产业与环境
INDUSTRY AND ENVIRONMENT
1998年 第20卷 第4期 Vol.20 No.4 1998科技期刊
新技术对采矿工业中改善环境表现的贡献
Andrew S.Parsons,Chamber of Mines of South Africa.P.O.Box 61809,Marshalltown,2107,South Africa
Howard R.Hume,Steffen,Robertson and Kirsten,7175 W.Jefferson Avenue,Suite 3000,Lakewood,Colorado 80235,USA
(formerly with Chamber of Mines of South Africa)
摘　要
　　描述了新技术(和开发中技术)对采矿、矿物加工和采矿废物处置中改善环境表现的贡献.虽然本文的重点是南非的发展，但这些实例有普遍的意义和应用.
引　言
　　对于一些关心环境和在采矿工业中工作的人来说，有彼此排他性的概念.然而，世界各地的采矿工业正在努力工作，以改善它过去对环境的影响，也在不断改变其经营方式，以期最大限度减少其当前影响.这个战役正在许多战线上打响.本文侧重于技术的贡献，尤其新技术的贡献和当前正在开发的技术的设想贡献.
　　采矿发生于热带丛林和北极，从海拔4000米到地表以下几乎4000米.它包括范围从一人一铲到成千上万人的经营.我们不想说我们有如此广谱的学识.由于我们对南非的发展有较好的了解，因而本文的重点主要是那里正在开发的新技术.虽然南非金矿面临着他们特有的很多技术挑战，但他们也有着与其它矿山共同的很多问题.因此，本文只描述新技术对采矿工业的环境表现的贡献的一部分，尽管是一个重要部分.
　　区分是促进提高效率的技术、促进环境表现的技术还是促进工人健康与安全的技术往往是人为的，因为这几个部分是相互关联的.效率和环境表现共同构成清洁生产概念.人类，无论是工人还是受影响各方，都是环境的根本性重要部分：里约环境与发展宣言的第一条原则是这样开始的：“人类处在可持续发展关注的中心.”因此，尽管这里所描述的技术正在对减少环境影响作出贡献，但大多数(若不是全部的话)也有其它效益.
　　南非采矿业，与它在其它地方的同行的共同之处，是电力及其它资源的消费大户.仅在电力的情况下，它占南非消费量的大约25%，燃煤发电量的91%.燃煤产生大量温室气体1，而且在南非每年产生2000多万吨粉煤灰和10万吨颗粒物.它也使用大量水.1996年，南非生产了5000万吨废煤，即开采出来但没有足以供进一步使用的质量的煤炭.因此，在随后的讨论中必须牢记在心的是，任何一种能减少耗电量的技术都间接地减少对土地、水和空气的影响.
采　矿
　　为了在经济上有活力，许多采矿必须大规模进行，需要挖掘和清除巨大数量的土壤和岩石.在几乎所有情况下，必然的是，这最起码将导致对环境的视觉影响，尽管这些日益具有短期性质.然而，这种干扰地层的行动使岩石与空气接触，这引发了导致环境影响的过程.本节中描述了采矿工业为减少影响而正在调研的一些革新性手段.
　　南非开采黄金和较小程度上的白金(铂)的很大深度引起巨大的技术挑战.但深度(南非黄金的一个显著比例是在地表以下3000米处开采的，目前正在调研5000米采矿技术)正在一些革新性岩石破碎技术中得到利用，它们正是利用这些深度上岩石高度碎裂和受应力的优势.下一节中描述的撞击掘进机和其它技术利用了这一特征.撞击掘进机和若干种其它技术也利用了井筒中潜在可供利用的静水压头所提供的能量(水力)，这可以用来驱动(以水为液压工质的)液压马达，从而给这些技术提供动力.因此，正在利用重力作为深层矿的一种能源，使用了那种无论如何不得不送到地下供冷却和降尘之用的水.
