一种地下硫铁矿的化学开采方法

摘要

本发明涉及一种地下硫铁矿的化学开采方法，包括以下步骤：（1）确定位置；（2）施工通道；（3）加催化剂；（4）注浆封闭；（5）焙烧制气；（6）充填封闭。基于硫铁矿制造硫酸的基本化学原理和工艺，将硫铁矿焙烧制取二氧化硫过程直接在地下采场完成，减少了井下硫铁矿提升运输至地表、选矿和硫酸厂焙烧等生产环节；彻底解决了有自燃倾向硫化矿地下开采中的二氧化硫中毒安全问题和环境污染问题；充分利用了硫铁矿自燃的热量，合理控制地下采空区硫铁矿燃烧状态，将其改造为地下焙烧炉。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下硫铁矿的化学开采方法，属于硫化矿资源开发与利用技术领域。

背景技术

硫铁矿是我国目前制造硫酸的主要矿物原料。用硫铁矿制造硫酸大体需要经过焙烧和制酸两个过程。焙烧过程就是将硫铁矿投放在焙烧炉内燃烧，在燃烧过程中，矿石中的硫与氧气经过氧化反应生成二氧化硫；制酸过程就是将焙烧形成的SO

目前，硫铁矿地下开采常用的采矿方法包括空场法，充填法和崩落法。由于很多的原因，用这三种采矿法开采硫铁矿的过程中，采空区内都会存留有大量存窿矿石。这些堆积的矿石与空气接触会发生缓慢氧化反应放出热量和生成SO

地下硫铁矿自燃火灾在加拿大、澳大利亚、波兰、俄罗斯及中国等国家和地区普遍存在。在我国20多矿区均不同程度地受到硫铁矿自燃火灾的威胁。地下硫铁矿矿石自燃火灾已成为硫化矿床开采经常遇到的重大灾害，不仅给矿山造成巨大的资源浪费及经济损失，而且自燃生成的SO

针对硫铁矿自燃火灾，目前普遍采用强采强出、充填覆盖、注水注浆、喷洒阻化剂的灭火治理方法。这些方法存在工程量大、材料成本高等问题，只能暂时缓解硫铁矿火灾，不能从根本上解决硫铁矿地下开采火灾问题。目前国内外对于硫化矿火区的问题仍停留在灭火治理的层面上，而对于硫铁矿自燃矿石的开发利用还未有相关研究应用。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种地下硫铁矿的化学开采方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种地下硫铁矿的化学开采方法，包括以下步骤：（1）确定位置；（2）施工通道；（3）加催化剂；（4）注浆封闭；（5）焙烧制气；（6）充填封闭。

优选的，在步骤（1）中，确定地下存窿硫铁矿焙烧点火位置：地下开采过程中采场残留的硫铁矿发生自燃后，首先采用红外线探测法圈定采场硫铁矿矿堆自燃发火大致范围及延烧方向的基础上，然后通过钻孔分析孔底温度、气体成分，确定地下发火点的具体位置，具体的发火点可能有多处；最后根据残留矿石矿堆状态、矿石品位、采场水文参数选取某一处合适的发火点作为采空区硫铁矿焙烧制取二氧化硫火源，确定该发火位置作为存窿硫铁矿焙烧点火位置。

优选的，在步骤（2）中，进气通道和吸气通道的施工：在点火位置确定后，在火源蔓延方向前方设定位置采用定向钻进技术，从采场上部巷道向下施工钻孔作为氧气注气孔，注气孔在火源下方10-50cm。

优选的，在火源的后方设定位置采用定向钻进技术，从采场上部巷道面向下施工1个钻孔作为吸收二氧化硫的吸气孔，吸气孔位于矿堆上表面。

优选的，注气孔和吸气孔分别钻进至硫铁矿矿堆点火位置的前后，分别沿矿堆走向前后继续钻进设定距离形成进气通道和吸气通道；进气通道用钢制花管铺设，内置进气软管；进气软管管口始终在火源的前锋，引导火源路径和速度；吸气管口的钻孔终孔位置始终位于火源的后方，吸气通道用无缝钢管铺设；吸气通道与进气通道分别位于火源两侧，最终通过硫铁矿燃烧扩大使进气通道和吸气通道贯通形成焙烧炉。

优选的，在步骤（3）中，矿堆内加注固体氧化剂：在采场同一水平高度的硐室或巷道向矿堆钻进水平钻孔，通过水平钻孔向矿堆内均匀喷洒固体氧化剂kclO

优选的，在步骤（4）中，注浆封闭隔绝采空区：通过钻孔灌注胶体封堵采场四周小裂隙以彻底阻断火源区域的供气通道；对位于发火采空区设定区域内的塌陷孔洞和漏风通道采用封堵材料进行封堵处理，以达到控制氧气或二氧化硫泄露出采场、减小火源前锋面区域漏风强度至维持阴燃状态、控制火源沿矿堆的蔓延速度的效果。

