàn)狀和開采模式的基礎(chǔ)上，提出金屬礦綠色開采技術(shù)體系并對(duì)具體技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)例分析，既總攬了礦山深部開采的主流事實(shí)，又順應(yīng)了當(dāng)前礦業(yè)綠色、環(huán)保、安全、高效的國家政策與經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，以期為深部金屬礦安全高效環(huán)保開采提供理論支撐和技術(shù)保障。

1 綠色開采歷史與發(fā)展

自20世紀(jì)中葉以來，人們的綠色環(huán)保意識(shí)逐漸覺醒，礦山的綠色發(fā)展日漸成熟，通觀金屬礦綠色開采的發(fā)展歷程，金屬礦綠色開采歷史與發(fā)展可分為3個(gè)階段。

第一，綠色開采萌芽階段。21世紀(jì)前，人們提出了綠色礦業(yè)、綠色礦山等概念，礦山綠色發(fā)展成為普遍共識(shí)，與綠色相關(guān)的研究、理論、技術(shù)得到發(fā)展，雖然這一階段的綠色礦山、綠色礦業(yè)僅僅停留在礦區(qū)植被保護(hù)及周邊環(huán)境美化等外觀初級(jí)綠色，并沒有細(xì)化至資源開發(fā)利用領(lǐng)域，但是礦山對(duì)于資源環(huán)境的重視孕育了綠色開采的萌芽。

第二，綠色開采初級(jí)階段。2003年，錢鳴高院士針對(duì)煤礦提出綠色開采的概念，隨后國內(nèi)針對(duì)綠色開采的相關(guān)研究逐漸增多，綠色開采技術(shù)也得到大力發(fā)展。此階段綠色開采政策激勵(lì)機(jī)制逐步完善，綠色開采技術(shù)在礦山得到實(shí)際應(yīng)用，礦山綠色發(fā)展從關(guān)注景觀過渡到關(guān)注資源綜合利用。

第三，綠色開采推廣發(fā)展階段。2015年至今，國家制定各項(xiàng)礦山環(huán)保政策，形成綠色標(biāo)準(zhǔn)體系并落實(shí)與綠色開采配套的政策措施，全面推廣綠色開采技術(shù)，提出了“大中型礦山基本達(dá)到綠色標(biāo)準(zhǔn)，小型礦山按照綠色規(guī)范管理”的全國綠色礦山總體目標(biāo)。從此綠色開采進(jìn)入關(guān)注實(shí)質(zhì)內(nèi)涵的階段。礦山在生命周期的全過程全方位開展綠色開采，建立、完善并形成了各礦山特有的綠色技術(shù)與綠色標(biāo)準(zhǔn)體系。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2019年，國外開采深度超過千米的深井礦山有112座[9-11]。國內(nèi)方面，目前開采深度達(dá)到或超過千米的金屬礦山已達(dá)16座（見表1、圖1），半數(shù)以上為金礦（見圖2），而有分析預(yù)計(jì)國內(nèi)深井礦山的數(shù)量將在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到世界第一[12]。進(jìn)入深部開采的礦山前期大多經(jīng)歷過非綠色的粗放式淺部資源開采，因此，深井礦山不僅需要解決高地應(yīng)力、高井深、高地溫等諸多深部關(guān)鍵難題[13]，同時(shí)還面臨著前期礦山堆積尾廢的處理，隱蔽災(zāi)害的探測與控制，以及地表生態(tài)破壞的修復(fù)等問題。而綠色開采前期投資較高、綠色開采系統(tǒng)建設(shè)周期較長、短期投資收益不明顯等問題，限制了綠色開采技術(shù)在深部金屬礦的普及應(yīng)用。鑒于以上問題，有必要構(gòu)建深部金屬礦綠色開采技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境、深地、綠色四大要素的和諧統(tǒng)一。