非爆炸式岩石破碎
　　尽管爆破是非常高能效的，但采矿工业多年来一直在探索爆炸的替代办法.这种探索最初是受到一种寻找更安全可控制的岩石破碎手段的愿望驱动的.如果能避免炸药的使用，则往往也可能有重要环境效益，因为它们产生的气体和它们留下的化学沉积物通常是有毒的，会沾污地下空气，并增大现有矿水的盐度，而这种矿水终究需要从矿山井巷中泵出.由于不用炸药而用机械系统一般能达到岩石破碎时较大程度的控制，因而可以减少废岩石对矿石的稀释.结果，会产生潜在显著的环境效益，只需较少的能源就能提升和加工已减少的岩石量，而且有较少的废料要处置.在利用这样一些方法时，由于降低了矿车运输成本、提升成本和研磨成本，因而也有成本优势.与钻孔爆破式采矿的延误相比，连续工作的能力给机械采矿带来了重大经济优势.机械化可以减少工人对危险条件的暴露，从而改善了安全水平.以下描述的技术兼备了这些效益中的大多数(如果不是全部).
　　呈连续长壁采矿机形式的机械刀盘已被煤炭开采业使用了数十年.它们目前正在全世界使用.采煤机是一种相当成熟的技术.然而，机械采矿机用于金属矿开采只是一种较新的发展，因为不得不破碎的，一般较坚硬的岩石对切削工具提出了更高要求.地下采矿面临的一个显著限制是需要把机器、尤其大深度采矿机器建造得尽可能小.南非金矿中存在的细石英颗粒导致机器零件的迅速磨损，加大了挑战的程度.　　巷道掘进机(TBM)是1950年代首次引进的，当时用它们来切削适度柔软、稳定的岩石.最近的刀具技术进展——就直径、负荷能力、规范速度、几何形状和物理冶金而言——意味着世界上只有少数岩石不能用巷道掘进机掘进.不良的岩石条件也不是它们过去一贯那样的威慑.巷道掘进机的主要缺点，姑且不论其高昂的初期成本，是其不灵活性及其回转半径.然而，在其使用适当的情况下，它们带来了以上所列的机械化的一般效益和安全效益.
　　多年来，天井钻机也已用来切削垂直天井.最近，也用它们切削短的水平巷道.它们优于巷道掘进机的优势在于它们较低的电耗(因而，如以上所述，较低的环境影响)、较低基本建设费用、较少准备工作、较短的设备安装时间、减少地面支撑、和增大安全性.
　　嵌有涂布了工业用合成钻石的珠子的钢丝绳，从1970年代以来就一直用来采大理石和花岗石.目前，它们正在发展来切割20—60cm厚的黄金和白金采矿工作面.除了通过设置如此狭窄的采矿工作面来减少稀释的优势外，大大简化了必要的顶板支护措施.以上提到了减少废岩石对矿石的稀释的环境效益.它们主要涉及减少电耗和要处置的废岩石.在矿脉上下方同时开槽，再用轻微装药如起爆导火线把矿石爆破下来.由于钻石钢丝绳采矿要求巷道在采矿工作面前方不断延伸，使得它总是领先于该工作面约20米，因而这种方法不适用于超深矿，在这种地方，由于结构稳定性关注，开挖前导段仅限5米.然而，一种不要求这样开挖的圆形钻石锯虽然需要一道额外的退刀槽来容纳锯床，还是在进行深层矿山可能用途研究.
　　一种撞击采矿系统目前处于生产试验开发阶段.该系统使用一种水驱动液压锤来使岩石破碎并将其装上一台往复飞行传送机上.目前的研究工作涉及使锤的能量从4.5千焦(kJ)增加到8千焦以上，开发一种更简单的且更可靠的锤，并增大可以采矿的回采厚度.对机械化的很多效益已经进行了描述，它们也适用于撞击采矿.此外，用水力代替压缩空气消除了电力的使用，这也有附带环境优势.
　　穿透锥破碎(PCF)技术利用一种非爆炸性化学推进剂在一个短钻孔底部产生非常高的瞬时气体压力.尽管这种技术可以用来破碎坚硬、庞大的岩石，但它最适当的用途在于使高度破裂的岩石破碎.除了以上所列的、不使用炸药的优势外，PCF特有的优势是：它的高能效，与炸药比较时尤其如此；它产生非常低速的飞石；以及碎石大小分布可以控制且小块和超大块碎石都很少这一事实.虽然与用炸药相比每次爆破破碎岩石的数量少得多，但PCF可以连续使用，因为该区域不必为了能吹扫烟气而进行清理，而且也更具选择性地导致一些适当情况下的总体改善.