优选的，在步骤（5）中，硫铁矿地下焙烧制取二氧化硫作业：首先安装后退式注气装置，后退式注气装置包括柔性注气管和设置在采场上部的巷道的绞车，柔性注气管为进气软管，将柔性注气管置入进气通道内，柔性注气管的后端安装有喷头和温度传感器，柔性注气管的前端与缠绕在绞车上的绞绳连接，注气泵通过柔性注气管向进气通道内定量供给氧气，控制适宜的热解状态使火源前锋面向前蔓延与焙烧炉融合、将火源前锋面不断改造为硫铁矿地下焙烧炉，所产生的二氧化硫气体通过吸气通道输送至上部巷道二氧化硫储存罐内；通过控制喷头氧气量、利用温度传感器将焙烧炉温度控制在600℃-800℃。

优选的，通过温度传感器检测采场硫铁矿焙烧区域温度变化情况，当温度低于300℃时则判断该区域焙烧工作结束，然后控制绞车动作牵引柔性注气管向前移动设定距离，进而使焙烧工作面不断向前蔓延移动，待硫铁矿焙烧工作面前移至设定的停止线后，完成硫铁矿地下焙烧制取二氧化硫过程，最后对工作面所用设备进行回收。

优选的，在步骤（6）中，焙烧采场充填封闭：硫铁矿地下化学开采结束后，需对采场采空区进行充填封闭，一方面是实现对采空区完全隔离，杜绝残余二氧化硫气体的排出污染井下空气；另一方面是充满采空区控制地压，防止采场大面积冒顶和坍塌事故；采空区充填工序如下：

S1：根据采场高冒点素描图，合理设计充填施工孔；

S2：充填钻孔的孔深度不低于充填管长度；

S3：按设计要求，插入充填管，使用马丽散将充填管封牢，每个管口安装一个控制阀门；

S4：按要求连接好充填系统后，开始充填尾砂充填材料；

S5：每孔充填至不能进料方可停止，关闭管口控制阀门，换下一孔，保证高冒空区或松散矿堆充实。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：基于硫铁矿制造硫酸的基本化学原理和工艺，将硫铁矿焙烧制取二氧化硫过程直接在地下采场完成，减少了井下硫铁矿提升运输至地表、选矿和硫酸厂焙烧等生产环节；彻底解决了有自燃倾向硫化矿地下开采中的二氧化硫中毒安全问题和环境污染问题；充分利用了硫铁矿自燃的热量，合理控制地下采空区硫铁矿燃烧状态，将其改造为地下焙烧炉。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺流程图。

图2为本发明实施例的开采原理示意图一。

图3为本发明实施例的开采原理示意图二。

图4为上向分层尾砂胶结充填采场化学采矿示意图一。

图5为上向分层尾砂胶结充填采场化学采矿示意二。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1~3所示，一种地下硫铁矿的化学开采方法，包括以下步骤：（1）确定位置；（2）施工通道；（3）加催化剂；（4）注浆封闭；（5）焙烧制气；（6）充填封闭。

在本发明实施例中，在步骤（1）中，确定地下存窿硫铁矿焙烧点火位置：地下开采过程中采场3残留的硫铁矿发生自燃后，首先采用红外线探测法圈定采场硫铁矿矿堆7自燃发火大致范围及延烧方向的基础上，然后通过钻孔分析孔底温度、气体成分，确定地下发火点的具体位置，具体的发火点一般可能有多处；最后根据残留矿石矿堆状态、矿石品位、采场水文参数等选取某一处合适的发火点作为采空区硫铁矿焙烧制取二氧化硫火源11，确定该发火位置作为存窿硫铁矿焙烧点火位置。

在本发明实施例中，在步骤（2）中，进气通道和吸气通道的施工：在点火位置确定后，在火源蔓延方向前方设定位置采用定向钻进技术，从采场上部巷道1向下施工钻孔作为氧气注气孔，注气孔在火源下方10-50cm。

在本发明实施例中，在火源的后方设定位置采用定向钻进技术，从采场上部巷道面向下施工1个钻孔作为吸收二氧化硫的吸气孔，吸气孔位于矿堆上表面。

在本发明实施例中，注气孔和吸气孔分别钻进至硫铁矿矿堆点火位置的前后，分别沿矿堆走向前后继续钻进设定距离形成进气通道10和吸气通道12；进气通道用钢制花管铺设，内置进气软管；进气软管管口始终在火源的前锋，引导火源路径和速度；吸气管5管口的钻孔终孔位置始终位于火源的后方，吸气通道用无缝钢管铺设；吸气通道与进气通道分别位于火源两侧，最终通过硫铁矿燃烧扩大使进气通道和吸气通道贯通形成焙烧炉。

