贵金属回收技术综述

贵金属回收技术综述（精选7篇）

贵金属回收技术综述 篇1

近年来,电镀、纺织印染、机械加工、矿山开采、金属采选、合金以及化工企业等现代工业的飞速发展持续推动全球经济的增长,但是与此同时,工业废水的排放量也日益增加。一方面,大量有毒有害重金属离子废水的排放对生态环境及人类健康造成极大的危害,另一方面,我国部分重金属资源匮乏,阻滞了一些产业的发展。因此,研究工业废水中重金属离子的回收利用方法已引起国内外的广泛关注。

1 重金属离子的回收方法

目前,世界各国回收处理重金属废水主要有化学沉淀法、铁氧体法、电渗析法、膜电解法、气浮法、高分子重金属捕集剂、吸附法、萃取法、离子交换法、膜分离法等。在上述处理方法中,以下几种方法因为处理效果好、运行成本低、操作简单、回收率高而得到了广泛推广。

1.1 化学沉淀法

化学沉淀法就是向废水中投加沉淀剂,利用容度积原理使重金属离子形成难溶的碳酸盐、氢氧化物和硫化物等沉淀使重金属从废水中分离出来,使得废水得以净化的方法。该方法对重金属废水的处理具有较好的适应性,不但可以去除重金属离子,还可以去除伴随重金属离子共存的氰化物等有害物质[1]。其主要的化学工艺是投加沉淀剂发生化学反应应生成难溶的化学物质或用酸、碱调整某种重金属离子生成氢氧化物的p H值,从而使之成为氢氧化物。然后通过混凝、沉淀、浮选、过滤或吸附等方法将沉淀物从溶液中分离出来,常用的沉淀剂有石灰、氢氧化钠、硫化钠等。该工艺处理过程受p H值、温度、搅拌及重金属离子浓度等条件的影响,沉淀物从废水中脱除后,出水中重金属离子浓度在几mg/L,一般能满足污水排放标准的要求。刘娟等[2]利用化学沉淀法对含镍废水进行处理,处理后废水中Ni2+质量浓度由最初的1750.00 mg/L降至0.75 mg/L,Ni2+去除率达到99.95%。黄新等[3]在实验室通过小型实验装置利用化学沉淀法对含Ni2+废水体系中Ni2+进行回收利用,实验表明以Na2CO3为沉淀剂,p H≥9.3,温度为74℃时沉淀效果最佳,出水水质较好。但是化学沉淀法也存在一些不足之处,一方面通常重金属废水的酸度大,需要投加大量的碱;另一方面废水中重金属离子含量小,产生的混合沉渣利用价值低[4],而且采用化学沉淀法处理重金属废水时产生的大量重金属污泥需要无害化处理或稳定处置。

1.2 膜电解法

膜电解法,它是在直流电场作用下,以电位差为推动力,使离子态的物质在溶液中定向运动;利用隔膜的选择透过性,容许带一种电荷的离子通过而限制相反电荷的离子通过,从而实现溶液或离子的分离、淡化、浓缩、净化、提纯以及电化合成[5]。膜电解法是电解与膜分离技术的组合,在废水处理中,常常利用电极反应来达到废水处理和回收有用物质的目的,用膜电解法来处理酸性含铬废水、镀镍废水等,具有设备简单、操作方便、效果显著、无需化学药品等优点。膜电解除了具有传统电渗析的特点外,通过电极材料、膜材料的选择,尤其是采用了高效电催化电极后,可以在电解槽内发生一系列电化学过程,达到去除废水中污染物的目的[6]。因此,膜电解具有一般电化学过程的特点:多功能性、能量利用率高、可控制性、环境兼容性高、经济性好等[7]。另外,膜电解过程几乎不消耗化学药品;特别适宜处理高浓度的废水;在某些废水的处理中,离子膜电解技术在发挥电极氧化作用的同时,阳离子能通过离子交换膜在阴极室富集,所以在降解污染物的同时往往还能回收有用物质,达到污染治理与资源回收的双重目的。唐玉霖等[8]采用该方法处理人造金刚石产生的含Ni2+废水,将废水中78%以上的镍直接在阴极回收,出水效果好,且取得了良好的经济效益。沈黎等[9]通过正交试验优化工艺参数,采用离子膜电解法处理了模拟含铬废水,实验结果表明:处理时间为6 h,槽电压为2.5 V,Cr(VI)初始浓度50 mg/L,p H值为7时,可以把Cr(VI)的浓度处理到小于0.5 mg/L,达到国家排放标准(≤0.5 mg/L)。

1.3 离子交换法

离子交换法,是借助于离子交换树脂的活性基团同电解质溶液中的离子进行交换的特性,而达到脱盐目的的一种淡化方法。该处理方法在治理重金属工业废水的同时可实现金属的富集回收,具有较高的经济合理性,对利用金属资源和改善环境质量具有十分重要的意义。近年来,离子交换技术去除废水中的重金属,净化后出水中重金属离子浓度远低于化学沉淀法处理后出水中重金属离子的浓度,且通过回收再生后溶液,可实现重金属的回收。该方法降低了重金属离子进入环境的风险,同时也避免采用化学沉淀法处理重金属废水时产生大量污泥的再处理。离子交换法处理重金属工业废水时,去除率与运行条件有关,主要包括流速、树脂再生液浓度和再生流速等,因此研制和选择对重金属离子具有选择性高、交换容量大、吸附-解吸过程可逆性好的离子交换树脂,对于离子交换树脂在重金属废水处理的应用有着重要的意义。S Rengaraj等[10]分别用化学沉淀法和离子交换法去除和回收制革工业废水中的Cr3+,离子交换法产生的污泥量仅为沉淀法产生污泥量的20%,降低了80%,污泥的处置费用大大减少。

1.4 铁氧体法

铁氧体法是根据湿法产生铁氧体的原理发展起来的一种新处理方法。铁氧体是具有一定的结晶体结构的复合氧化物,具有较高的电磁率和电导率,不溶于水,也不溶于酸、碱和盐溶液。这种方法的实质是提供一定的条件,使废水中的金属离子形成铁氧体晶体,经沉淀与废水分离。向含有二、三价重金属的废水中投加二价铁离子碱液,在废水中经过形成氢氧化沉淀物、再溶解、氧化、聚合、缩合及脱水反应,最终将形成黑色的四氧化三铁结晶,即铁氧体。利用铁氧体法能同时处理含有多种重金属离子废水,不仅能有效去除重金属离子,还能生成具有应用价值的磁性铁氧体物质,该方法对于脱除Cr,Fe,Pb,Zn,Cd,Hg等重金属离子均有很好的效果。赵如金,吴春笃[11]用廉价的Ca(OH)2饱和溶液作废水p H调整剂,以Na2CO3作添加剂,采用常温铁氧体法处理重金属废水,研究发现重金属离子类型及n(Fe2+)/n(M2+)对磁性产物中金属的回收率、磁性产物的稳定性及饱和磁化率均有较大的影响。郑淑芳等[12]研究了铁氧体制备、形貌与性能的关系,深入分析了溶胶凝胶法、共沉淀法、水热法等制备铁氧体的方法与针状、棒状、片状、球状和孔状等形貌的铁氧体及各形貌铁氧体与其性能之间的关系,对于铁氧体的制备提供了一定的理论依据。王九思等[13]将超声波和铁氧体法相结合处理含Ni2+废水,工艺过程简单,处理条件温和,治理效果明显,不存在二次污染。

2 展望

以上所述几种重金属废水处理技术都有各自的优缺点,在处理不同工业废水的时候要选取处理效果好、装置简易、运行管理方便,且经济效益好的处理方式。随着技术的不断更新,将以上重金属工业废水的处理方法与其它技术相结合的处理方式会是今后的发展趋势。