2 綠色開采模式

2.1 按礦山生命周期劃分

金屬礦綠色開采模式有多種，按照開采的生產(chǎn)時(shí)序和礦山生命周期，可以將模式劃分為3個(gè)類型：源頭預(yù)防型、末端治理型和全程管控型。

1）源頭預(yù)防型。源頭預(yù)防型模式在生產(chǎn)時(shí)序上重點(diǎn)關(guān)注采礦的前段工藝。例如：選擇合適的金屬礦深部開采方法以降低礦石貧化率，從源頭減少廢石;將礦廢分選環(huán)節(jié)放在井下，并將選出的廢石用于井下充填，實(shí)現(xiàn)“廢石不出井”。在礦山生命周期中，源頭預(yù)防型模式關(guān)注礦山規(guī)劃和建設(shè)階段，提倡在前期建設(shè)尾廢處置設(shè)施并制定詳細(xì)的尾廢處置及環(huán)境保護(hù)方案。政府為治理礦山環(huán)境污染采取的環(huán)境影響評(píng)估（EIA）、頒發(fā)許可證書、建立礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)基金等措施均是在落實(shí)源頭預(yù)防。

2）末端治理型。末端治理型模式的核心思想是在礦山生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié)，對(duì)即將進(jìn)入自然環(huán)境的污染物進(jìn)行處理，使其符合能夠向環(huán)境排放的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。在金屬礦開采中，末端治理體現(xiàn)在企業(yè)對(duì)采選產(chǎn)生的廢水、廢氣經(jīng)過集中凈化處理后排放;對(duì)廢石和尾礦在礦山開采期間按照環(huán)保要求進(jìn)行堆存，在尾礦庫庫容用盡后按照要求封閉并進(jìn)行生態(tài)綠化或者復(fù)墾。

這一模式僅需要在污染物進(jìn)入環(huán)境前的最后環(huán)節(jié)采取治理措施，具有思路簡單的優(yōu)點(diǎn)。但是，也需要較大規(guī)模的污染物處理設(shè)施，且不能消除末端治理前已經(jīng)擴(kuò)散的污染物。對(duì)于產(chǎn)生污染物較多的大中型金屬礦，治理效果有限。

3）全程管控型。這一模式既優(yōu)化開采的中間過程又兼顧最后的治理環(huán)節(jié)，提倡在生產(chǎn)過程中就開始著手降低污染物的產(chǎn)量，而不僅僅是將污染物治理的措施放在生產(chǎn)末端甚至是礦山生命后期?！盁o廢開采”和“協(xié)同開采”是本模式的典型案例?！盁o廢開采”強(qiáng)調(diào)在金屬礦采選生產(chǎn)中，企業(yè)應(yīng)對(duì)開采環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢石和選礦環(huán)節(jié)產(chǎn)生的尾礦進(jìn)行綜合利用，對(duì)礦井水進(jìn)行循環(huán)使用，降低最終要堆存和排放到環(huán)境中的污染物數(shù)量?！皡f(xié)同開采”主要指企業(yè)的資源開采行為應(yīng)當(dāng)與災(zāi)害處理及污染物治理的行為合作、協(xié)調(diào)與同步，從開采工藝上融合礦石開采和廢物利用的環(huán)節(jié)，深部金屬礦開采中常用的充填采礦法就是一種典型的協(xié)同開采方式。

2.2 按尾廢處置方式劃分

金屬礦尾廢處置主要有資源化利用、充填、堆存3種方式，因此按照處置方式可歸納為資源化利用主導(dǎo)型、全尾砂充填主導(dǎo)型、生態(tài)處置無害堆存主導(dǎo)型和復(fù)合型4種類型。其中，復(fù)合型是指由2種及2種以上處置方式主導(dǎo)的模式，如山東平度金礦尾砂細(xì)粒級(jí)井下充填、粗粒級(jí)資源化利用就屬于復(fù)合型。

1）資源化利用主導(dǎo)型。該綠色開采模式即將尾廢作為資源充分利用，增加了尾礦加工廠和廢石加工點(diǎn)，將尾廢變成產(chǎn)品外售。資源化利用主導(dǎo)型模式需要研究尾廢特性，精煉其中的有用礦物，研發(fā)生產(chǎn)市場需求的產(chǎn)品，為尾廢的消化處置尋找渠道。通常，資源化利用方式多種多樣，包括有價(jià)成分再選、建筑材料、路基材料、陶瓷材料、石子等，還可以生產(chǎn)水泥、微晶玻璃、3D打印材料等。

