现代采矿理念与充填采矿.pdf

第 2卷 第 2期 2 0 1 1年 4 月 有 No n f e I T O HS 学与工程 n c e a n d En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 ，No ． 2 AD r ． 2 01l 文章编号 1 6 7 4 9 6 6 9 2 0 1 1 0 2 0 0 0 7 0 8 现代采矿理念与充填采矿 乔登攀 ， 程伟华 ， 张 磊 1 ． 昆明理工 大学国土资源学 院， 昆明 6 5 o o 9 3 ； 姚 维信 。 ， 王 2 ． 金川集团有限公司 ， 甘肃 贤来 ， 王 虎 金川 7 3 7 1 0 0 2 摘 要 传统采矿模式下， 矿产资源开发过程 中产生的废石 、 尾砂和冶炼渣等 占我 国3 - - 业 固体废料排 放量的 8 5％左右． 大量矿山固体废料堆放地表易造成严重污染， 诱发泥石流、 尾矿溃坝事故． 根据现代 采矿理念 ， 固体废料 充填工艺是解决矿 山废尾排放 的最有效途径 ， 是绿 色采矿的主体支撑技 术． 充填 采矿技术具有 消除采动 引起 的地表 下沉和改善采矿应力环境功能 ， 具有低 贫损 开采、 提 高资源综合 利用率功能和“ 采富保贫” 远景资源保护功能， 具有降低废石尾砂等 固体废料排放 、 甚至根 本消除采 矿末端处理达到无废 开采的功能， 具有适应各种复杂难采矿床 开采的功能． 文中还对实现绿 色采矿的 原 则与技 术保 障 以及 充填采 矿 的研 究方 向进行 了探 讨． 关键词 传统采矿模式； 现代采矿理念； 绿 色采矿 ； 充填采矿 中 图分类 号 T D8 5 3 ． 3 4 文献标 识码 A M o d e r n M i n i n g Co n c e p t s a n d Fi l l i n g Te c h n i q u e QI AO De n g p a n ， CHE N G We i - h u a 1 , Z HAN G L e i ， Y AO We i - x i n 2 , WA NG Xi a n - l a i 2 , WANG Hu f 1 ． K u n m i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， K u n mi n g 6 5 0 0 9 3 ， C h i n a ； 2 ． J i n c h u a n G r o u p C o ． ， L t d ． ， J i n c h a n g 7 3 7 1 0 0 ， C h i n a Abs t r ac t Th e wa s t e r o c k． t a i l i n g s a n d s me l t e r s l a g pr o d u c e d i n t h e t r a d i t i o n a l mi n i n g p a t t e r n a c c o u n t e d f o r 8 5 ％ i n t h e t o t a l a mo u n t o f i n d u s t r i a l s o l i d w a s t e s i n Ch i n a ． T h e p i l e d s o l i d wa s t e c a n c a u s e s e r i o u s p o l l u t i o n s o r e v e n i n d u c e mu d fl o ws a n d t a i l i n g s d a m- b r e a k a c c i d e n t s ． As t h e s u p p o r t i n g t e c h n o l o g y o f g r e e n mi n i n g ， t h e s o l i d w a s t e b a c k fi l l i s t h e mo s t e f f e c t i v e w a y t o s o l v e t h e d i s c h a r g e o f mi n e wa s t e ． T h e s o l i d wa s t