贵金属回收技术综述 篇2

电子废弃物中贵金属的回收技术

摘要：随着电子工业的迅速发展,作为生产原料之一的贵金属的`消耗量越来越大.科学、合理、高效的回收利用电子废弃物中的贵金属,既可以节约资源能源,又能达到保护环境的目的.在此,阐述了电子废弃物中责金属的回收处理技术,介绍了各种技术的基本原理和研究进展,并简要介绍了已经应用于工业生产的贵金属回收工艺流程.作 者：贝新宇    鞠美庭    陈书雪    BEI Xin-yu    JU Mei-ting    CHEN Shu-xue  作者单位：南开大学环境科学与工程学院,天津,300071 期 刊：环境科技  ISTIC  Journal：ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008, 21(z2) 分类号：X5 关键词：电子废弃物    贵金属    回收处理   

贵金属回收技术综述 篇3

随着电子产品如手机、电脑等的使用和淘汰越来越普遍,电子产品废弃后的电子垃圾也呈爆炸式增长。据联合国环境规划署估计,全球每年约产生2000万~5000万t电子垃圾物,全球电子垃圾年增速达3%~5%,电子垃圾已成为继工业时代、化工冶金、造纸印染等废弃物污染后,在全球范围内出现的新兴污染物[1]。废旧电路板是电子垃圾的典型代表。废旧电路板的无害化、减量化和资源化处置技术,已成为全世界共同研究的重要课题。废旧电路板通常的回收技术有:物理方法、化学方法、生物方法以及各种方法的联合使用。本文在分析电路板回收特点的基础上,重点介绍了废旧电路板的机械物理回收技术。

1废旧电路板回收的特点

电路板成分复杂、内容多样,其主要成分可分为3大类: 含有卤素阻燃剂的塑料,主要成分为硅、铝氧化物的陶瓷和玻璃纤维,主要成分为铜的金属[2](如表1[3]所示),几乎包含了元素周期表中所有元素。

废旧电路板是一种 高度危险 的固体垃 圾,它含有Pb、Cd、Hg、Cr6+、聚氯乙烯及 卤化阻燃 剂等多种 有毒、有害物质。若不进行适当的处理,会对土壤、空气、水环境造成严重的污染,进而对人体健康造成严重危害。而另一方面,废旧电路板又富含Cu、Al、Au、Ag、Pd、Pt等普通金属和贵金属, 具有极大的资源价值[4]。据报道,1t废旧电路板可以分离出286磅铜、1磅黄金、44磅锡,价值达到6000美元,加上铁、 铝、镉、镍等,价值可能达到7000美元[5]。废旧电路板的科学安全回收不仅有利于各种原材料的循环再利用,还能创造良好的经济效益,实现环境、经济和社会的协调发展。因此, 非常有必要对废旧电路板进行合理、高效的资源化回收。

2机械物理回收法及其优缺点

废旧电路板由于材料组成与结合方式复杂,金属单体解离较难,不容易实现分离,非金属成分则主要是含特殊添加剂的热固性塑料,处置起来也比较困难,目前废旧电路板的资源化回收主要利用高温焚烧、化学法回收和物理法回收或几种方法相结合,近几年生物浸出法也有所研究。高温焚烧法是通过焚烧电路板去除塑料和其它有机成分,而后富集金属。这种方法会产生大量有害气体和二次固体废弃物,能耗大,回收单一。化学法回收是将电路板破碎后在酸性或碱性条件下获得金属浸出液,再经过萃取、置换、电解等过程回收金属。这种方法工艺流程复杂且对部分金属的浸出率低,尤其是包裹在陶瓷中的贵金属更是很难浸出,还会产生含酸、 碱等有毒化学物质的废液,实现环境无害化的难度和成本较高。生物浸出法利用细菌浸取贵金属,具有工艺简单、费用低、操作方便等优点,但浸出周期长,浸出率低,工艺条件苛刻。机械物理法是将废弃电路板上的元器件拆解,然后将去除元器件的电路板破碎,使得电路板中的金属与非金属完全解离,进而基于各组分的密度、磁性、导电性等物理性质差异来进行分选,从而达到废旧电路板的资源化回收,这种方法具有回收效果好、二次污染小、投资成本低且分选系统操作简单等特点。

虽然这几种回收方法都有各自的 优缺点,但是综合 对比,从资源化技术、能耗、经济和生态环境、生产周期等方面考虑,机械物理回收法具有明显的优势(表2所示)。随着政府对环境保护的极大重视和监管力度的加强,高温焚烧和化学回收的市场发展空间受到限制,物理回收将逐渐占据主导地位。

机械物理回收法本身就是矿加工领域技术在资源回收领域的一次应用。机械物理法回收废旧电路板的前提是电路板在机械破碎下能够完全将金属单体释放出来,只有所有的颗粒都达到目标粒度,才能保证各金属单体集中于各自的粒度级内,最后才能把它们一个一个分选出来。要满足这个前提破碎过程必须满足两个要求:(1)破碎充分、均匀;(2)破碎能够破坏金属与非金属的结合,保证金属与非金属的完全解离[6]。然而物料的易碎性不仅与物体的强度、硬度、密度、 结构、均匀性有关,还与其形状、含水量、粘性、裂痕以及表面性质相关。因此这两个要求在实际中很难实现。另外,机械物理回收过程中很容易带来二次污染,伴随有粉尘、有毒气体释放,还需要做好防污工作。

3机械物理回收技术的关键技术及其发展

机械物理回收技术最早起源于20世纪70年代末美国矿产局采用物理方法处理军用电子 废弃物的 尝试,同一时期,西欧一些国家、德国、日本、加拿大等也开始研究电子废弃物的机械物理处理方法[7]。机械物理回收法主要包括:拆解技术、破碎技术、分选技术,其最基本的工艺流程如图1所示。

3.1拆解技术

废旧电路板上的一些电子元件仍具有很大的再重用价值。废旧电路板虽然作为一个整体被淘汰或失去了其原有的功能,但其上很多元器件还远未达到使用寿命,仍然具有较高的可用性和可靠性。而且,很多元器件中含有各种有毒有害物质、贵重金属,在废旧电路板破碎之前有必要对这些元器件进行拆解分离,以利于物质富集,降低后续处理中物质分离的难度[8]。高效的拆解是实现废旧电路板资源化非常重要的一步。目前电路 板拆卸技 术主要向 智能化、高效率、多元化拆卸方向发展。

20世纪90年代初期发达国家就实现了印刷电路板的自动化拆解。最初日本、美国、德国、澳大利亚等国研究人员相继提出多种类型拆解系统(如电路板热处理结合机械装置拆解、基于模块化柔性拆解等),虽然具备一定的自动化但都存在一定局限性(如基于模块化柔性拆解系统其最大缺点是: 不允许被拆产品原装信息发生变化,否则会产生错误拆解指令;电路板热处理过程也会产生二次污染)。随着人工智能技术不断发展,美国Ahmed ElSayed等针对废旧电子产品的结构处理的不确定性,研究了一种在线(实时)智能拆卸 单元[9]。该单元由一个工业机器手、相机、距离传感器以及组件分割视觉算法等组成。其原理是:感知模块获取被拆元器件的具体位置坐标、外形封装等必要信息,然后将以上信息送入GA算法,算法针对检测的零件产品结构及时、动态地生成最优拆解序列或接近最优的拆解序列,进行拆解。该拆解系统最大优点是:能处理被拆器件的不确定性,具有一定拆解灵活性,使拆解价值 达到最大 化。韩国Jaeryeong Lee等设计了一种有效拆除电路板表面元器件装置[10]。该装置主要有3个不同作用单元:第一单元 是进给电 路板的旋 转臂,臂上有9个液压缸固定和移动电路板;第二个单元是金刚石研磨机以一定的转速将表面元器件根部焊点磨损,使得元器件能够脱落;第三个单元采用真空过滤系统收集分离的电子元器件和磨损的焊锡粉末。