有價(jià)成分再選受選礦條件、冶煉技術(shù)和設(shè)備限制，許多稀有元素、有價(jià)金屬及其他有用組分殘存在尾礦中，通過采選技術(shù)更新和設(shè)備升級(jí)，有可能對(duì)尾礦中有用礦物及稀有元素組分進(jìn)行再選和回收，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。以金礦為例，2013年中國金礦尾礦累計(jì)達(dá)到12.98億t[15]，尾礦主要成分為SiO2，還有少量金銀銅等。江西某蝕變巖型金礦浮選尾礦采用螺旋溜槽+搖床聯(lián)合重選工藝重選，總金回收率達(dá)到23.70 %[16]。漢陰金礦尾礦采用溜槽膜黏金工藝，進(jìn)一步回收尾礦中的金，使尾礦中金品位低于0.04 g/t[17]。原義興寨金礦尾礦中含金、銀、鋅等多金屬，采用浮選—氰化浸出—鋅粉置換—尾礦再選工藝，實(shí)現(xiàn)金、銀、鋅的綜合回收[18]。

此外，金屬尾礦粒度極細(xì)，可以代替水泥成為生產(chǎn)原料，還可以作水泥礦化劑;也可以加工成建筑、道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施中用量最大且不可或缺的砂石骨料;同時(shí)，還可以生產(chǎn)陶瓷、玻璃、微晶玻璃等，加入起泡劑后又可以生產(chǎn)泡沫微晶玻璃，以及保溫、隔熱、吸聲的新型輕質(zhì)建材。

2）全尾砂充填主導(dǎo)型。全尾砂充填主導(dǎo)型綠色開采模式的主要思想是將廢石和尾礦作為礦山充填骨料。目前最流行的是全尾砂充填技術(shù)，通過濃密工藝并添加一定的膠凝材料，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬礦山粗粒及細(xì)粒尾砂的全部利用，理論利用率可達(dá)100 %，因此全尾砂充填逐漸成為主流的充填技術(shù)。但是，由于井下充填的采空區(qū)有限，所以多數(shù)礦種（如金礦）采用全尾砂充填主導(dǎo)型模式依然無法利用全部尾廢。

3）生態(tài)處置無害堆存主導(dǎo)型。該模式是與現(xiàn)階段金屬礦常用尾廢處置方式最為接近的模式。其主要思想是對(duì)排土場和尾礦庫進(jìn)行無害化治理和生態(tài)化修復(fù)，杜絕尾廢堆存場所對(duì)人類和環(huán)境的危害。

國內(nèi)尾礦以濕式堆存為主，近年來隨著對(duì)安全、環(huán)境、水資源越來越重視，以及尾礦濃密技術(shù)的發(fā)展，一些礦山采用了干式堆存、膏體堆存和固結(jié)堆存。

尾礦干式堆存將尾礦料漿壓濾成濾餅后進(jìn)行排放，濾餅濃度在80 %以上，具有有效庫容量大幅上升、服務(wù)年限延長、建庫成本和管理成本大幅降低、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)90年代后期，綜合尾砂濕排和干堆的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展了一種尾砂半干排的方法，即尾砂濃密成膏體排放，具有尾砂不離析、高黏度、滲透率低等特點(diǎn)，減輕了環(huán)境污染和潰壩、滲水危險(xiǎn)，保證了堆體的穩(wěn)定性。

尾礦固結(jié)排放是選擇性地向堆場四周的尾砂添加適當(dāng)膠凝材料，將尾砂堆場四周固結(jié)，形成湯圓狀的尾砂堆場，因而具有自穩(wěn)性好、防滲能力強(qiáng)、成本低、安全性好的特點(diǎn)。

生態(tài)化修復(fù)是生態(tài)、無害堆存主導(dǎo)型綠色開采模式的關(guān)鍵，由于重金屬具有難降解、易聚集、污染時(shí)間長的特點(diǎn)，潛在污染風(fēng)險(xiǎn)較嚴(yán)重[19]，造成的污染危害與生態(tài)破壞[20]等不容忽視。目前主要有改良劑修復(fù)、植物修復(fù)、微生物修復(fù)3類技術(shù)手段。