e f i l l i n g i s e n d o w e d wi t h t h e f o l l o w i n g a d v a n t a g e s e l i mi n a t i n g s u r f a c e s u b s i d e n c e c a u s e d b y mi n i n g ；i mp r o v i n g t h e mi n i n g s t r e s s e n v i r o n me n t ； o p e r a t i n g i n l o w d i l u t i o n a n d l o s s ； i n c r e a s i n g t h e r e s o u r c e u t i l i z a t i o n r a t e ； mi n i n g r i c h o r e a n d r e s e r v i n g l e a n o r e for t h e p r o s p e c t i v e r e s o u r c e s p r o t e c t i o n ；r e d u c i n g t h e w a s t e r o c k， t a i l i n g s a n d o t h e r s o l i d w a s t e e mi s s i o n s ；e v e n e l i mi n a t i n g t h e t e r mi n a l t r e a t me n t o f mi n i n g t o a c h i e v e wa s t e l e s s - mi n i n g ；a d a p t i n g t o a v a r i e t y o f d i ff i c u l t t o - mi n e o r e b o d i e s ．T h i s p a p e r f u rth e r d i s c u s s e s t h e p r i n c i p l e s a n d t e c h n i c a l s u p p o rt for i mp l e me n t i n g g r e e n mi n i n g a n d r e s e a r c h d i r e c t i o n s o f fi l l i n g t e c h n i q u e ． Ke y wo r d s t r a d i t i o n a l mi n i n g p a t t e r n ； mo d e r n mi n i n g c o n c e p t ； g r e e n mi n i n g ； f i l l i n g t e c h n i q u e 0 引 2 1 世纪是现代科学高速发展和现代工业高速增 长的时期， 对矿产资源的开发利用规模是历史上从来 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 2 - 1 8 作者简介 乔登攀 1 9 6 9 - ， 男 ， 教授 ， 博导 没有的． 金属矿产资源开采深度加大 ， 开采难度增加， 开采对象将逐步转 向高应力环境 下的深部矿体 、 复 杂条件下的“ 三下” 难采矿体． 采矿业面临深部岩爆 、 冲击地压等地质灾害问题 ， 地表下沉 、 塌陷等生态环 境 问题 ， 生产能力 、 生产成本等技术经济问题． 随着世 色 M { l I目 8 有 色金 属 科 学与 工程 2 0 1 1 年4 月 界矿业开发 的加剧 ， 大量工业废水 、 废料 、 废气的排 放造成 了 自然生态环境 的恶化 ，人们越来越认识到 加强矿山环保和矿产资源综 合利用的重要性 ，迫切 需要实 现绿色采矿． 所谓绿色采矿模式 ， 就是最大限 度地 减少废料的产 出、 排放 ， 提 高资 源综合利用率 ， 减轻或杜绝矿产资源开发的负面影响的采矿模式． 绿 色采矿模式是科学发展观在矿 山企业 的具体体现 ， 勿庸置疑，矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿 的主体支撑技术． 