铜坑矿地表塌陷坑废气综合治理

罗先伟

(广西柳州华锡集团铜坑矿， 广西 南丹 547205)

广西柳州华锡集团铜坑细脉带火区地表塌陷区，于1997年被广西区人民政府列为特大事故隐患区。矿岩自燃等地质灾害，对当地的自然生态环境破坏极其严重。特别是矿岩自燃产生的有毒有害气体，不仅污染了大气环境，而且不同程度地污染了当地的土壤和水源。为了保证矿山和当地人民群众的安全和身体健康，必须对细脉带火区矿岩自燃所产生的废气排放污染进行彻底治理。

从 “七五”科技攻关到目前为止，矿山针对火区地表塌陷区以及废气治理开展了一系列研究和治理工作，火区燃烧得到一定程度的控制。2003年至今，为最终消除火区隐患，矿山在结合井下火区出矿治理期间，通过井下密闭、地表硐室爆破抛掷覆盖、地表废气碱吸收工程等手段，拟将细脉带火区燃烧的矿岩彻底熄灭，消除火区废气排放污染，保护矿区及其周边环境。治理措施的实施，使得矿山常年由此带来的大气污染问题得到解决，当地的自然生态环境得到逐步恢复，并从根本上消除火区对当地自然生态环境污染的隐患，为当地人民生活创造良好的自然生态环境，具有重要的意义。

1 工程概况

铜坑矿为一大型地下有色金属矿山，是华锡集团的主要供矿基地。矿山上部急倾斜的细脉带，由于大部分为含锡黄铁矿和磁黄铁矿，含硫量高达10.16%以上，与碳质页岩接触处，在暴露通风好的情况下，极易引起自燃。同时，由于矿山初期采用分段崩落法回采，采区已形成至地表的崩落带和十余个大小不等的塌陷坑。自1976年矿岩崩落带发生矿岩自燃至今，矿山一直进行着抗火生产和治理研究。

最初，矿山采用“井下密闭通道、地表塌陷坑覆盖惰性物质”，使火区与氧气隔绝的办法，一度将火区控制住。然而，火区内的燃料(含硫矿石)仍然存在，一旦形成供氧条件，就会产生复燃。二十余年来，由于井下采动与民采破坏保安矿柱等原因，曾多次发生地表塌陷、火区复燃事件，产生的高温以及SO2等有毒气体，对井下生产及地面环境造成了严重的影响。

2 废气的地表塌陷坑覆盖治理

采用地表塌陷坑覆盖的方法进行废气治理，就是根据火区地表地形条件与表土状况，将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；爆破后，根据覆盖层的密封效果，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，即硐室爆破方案。或者在地表塌陷坑周边区域，开挖施工通道，进入作业区域；然后在塌陷区附近，采用挖掘机或铲运机挖掘取土装车，通过东风车、川路车搬运泥土至塌陷坑卸载覆盖，即机械铲装方案。由于塌陷坑覆盖量大，矿山选择覆盖效率高、成本低、治理速度快的硐室爆破覆盖方案，如图1所示。

2.1 方案工程设计与实施

以矿山2#塌陷坑为例，爆破地点所揭露的岩层为灰岩、泥质页岩、碳质页岩等。设计将塌陷坑边壁的山头崩落至坑内，形成覆盖层。经计算和分析得到主要爆破参数为：爆破作用指数n取0.6；单位炸药消耗量k取1kg/m3；药包最小抵抗线w=15m；药包间距12m；爆破装药量为4.8t，属D级爆破。爆破安全距离，500～700m。爆破漏斗计算结果见表1。

平巷、药室规格(宽×高)为1.4m×1.7m，平坡掘进。采用袋装细泥、石沙堵塞，导硐、药室自里向外堵塞，堵塞总长30m，堵塞量71.4m3。堵塞密实接顶，采用非电导爆索起爆网路。

2.2 治理效果分析

抛掷爆破使崩下的大量土方直接垮至塌陷坑内，达到覆盖的目的。同时，矿山通过综合研究地表的地形、地质条件以及对应的井下开采现状，从技术可行性、经济合理性、安全可靠性方面，对覆盖方法进行了比较分析，制定了多次硐室爆破覆盖技术方案，成功实施了十一次地表爆破工程。覆盖总岩土方量达31.85万m3，形成了细脉带事故隐患区大面积覆盖，有效窒息火区的燃烧，达到了治理效果。爆破效果见图2(处理后)所示。

图2 地表塌陷坑覆盖效果

3 地表废气碱吸收治理

不具备爆破覆盖的地表塌陷坑，采用喷洒石灰水吸收毒气。根据废气监测结果，主要危害气体为SO2毒气，治理方法为碱吸收法——氢氧化钙湿式洗涤法。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。实践证明，均匀喷洒石灰水，对地表塌陷坑废气治理有显著效果。石灰水与SO2、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(OH)2+SO2=Ca SO3·1/2H2O+1/2H2O

2CaSO3·1/2H2O+3H2O+O2=2CaSO22H2O

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，而且副产品对环境不会产生二次污染。

3.1 工艺流程

在地表塌陷坑附近建立石灰水喷射站，在塌陷坑周边架设喷头，采用高压泵石灰水均匀的喷洒地面冒烟口。当塌陷坑跨度较大时，通过施工简易横垮塌陷坑的铁索桥，将高压泵与输送管从铁索桥上铺设到塌陷坑中部进行喷洒。工艺流程见图3。

图3 地表塌陷坑废气碱吸收工艺流程图

选择2台98kW的125D型高压泵，每台喷流量为120m3/h，输送管为φ159mm钢管，安装两个可以180°自由转动的高压喷头，射程60m。全天候对地表塌陷坑喷洒雾状石灰水(浓度5%)。

3.2 方案实施与效果

自工艺系统建成，喷淋石灰水对地表塌陷坑SO2浓度的影响见图4。监测结果表明：喷洒石灰水后，地表塌陷坑SO2排放浓度有下降趋势。2007年之后，SO2排放浓度基本控制在2ppm以下，达到国家规定排放标准。图4为地表6#溜井的SO2监测值。

图4 地表6#溜井SO2监测值

4 结 语

针对广西大厂铜坑矿细脉带火区地表塌陷坑废气排放带来的大气污染及对当地自然生态环境的破坏问题，在现场调查的基础上，通过分析与比较，采用地表硐室爆破抛掷覆盖塌陷坑与地表废气碱吸收方法进行综合治理。方案实施后，形成了细脉带事故隐患区大面积覆盖和SO2有毒毒气的有效吸收。治理工程达到预期效果，大大改善了矿区环境，取得了良好的社会效益。

[1] 吴桂才.铜坑矿火区下细脉带矿体开采环境控制[J].有色金属,2003,55(3): 36-38.

[2] 毛建华. 金属矿山特大事故隐患与地质环境的综合治理[J]. 矿业研究与开发, 2006(10): 147-150.

[3] 罗先伟，余阳先，陈何. 特大事故隐患区矿柱群回采技术研究[J]. 中国矿业, 2007,16(9): 83-85.