中国电路板拆解技术较落后,主要以野蛮粗鲁的方式拆解电路板,如电路板烘烤拆解和强酸溶解,这种处理方式给环境带来了巨大的污染与灾害[11]。近几年电路板拆解研究取得了一定实验成果。陈俊冬等利用工业余热与脉冲喷吹法对废旧电路板上电子元器件进行自动拆卸,实现了废旧电路板上电子元器件的低成本、高效率拆卸[12]。向东等提出的拆解工艺和设备,元器件拆解合格率达92%,综合性能与新品相当[13]。吴国清等开发了一种采用陶瓷红外加热的拆卸设备,元器件拆解率为98%以上,完整度为80%以上[14]。何毅等设计了一种带有通过式连续加热炉的自动拆卸设备,实现入料、拆卸、出料的完全自动化,拆解率达到90%,高效、安全[15]。

拆解是电路板机械回收法的首要工序,直接影响着后续电路板的处理。中国的拆解技术大多为半自动化,一次性拆解之后,多采用人工进行元器件分类,不但效率低而且对人体造成了很大的伤害,大部分可观科研成果并没有转化为实际工业应用[16]。国外的拆解技术大都十分复杂,自动化程度高,但设备投资和运行成本高。如何又好又快又经济地拆解废旧电路板,是废旧电路板资源化回收首先考虑的问题。

3.2破碎技术

破碎是分割固态物质的机械操作,也就是不改变质量增加其表面积的处理过程,其主要目的就是实现金属与非金属完全解离。所有的电路板都是金属嵌布并且与非金属密切共生,因此在进行分选之前目标金属必须被“释放”或者“解离”出来,达到目标解离度,并在后续的各种分选过程中使之有效分离。电路板破碎分为干式、湿式和半湿式破碎3种。 广泛应用的是干式机械能破碎,它是直接从采矿工业部门借鉴而来的机械破碎方法,破碎作用包括挤压、摩擦、剪切、冲击、劈裂、弯曲等[17],其中具有剪切和冲击作用的破碎对电路板的破碎效果较好[18]。

破碎过程中,首先必须保证电路板能够被完全粉碎(物料粒度),其次在电路板完全粉碎的前提下寻求金属单体能够充分解离的粒度(解离度)。研究表明,物料粒度既不能过粗也不能过细,常见的干式机械能破碎中,当物料粒度小于1.2mm时,金属出现好的解离性,随着物料粒度的减小,解离度逐渐增加,当粒度小于0.45mm时,金属和非金属完全解离。但是,干式机械能破碎中常常伴随着二次污染以及破碎设备功能要求高等问题,使得此破碎法逐渐失去研究主流地位,国内外学者将电路板的破碎研究主要集中在适合电路板高效、环保破碎设备的研发,低温、湿法破碎工艺开发以及多级破碎技术相结合的方向上,在近几年都取得了发展。

破碎技术最初主要借助于矿石破碎机械设备破碎电子废弃物,在一定程度上实现了破碎解离,但电子废弃物组分和矿石相比有着很大的差异,要想使破 碎解离效 果达到最 佳,研究适合电子废弃物专用破碎设备非常必要。但是随着破碎研究不断发展,Xianlai Zeng等发现,减少破碎量,增加拆解量,反而对整个机械回收更有效[19]。瑞士Result公司开发了一种在超音速下将涂层线路板等多层复合制件破碎的设备[20]。它利用各种层压材料的冲击和离心特性不同,将多层复合材料彼此分开。由于不同材料碰撞变形情况不同, 脆性材料被碎成粉末,金属则形成多层球状物。瑞典SR公司开发了一种轮腔式破碎机,能有效减 少解离后 软质金属 (特别是铝)的缠绕作用[21]。该机中间转筒周围安装着一套能够自由旋转的破碎环,转筒距离内腔壁左边大于右边,待粉碎电子废料被引入粉碎腔后该破碎环与内壁之间产生剪切作用破碎物料,通过调整筛网大小得到所需粒度产物。

中国对电路板破碎技术的研究较迟,但研究进展非常迅速。周翠红等针对电路板特点自行研制ZKB剪切破碎机, 破碎效率高,基本没有粉尘污染[22]。贺靖峰、吴彩斌都以水为介质对电路板湿法破碎进行了研究,结果表明,与干法破碎过程相比,湿法破碎具有破碎效率更高、二次污染小等优点[23,24]。邹亮等对废弃电路板的低温粉碎进行研究,结果表明,低温冷冻使电路板表现出脆性,在预冷温度为-120 ℃, 冷冻时间为5min时,可以获得较多细粒级产品、较平滑的颗粒表面和较高的解离度[25]。刁智俊对电路板高压电脉冲破碎进行研究,结果表明,高压电脉冲破碎产物中粗粒级产率大,细粒级产率小,且高压电脉冲破 碎能够有 效减少 “过粉碎”现象[26]。

电路板的破碎必须“瞻前顾后”,破碎方式和解离度的选择要视整个回收工艺而定。相同的电路板在不同的破碎工艺中具有不同的物料解离度,不同的分选方法对解离度要求又不尽相同,具体采用 哪种破碎 方法更合 理还需 “对症下药”。

3.3分选技术

分选技术是依据电路板破碎产物中颗粒间的密度、导电性、磁性、粒度、形状表面等性质差异,利用矿物加工中物料分选技术实现物料的分离和富集[27]。电路板分选技术主要包括:密度差异分选、磁电性质差异分选、表面性质差异分选等[28]。

3.3.1密度差异分选

密度分选是根据各种物料的密度和粒度的不同借助流体动力和各种机械力的作用,使不同组分分层,从而得到不同密度、不同粒度产品的工艺过程。目前密度差异分选中应用较广的有重选、风力摇床以及旋风分离技术[29]。

电路板组成中,金属成分中铝的密度最小(2.7g/cm3) (其他金属如铜、铁的密度都在7.0g/cm3以上),玻璃纤维的密度为2.0~2.8g/cm3,塑料的密度都在1.0~1.5g/cm3, 很明显,金属与非金属存在一定密度差,这为电路板密度分离提供了依据[30]。

瑞典Zhang Shunli在20世纪90年代就对空气摇床分选回收电路板做了大量细致的研究,得到了较高的金属品位和回收率并提出了相关技术、理论[31]。土耳其Yildiz M等以风力跳汰 机研究了 电路板重 力分选,金属回收 效率达到86.4%[32]。巴基斯坦Muddasar Habib等采用一种新型垂直振动系统来分离金属和非金属,当物料粒度小于1mm时回收金属品位高达95%[33]。田文杰等对高频气力分选机分选电路板进行了研究,结果表明,应用高频气力分选机分选回收电路板时,高密度金属容易分选,低密度金属不易分选,只要调整好合适的床面倾角和入料粒度,金属品位以及回收率就可以达到令人满意的结果[34,35]。段晨龙等设计开发充气式液固流 化床分选 废旧电路 板,金属的分 选回收率 可达95.51%[36]。

3.3.2磁电性质差异分选

磁、电分离技术是利用物料不同磁特性及电性质进行分选加工的一种方法[37](表3所示)。磁选和电选技术在废旧电路板回收领域中获得了不同程度的应用,尤其电选技术是目前研究热点。磁选目前研究主要集中在干式磁场中高强度和高梯度分选,以后重点会集中在将先进的永磁材料引入到磁体设计中并与其它分选方法相结合多级分选工艺上,且向大型化、专用化和节能化方向发展[38,39]。电选目前应用较广泛的有静电分选和涡电流分选。