传统采矿理念及 其后果 传统采矿理念认为采矿是矿产资源开发利用的 前端工序 ，矿区生态恢复和环境治理是末端工序． 在 矿床开采过程 中，人们通 常注重于矿床开采 的经济 活动 ，较少结合开采过程考虑矿床开采对 自然环境 的严重负面影响． 往往在矿区出现严重的生态破坏和 环境污染甚至存在重大危险源 的情况下再进行末端 治理 ，较少按照矿产资源开发与生态环境相协调 的 理念 ，将矿床开采的各工序作为一个 系统从源头解 决开采与环保 问题川 ． 显而易见 ，传统采矿理念 的核心缺 陷是矿床 开 采 前端 与环境治理 末端 的不协调， 分割处理 ， 治标 不治本． 于是 ， 多年来的开发造成大量土地受到破坏 、 大量 固体废料堆放地表 、井下存在大量采空 区等给 自然生态与社会经济生活带来负面影响的系列问题 图 1 ， 已成 目前亟待解决 的重大课题 ， 主要包括 以 下 几个 方 面． 图 1 矿床开发与废料产 出、 采空区形成关 系示意 图 1 ． 1 资源浪费与资源不足 我国现已发现 1 7 1 种矿产资源 ，查明资源储量 的有 1 5 8种 ； 有矿产地 1 8 0 0 0处 ， 其 中大中型矿产地 7 0 0 0余处． 资料显示 ， 我 国优势矿产的查 明资源利用 程度高于短缺矿产 ，资源利用程度与市场配置资源 原则之间存在诸多矛盾与问题． 因短期利益而对优势 资源进行的超强度开发 ，导致部分优势矿产资源储 量利用程度过高 ， 后备资源严重不足 ， 资源优势地位 岌岌可危． 现在世界矿业 每年采掘出 2 8 0亿 t 以上 的 矿岩 ， 比地球上所有河流的浸蚀输送量还多 ， 仅铜和 其他有色金属冶炼每年释放 的就达 6 0 0万 t 之多． 目 前我 国矿山开发的总规模居世界第 3位 ，年采掘量 超过 5 0亿 t ． 目前我国已有全民矿山企业约 8 5 0 0个 ， 矿 山生产总值超过 6 5 0 0多亿元 ， 约占全 国工业 总产 值 的 7％， 其中有色、 黑色 、 煤炭等固体矿产原料 占据 主要 比重． 我 国 9 0％以上 的能源 、 7 5％～ 8 0％的工 业 原料均来 自矿物原料 ，矿业及矿产品加工业产值 占 全 国 G D P的 3 0％以上 ，支持了 7 0％以上国民经济 各部 门的运转 ，以矿产资源作为原料 的相关产业产 值也 占到国民生产总值 的 1 ／ 3 ～ 1 ／ 2 ． 近年来 ， 矿产品及 有关原材料进出 口额 占外贸进 出口额 的比例达到 了 2 5％以上．再 以有色金属工业为例 ，在我 国现有 的 1 2 4个产业中 ， 有 1 1 3个产业使用有 色金属 ， 铜 、 铝 、 锌等主要有色金属矿产资源的消费水平与 G D P的线 回 回 第 2卷 第 2期 乔登攀， 等 现代采矿理念与充填采矿 9 性相关 系数均超过 了 0 ． 9 ，其生产量与 G D P的线性 相关系数也均超过 了 0 ． 9 闭 ． 据统计 ， 我 国 9种 主要 有色金属 的采选 冶综合 回收率 由 1 9 9 5年的 3 8％提 高到 2 0 0 5年 的 6 4％ 左 右 ， 但是 ， 仍低 于国外先进水平 约 2 O个百 分点 ； 目前 ， 我 国矿产 资源的综合利 用率仍处 在 3 5％左 右的水平『 3 1 ． 如有色金 属矿床大 多是多金属矿 床 ， 共 生和伴生着许 多种有用矿 物 ，其综合 回收愈来 愈受 到人们 的重视． 美国 、 日本的铜 、 铅 、 锌 、 镍等多 金属矿 山综合利用率为 7 6％～ 9 O％． 美 国杜拉尔等 7座铜选厂分别综合 回收了铜 、 金 、 银 、 铝 、 钼中的部 分元素， 综合利用率为 8 8％～ 9 1％； 日本的小坂内之 多金属矿综合利用率为 8 5％以上 回收了铅 、 铜、 锌 、 硫 、 金 、 银 、 重晶石等 ； 前苏联 的胡杰斯克 矿 回收了 铜 、 锌 、 镉 、 钴 、 铁 、 硫 、 碲 、 硒等 8种有用成分 ， 利用率 为 8 7％以上 ； 加拿大从曼托巴伟晶岩矿石中综合 回 收了铿 、 铯 、 铍 、 镓． 这些 国家的综合利用程度均达到 了相当高的水平．而我 国的综合利用水平还很低． 