老廠期六寨尾礦回收開(kāi)采設(shè)計(jì)淺析

李小武

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

0 引 言

隨著礦產(chǎn)資源越來(lái)越緊張，礦產(chǎn)品價(jià)格上漲，為尾礦綜合回收利用創(chuàng)造了有利條件。老廠期六寨尾礦庫(kù)地處云南省個(gè)舊市以南，距個(gè)舊市區(qū)26 km，距大屯鎮(zhèn)24 km，距昆明338 km。期六寨尾礦庫(kù)位于期北山采選廠下方約100 m處的天然巖溶凹地內(nèi)。該尾礦庫(kù)1964年投入使用，1965年凹地堆滿;該尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)砂壩堆至2 120 m，使用至2 118．5 m的庫(kù)容為504萬(wàn) m3。在運(yùn)行過(guò)程中，采用尾礦堆積的方式增高壩體，至2001年停止使用時(shí)，堆存尾礦792．13萬(wàn)m3，超設(shè)計(jì)庫(kù)容堆存尾礦288．13萬(wàn)m3，屬超高超容尾礦庫(kù)。尾礦庫(kù)北部已采出一部分尾礦，尾礦量24．66萬(wàn)m3，目前保有的尾礦量約為767．47萬(wàn)m3，含錫品位0．155%，全鐵品位18．871%，含錫金屬量14 175 t。期六寨尾礦庫(kù)屬于超高超庫(kù)容尾礦庫(kù)，而且該尾礦庫(kù)初期壩內(nèi)外坡均為1∶0．75，致使該尾礦庫(kù)穩(wěn)定性不足。為消除老廠期六寨尾礦庫(kù)的安全隱患，同時(shí)循環(huán)利用錫礦資源，設(shè)計(jì)回收開(kāi)采該尾礦。

1 尾礦堆體地質(zhì)特征

尾礦庫(kù)主要由尾粘土、粉砂、粉土及粉砂與粘土互層組成。

(1)第1層尾粘土:黃～褐黃、黃褐、棕褐色，流塑～軟塑，很濕～飽和。局部含少量粉砂，無(wú)搖振反應(yīng)，光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等。該層主要賦存在堆積體中、上部靠庫(kù)內(nèi)一側(cè)，呈2-4層與1-1、1-2、1-3層相間產(chǎn)出，剖面上常出現(xiàn)分枝復(fù)合現(xiàn)象，單層厚0．50 ～13．10 m。

第1-1層尾粉土:黃褐～棕褐色，稍密，稍濕～濕。搖振反應(yīng)迅速，無(wú)光澤，干強(qiáng)度低，韌性低。該層主要賦存于堆積體上、中部近壩頭部位，靠庫(kù)內(nèi)一側(cè)局部也有少量分布，呈1-4層產(chǎn)出，向庫(kù)內(nèi)一側(cè)常出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，單層厚0．40～13．90 m。

第1-2層尾粉質(zhì)粘土:黃褐～棕褐色，軟塑為主，局部流塑，很濕～飽和。含多量粉砂，單層厚0．20 ～8．90 m。

第1-3層尾粉砂:棕褐色，松散～稍密，濕。級(jí)配較差，單層厚0．40 ～3．90 m。

(2)第2層尾粉土:棕褐色，呈稍密狀，濕。搖振反應(yīng)中等，無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低。該層主要賦存在Ⅰ、Ⅱ號(hào)壩堆積體中、下部，呈1-2層產(chǎn)出，中部常夾2-1、2-2層，單層厚0．70～9．30 m。

第2-1層尾粘土:黃褐～棕褐色，可塑～軟塑，濕。無(wú)搖振反應(yīng)，光滑，干強(qiáng)度中等，韌性強(qiáng)。該層主要賦存于Ⅰ、Ⅱ號(hào)壩堆積體中、下部，常夾于第2層中部或上部，單層厚0．10～9．00 m。

第2-2層尾粉質(zhì)粘土:黃褐～棕褐色，可塑～軟塑，濕。含多量粉砂，單層厚0．80～3．20 m，層頂埋深24．90 ～28．50 m。

第2-3層尾粉砂:棕褐色，稍密，稍濕。級(jí)配差。該層分布于Ⅰ號(hào)壩1剖面zk3～zk4～zk5一帶的堆積體下部，單層厚1．00～4．10 m。

尾礦庫(kù)底部為第4系坡殘積粘土和中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。

2 尾礦庫(kù)三維模型

2.1 地表模型

利用尾礦庫(kù)堆存現(xiàn)狀地形圖，采用3DMine礦業(yè)工程三維數(shù)字軟件建立現(xiàn)狀模型，見(jiàn)圖1;利用收集到的原始地形圖，建立尾礦堆存之前的原始地形模型，見(jiàn)圖2。

圖1 尾礦堆存現(xiàn)狀三維立體模型圖Fig.1 The 3D model diagram of tailings stockpiling current situation