阿尔及利亚Mohammed Rezoug等研究了一种静电分离塑料的电分选设备[40]。该设备对常见电路板塑料聚氯乙烯、 聚碳酸酯、高密度聚 乙烯的回 收率分别 达到85%、95%、 75%。韩国Han Seongsoo等在电静电分离器电晕放电特性下对影响电路板粒子轨迹的多个因素进行仿真,实验发现电极旋转速度是影响铜粒子轨迹的主导变量[41]。法国Senouci Khouira等在静电分选过程监测中引入多元指数加权移动平均控制图(MEWMA)进行计算机模拟,发现MEWMA控制图对静电分选过程中金属和塑料颗粒的监测更有效[42]。上海交通大学许振明团队对电路板资源化进行了一系列研究, 研发出具有自主知识产权的电子废弃物多级高压静电分选、 涡电流分选技术及装备,具有更低的能耗、成本,更好的技术合理性,达到国际先进水平[43]。武汉科技大学马国军等采用磁选结合重选方法回收废旧电路板中的金属,结果表明,单一磁选/重选效果均相对较差,而采用磁选与重选相结合的方法可以取得较好的金属回收率[44]。

3.3.3表面性质差异分选

表面性质差异分选中目前应用最广泛的是浮选。浮选是微细粒物料分选的有效手段。有机高分子表面疏水性强, 而金属则亲水性强,疏水的物料随气泡漂浮到水面上,形成某种成分含量很高的泡沫层;而被水湿润的物质沉于水中, 因而将它们分开。浮选过程中也使用多种药剂改变物料表面的疏水性或亲水性达到分离目的[45]。在电路板分选领域, 浮选技术目前还处于实验室阶段。

苑仁财等利用XFD单槽浮选机对废旧电路板浮选分离进行了研究,得出电路 板粉末浮 选最佳粒 度为大于0.2~ 0.45mm,其沉物金属质量分数为89.85%,金属回收率达到96.24%[46]。谭之海等利用传统矿物的浮选模型研究得到了适用于废旧电路板浮选的浮选模型;利用分形维数解释了废旧电路板浮选过程的变化机理;用灰色理论建立灰色模型为废旧电路板浮选提供了预测方法[47]。

电路板的分选是一个相当复杂、由多种因素共同作用的过程。分选过程中通常还伴随着颗粒间的“粘附”、“团聚”等问题,具体采用哪种分选技术更实用、更经济,要根据具体采用的回收工艺、设备的最佳操作条件和分选要达到的纯度和回收率来确定[48]。

3.4金属及非金属的后续处理

分选富集的金属一般再送到金属冶炼公司进行深加工或是进行电解提纯[49]。非金属材料中含有多种有毒有害物质,其资源化必定存在潜在风险[50]。目前的处理方法主要有4种:直接焚烧填埋、热处理、制备无机复合材料、制备聚合物基复合材料[51]。这4种主要方法都有其自身优缺点,其中研究最多、开发潜力最大的是作为一种填料制备聚合物基复合材料[52]。

4结语

贵金属回收技术综述 篇4

电镀污泥含有一定量的铜、镍、铬、锌等金属,属于危险废物.对其中的金属(尤其是重金属)进行资源化利用,将有效消除电镀污泥重金属污染的危害,又能带来可观的经济和环境效益,成为电镀污泥处理技术发展的重点.本文介绍了湿法回收重金属技术,其中湿法加压氢还原技术具有选择性高、回收率高、工艺成熟的.优点,适合于成分复杂的电镀污泥重金属回收,具有较高的应用前景.

作 者：傅江 程洁红 周全法 作者单位：傅江(江苏省固体有害废物登记和管理中心,江苏,南京,210036)

程洁红(江苏技术师范学院化学化工学院)

周全法(江苏省贵金属深加工技术及其应用重点建设实验室,江苏,常州,213001)

金属薄板冷轧与加工技术综述 篇5

关键词：金属薄板,冷轧,应用

1 薄板带钢冷轧制工艺设计

板带钢轧制制度主要包括压下制度、速度制度、温度制度、张力制度及辊型制度等。压下制度必然影响到速度制度、温度制度和张力制度, 而压下制度与张力制度决定着板带轧制时的辊缝大小和形状。板带钢轧制制度的确定要求达到优质、高产、低消耗的目的。因此, 合理地轧制规程设计应该满足下列原则和要求: (1) 在设备能力允许的条件下尽量提高产量; (2) 在保证操作稳定方便的条件下提高质量; (3) 应保证板带材组织性能和表面质量。

1.1 薄板带钢冷轧规程设计

制定压下规程的方法很多, 一般为经验法和理论法两大类。经验方法是参照现有类似轧机行之有效的实际压下规程 (经验资料) 进行压下分配及校核计算。理论方法就是从充分满足前述制定的轧制规程的原则要求出发, 按预设的条件通过数学模型计算或图表方法, 以求最佳的轧制规程。以板坯料4mm×150mm×1000mm为原料轧制成厚度为1.8mm的成品, 根据我们上几次轧钢实验的经验, 把这次轧制实验分为5个道次, 并根据五机架冷连轧压下量分配系数和轧机的能力得到各道次的压下量:第一道压下量为0.5mm;第二道次压下量为0.5mm;第三道的压下量为0.5mm;第四道次的压下量为0.5mm;第五道次的压下量为0.2mm。轧制规程见下表1。

1.2 薄板带钢冷轧压力计算

由第一道次的压下量△h=0.16mm, 冷轧总压下量为7.3%。求平均总压下率

所以得到平均轧制压力

1.3 薄板带钢冷轧需要注意的问题

道次压下量的问题, 这次实际轧制中的压下量与我们设计的不符合, 总的来说理论压下量过大, 轧机不能咬入, 所以我们采取“少压下, 多道次”的压下方法。由于是把4mm的钢板最终轧制到1.8mm, 这板最后会很长, 所以在轧制过程中一定要保证轧辊两边压下量一样, 稍微一偏差都可能导致轧板产生单边浪。由于轧辊的磨损、弹性弯曲等因素, 使轧辊呈凹形, 从而影响辊缝, 使轧板在轧制过程中出现不平直的板形, 所以当发现板形弯曲时可升高轧辊, 改变轧板位置后, 重新轧制。轧制速度的控制, 当最后几个道次的轧制时, 由于辊缝值较小, 辊跳的影响, 轧制速度过快容易导致钢板跳动严重, 所以在最后几个道次时咬入阶段降低轧制速度, 当看到钢板保持平直时, 适当增加轧制速度。

2 薄板带钢冷轧的应用

在钢结构建筑领域, 冷轧薄板制金属制品主要应用于轻钢结构建筑。目前, 中国的轻钢结构住宅主要有三类, 轻钢结构承重墙体系低层住宅 (3层以下) 、型钢框架结构低层住宅 (6层以下) 和钢框架支撑、钢框架混凝土筒体高层住宅。在轻钢结构建筑中用量较大的冷轧薄板制金属制品为压型钢板和钢结构建筑的屋顶墙面。

2.1 压型钢板的应用

压型钢板是采用镀锌钢板经辊压冷弯成型, 其截面成V型、U型、梯形或类似这几种形状的波形, 主要作为永久性模板应用在楼板结构中。压型钢板作为轻钢结构建筑的楼承板, 具有单位重量轻、强度高、抗震性能好、施工快速、外形美观等优点, 能较好的适应主体钢结构快速施工的要求, 能够在短时间内提供坚定的作业平台, 并可采用多个楼层铺设压型钢板, 分层浇筑混凝土板的流水施工。