4）復(fù)合型。復(fù)合型綠色開采模式是同時(shí)采用資源化利用、全尾砂充填、生態(tài)處置無害堆存中2種或2種以上方式來主導(dǎo)礦山尾廢處置，百分之百消納礦山尾廢，打造真正的“無尾、無廢”礦山。

復(fù)合型模式的核心在于對(duì)尾礦和廢石進(jìn)行精細(xì)化的管理，為每種尾廢尋找合適的利用途徑。在山東平度金礦的細(xì)粒級(jí)充填、粗粒級(jí)資源化實(shí)踐中，粗粒級(jí)尾砂力學(xué)性能較好，可制作加氣混凝土砌塊、瓷磚膠、干混砂漿等建筑材料;細(xì)粒級(jí)尾砂則利用全尾砂充填技術(shù)，經(jīng)濃密并添加膠凝材料后充填到井下。

3 綠色開采技術(shù)體系

深部金屬礦綠色開采技術(shù)體系可概括為“高效兩無一生態(tài)”——高效化、無廢化、無害化和生態(tài)化（見圖3），涉及的要素有：機(jī)械化設(shè)備、無人化機(jī)器，自動(dòng)化系統(tǒng)、智能化平臺(tái)等設(shè)施，以及無廢開采、尾廢綜合利用、全尾砂充填、災(zāi)害控制、尾廢無害處理、生態(tài)重構(gòu)和區(qū)域地表修復(fù)等技術(shù)。深部金屬礦生產(chǎn)的高效化、無廢化、無害化和生態(tài)化，是當(dāng)代礦山綠色開采的整體構(gòu)想和階段目標(biāo)。

3.1 高效化

高效化是實(shí)現(xiàn)深部開采的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，建設(shè)智慧礦山的任務(wù)提上了日程，機(jī)械化、無人化、自動(dòng)化、智能化成為礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢。綠色開采技術(shù)作為礦業(yè)研究前沿的技術(shù)，通過多學(xué)科技術(shù)交叉融合，以礦山為對(duì)象，以信息化技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為重要支撐，研究新的高效化采礦工藝，探討高效化的綠色開采技術(shù)裝備和采礦技術(shù)，可有效解決深部的惡劣環(huán)境問題，進(jìn)而推動(dòng)深部金屬礦的發(fā)展。

1）機(jī)械化。金屬礦機(jī)械化與煤礦相比有較大的提升空間，金屬礦機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展，主要是圍繞提高效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度這一核心，以無軌化、大型化、液壓化、集中化為方向。

2）無人化。金屬礦采礦無人化是在機(jī)械化技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再發(fā)展，對(duì)機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行無人化改進(jìn)，應(yīng)用遙感技術(shù)、信息技術(shù)與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人化的井下作業(yè)。

3）自動(dòng)化。金屬礦的自動(dòng)化技術(shù)主要是指機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)和電氣自動(dòng)化。自動(dòng)化技術(shù)以明確的編程程序?yàn)榛A(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種控制模塊的重設(shè)，完成井下人工操作難以完成的任務(wù)。

4）智能化。智能化是集信息技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、軟件技術(shù)和專家系統(tǒng)等為一體，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展或替代腦力勞動(dòng)為目的的高層次控制技術(shù)，礦山智能化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智慧礦山的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 無廢化

無廢化是資源開發(fā)與利用的核心要義。礦山廢棄物主要來源于3個(gè)方面。首先，礦山的建設(shè)和開拓階段會(huì)產(chǎn)生大量的廢石;其次，開采過程中，采準(zhǔn)、切割工藝及回采貧化也會(huì)混入廢石;最后，選礦及冶煉等一系列環(huán)節(jié)中，會(huì)產(chǎn)生大量的尾砂和爐渣。針對(duì)上述問題的無廢化技術(shù)，一方面是從礦石開采的角度最大限度地減少尾廢的產(chǎn)生，另一方面提高資源綜合利用率實(shí)現(xiàn)尾廢的最大限度回收[21]。