　　希望能以一种处于早期开发阶段的“水枪”利用前面讨论的地层深处的水压.利用与PCF技术所使用的那些类似的原理，把该机器的筒体插进一个灌满了水的孔中.然后施加非常高的瞬间压力，使破裂的岩石破碎.在实验室试验中已达到35千焦的能量释放.
　　显示出前景的其它非炸药碎石技术包括活化拉底轧辊和小直径鼓形刀具.
液压凿岩
　　液压凿岩机从1991年起已投入使用.那些用泵产生所需要的高水压的凿岩机，其能效(因而电效率)是当前工业标准的气动凿岩机的两倍以上.水力液压凿岩系统(只需要辅助电力把用过的水泵到地表)使用的能源还要少.它们已被证实能达到实质上优于气动凿岩的性能，穿透速度也优于气动凿岩，且运行费用更低.
岩石提升
　　把岩石提升到地表是一种昂贵的能源密集型的活动.水作为碎石的一种输送介质的用途正在研究之中，因为它有优于用钢丝悬吊式料车的传统提升方法的若干种潜在效益：
　　1.能效更高；
　　2.资本成本更低；
　　3.垂直和水平输送组合成一个系统；
　　4.大直径钻孔也起到生产井筒的作用；
　　5.使水提升与矿山服务水或泵送循环一体化；和
　　6.无直接排热问题.
　　液压提升可以与矿石的地下破碎以及可能的预加工相结合，从而进一步提高效率.
通风和冷却
　　深层矿的通风和冷却是非常昂贵的，而且需要非常大量的电力(一座金矿用的、有100兆瓦量级电力需求的制冷系统并非没听说过).因此，能降低通风和冷却要求的技术将因降低电力消耗而减少环境影响作出相当大贡献，正如引言中所述的那样.在地表以下不到3000米处，已经在感受60℃的新鲜岩石温度，有必要使空气冷却到不高于28℃的湿球温度，以确保安全的生产性工作条件.这里描述了新的、更加环境友好的技术，尽管也在调研改进矿山布局，以此作为集中采矿的一种手段，从而减少所需要的冷风量.也已描述了机械化的效益，但增加机器使用的一个负面后果是它们产生的热，因而它们给通风系统增加了更大的负荷.不得不把努力集中在最大限度减少其热负荷上.
　　冷水用于冷却已经有很多年，但正在引进冰的使用，因为它有更好的冷却性能.一种新的脱盐(淡化)技术已经使得有可能使本来已经是废水的地下矿水结冰，而不使用饮用水.这不仅是稀缺资源的更好利用，而且也减少了与该水使用前净化相联系的环境影响与成本.
　　根据国家对《关于臭氧耗损物质的蒙特利尔议定书》的承诺，南非采矿业已经以很大代价淘汰了用作制冷剂的新氯氟烃(耗损臭氧层的CFCs)的采购.所有新购买的、用于冷却地下巷道的冷水机或制冰机都要么使用非CFC制冷剂要么用水本身作为制冷剂.为CFC制冷剂设计的大多数现有机器正在改用氢氟烃(HFC)或氢氯氟烃(HCFC)制冷剂；没有进行这种改造的机器使用再循环的CFCs库存.不耗损臭氧层的氨也用于一些安装在地面上的水冷装置和制冰装置.具有讽刺意味的是，它曾用于首批安装在南非矿山的一些机器中，但因其在某些浓度上的毒性、腐蚀性和可燃性而被CFCs所取代.由于同样的理由，它没有用于安装在地下的装置中.
　　也正在研究进风道的绝热，作为减少能量向形成该风道的岩石中流失的一种手段，这将减少通风装置的电力需要，和带来与以上所述的较低电力消耗相联系的效益.
支　护
　　南非矿山地下每年使用大约120万吨木材作为顶板支护.这种做法可追溯到上世纪该国地下金矿开采的第一次开发.它支撑着一个林业行业，该行业种植外来树种，消耗了大量的水并使它们所生长的土壤酸化.除了减少这个行业引起的环境影响外，向替代支护手段的转变将从地下矿中拆除易燃产品.本节中描述的每一种支护系统都正在开发中，都是由于这些原因及其它原因而替代木材的.