压型钢板主要应用于电厂、电力设备公司、汽车展厅、钢结构厂房、水泥库房、钢结构办公室、机场候机楼、火车站、体育场馆、音乐厅、大剧院、大型超市、物流中心、奥运场馆体育场馆等钢结构建筑。

2.2 屋顶墙面应用薄钢板

屋顶墙面是采用彩色涂层钢板 (彩色涂层钢板是以冷轧钢板和镀锌钢板为基板, 经过表面预处理, 以连续的方法涂上涂料, 经过烘烤和冷却而制成的产品) , 经辊压冷弯成各种波型的压型板, 适用于工业与民用建筑、仓库、特种建筑、大跨度钢结构房屋的屋面、墙面以及内外墙装饰等。使用镀锌钢板为基板的彩色涂层钢板, 除有锌保护外, 锌层上的有机涂层起了覆盖隔离作用, 可防止钢板生锈, 使用寿命比镀锌钢板更长。彩色涂层钢板具有轻质、美观和良好的防腐蚀性能, 又可直接加工, 起到了高效施工、节约能源、防止污染等良好效果。由于轻钢结构建筑具有:完全工业化作业、节约用水、施工速度快;所用材料均为环保型材料, 可回收再利用, 不产生建筑垃圾, 减轻环境压力;抗震性能好等优点。尤其是轻钢结构建筑属于节能环保的绿色建筑, 符合可持续健康发展的要求, 使轻钢结构建筑在建筑领域的应用逐渐加大。随着轻钢结构建筑的广泛使用, 使在轻钢结构建筑中使用量最大的压型钢板和屋顶墙面的产品随之也将保持20%的增长率稳步发展。

参考文献

[1]邓明, 李庆.不锈钢板成形分析及防止拉深缺陷的对策[J].锻压技术, 2006.

[2]李冰, 张士宏, 胡林, 等.压型板辊弯成型过程数值模拟[J].钢铁, 2004.

金属检测器相关技术研究综述 篇6

1 金属检测器的概述

1.1 金属检测器的基本构成

金属检测器是利用电磁感应原理进行检测的:检测头由一个绕制在固定框架上的三组线圈组成的平衡线圈系统 (发射线圈和两侧对称的接收线圈) 组成。发射线圈为激励线圈。在激励线圈构成的空间内建立一个高频磁场, 形成所谓的“检测通道”。两个对称的接收线圈差动连接。静止时, 两接收线圈近似平衡, 当待检产品通过检测通道时, 将改变检测机内部的磁场, 平衡被打破, 此时在线圈系统中产生电信号, 然后进行放大和处理, 判断出待检产品中是否含有金属异物。

金属检测器是由检测传感器和控制器这两大部分构成的。传感器是由发射天线、接收天线以及对它们进行包容的传感器箱体构成的, 对金属杂质所产生的敏感感应信号形成了传感器;控制器主要是由发射电路、接收电路、低频放大的电路、微处理器等报警电路和驱动电路所构成。控制器的发射电路通过传感器内的发射天线来发送高频信号, 而位于发射天线形成的电磁场内的接收天线, 可以对电磁强度的变化进行感应, 并将感应的信号及时送到控制器内的接收电路, 由控制器的接收电路对感应信号进行处理后, 再由低频进行放大, 从而形成控制信号。

1.2 金属检测器的标准试球

1.3 金属检测器的检测灵敏度对比

金属污染物分为三种类型:

(1) 铁磁性:良好的导磁性和导电性

(2) 非铁磁性:不导磁, 良好的导电性

(3) 不锈钢:不导磁, 导电性很差

1.4 金属检测器检测头的结构

金属检测器的检测头是由一个能够产生交流磁场的传导线和两个能够检测到发生感应变化的接收线圈构成, 具有精密的结构。按照检测器中传导线和接收线圈的排列方式, 可以将检测头分为三种。每种金属检测器检测头的检测原理都是一样的, 除了在各自的特征上有些许的差别。当没有金属存在于磁场中时, 传导线全所产生的电磁流和每个接收线圈都可以均等的进行相交, 同时不会有感应电压产生在接收线圈中。反之, 如果将带有金属特质的产品通过金属检测器检测头时, 就会有相应的变化发生在电磁场中, 接收线圈也就会把产生的信号予以接收。下面来分别介绍这三种金属检测器检测头的特性。

1.4.1 单面型检测头

(1) 传导线圈和接收线圈之间的距离很近, 保证了很高的检测灵敏度;

(2) 当增加传导线圈和接收线圈之间的距离时, 会导致检测灵敏度的急速下降;

(3) 这种单面型检测头适合用在铝上盖包装物这类物质中, 如布丁和酸奶等。

1.4.2 同轴型检测头

(1) 通过将传导线圈和接收线圈结合为一体, 保证了检测头高度的稳定性;

(2) 由于整个检测头的通道被线圈绕过, 使得检测没有盲点在检测中存在;

(3) 通道的高度需要通过检测头的更换来进行调节。

1.4.3 面对型检测头

(1) 可以将传导线圈和接收线圈进行分拆;

(2) 通道的高度可以利用插入的隔板来进行调节。

1.5 金属检测器磁场中的金属特性

在金属检测器的磁场中, 可以将金属分为磁性和非磁性这两种, 磁性的金属主要有铁等, 非磁性的金属主要有不锈钢等。在磁场中, 磁性金属所引起的磁流的大小和磁流的密度之间是正比的关系;而非磁性金属在其自身就会形成涡流电流, 这种电流的大小和磁流的密度之间也是正比的关系, 这样一来, 就将磁流给抵消掉, 并进而转化成为了一种热能, 但是这种热能并不是一成不变的, 它还会随着频率的变化而发生变化。

考虑到在磁场中, 不同的金属会发生不同的变化, 在理论上, 只要调高磁场的频率, 增大磁场的振幅, 就能使金属检测器不管是对磁性金属还是非磁性金属的检测能力都能保持一种高度的灵敏度。但是在实际应用中, 由于一件产品还存在其他的成分, 就必然会引起相应的产品效应, 进而导致磁场的交流受到干扰。所以, 磁场的频率和振幅都会受到产品效应大小的限制。实际上, 当提高磁场的频率和振幅超出实际的需要时, 可能金属检测器的灵敏度没有发生太大的变化, 甚至可以说是变得一点也不灵敏。

2 金属检测器工作的基本原理

当金属物质在电磁场内进行运动时, 将会把原来磁场的强度以及分布规律进行改变, 金属检测传感器便是根据这个原理制成的。金属检测传感器的发射天线的形状是按照被检测物品的形状而确定的, 它主要是用来建立一个均匀的电磁场, 并将接收的天线放置在这个均匀的电磁场内, 其形状、结构和尺寸不仅和被检测物品的形状相关, 还和具体的检测原理相关, 也可以采用双线圈结构或者单线圈结构, 如图1所示。

当没有通过金属杂质的时候, 两个接收天线所接收的信号是等量的, 大小也是相等的, 但符号是相反的, 并且从平衡电阻R这里向外输出零信号。当磁场有金属物质进入的时候, 随着金属物质不断的移动, 两个接收天线线圈内的磁场强度会先后产生变化, 并在平衡电阻R这里向外输出和金属的颗粒大小、运动速度有关的接收信号, 经过解调和放大以后, 如图1所示, 该信号经过控制器的检测和判别以后, 才来对下一步的控制动作做出决定。原来控制器采用的是峰值判别法的判别准则, 依据最大值是否超过了所规定的精度来确定是否要报警, 并通知将含有金属物质的包装袋和装置进行剔除。当金属的颗粒比较大的时候, 检测信号将会达到最好的状态, 这时的金属检测器不会漏检或者误报任何金属物质;但是如果金属的颗粒比较小的话, 特别是在所规定的精度附近, 随便进来一个干扰的信号就可能会导致超过所规定的精度, 引起错误的检测或者是导致误报警。下面来介绍下FYL判别准则。