据 对 1 8 4 5个重要矿山调查统计 ，综 合利用有用组分 7 0％以上 的矿 山仅 占 2％ ， 综 合 利 用 有 用 组 分 5 0％以上的矿 山不到 l 5％， 综合利用 有用组分低 于 2 5％的矿 山 占 7 5％． 在 2 4 6个共 生 、 伴生 大 中 型矿 山中，有 3 2 ． 1％的矿 山未综合利用有用组分． 这些未被利用 的有用组分都被带人尾矿 中排走 ， 造 成资源的极大浪费， 增加 了对环境 的负面影响． 与发 达国家相比，我国的综合利用技术及水平还有很大 的差距 ， 资源综合利用尚有许多工作要做【 3 - -6 1 ． 目前我国不仅存在严重 的资源浪费 ， 而且面临资 源不足． 从总体 上看 ， 我国矿产资源总量较丰富 ， 据世 界第三位 ，但是人均占有量远远低于世界平均水平． 在 4 5种主要矿产资源中 ， 我国人均储量仅居世界第 8 0位 ， 只达到世界平均水平 的 5 8％． 目前 能够满足 国民经济发展需要 的矿产资源仅有 2 0多种 ， 金属矿 产资源缺 口达到约 2亿 t ．据我国近期的论证工作显 示． 4 5种主要矿产中优势矿产多为非大宗使用矿产 ， 而经济建设需求量大的关键或支柱性矿产多在基本 保障程度 以下． 据权威认识估计 ， 在我 国经济所需的 4 5种矿产中 ， 到 2 0 1 0年只有 2 4种能满足需要 ， 能保 证 2 0 2 0年需求 的只有 6种 ； 预计未来 2 O年 ， 石油 、 天然气、 铜、 铝矿产资源累计需求总量至少是目前储 量的 2 5倍 ，我国将短缺 3 0亿 t 铁 ， 5 6亿 t 铜和 1 亿 t 铝． 就有色金属矿产资源现状来看 ， 由于资源消 耗量大 ， 且找矿对象逐步向难发现 、 难识别 、 难勘查 的隐状矿及复杂类型矿床方面转化 ，加上地质勘查 基金的缩减 ，矿产资源量 向储量方面的增加 和升级 速度很慢． 在 己查明的有色金属矿产资源储量中， 可 供利用 的储量 占总资源利用的比例不到 3 0％．据预 测我国有色金属矿石量的年缺 1 3 达 5 0 0万 t 以上， 到 2 O l O年 ， 主要依靠进 口的有色金属矿产有铜 、 钴 、 铂 等 ， 需要长期进 口补缺 的有色金属矿产有铝 、 锌 、 镍 、 金 、 银等． 从资源的角度来看 ， 我国不少矿产资源企业 都是在 2 0世纪五六十年代就建立起来的 ， 经过几十 年的开采 ， 近 2 ／ 3的矿山已进人 中晚期 ， 而不少企业 由于缺乏资金以及技术装备水平落后 ，使得生产勘 探和矿 I 深部找矿受到严重限制． 也严重制约了矿产 资源企业的发展． 据统计 ， 由于资源枯竭 ， 已有 1 1 0座 矿 山闭坑 ， 还有 4 4 0座矿 山面临闭坑的危险． 以有色 矿业为例 ， 到 目前为止 ， 经国家批准关闭的有色矿 山 已近百座 ， 预计到 2 0 2 0年则仅有约 2 0％能维持[ 7 - 8 ] ． 显然 ， 今后 1 5 2 0年是我 国发展的重要战略机遇期 ， 也是矿产资源供需矛盾的进一步凸显期 ，全面建设 小康社会对矿产资源保障提出了更高的要求 ，在相 当长时期内， 石油 、 天然气和重要矿产资源供需形势 仍将十分严峻．到 2 0 2 0年我国短缺的矿产资源将增 至 3 9种 ， 对外依存度将居高难下． 1 ． 2开采区地表塌陷造成的破坏 矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致 的， 而进行开发建设后 ，强烈的人为活动便使环境发生 巨大的变化 ，由此形成 了矿 区独特的采矿生态环境 问题． 采矿业破坏的土地面积达 1 ． 4 2 ． 0万 k m 2 ， 并 以 每年 2 0 0 k m 的速度增加．据对 l 1 7 3家国有大中型 矿 山调查 ， 地下开采 占 6 8 ． 8 9％， 塌陷区 占地 面积为 8 4 2 0 1 h m ，占我 国 矿 山 开 发 破 坏 土 地 面 积 的 3 9 ． 5 7％． 发生采矿塌陷灾害的城市 3 O多个． 据初步 统计 ， 目前我国有近 5 0个矿 区出现严重地面沉陷现 象． 如 阳泉矿 区地面沉陷面积达 6 0多 k m ， 焦作矿区 沉陷 5 2 k m ， 抚顺矿区沉陷 3 0 k m ， 平顶 山矿区沉陷 2 0 k m2 ． 据估算 ， 全 国平均每采 出 1 万 t 煤沉 陷面积 在 2 0 0 0 m 以上[ q ． 