　　把加工的岩石放回地下而填进采空区中的系统，称为回填.从1980年代中期起它就用于南非金矿.日益增多地，在这种废料上添加了一种快速定形成分.回填有如下若干种重要的环境效益、安全效益和经济效益.它的明显优势是减少地表矿山废物.如同上一节所指出的，深层矿的通风和冷却是非常能源密集和昂贵的.由于减少与通风空气接触的岩石表面积和空气体积，通风和冷却需求是较低的.回填也提供一条地热传导路线，进一步减少通风需要.由于减少当地岩石应力而改善了安全.
　　液压支柱是钢制的，而且有快支型和慢支型两种.它们能耐受爆破条件，可以在爆破前安装.
　　目前正在开发一种用来支护白金采矿工作面的系统，在顶板中几乎只用岩石锚杆支护(黄金采矿工作面中的空间限制使这种思路成为深层黄金采矿的一个研究领域).目前，除岩石锚杆外，也需要细长支护.此研究的一个决定性要素涉及不同大地构造区域稳定跨度的确定.
煤炭自燃
　　煤　炭　自　燃　是　在　地　上　　和　地　下，在某些条件下，一些特定煤炭和矸石的一个巨大问题.它浪费了有用资源，而且是一个环境问题.至少一家南非煤炭开采公司参与了旨在防止其发生的长期研究.
加　工
就地提取
　　用一种类似于堆浸的地下工艺进行矿物就地提取，就我们所知，在南非尚未得到应用.
　　从概念上说，地下矿体首先用炸药使之破裂，然后让浸出剂(沥滤)溶液通过该矿石渗滤，该溶液是借助于注射井从地表引进的.让富金属溶液集流到一个平硐中，再泵送到地表进行加工.据说，通过精心设计的良好地下水管理，在有利的地质条件下，可以使浸出剂与周围地下水保持分离.果真如此的话，这种方法就会提供最小的地表破裂和固体废物产生量以及低的运行费用和基本建设费用等优势.
生物氧化
　　硫杆菌(Thiobacillus)用于从金属矿石中提取各种金属的用途目前处于不同的开发阶段.它们在难处理黄金矿石的加工中已经使用了10年，最近已应用于镍，目前正在进行与铜矿石有关的研究.这种细菌消耗硫化矿石中的硫(使其氧化)，从而使一些本来需要昂贵和污染性提取工艺的金属变得容易提取.硫化矿物的传统加工方法需要焙烧矿石，这可能产生二氧化砷和二氧化硫，后者被氧化并与水反应而形成酸雨.不产生这些污染物的加压氧化建立起来比生物氧化工艺昂贵得多.目前的研究方向是通过开发能在较宽温度范围运行的细菌培养物，扩大可以加工的矿石范围.
减少氰化物消耗和改善其再循环
　　氰化物用于很多黄金矿石的加工.虽然它是高度有效的，但它对人类和动物也是非常毒的.目前正在开展研究，以借助于不同的回收方法最大限度减少氰化物消耗量和提高其再循环率.据设想，这将达到实质性的成本节省，当进行消耗大量氰化物的矿石处理时尤其如此.虽然据信大多数氰化物会在尾矿坝上被太阳光破坏，但减少在尾矿坝上处置的加工矿石中的氰化物数量具有环境意义.
活性炭再生
　　1970年代末为处理威特沃特斯兰黄金矿石而引进炭浆工艺导致提取效率显著提高.工艺中使用的活性炭是用回转窑或直流电阻加热再生的.目前正在进行研究，看改用微波技术再生是否可行.根据实验室规模的实验，表明后一种方法与现有成熟技术相比有较低的运行费用(主要是由于其能耗降低)但较高的基本建设费用.
废物处理与处置
　　为了最大限度减少环境影响，很多作者描述了一种多层次废物管理方案.虽然在最近的南非国家政策文件中以不同形式编制了这种层次结构，但我们更偏爱前澳大利亚联邦环境局开发的那一种，引自《危险材料管理、贮存和处置》——澳大利亚环境部出版的《采矿环境管理最佳实践》丛书的一部分：
　　“按优先顺序，所选择的方案应当是：
　　1.废物避免：完全防止废物产生的实践；
　　2.废物削减：减少废物的实践；
　　3.废物重复利用：废料直接回用于同一等级的用途；
　　4.废物再循环或回收：废物中的有价值成分用于其它过程；
　　5.废物处理：减少危险性或危害，较好在发生地点进行；和
　　6.废物处置.”