1）無廢開采。無廢開采技術(shù)主要是指從礦石開采源頭上減少廢棄物產(chǎn)生的技術(shù)，即通過采礦方法的革新與工藝的革命，提高礦石回采率，減少尾廢的產(chǎn)量。

2）尾廢充填。全尾砂充填技術(shù)是對(duì)尾廢進(jìn)行利用的重要技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)礦山綠色開采的重要手段，全尾砂充填以全尾砂作為充填骨料，通過活化攪拌，在高濃度狀態(tài)下輸送到采場。該工藝將全部尾砂作為充填料，無需建尾礦庫，為無廢開采奠定了基礎(chǔ)。

3）綜合利用。尾廢綜合利用是將礦山尾廢作為有用資源充分利用，包括作建筑材料、工業(yè)原料、制備泡沫材料等。尾廢綜合利用是一項(xiàng)復(fù)雜的跨行業(yè)、跨部門的系統(tǒng)工程，它是礦產(chǎn)資源綜合利用的有效解決途徑。

3.3 無害化

礦山無害化技術(shù)是指災(zāi)害控制、污染控制與環(huán)境兼容等技術(shù)的綜合，包括礦山生產(chǎn)過程和末端治理，以環(huán)境可接受的方式最大限度地控制災(zāi)害發(fā)生、減少環(huán)境污染[22]。無害化是礦山安全生產(chǎn)的必要保障。無害化技術(shù)包含2個(gè)方面內(nèi)容：

1）災(zāi)害控制。深部開采面臨的高溫、高地應(yīng)力可能導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，礦山災(zāi)害控制是指采用先進(jìn)的探測、監(jiān)測、預(yù)警技術(shù)及通風(fēng)降溫技術(shù)、地壓控制技術(shù)等，對(duì)礦山隱蔽災(zāi)害進(jìn)行控制、防治，保證礦山生產(chǎn)安全。

2）尾廢無害處理。部分礦山尾廢中含有大量有害元素，污染土地、水源甚至空氣，需要經(jīng)過無害化堆存處理，即采用有效的化學(xué)、生物技術(shù)手段處理礦山污染，減少尾砂中的有害元素，并進(jìn)行無害化堆存。

3.4 生態(tài)化

傳統(tǒng)礦業(yè)開發(fā)隸屬于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)，其最明顯的外在特征就是無視生態(tài)環(huán)境的價(jià)值，不顧手段的片面追求經(jīng)濟(jì)效益。生態(tài)化是通過生態(tài)技術(shù)整合、綠色開采模式完善，降低或修復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境的破壞，保持礦山自然生態(tài)環(huán)境的綠色可持續(xù)發(fā)展[23]。生態(tài)化是資源與環(huán)境和諧的必經(jīng)之路。

1）生態(tài)重構(gòu)。所謂生態(tài)修復(fù)與重構(gòu)是指對(duì)生態(tài)系統(tǒng)停止人為干擾，以減輕負(fù)荷壓力，依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力與自組織能力使其向有序有利的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)化，或者利用生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力，輔以人工措施，使遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)或使生態(tài)系統(tǒng)向良性循環(huán)方向發(fā)展。

2）區(qū)域地表修復(fù)。區(qū)域地表修復(fù)面臨的最大問題就是尾礦庫和采空區(qū)的地表修復(fù)。可應(yīng)用的技術(shù)包括植物修復(fù)技術(shù)、基質(zhì)改良技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)、生態(tài)灌漿技術(shù)、植物生長基盤技術(shù)等。

4 深部金屬礦綠色開采關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

4.1 綠色開采技術(shù)集成應(yīng)用

國內(nèi)某金礦對(duì)深部綠色開采技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場集成應(yīng)用，該礦山已進(jìn)入千米深部開采范圍，存在采礦方法不適應(yīng)，地壓控制困難，尾砂利用率不高，充填料漿輸送困難，充填體強(qiáng)度不足，礦山尾廢堆積嚴(yán)重等眾多難點(diǎn)問題。因此，為解決這些開采難題，開展了深部綠色開采技術(shù)的試驗(yàn)研究及應(yīng)用。