1 对地形地貌的破坏．采煤沉陷使地表变形 ， 形成地表移动盆地 ， 产生地裂缝和塌陷坑 ， 破坏了原 有 的地表形态 ， 使地形地貌的稳定性下降． 当沉降波 及到地表后 ， 地表就从原有 的标高下沉 ， 在采空区上 方形成一个 比采空区面积更大 的洼地 ，一般称为地 表移动盆地． 这种洼地 的出现 ， 破坏了土地的原有形 态 ， 轻者地表起伏不平 ， 给耕种和灌溉造成 困难 ， 重 者地表下沉到潜水面以下 ， 引起地面长期积水 ， 无法 耕种 ，从而使土地质量降低或完全丧失使用价值． 大 量地表裂缝破坏了土地 、 岩体的连续性 ， 给土地耕种 带来 了困难 ， 并且水土流失也 比较严重 ， 同时也蕴育 1 0 有 色金属 科 学与 工程 2 0 1 1 年4 月 了大量潜在的重大地质灾害危险源． 有时地表沉 陷还 会破坏地下含水层结构 ， 使地下水位下降 ， 出现地表 干早 ， 使地质生态环境质量下降． 采矿塌陷使生态环 境的各生态 因子都不 同程度的受 到破坏 和影 响 ， 有 时甚至改变整个生态系统的类型，从 而恶化生态环 境． 开采塌陷使森林 、 草原 、 天然植被遭受破坏 ， 使地 形地貌沉 陷开裂 ， 使水体 、 大气遭受污染 ， 恶化 了整 个生态环境 ， 改变 了生存条件 ， 破坏 了正常的食物链 和食物 网． 生态环境的恶化 ， 进一步导致新的 自然灾 害 ， 水土流失 ， 土地盐渍化 、 沼泽化 、 沙漠化 、 最终 危 及人类社会 的发展 ，从而使 自然生态系统和社会 经 济系统进人恶性循环 ， 引起更大的危害． 2 对土地资源的破坏． 采空塌陷造成地表变形 ， 严重地影响了土地的 自然形态 ， 破坏了土地的营养成 分 ，使土地在物理性状上呈现为沼泽地或干旱地 ， 在 化学性质上表现为土壤酸化或营养物流失 ， 从而使土 地质量降低或完全丧失使用价值． 至 1 9 9 1 年底 ， 我国 由于采矿造成的沉陷面积以达到 1 0亿 m ．据有关统 计资料表明 ， 我国每开采万吨煤就造成平均 2 o o 0 m 土地的塌陷区 ， 由个别地方高达 1 0 0 6 6 m ， 其中有一 半是可耕地． 如果按现在年开采量 1 亿 t 计算 ， 每年塌 陷面积就增加 2 0 0 0万 m2 ， 而可耕地塌陷面积就增加 l 亿 m2 ． 分布在我国西北 、 东北和华北的山地 、 丘陵地 区的矿 区， 尽管塌 陷区的地貌没有 明显的变化 ， 不积 水 ， 地表变形主要表现为漏斗式塌坑或裂缝． 在局部 地区 ， 可能产生大裂缝 、 表土滑坡或地下水枯竭等损 害 ， 加速土地沙漠化． 我国中东部地区的矿区如徐州 矿务局 ， 已塌陷的耕地约为 5 3 3 3万 m 以上 ， 其 中常 年积水的耕地 占 2 5％， 有 的积水深达 3 ． 5 m． 再如淮 北矿务局 ， 每年塌陷耕地约 3 3 3 3 0 m ， 其 中常年积水 的耕地约 3 5％， 最大水深达 1 0 m 】 ． 因此 ， 这地区是 农 田破坏最严重的地区，几乎使农业绝产或半绝产． 可见 ， 采煤塌陷对 土地资源的破坏是巨大的 ， 而由此 又引起一系列 的社会 问题 ，造成的民房损坏和村庄 搬迁问题 ， 不仅造成 巨大的经济问题 ， 使本来人均耕 地紧张的矛盾进一步加剧． 3 对水资源破坏． 传统采煤过程 中进行 的人为 疏 干排水 和采动形成 的导水裂 隙对煤系含水 层 的 自然疏干 ， 破坏 了地下水 资源 ， 导致地下水 源干枯． 采空 区沉降使地面河道 、 水渠 、 池塘 、 机井等变形或 干枯 ， 使矿区居 民饮水 困难． 开采 区塌陷不仅改变 了 地表水 、 地下水 的径流条件 ， 而且改变了水质 ， 造成 水污染 ．地表 塌陷的存在 ，破坏 了地下含水层 的结 构 ， 改 变了地下水 流量和流 向 ， 地 下水位大 幅度下 降， 导致水源地干涸 ， 可灌溉农 田变为旱地． 地表 、 地 下水 系统 的改变 ， 致使工农业生产用水和生活用水 受 到严重影响．地表移动盆地常使地表低洼的平地 矿 区常年大面积积水 ，水深 几米 到十几米 不等 ， 有 的地方水深甚至达 1 5 m 以上 ，地表积水常 因大量 矿山污水 、 废水的排放而受 到污染 ， 成为污垢 、 病菌 汇集之地． 