　　以上所述的技术和工艺直接或间接地涉及方案1—4.本节侧重于方案5和6.废物处置是废产物操作方面的最终方案，但按定义，采矿产生和处置大量废物，其中多数是惰性的.
　　今后，很可能水处理要求将变得更严格，其中，矿山服务水将再循环更长时间，因为水排放标准更加严格，还提出了节水和再循环水的举措.因此，水将相应地变得更酸、更咸和更受泥浆沾污.这些污染物对装置和设备的影响将需要最大限度减少.
酸矿排水的被动处理
　　酸矿排水(也称为酸岩排水)是含硫化物的矿物在水的存在下氧化的结果.很多矿物，包括含金属的矿石和煤炭，都可能发生这种情况.被动处理系指不要求主动干预处理的情况，而所使用系统的设计使得当所处理出水的特征有差异时能自我矫正，尽管仍然要求不时地进行监测.结果，被动系统对于低流量和低酸度排水最管用.当前的系统使用化学品(通常为石灰石)、湿地、或这两者的组合.湿地利用许多化学过程和生物过程(对其中大多数过程还不十分了解)，使硫酸盐还原(借助于硫酸盐还原菌SRB)并使重金属以稳定硫化物沉淀形式去除.研究目标是了解所发生的反应，以期优化湿地操作.具体地说，南非目前正在利用混合细菌培养物进行工作.
半干尾矿处置
　　采矿废物大部分是尾矿，它们是矿石加工的废产物.它们往往是细小微粒，而且通常沉积成为淤泥而形成巨大的尾矿坝或矿山废石堆.1980年代实行了尾矿的半干堆垛.这种做法可能会不断普及，因为它提供下列优于常用湿处置的优点：
　　1.沉积物的密度高得多，结果，它占有较小的体积和表面积；
　　2.剪切强度可观地增大，因此，沉积物稳定得多(且因而更安全)、复垦更容易；
　　3.一旦沉积完成，几乎可以立即进行复垦和再植被化活动；
　　4.尾矿坝可以安全地建造到一个本来不可能达到的高度；和
　　5.地下水污染的风险显著降低.
粗细残渣的共处置
　　提供环境效益的另一种尾矿处置方法是尾矿与废岩石的共处置，而不是将其分开处置的传统方法.这种方法要求非常低的尾矿水含量.它有下列优于湿处置的优点：
　　1.水耗降低；
　　2.游离水缺乏意味着地下水污染潜力降低；
　　3.只要基础层足够牢固，就没有斜坡稳定性的潜在问题；
　　4.风和水引起的侵蚀损失减少；和
　　5.空气和水的可渗透性减少.因此，自燃的可能性和酸矿排水率在这些问题发生的矿床中减少了.
尾矿坝粉尘排放控制
　　许多年来一直在开发尾矿坝植被化技术，以期改善其外观和控制粉尘.由于矿山尾矿包括细小颗粒，因而尾矿坝在其复垦或再植被化之前产生粉尘污染的潜力很大.为了抑制尾矿坝的粉尘排放，南非还在开展一个项目，力求了解风及其它途径引起的粉尘发生的控制机制.通过能模拟粉尘场，希望将有可能改善尾矿坝的设计.
结　语
　　我们已经尝试描述了采矿工业界当前正在引进或调研的一些较重要新技术和贡献，重点是在南非的开发.这些努力的多样性和范围是非常宽阔的，因此才有可能给出一篇综述.正在进行针对采矿企业所有领域的研究与开发、并力求用那些有减少和更短期环境影响、改善了员工和社会安全以及更低成本的技术与工艺来生产矿物产品.
　　从环境观点来看，清洁生产是推动力：目前正在使用更高效和环境友好的工艺、产品和服务来进行源头废物削减.这可能成为今后许多年内该行业的重点.
　　该行业的环境表现显然正在迅速增长.同时，正在以一种日益透明的方式报告环境表现.采矿作为一个对环境负责任的行业的形象正在树立.
注　释
　　1.国家发电公用事业公司Eskom计算1995年它释放了1.47亿二氧化碳、120万吨二氧化硫和60万吨二氧化氮.见Eskom1995环境报告.网址：
http:/www.eskom.co.za/graphics/social/enviro/env95/tables.htm