1）低廢高效分段充填采礦工藝。針對(duì)深部高應(yīng)力礦體開采難點(diǎn)，礦山在千米深部采用了深部機(jī)械化分段充填采礦法（見圖4）。單個(gè)采場呈菱形，在采場中央布置切割天井，由中央向兩翼開采，該方法運(yùn)用集鑿巖與出礦工程于一體的“V”形底部塹溝結(jié)構(gòu)，取消了出礦橫巷，避免了充填體的二次開挖，充分利用巖體工程自承載特性，構(gòu)建合理的采場幾何結(jié)構(gòu)。采用該采礦方法開采深部礦體取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

2）全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)。

進(jìn)入深部開采，傳統(tǒng)的分級(jí)尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)料漿的長距離高倍線自流輸送，嚴(yán)重影響充填體質(zhì)量。為此，礦山建設(shè)了包含濃密機(jī)的全尾砂充填系統(tǒng)，全尾砂漿在濃密機(jī)中添加絮凝劑處理后，形成高濃度底流砂漿，結(jié)合濃密機(jī)上部疊層傾斜板組，實(shí)現(xiàn)溢流澄清。濃密機(jī)中的全尾砂漿存儲(chǔ)一段時(shí)間后通過倉體頂部階梯閥排出上部清水，進(jìn)一步提高放砂濃度。開啟倉底均質(zhì)活化造漿裝置，并在放砂過程中間歇性地對(duì)高濃度全尾砂漿進(jìn)行全倉擾動(dòng)，在降低風(fēng)耗（能耗）的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高濃度穩(wěn)態(tài)放砂。采用全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)取得的效果見表3。

3）尾廢無害生態(tài)化處置技術(shù)。針對(duì)尾砂產(chǎn)率高、產(chǎn)量大的條件和有害組分復(fù)雜而難于處置的難題，礦山通過應(yīng)用尾砂基質(zhì)改良劑對(duì)全尾砂進(jìn)行基質(zhì)改良和生態(tài)重構(gòu)，并應(yīng)用尾砂固化劑進(jìn)行全尾砂固化堆存。通過研制的全尾砂基質(zhì)改良劑對(duì)尾砂進(jìn)行基質(zhì)改良，隨后在基質(zhì)改良尾砂層上進(jìn)行植被種植，實(shí)現(xiàn)礦山尾礦庫綠化。尾砂基質(zhì)改良與生態(tài)重構(gòu)見圖5。 尾廢無害生態(tài)化處置技術(shù)應(yīng)用取得的效果見表4。

4）深井水力輔助提升技術(shù)。深部開采的礦石提升和排水費(fèi)用隨著開采深度增加而急劇上升，制約了礦山的綠色發(fā)展。與此同時(shí)，地表供給井下鑿巖、出礦等生產(chǎn)工序的凈水被管道輸送至井下，較高的水勢能造成井下用水時(shí)水壓過大，導(dǎo)致水量損失嚴(yán)重。因此，利用深井供水的高水勢能作為礦漿提升或者排水系統(tǒng)的輔助動(dòng)力，將能夠?qū)崿F(xiàn)深部開采的節(jié)能與降本增效。

趙國彥等[24]提出一種深井雙管水力提升礦石的方法（見圖6），利用副井中雙管外管的靜水壓與井下、地面泵站組成抽壓雙作用系統(tǒng)，可以減少礦漿提升和排水時(shí)單個(gè)泵體功率與能量耗損，增加深井管道提升高度。趙源等[25]在水力提升系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種深井礦山輔助排水裝置（見圖7），能夠?qū)⑸罹┧母邉菽苻D(zhuǎn)換為提升礦漿和排水的動(dòng)力，與泵機(jī)協(xié)同工作時(shí)可以提供穩(wěn)定的提升力，實(shí)現(xiàn)水勢能驅(qū)動(dòng)下的連續(xù)提升作業(yè)。