而污染 的地面积水又常常沿井巷 、 岩石裂 隙倒灌入地下采空 区 ，使地下含水层受到污染 ， 形 成恶性环流． 各矿 区及其附近水源 、 水体被 污染后 ， 对人类和生物 的危害甚为严重 ；使农 作物减产 ， 甚 至绝 收 ； 使 鱼类及水生 生物大量死 亡 ， 给水 产养殖 业带来厄 运 ； 使人体产 生急性或慢性 中毒 ， 或成为 各种流行病的滋生地 ， 使人类的安全健康和生物 的 生存受到严重的威胁． 4 对地面公用设施 、 建筑物的破坏． 地下开采引 起 的地表变形 下沉 、 倾 斜 、 弯 曲 、 扭曲 ， 水平方 向的 移动变形 水平移动 、 拉伸与压缩变形 ， 以及地表平 面 内的剪应变形 3类． 地表产生的移动 和变形 ， 破坏 建筑物和地基之间的初步平衡状态 ，伴 随着力 与平 衡的重新建立 ， 使建筑物 中产生附加应力 ， 而导致建 筑物发生变形 ， 直至损害和破坏． 地表沉陷对公路 、 铁 路的正常运输造成的危害也较大 ，表现在公路路面 下沉 ， 甚至积水 ， 铁路路基 陷落 ， 铁轨弯 曲或悬空． 地 表沉陷对桥涵的损害 ，往往 比对公路或铁路本身的 损害要大 ， 因为桥 涵整体性强 ， 稳定性要求严 格 ， 单 位长度造价高 ， 所以一旦受损则难以修复 ， 甚至完全 报废 ， 造成巨大损失． 此外 ， 开采引起的地表移动会使 输 电、 通信线路杆塔歪斜 ， 线路松弛度变化． 对高压输 电线路来说 ， 不仅陷落本身容易遭受破坏 ， 而且周围 人畜生命也受到很大的威胁． 大范 围地表下沉将严重 影响堤坝， 水平位移能破坏坝体的完整性 ， 使之出现 张裂带和破碎带 ，从而降低 了堤坝的强度和防渗能 力． 坝体的下沉 ， 降低了坝顶高程 ， 降低或丧失 了堤坝 拦截汛期洪峰的能力． 近年来 ， 随着我国矿业尤其是个体采矿的不断发 展 ， 我国的采矿塌陷灾害频频发生． 从各省 的统计数 字上看 ， 造成采空塌陷最多的是个体业 ， 其次是集体 企业 ， 再后是国营企业． 从全国来看 ， 采空塌陷和采矿 量呈 直线关 系 ， 采的越多 ， 塌 陷越严重 ， 给社会 经济 系统和 自然生态环境造成的危害也就越大．因此 ， 必 须用生态经济的观点来处理和协调好资源开发和环 境保护这对矛盾 ， 使资源开发和环境保护协调发展 ， 以取得最好 的经济效益 、 社会效益和环境效益． 1 ． 3 废料排放造成环境破坏 截止 2 0 0 5年底 ， 全国共有各类矿山企业 1 8 3 0 6 9 个． 据不完全统计 ， 1 9 4 9 2 0 0 5年底 ， 全 国各类矿 山产 第 2卷 第 2期 乔登攀 ， 等 现代采矿理念与充填采矿 出各类矿废石 1 6 2 ． 3亿 t ， 其中煤矸石 3 5 ． 6亿 t ， 铁矿 废石 9 4亿 t ， 有色金属矿废石 2 5亿 t ， 金矿废石 4 ． 6 亿 t ， 化工矿废石 3亿 t ． 我国现有尾矿库 1 2 7 1 8座 ， 其 中在建尾矿库为 1 5 2 6座 ， 占总数的 1 2％， 已经闭库 的尾矿库 1 0 2 4座 ， 占总数的 8 ％， 截止 2 0 0 7年 ， 全国 尾矿堆积总量为 8 0 ． 4 6亿 t ． 仅 2 0 0 7年， 全 国尾矿排量 近 1 0亿 t ． 此外 ， 全 国堆存粉煤灰 1 2亿 t ． 矿产资源开 发利用过程中产生的煤矸石 、 废石 、 粉煤灰和冶炼渣 已成为我国排放量最大的工业废弃物， 占固体废弃物 总量的 8 5％左右．尾砂是金属矿山加工过程 中产生 的主要废弃物，金属矿 山排放 的尾砂积存 以每年 2 ． 8 亿 t 的速度增长 ， 占地 9 ． 3 3 x 1 0 ’ m ， 每年新增 占地约 1 ． 3 3 x l 0 6 m 2 ， 而 目前 尾 砂 利 用 率 仅 为 1 ． 5％[9 q ． 煤 矸石是煤炭生产 和加工过程 中产生 的 固体 废弃物 ， 每年的排放量相当于当年煤炭产量的 8％ ～ 2 0％左右． 据有关部门统计 ， 目前全国大 中型煤矿 有矸石山 1 5 0 0多座 ， 煤矸石积存超过 3 4亿 t ， 占地 1 ． 3 3 1 0 m ， 并 以每年 2亿 t 的速度增长． 是 目前我 国排放量最大的工业固体废弃物之一．每年处置煤 矸石就需投入 1 0亿元 ， 利用率仅为 4 0％左右． 