在本发明实施例中，在步骤（3）中，矿堆内加注固体氧化剂（催化剂）：采用定向钻进技术施工注气孔和吸气孔完成后，在采场同一水平高度的硐室或巷道向矿堆钻进水平钻孔，形成加催化剂的钻孔8，通过水平钻孔向矿堆内均匀喷洒固体氧化剂kclO

在本发明实施例中，在步骤（4）中，注浆封闭隔绝采空区：通过钻孔灌注胶体封堵采场四周小裂隙以彻底阻断火源区域的供气通道；对位于发火采空区设定区域内的塌陷孔洞和漏风通道采用封堵材料进行封堵处理，以达到控制氧气或二氧化硫泄露出采场、减小火源前锋面区域漏风强度至维持阴燃状态、控制火源沿矿堆的蔓延速度的效果。

在本发明实施例中，在步骤（5）中，硫铁矿地下焙烧制取二氧化硫作业：首先安装后退式注气装置，后退式注气装置包括柔性注气管6和设置在采场上部的巷道的绞车2，柔性注气管为进气软管，将柔性注气管置入进气通道内，柔性注气管的后端安装有喷头和温度传感器，柔性注气管的前端与缠绕在绞车上的绞绳连接，注气泵通过柔性注气管向进气通道内定量供给氧气，控制适宜的热解状态使火源前锋面向前蔓延与焙烧炉融合、将火源前锋面不断改造为硫铁矿地下焙烧炉，所产生的二氧化硫气体通过吸气通道输送至上部巷道二氧化硫储存罐4内；通过控制喷头氧气量、利用温度传感器将焙烧炉温度控制在600℃-800℃。

在本发明实施例中，通过温度传感器检测采场硫铁矿焙烧区域温度变化情况，当温度低于300℃时则判断该区域焙烧工作结束，然后控制绞车动作牵引柔性注气管向前移动设定距离，进而使焙烧工作面不断向前蔓延移动，待硫铁矿焙烧工作面前移至设定的停止线后，完成硫铁矿地下焙烧制取二氧化硫过程，最后对工作面所用设备进行回收。

在本发明实施例中，在步骤（6）中，焙烧采场充填封闭：硫铁矿地下化学开采结束后，需对采场采空区进行充填封闭，一方面是实现对采空区完全隔离，杜绝残余二氧化硫气体的排出污染井下空气；另一方面是充满采空区控制地压，防止采场大面积冒顶和坍塌事故；采空区充填工序如下：

S1：根据采场高冒点素描图，合理设计充填施工孔；

S2：充填钻孔的孔深度不低于充填管长度；

S3：按设计要求，插入充填管，使用马丽散将充填管封牢，每个管口安装一个控制阀门；

S4：按要求连接好充填系统后，开始充填尾砂充填材料；

S5：每孔充填至不能进料方可停止，关闭管口控制阀门，换下一孔，保证高冒空区或松散矿堆充实。

在本发明实施例中，根据地下硫铁矿发火采场范围大小，在火区范围内设置的地下硫铁矿化学开采所有工作面，进行所有工作必须佩戴防毒面具和制定防毒气中毒方案。

具体实施过程：

实施例1：某硫铁矿-230m中段2#采场使用上向水平分层尾砂胶结充填采矿法回采矿石，分层高度3—5m，采场宽度15m，长度60m，如图4-5所示。采场矿石硫平均品位30%，矿石有黄铁矿和胶状黄铁矿，该采场属于高硫自燃倾向采场。采场第一分层回采后，进行尾砂胶结充填，第一分层充填体高度4m；进行第二分层开采时，矿石存放15天后出现自燃，当时工人在采场闻到刺激性二氧化硫气体，立即戴呼吸自救器，在进风侧强行出矿，但无法控制控制火灾蔓延，一个月后，采场顶板出现大面积垮落，采场硫铁矿存量达5000立方米，传统采矿方法已经无法回收这些存窿矿石。因此，该采场改用化学法开采，开采步骤如下：

（一）确定地下存窿硫铁矿焙烧点火位置

针对2#采场硫铁矿自燃发火，首先采用红外线探测法圈定采空区硫铁矿矿堆内自燃发火大致范围及延烧方向，在采用红外线探测法圈定硫铁矿自燃发火点大致有三处，再通过钻孔分析孔底温度、气体成分，确定发火点的具体位置，最后，根据采场矿石矿堆状态、矿石品位、采场已有井巷工程情况进行圈定2#采场硫铁矿焙烧点火位置。