4.2 效果分析

該深井礦山對(duì)綠色開采技術(shù)進(jìn)行的應(yīng)用，簡化和優(yōu)化了深部采準(zhǔn)工程的布置，建立了結(jié)構(gòu)簡單、功能兼顧、系統(tǒng)完整的低廢采準(zhǔn)工藝系統(tǒng)，減少了掘進(jìn)廢石量。構(gòu)建的菱形采場幾何結(jié)構(gòu)，大大提高采場穩(wěn)定性，使破碎礦體的大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、中深孔鑿巖、遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦的安全高效開采工藝成為可能;全尾砂充填實(shí)現(xiàn)了尾廢的高效利用，解決了長距離高倍線自流輸送難點(diǎn)，同時(shí)，提高了充填體強(qiáng)度，為深部開采提供了安全的作業(yè)環(huán)境;尾砂基質(zhì)改良和生態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾廢的無害化、生態(tài)化處理，解決了礦山尾廢堆積與污染問題，提高了礦山植被覆蓋率，為綠色礦山建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。深井水力輔助提升技術(shù)利用深井供水的高勢能作為井下提升礦漿和排水的動(dòng)力，能夠極大降低深井提升和排水的成本，有助于深部金屬礦綠色開采的持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 論

1）深部金屬礦不僅面臨惡劣的開采條件、復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，還有國家戰(zhàn)略下對(duì)綠色礦山建設(shè)的要求。因此，進(jìn)入千米深部金屬礦大力發(fā)展并應(yīng)用綠色開采技術(shù)是大勢所趨。

2）深部金屬礦綠色開采模式有多種，按礦山生命周期可劃分為源頭預(yù)防型、末端冶理型和全程管控型，按尾廢處置方式可劃分為資源化利用主導(dǎo)型、全尾砂充填主導(dǎo)型、生態(tài)處置無害堆存主導(dǎo)型和復(fù)合型。

3）現(xiàn)有技術(shù)體系多單一針對(duì)深部開采或綠色礦山，結(jié)合金屬礦進(jìn)入深部開采的主流事實(shí)構(gòu)建綠色開采技術(shù)體系既可為深部開采難點(diǎn)問題的解決提供思路，同時(shí)也可從環(huán)境保護(hù)角度緩解礦山資源與生態(tài)的矛盾。

4）在因礦生法、因地制宜的前提下，深部金屬礦對(duì)于綠色開采技術(shù)的應(yīng)用，充分驗(yàn)證了綠色開采技術(shù)對(duì)深部開采的適用性，使礦山在資源開采、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益三者間平衡發(fā)展。

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Study on the mining mode in deep metal mines

and its technological system based on green mining

Zhao Guoyan1，Wu Pan1，Pei Dianfei2，Zhao Yuan1

（1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University; 2.Shandong Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：Green mining is the implementation of the "Lucid waters and lush mountains are invaluable assets" .The metal mines in China gradually go deeper and the government tightens and implements the environmental protection policy，and with these facts，green mining of deep metal mines is becoming a new normal.In order to achieve sustainable development of metal mines exploitation while meet the requirements of national economy development，the 3 development stages of green mining in domestic metal mines are reviewed，the challenges faced by green mining of deep metal mines are summarized and analyzed，the green mining modes? are proposed，the technical framework system namely the "efficient，two withouts，oneecological" for green mining of deep metal mines is explored，and the key technology and their application for green mining of metal mines are introduced.Hopefully these measures can provide theoretical and technical support for safe，efficient and environmental mining of deep mines.

Keywords：green mining;deep metal mine;green mining mode;technical system;ungraded tailings filling;ecolo-gical reconstruction;solid waste storage

收稿日期：2020-08-05; 修回日期：2020-08-31

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFC0604606）

作者簡介：趙國彥（1963—），男，湖南沅江人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，從事金屬礦綠色開采與工程災(zāi)害防治研究工作;主持的重大項(xiàng)目有國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“深部金屬礦綠色開采技術(shù)集成與示范”（2018YFC0604606），國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“深井開采巖石孔洞群能量演化與應(yīng)力調(diào)控方法”（51774321）等;獲得的主要獎(jiǎng)項(xiàng)有中國循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，貴州省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，中國黃金協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一/二等獎(jiǎng)等;發(fā)表高水平論文130多篇，出版專著多部;長沙市岳麓區(qū)麓山南路932號(hào)，中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，410083;E-mail：gy.zhao@263.net