(1) 当通过金属检测器的是在所规定的精度下的金属颗粒时, 得到的检测信号如图2所示;通过使用微机控制器计算图2中阴影部分的面积, 就可以得到一个比较基准值S0, 该值就是在投入使用之前根据实验曲线的经理论计算得到的。

(2) 在进行实测过程中, 所得到的实测面积值是S。

(3) 当S大于等于S0时, 表示有大于或者等于所规定精度的金属颗粒物质通过, 否则就是没有金属杂质存在。

FLY这种判别的准则是利用单片机来实现的, 经过解压和调节的低频信号通过单片机来进行采样、数字滤波以及数值上的积分和判断, 其软件的流程图如图3所示。

这一判别准则实施起来是比较方便的, 不但能对金属检测的检测信号进行监测和控制, 还可以来监测电源等噪声, 能够有效地实现检测的高精度性。

3 金属检测器在实际中的应用

下面本文将从产品的包装形式以及设备的实际应用来研究金属检测器在现实生产生活中的应用, 并讨论如何将金属检测器的灵敏度得以改进。

3.1 产品的包装形式和检测灵敏度

在一定程度上, 金属检测器的检测结果会受到产品包装的影响, 如果在产品进行包装以后对产品进行金属检测, 可以从包装形式上进行调整, 从而改进金属检测器检测的灵敏度。如上文所提到的, 金属检测器的灵敏度受到产品效应的影响, 那么我们可以通过减少产品的效应来进行, 如在使用金属检测器检测一组4件装的产品时可以采用特别设计的方法来对每件产品进行分隔, 使它们不能互相接触到彼此, 这样一来, 便会在每件产品中形成独立的涡流电流, 与产品紧贴产品运送时所产生的综合涡流电流来说, 其电流的半径要短上很多, 检测的灵敏度上也提高了很多。如图4所示。

3.2环境干扰和检测灵敏度

金属检测器的灵敏度有时也会受到安装金属检测器时所处的环境的影响, 从而发生一些变化。具体来讲就是检测头的结构与收音机的天线相类似, 如果有电磁噪音源在附近存在的话, 就有可能会导致金属检测器在进行检测时发生不利的变化, 从而造成负面影响。金属检测器拥有几百千赫的磁场交流频率, 如果附近的电磁噪音出现在相同的电磁场频率的范围之内, 就会被电磁场内的接收线圈所接收, 造成操作上的错误。类似的错误还有在金属检测器旁边的地面或者天花板上有流通的电缆或者有以换流器进行控制的电机或机械臂在附近存在着, 都会导致在金属检测器的操作上发生错误。解决这种失误的方法便是用防护的金属导管来对电缆进行包围, 或者在附近进行重新的布置, 或者将噪音过滤器嵌入电缆当中去。除此之外, 还可以将换流器或金属检测器中磁场的频率进行改变。

除了辐射的电磁噪音外, 在采用换利器以及电力开关进行供应时, 电磁噪音也可以通过电力的线路来传导。此时, 如果金属检测器和其他会制造噪音的机器共同采用一条电力线路的时候, 制造出来的噪音也会随之传导到金属检测器中。通常来说, 这种电力源的噪音可以通过金属检测器内部放置的噪音过滤器来消除, 但是假如这种噪音的音量过大的话, 同样会使噪音同步产生, 导致金属检测器在操作时发生错误。为了将这样的错误减少, 可以将能减少噪音音量的过滤器和变换器放到金属检测器和发出噪音的机器设备中去, 并将金属检测器和其他设备所使用的电力线路分开来用。

4 结论

随着科学技术的进步, 金属检测器无论是在技术层面还是实际应用层面都得到了很大的发展和突破。现在金属检测器在社会生活和生产的各个领域中都广泛地存在着, 金属检测器的发展也出现了质的飞跃。了解金属检测器的基本构成和基本工作原理, 以及在现实生活中的应用, 对进一步改进和完善金属探测器在现实生活的应用具有重大的意义。当前, 金属检测器的发展出现了智能化、功能化和信息化的趋势, 未来必将拥有广阔的发展舞台。

摘要：现在的金属检测器不但能检测在物体之间或者物体中是否有金属的存在, 而且还能将其属于何种金属检测出来, 它是一种用来专门对金属类物质进行检测的仪器。金属检测器是一种很重要的安全检查设备, 目前已经在社会生活生产和工业生产等各个领域中得到广泛应用。本文通过对金属检测器的概念、基本原理进行分析, 并结合金属检测器在实际生产生活中的应用来让大家对其有更进一步的认识

关键词：金属检测器,磁场,电流

参考文献

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[4]徐从裕.金属检测机抗干扰检测方法研究[J].食品工业科技.1999 (01) .

[5]王玉琦.金属检测器在视频工业中的应用[J].长春大学学报.2007.

贵金属回收技术综述 篇7

金属矿山是人类为了开采地质矿产中富含金属元素的矿石而建设的工业场所。根据采集金属矿产的类型不同, 行业上经常将金属矿山划分为:黑色矿山、有色矿山、黄金矿山、核工业矿山和稀土矿山。我国是世界上金属矿生产第一大国, 2012年我国铁矿石原矿产量13亿吨, 十种有色金属量3672万吨, 黄金403吨, 金属矿石开采总量超过30亿吨, 其中有20亿吨来自于地下。我国有一万多座地下金属矿山, 矿石产量占黑色矿山的30%, 有色矿山的90%、黄金矿山的85%、核工业矿山的60%。地下矿石被采出后留下的空间如果不进行充填处理, 就会形成采空区。金属矿山由于围岩较为坚硬, 顶板滞后冒落, 往往形成巨大采空区, 是诱发地表突然塌陷、井下大规模冒顶和井下透水的主要危险源。随着金属矿产资源的不断开发, 采空区问题日益凸显, 如不能及时得到处理, 将成为威胁矿山生产和周边安全的主要灾害类型。

1 采空区灾害基础研究

1.1 采空区和采空区群的定义

金属矿采矿学界, 没有权威著作明确解释过“采空区”的定义, 转而更深入研究和解释的是“地压”的概念。实际上, 在金属矿山开采中“地压”与“采空区”是不可分割的。比如, “采空区处理”也经常被称为是“地压管理”。《采矿手册》第四卷第23章规定“采场地压”是指回采工作面的矿体、围岩和矿柱的应力及其与采场内支护系统相互作用的应力场的总称。“采空区”作为矿山开采的专业术语, 在金属矿山开采中称为“空区”、“空场”, 英文资料称为“goaf”、“gob”、“cavity”, “abandoned mine”, “stoped-out area”, 《英汉汉英灾害科学词典》中列为“mined-out area”、“gob area”、“exhausted area”。冶金学名词审定委员会于2001年发布的《冶金学名词》, 在“冶金学→采矿→矿山测量”中规定了“采空区处理”的英文对照名词为“stoped-out area handling”, 但未对采空区进行定义和解释。《中国百科大辞典》中, 解释“采空区”是由于采矿工作而遗留下来的各种形状和大小的空间。《矿山安全术语》GB/T 15259-2008中, 定义“采空区”为采矿以后不再维护的地下和地面空间。