煤矸 石 、 废石 、 尾砂 、 废水等废料 长期堆存 ， 占用大量土 地 ， 同时造成 自燃 ， 污染大气和地下水质． 1 ． 4安全 隐患 采空区诱发矿区塌陷 、 矿震 、 崩塌 、 滑坡 、 矿 井突水等地质灾害． 我 国已有 3 O个城市发生过 因采 矿引起的塌陷 ， 造 成严 重破坏 的有 2 5个． 我国因采 矿引起 的重大塌陷事故近 2 0 0起 ， 损失惨重． 以云锡 公司为例 ， 云锡公司矿体开采历史上百年 ， 采矿方法 包括空场法 、 留矿法 、 崩落法 、 房柱法和充填法等十 几种方 法 ， 矿山巷道纵横交错 、 采空区星罗棋布 、 十 分复杂． 再加上地质构造复杂 、 发育 ， 空区地 压活动 影响大 ， 在采矿过程中存在着较大的安全隐患 ， 包括 氧化矿和硫化矿并存 ， 氧化矿松散破碎 ， 硫化矿致密 坚硬 ， 造成开采难度加大； 节理裂隙发育使得顶板在 采矿过程中极易冒落 ， 支护难度大 ； 随着开采深度的 增加 ， 地压显现突 出， 硬岩 中具有 岩爆倾 向等． 采空 区失稳问题越来越成了影响矿山安全生产的最主要 危险源之一． 如 2 0 0 4年在 山东峄城石膏矿 区发生一 次矿 区顶板大面积塌陷事故 ，所释放能量相当于一 次 3 ． 6级地震．塌陷造成的冲击 波掀掉 了井架 的顶 盖 ，在很短的时间内使得井 口周围形成 了一座矿石 山， 矿区塌陷面积达 1 4 ． 4 7万 m2 、 总重量超过 2 3 0万 t ， 冒落的体积约 1 0 0万 m 3 ． 据不完全统计 ， 在全国 2 0 个省 区 内 ， 共发生大规模采空区灾害 1 8 0处 以上 ， 累计塌陷面积超过 7 0万 h m ，造成的损失达 5 0 0亿 元之 巨【 一 ． 矿山固体废料堆放地表 易诱发泥石流、 尾矿 溃坝事故． 2 0 0 4年的调查表明，全国各类尾矿库中， 危库 、 险库 、 病库的比例相 当大 ， 已公布确定了安全 度 的 1 0 3 5座 尾 矿 库 中 ， 危 库 占 5 ． 9％ 、 险 库 占 6 ． 7％、 病库占 2 5 - 3％． 废石堆放引起水污染 、 泥石流 事故使人触 目惊心． 矿山开采过程 中， 采矿废石及尾 矿暴露于大气中使其 中的硫化物矿物氧化并形成 了 酸性矿山排水 ， 水体具有较低的 p H值 ， 并且 富集可 ’一 溶性的 F e ， Mn ， C a ， Mg ， A 1 ， S O 等 ， 以及重金属元素 C u ， Z n ， P b ， A s 等 ． 矿业废水通过地表径流或下渗到 地下水中， 造成整个矿区甚至大区域上水体污染 ， 并 影响到整个生态系统． 南 昌有色冶金设计院对我 国 5 个铜矿污水水质分析发现 ， 这些铜矿废水流人河 、 湖 后 ， 被引灌农 田， 致使土壤中重金属含量显著增加 ， 污灌区土壤铜含量为对照区土壤铜含量 的 1 6 ． 5倍 ． 铜矿附近农 田累积受害面积近 4 ． 6 7 x 1 0 m ，造成水 稻产量急剧下降．湖北大冶铜绿山铜矿尾矿排水造 成大冶湖水 中 C u的浓度是国家环保标准的 2 倍 ， 显 著高于大冶湖其它部分水域的 C u的浓度 ， 同时还造 成湖水不同程度的 C o ， N i ， Z n等污染． 有 3 0 0多年开 采历史的我国湖南石门雄黄矿 ，发生了严重的砷污 染 ， 河水砷含量达 0 ． 5 1 4 ． 5 mg ／ L， 居民头发砷含量为 0 ． 9 7 2 ～ 2 ． 4 5 9 1 1 r , ／ L， 以河水为饮用水源的居 民的砷暴 露水平达到甚至超过国内外重大慢性砷 中毒案例的 暴露水平【 l 6 1 ． 2 现代采矿理念与充填采矿 可持续发展是划时代的全新发展观，是 2 O世纪 人类观念的根本性变革之一．可持续发展包括生态 可持续 、 经济 可持续和社会可持续． 其 中， 生态可持 续发展是我国可持续发展的前提和基础 ，经济可持 续是我 国可持续发展的核心 ，社会可持续是我 国可 持续发展的 目标．生态可持续是从生态环境 的有限 条件出发 ，在环境资源和环境容量两方面采取合理 的措施 ，以维护和促进生态系统发挥正常功能的过 程． 实现生态可持续 ， 要求人们利用高新技术广泛开 展资源高效利用以及强化资源循环利用． 