选定溜矿井后方1m，距离充填体底板2m发火位置作为该采场硫铁矿焙烧制取二氧化硫点火源，火源延烧方向从溜矿井向人行井方向发展。

（二）进气通道和吸气通道的施工

在点火位置确定后，在火源蔓延方向前方设定位置采用定向钻进技术从采场上部的回风巷道向下施工一个钻孔作为氧气注气孔，注气孔在火源下方10-50cm，距离充填体表面垂直高度1m。在火源的后方设定位置采用定向钻进技术从采场上部回风巷道向下施工1个钻孔作为吸收二氧化硫的吸气孔，吸气钻孔钻进至矿堆表面5cm。注气孔和吸气孔分别钻进至硫铁矿矿堆点火位置的前后，并分别位于采场的两侧。

分别沿矿堆走向前后继续钻进设定距离形成进气通道和吸气通道，进气通道始终在火源的前锋，引导火源路径和速度。吸气通道的钻孔终孔位置沿火源始终位于火源的后方，在左右方向上的走向向吸气通道或进气通道钻进、使进气通道和吸气通道贯通形成焙烧炉。

（三）矿堆内加注固体氧化剂（催化剂）

采用定向钻进技术施工注气孔和吸气孔完成后，在采场同一水平高度的联络巷道向矿堆垂直方向上，钻进二排水平钻孔，水平钻孔垂直于进气通道。通过水平钻孔向矿堆内均匀喷洒固体氧化剂kclO

向水平方向上打水平钻孔垂直于进气通道，下面一排高于进气通道20cm，水平钻孔之间的垂直及水平间距150cm左右。并通过水平钻孔用压风将氯酸钾等氧化剂固体粉末吹入矿堆孔隙内。

（四）注浆封闭隔绝采场

对采场进行注浆充填封闭，实现对焙烧采场的完全隔离，一方面防止采空区外面的空气进入采场，影响硫铁矿的焙烧，另一方面，杜绝硫铁矿焙烧生成的二氧化硫气体的排出采场，污染井下空气。

采用封堵材料对位于发火采空区设定区域内裂隙、塌陷孔洞、充填井和人行井等采场相通的各种通道进行封堵处理，以达到控制氧气或二氧化硫泄露出采场、减小火源前锋面区域漏风强度至维持阴燃状态、控制火源沿矿堆的蔓延速度的效果。

上述工程施工结束后，通过钻孔灌注胶体封堵采场四周小裂隙以彻底阻断火源区域的供气通道。

（五）硫铁矿地下焙烧制取二氧化硫作业

首先安装后退式注气装置，后退式注气装置包括柔性注气管和绞车，这些设备放在采场上部的回风巷道内。通过绞车，将柔性注气管置入进气通道内，柔性注气管的后端安装有喷头和温度传感器，柔性注气管的前端与缠绕在绞车上的绞绳连接，注气泵通过注气孔向进气通道内定量供给氧气，控制适宜的热解状态使火源前锋面向前蔓延与焙烧炉融合、将火源前锋面不断改造为硫铁矿地下焙烧炉，所产生的二氧化硫气体通过吸气通道输送至上部回风巷道的二硫化硫储存罐内。

通过温度传感器检测采空区硫铁矿焙烧区域温度变化情况，当温度低于300℃时则判断该区域焙烧工作结束，然后控制绞车动作牵引柔性注气管向前移动设定距离，进而使焙烧工作面不断向前蔓延移动，待硫铁矿焙烧工作面前移至设定的停止线，即超过人行井1-2米，完成硫铁矿地下焙烧制取二氧化硫过程，最后对工作面所用设备进行回收。

（六）焙烧采空区充填封闭。

硫铁矿地下化学开采结束后，需对2#采场采空区进行充填封闭，一方面是实现对采空区完全隔离，杜绝残余二氧化硫气体的排出污染井下空气；另一方面是充满采空区控制地压，防止采场大面积冒顶和坍塌事故。采空区充填工序如下。

设计充填孔→施工孔→下充填管→封孔→充填→检验充填效果。

（1）根据采场高冒点素描图，合理设计充填施工孔。

（2）充填钻孔的孔深度不低于充填管长度。

（3）按设计要求，插入充填管，使用马丽散将充填管封牢，每个管口安装一个控制阀门。

（4）按要求连接好充填系统后，开始充填尾砂等充填材料。

（5）每孔充填至不能进料方可停止，关闭管口阀，换下一孔，保证高冒空区或松散矿堆充实。

根据地下硫铁矿发火采场范围大小，在火区范围内设置的地下硫铁矿化学开采所有工作面，上述工作必须佩戴防毒面和制定防毒气中毒方案。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的地下硫铁矿的化学开采方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。