综上, 所谓“采空区”是指, 采矿活动中随矿石开采留下的可能诱发矿山灾害的空间。包括两个层次:对于生产中的金属矿山, “采空区”就是“未被充填的采场”;对于废弃的金属矿山, “采空区”就是“地下所有井巷工程和采场”。一个独立的采空区, 边界上除了巷道、井筒与外界联通外, 内部是相对独立的连续空间。金属矿山开采过程中, 为便于地压管理, 习惯上把采空区按照采场、采区、坑口、中段、矿区或矿床等相对独立的区域进行划分。实际上, 采空区很少单独存在, 多数都划分为大小不等的群落进行管理, 而生产中往往混淆了单体和群落的概念, 造成了“采空区”范围的不确定性。因此, 需要定义“采空区群”的概念为:按照一定规则进行划分, 在空间上密集分布、相互影响、共同作用于顶板覆岩的采空区群落。

1.2 采空区的类型和等别

采空区的类型因矿体形态、规模、采矿方法、处理时间的不同而异。不同类型的空区, 其处理方法、危害情况等也有所区别。金属矿山采空区可以划分为空场法采空区、崩落法采空区和充填法采空区[1]。其中, 空场法采空区是主要类型;崩落法理论上已经通过崩落围岩消除了采空区, 但实际生产中, 金属矿山由于围岩稳固, 围岩滞后崩落而形成采空区;充填法采矿理论上没有采空区, 在矿房开挖后、未充填前的短暂时段内, 会存在采空区。如果充填采场未接顶, 会产生小量剩余采空区, 嗣后充填尚未处理的采空区应视为空场法采空区。除了以采矿方法划分采空区类型外, 按照时间还可以划分为老采空区、现采空区、未来采空区, 按照是否贯通地表分为明采空区和盲采空区, 按照形态分为房状 (点柱式) 采空区、矿体原状采空区。

目前为止, 矿山行业尚未确立统一的采空区等别。根据国家安全监管总局对全国25个省市457家大中型矿山4.32亿m3采空区调查结果显示, 80%的采空区在1万m3以下, 但剩余20%的1万m3以上采空区, 其体积规模占据了50%以上, 尤其是3万m3以上的采空区, 数量不到6%, 体积却占总量的30%。可见, 抓好大型采空区地压管理, 是防治采空区灾害的切入点。根据调查结果, 80%的矿山采空区总规模小于100万m3, 而剩下20%矿山大中型采空区体积规模占总数的80%以上。从行业上看, 核工业矿山、黄金矿山采空区规模普遍较小, 有色矿山采空区体积偏大, 特大型采空区主要属于黑色矿山。根据上述情况, 采空区等别可按照表1所列标准进行划分。

1.3 采空区的灾害类型

采空区与矿山生产密切相关, 引发的主要灾害包括地压灾害、水害、火灾、中毒窒息等, 其中地压灾害和水害是事故的主要类型。

金属矿山采空区的首要危害是地压灾害。与煤矿相比, 金属矿山地质条件复杂多变, 围岩易发生硬脆性断裂, 采空区可能经过较长时间的稳定阶段后, 矿柱发生连续失稳、顶板突然发生垮落, 同时引发矿震, 盲采空区还有可能产生强烈空气冲击波[2]。如果采空区上覆岩层厚度不足, 则采空区失稳进一步引发地面塌陷和变形, 导致地面人员和设备、设施陷落, 建筑物倒塌、人员被埋。若采空塌陷影响范围内存在高坡、地表水或尾矿库还有可能造成山体滑坡、地表水或尾矿库泥浆灌入井下等灾害。

老采空区水害, 也称“老空水”, 是威胁矿山生产的第二大灾害。近十年, 我国金属矿山16起透 (突) 水事故中, 因老采空区水而引发的突水有10个, 是矿井水害的最主要类型。地下矿山采掘工程作业场所处于含水层水位以下, 承受一定的静水压力时, 水就会失去原有的平衡条件而涌入井巷或采场, 回采完毕后, 采空区封闭充水, 就形成了老采空区积水。尤其是一些年代久远的老采空区, 新的采掘工程裂隙带再次与积水采空区贯通时, 老采空区积水会瞬间涌入新建井巷, 造成突水事故。

金属矿山采空区火灾主要是硫化矿石自燃引发的内因火灾。含硫矿床回采中, 暴露的硫矿石堆与氧复合放出热量, 在一定的供氧条件和蓄热环境下, 引起矿体温度升高, 诱发内因火灾, 并释放大量有毒气体, 造成事故。此外, 采空区内是中毒窒息事故的高发场所。未封闭的采空区, 容易积聚爆破炮烟和其他有毒烟尘, 人员误入后易引发中毒窒息事故。

2 采空区灾害研究现状

采空区灾害主要研究内容围绕着地压、透水和火灾三种灾害开展, 研究重点是采空区的探测预报、风险评估、状态监测和隐患治理四个方面。“十一五”期间国家科技支撑计划开展了“非煤矿山典型灾害预测控制关键技术研究与示范工程”、“矿井老空区探测与水害防治关键技术及装备”等项目研究, “十二五”期间又开展了“矿山典型灾害预测控制关键技术研究与示范工程”项目, 重点研发采空区探测设备、监测系统、评估技术和工程治理成套装备。

2.1 采空区探测技术进展

采空区探测技术主要沿袭矿山地质勘察技术。传统方法是通过钻探、坑探、巷探直接揭露采空区, 但此类工程方法施工量大、工期长、效率低、费用高, 存在一定盲目性。通过地球物理方法探测采空区的技术也被广泛应用, 在我国应用较多的方法有:浅层地震法、电阻率法、电磁波法、重力法等。随着物探技术的发展, 出现了三维地震法、井下地震波法、三维高密度电法、瞬变电磁法、可控源大地电磁法、地质雷达法、红外测水法、核磁共振测水法、测氡法等新方法。这些方法基于地球物理的基本原理, 针对采空区地压、水害、火区的不同物理性质进行检测与解释, 实现了采空区探测靶区的定位, 但由于这些方法从地质探矿应用领域转化而来, 主要用于区分地质构造、岩层结构等宏观目标, 在采空区准确定位和空间形态探测方面, 尚不能完全满足生产需要。例如, 受基本原理的制约, 在金属矿山采用电法或电磁法探测很难直接通过视电阻率区分金属矿床和水体, 解译较为困难、准确性无法保证。近年来, 在公路、铁路行业广泛应用的地震波层析成像地质超前预报技术 (TSP、TRT、TST等) , 即井下地震波探测法, 对“无不良地质条件”的预报保持较高的可靠性[3]。根据预报结果, 结合激光扫描、声纳扫描、雷达扫面等方法, 可获得采空区的精确形态, 上述综合法精确探测采空区的技术流程 (如图1) , 在金属矿山深部开拓工程的采空区灾害防治方面发挥了效果。

2.2 采空区风险评估技术进展

采空区风险评估技术是将采矿区致灾基础理论与安全系统工程相结合的产物, 将定性或定量的灾害机理及其影响因素转化为危险事件发生的概率和造成后果的严重程度, 参照国际通行风险评价标准《系统安全性标准实践》 (美军标MIL-STD-882D) , 结合采空区特点建立四级对照关系, 采用风险矩阵来分项评估地压、透水、火灾等安全风险。