1 9 8 9年联 合 国环境与发展委员会又提出实施 了清洁生产计划 和 I S O1 4 0 0 0环境管理 系列标准 1 9 9 6 ． 这两项行 动 计划 ，对矿业可持续发展进程产生 了积极的推进作 用．目前清洁生产 已成为产业界可持续发展 的重要 1 2 有 色金 属科 学与 工程 2 0 1 1 年4 月 战略举措． 基于可持续发展观 ，本世纪初钱鸣高院士及其 研究团队提出了煤炭绿色开采的理念并构建 了绿色 开采技术框架旧。绿色开采模式是针对煤炭开采造 成的严重环境问题提出的，它是从广义资源的角度 认识和对待煤 、 瓦斯 、 地下水 、 土地 、 矸石等一切可以 利用的资源．绿色开采的内涵是减少采煤对环境的 破坏 ，为此就要形成一种使资源与环境相互协调的 开采技术 ，其基本出发点是从开采的角度防止或尽 可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不 良影响 ， 目标是取得最佳 的经济效益 、 环境效益和社会效益． 构建 的绿色开采技术框架包括保水开采 、 减沉开采 、 关 键 层 理 论 煤与煤层气 瓦斯 共采、 矸石减排 、 煤炭地下气化等 见 图 2 _ 1 ． 指 出在技术方面 ， 应该将研究岩层运动 对工作面的影响转为研究开采后岩层运动对岩体 内 形成空隙与地表沉陷的影响 ，以及研究采动岩体中 气体 、 液体的渗流规律 ， 为保水开采 、 煤与瓦斯共采 、 减沉开采 、矸石减排等绿色开采技术的发展提供理 论基础． 在政策方面 ， 应研究适合不 同矿区特点的绿 色开采模式 和经济评价体 系及其 与企业成本 的关 系 ， 综合研究煤炭资源经济特点 ， 为政府制定政策提 供建议．国家应在政策与税收等方面对绿色开采加 以支持 ， 以使煤炭企业得到持续健康的发展． 煤炭开发 岩层移 动 排放矸石 地下水流失 与突水事故 瓦斯卸压流动 、 瓦斯事 故与排放瓦斯污染环境 地表塌陷 、 土地 与建筑物损害 占用土地 污染环境 保水开采 l I 煤与瓦 斯共 采 I l 减沉开采 I I 矸石减排 I 地下气化 绿色开采 图 2煤矿绿 色开采技术框架 由上可见 ， 基于现代采矿理念的绿色采矿模式 ， 就是最大限度地减少废料的产 出、 排放 ， 提高资源综 合利用率 ，减轻或杜绝矿产资源开发的负面影响的 采矿模式． 绿色采矿模式是科学发展观 9 1 在矿山企 业 的具体体现． 实行绿 色采矿 ， 就要求矿 山企业将矿 区资源利用 、 人文环境 、 生态环境 、 经济因素联 系起 来 ， 构成有机 的工业系统 ， 以系统论观点研究解决． 绿色采矿的基本内涵应包括 1 提高资源综合利用程度 ， 回收低品位矿石． 针对资源不可再 生性特点， 既要充分 回收有用矿物 ， 提高资源综合利用程度 ， 又必须实行保护性开采． 2 实现废料产出最小化． 即要求采选过程中应 最大限度地降低废尾产出排放量 ，减少废尾排放污 染环境 、 消除地表沉降造成人文生态环境破坏． 3 推动废料资源化． 一方面要求将废尾作为二 次资源进行利用 ，另一方面是否将废尾作为二次资 源加 以保护． 4 研究高技术的特殊采矿方法 ， 适应绿色采矿 需求． 2 ． 1 绿色采矿模式与充填技术 根据绿色采矿 的基本内涵 ， 不难发现 ， 现时期下 符合科学发展观的绿色采矿应基本满足资源综合利 用效率 高 、 废料排放最小 、 地表不受破坏三要素． 勿 庸置疑 ，矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿的 主体支撑技术．充填采矿技术具有消除采动引起 的 地表下沉和改善采矿应力环境功能 ，具有低贫损开 采 、 提高资源综合利用率功能和“ 采 富保贫” 远景 资 源保护功能 ， 具有降低废石尾砂等 固体废料排放 、 甚 至根本消除采矿末端处理达到无废开采 的功能 ， 具 有适应各种复杂难采矿床开采的功能． 2 ． 2 充填采矿技术的降排功能 目前 ， 充填采矿方法将得到越来越多的应用 ， 促 使充填工艺技术进步速度加快． 实 际上， 充填采矿 的 作用和意义 已经远远超出了矿山开采 的范畴．因为 利用工业废料大量深埋地下改善环境保护 ，以及矿 产资源充分 、 合理的综合利用 ， 也是我国国民经济可 持续发 展战略 的基