评估采空区失稳风险需要矿山岩石力学和安全工程学综合运用, 其中经典的地压理论是风险评估的基础。从19世纪20年代的“矿山压力拱”假说开始, 弹性力学方法被广泛应用在地压规律研究。在采场围岩结构、采场地压显现规律方面, 我国学者于学馥教授在20世纪60年代提出了“轴变论”, 20世纪80年代钱鸣高院士提出了“砌体梁理论”, 美籍华人石根华教授提出了“块体理论”, 这些理论成果为定量化评估顶板、围岩的稳定性提供了方法。按照采空区失稳全过程的系统性分析, 矿柱失稳会发生“多米诺效益”[4], 因此基于经典矿柱强度理论并结合时间流变因素可计算矿柱群稳定性, 基于“关键层理论”可计算顶板稳定性。如果顶板断裂发生大规模冒落, 将在井下引发冲击性灾害, 目前主要采用“打气筒”或“绕流”两种模型分别从能量守恒和无限空间内物体下落冲击角度建立气流风速模型[5], 评估其灾害后果。同时, 井下冒落导致地表沉陷, 通常采用“三带”规律和概率积分法计算地表塌陷范围[6], 并参照《建筑物、水体、铁路及主要建筑物、水体、井巷煤柱留设与压煤开采规程》判断移动界限内是否会引发地表水下灌、房屋倒塌、滑坡、崩塌等次生灾害。随着计算机技术的发展, 从上世纪90年代开始, 有限元、有限差分、离散元、边界元、颗粒元、无网格伽辽金法等数值模拟计算技术在矿压灾害分析中获得了普遍应用[7], 使得大型复杂采空区的耦合、非线性问题得以评估。由于受工程地质条件、本构关系简化和计算参数取值的影响, 目前数值模拟难以达到准确计算, 而是用定量的数据来定性地研究和阐明采空区灾害的机理问题[8]。综上, 合理的矿柱尺寸和顶板暴露面积是采空区保持稳定的关键[9], 将矿柱和顶板的实际尺寸值与理论极限尺寸之比定义为安全系数, 按照风险判断矩阵评估采空区失稳风险。

在采空区的水害风险评估方面, 由于不确定性因素较大, 主要从老空水掌握度、探水界限距离、采掘扰动强度、老空水水量和水头压力、老空水补给来源等方面进行定性评估。对于较为明确的老空水隐患, 参照《矿区水文地质工程地质勘探规程》 (GB12719-91) 中采空区隔水矿柱厚度公式, 将安全矿柱实际尺寸与理论极限值做比, 可评估突透水发生的可能性。

金属矿山含硫矿石自燃必须具备三个条件:矿石具有自燃倾向性, 热量积聚和足够的氧气。因此, 评估金属矿山采空区内因火灾风险, 主要是评估含硫矿石的自燃倾向性[10]。目前, 国内外对硫铁矿石自燃倾向性的鉴定, 主要是通过测定矿石中矿物的成分及含量、含硫量、水溶性铁离子含量、起始自热温度、吸氧速度、着火点等指标进行评估。

2.3 采空区监测技术进展

采空区监测技术是在明确采空区灾害风险的情况下, 对短期内无法消除的灾害隐患, 动态检测其表征的宏观物理量, 根据结果不断调整干预措施, 避免或延缓灾害发生, 不可避免时能够对灾害及时预警, 撤离人员。采空区灾害监测主要是对地压和火区的监测, 而老空水害具有不确定性和瞬时性, 很难监测, 预防重点是探测预报。

20世纪60年代Rabcewicz提出“新奥法”, 根据监测结果动态地修改支护设计, 强调了围岩变形与应力监测的重要性, 推动了地压监测快速发展。20世纪70年代以来, 中国已研制和发展了种类繁多的各式地压观测设备。采空区地压灾害主要监测:围岩应力和变形、岩石内部损伤、地表沉降变形三类物理量。传统地压监测方法在矿山选取典型取样点, 安放监测仪器后, 由人工进行仪器读数观测。如:应力监测采用空芯包体应力计、压磁应力计、钻孔应力计、锚杆应力计、压力盒、压力枕、应变计、液压计、光弹应力计等;围岩变形监测采用木滑尺、位移测杆、收敛计、钻孔位移计等;地表沉降监测采用水准测量、GPS测量、裂缝记、钻孔倾斜仪等;岩石损伤监测采用地音仪等。20世纪90年代后期, 随着新材料、新传感器的不断研发, 尤其是计算机和网络通信技术的迅速发展, 地压灾害监测不仅拓展了测量手段, 在实时性、分布式、智能化方面也取得了较大进展。光纤光栅传感器利用光纤材料的光敏性可对岩石应力和损伤进行实时监测, 具有体积小、成本低、易组网、无需电源等特点, 但在系统可靠性和传感器成活率方面仍有待进一步提高。微震监测[11]和岩石电磁辐射监测技术[12]是在地震监测技术的基础上发展起来的, 通过观测、分析岩体受力破坏过程中破裂的微小损伤事件监测地压灾害。目前微震监测系统应用较为普遍, 电磁辐射监测方法仍需要解决监测距离短和事件定位问题。地表沉降观测方面, 合成孔径雷达干涉测量 (In SAR) 技术具有全天候、大范围、快速获取数据等特点, 为采空塌陷区的实时动态监测提供了新的手段[13]。

采空区内因火灾风险高的矿山必须建立专门的火区监测系统, 对火区的温度、气体和水质进行长期观测, 及时了解火区的情况和变化特征。井下常用的测温仪表有热电偶、半导体温度计、留点温度计、光纤光栅温度计、红外线测温仪及温度自动记录仪等。气体监测传感器主要有半导体式、催化燃烧式、热导池式、电化学式、红外式、光纤光栅式等。在传输方式上, 通过无线通讯方式形成自组织网络, 可实现火区的大范围、智能化监测。

2.4 采空区灾害治理技术进展

采空区处理通常采用的有封闭、崩落、加固和充填四类方法, 其中充填空区是最有效、最彻底、环保效果最好的空区处理方法, 其不足之处在于工程量大、工艺流程复杂、充填成本高、开采效率低。但随着尾矿库征地价格和采矿生态恢复成本的不断上升, 充填成本已经不再成为制约因素。随着充填工艺过程的改进, 充填效率也越来越高, 使用范围正在逐步扩大。我国部分省市安全生产监管部门要求区内金属矿山必须对采空区进行充填。

依据充填材料的不同, 充填技术可分为干式充填、水砂充填、尾砂胶结充填、膏体充填和高水速凝充填[14]。其中, 干式充填已基本被淘汰, 尾砂胶结充填在我国较广应用。膏体充填和高水速凝充填最为新兴技术是采空区充填技术的发展方向, 但目前由于成本原因尚未能较广应用。在采空区充填过程中, 消除充填剩余采空区, 使充填料与顶板结顶是充填工艺中最关键的一项技术, 是国内外矿山广泛关注并亟待解决的技术难题。通过调整接顶充填砂浆浓度、优化充填管位置、加强养护、接顶测量等方法, 冬瓜山铜矿将采场接顶率控制在98%以上[15]。

对于点柱式开采的连续大型采空区, 使用人工矿柱构造类框架结构, 在水平与垂直方向不规则地分隔采空区, 使连续空区变为独立空区, 大空区变为小空区, 让自然冒落围岩充填空区或嗣后进行水砂非胶结充填, 是治理大面积点柱式空场法采空区的有效手段。对于老空区水害重点在于预防, 当开采扰动范围波及已知老空区水体时, 应及时采取措施进行放水疏干或注浆加固隔水矿柱, 使其风险在可接受范围内。对于采空区火区, 采用封闭隔离空气、黄泥灌浆、注氮气、充填等治理措施控制矿石自燃, 如新桥硫铁矿通过空场嗣后水砂-块石胶结充填法, 消除了采空区, 有效避免了矿石自燃发火。

3 结论与展望

采空区是伴随地下矿石开采与生俱来的危险源, 是地压灾害的始作俑者。长期以来, 很多矿山企业不重视采空区治理工作, 大面积采空区长期积压成为普遍现象。此外, 我国金属矿山存在着大量未处理的采空区, 加上非法、违法乱采滥挖留下的不明采空区, 造成极大安全隐患[16]。