圖2 尾礦庫(kù)原始地形三維立體圖Fig.2 The 3D stereogram of tailings dam original terrain

2.2 尾礦塊體模型

為了方便尾礦堆積體資源量的計(jì)算及了解尾礦堆積體資源空間分布情況，需要建立尾礦堆積體塊體模型。根據(jù)采礦開(kāi)采臺(tái)階高度，設(shè)計(jì)建立塊體模型的尺寸:初級(jí)塊尺寸為8m×8m×6 m;次級(jí)塊尺寸為4m×4m×3 m，塊體約束條件為:下部邊界是原始地形三維立體模型，上部為現(xiàn)狀地形三維立體模型，塊體的主要屬性有:①體重:每個(gè)塊體所代表尾礦庫(kù)堆積體的體重。②礦巖:每個(gè)塊體所代表的是尾礦堆積體或者是巖石。③Cu:每個(gè)塊體所代表的是尾礦堆積體的銅的品位。④TFe:每個(gè)塊體所代表的是尾礦堆積體的全鐵的品位。⑤Sn:每個(gè)塊體所代表的是尾礦堆積體的錫的品位。⑥Pb:每個(gè)塊體所代表的是尾礦堆積體的鉛的品位。

塊體模型詳見(jiàn)圖3。圖3中不同顏色代表Sn的品位高低。為了更好的反應(yīng)尾礦庫(kù)堆積體中各種金屬組分的垂直分布，筆者做了一系列的剖面圖;尾礦庫(kù)堆積體中Sn品位的垂直分布情況見(jiàn)圖4。

圖3 期六寨尾礦庫(kù)塊體模型圖Fig.3 The block model diagram of Qiliuzhai tailings dam

圖4 尾礦庫(kù)堆積體中Sn品位的垂直分布圖Fig.4 The Vertical distribution diagram of Sn grade in tailings deposit

3 開(kāi)采工藝

期六寨尾礦庫(kù)原始地形較平緩，一般為7°～48°。尾礦堆存的厚度 0 ～34．8 m，平均厚度16．9 m。根據(jù)尾礦堆存性質(zhì)等開(kāi)采技術(shù)條件，可選用水采水運(yùn)和機(jī)采機(jī)運(yùn)2種開(kāi)采工藝。

(1)水采水運(yùn)方案:開(kāi)采范圍2 097～2 131．8 m，采深34．8 m，設(shè)計(jì)推薦露天開(kāi)采方式開(kāi)采。采剝工藝采用高壓水槍噴射高壓水流直接沖采尾礦層，采場(chǎng)按6 m高度劃分臺(tái)階由上而下回采，礦漿由輸?shù)V溝自流到集漿池，采場(chǎng)礦漿用一級(jí)渣漿泵揚(yáng)至二級(jí)泵站漿池，由二級(jí)泵站加壓后，1．7 km管道輸送至源興選礦廠的集漿池。水采水運(yùn)方案優(yōu)點(diǎn)是采剝工藝簡(jiǎn)單，能利用原有部分設(shè)施，基建工程量較少，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，生產(chǎn)管理簡(jiǎn)單，外界影響因素較小;缺點(diǎn)是年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用稍高，可比基建投資略高，基建時(shí)間稍長(zhǎng)，采場(chǎng)需3班作業(yè)，經(jīng)營(yíng)成本略高，采礦工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，不易實(shí)現(xiàn)選別回采，礦漿濃度不易控制。

(2)機(jī)采機(jī)運(yùn)方案:開(kāi)采范圍2 097～2 131．8 m，采深34．8 m，設(shè)計(jì)推薦露天開(kāi)采方式開(kāi)采;采用直進(jìn)-折返式公路開(kāi)拓，采剝工藝為緩幫開(kāi)采，挖掘機(jī)鏟裝-汽車運(yùn)輸，采用1 m3的型挖機(jī)鏟裝，10 t的自卸汽車運(yùn)礦;開(kāi)采順序由上往下分臺(tái)階開(kāi)采，回采工作臺(tái)階高度3 m，沿尾礦走向開(kāi)掘雙壁溝寬度20 m，擴(kuò)幫后垂直尾礦走向推進(jìn);基建范圍分為南、北2個(gè)采區(qū)的2 127 m臺(tái)階，2個(gè)采區(qū)同時(shí)開(kāi)采。機(jī)采機(jī)運(yùn)方案優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)拓系統(tǒng)和采剝工藝簡(jiǎn)單，利用原有設(shè)施較多，采場(chǎng)2班作業(yè)，采礦工人勞動(dòng)強(qiáng)度較小，年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用較低，可比基建投資略低，基建時(shí)間較短，易實(shí)現(xiàn)選別回采;缺點(diǎn)是基建工程量較多，勞動(dòng)生產(chǎn)率較低，生產(chǎn)管理相對(duì)復(fù)雜，外界影響因素較大。

經(jīng)過(guò)專業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后，設(shè)計(jì)開(kāi)采方案推薦采用機(jī)采機(jī)運(yùn)的開(kāi)采工藝，開(kāi)采工藝比選見(jiàn)表1。

表1 期六寨尾礦庫(kù)采礦工藝方案比較表Tab.1 Comparison of mining technology schemes for Qiliuzhai tailings dam

尾礦為堆積體，回采不需要穿孔爆破，設(shè)計(jì)推薦采用單斗挖掘機(jī)開(kāi)采方法，設(shè)計(jì)采用常規(guī)的緩幫開(kāi)采的回采工藝。開(kāi)采順序由上往下分臺(tái)階開(kāi)采，回采尾礦工作臺(tái)階高度3 m。沿1號(hào)初期壩走向開(kāi)掘單、雙壁溝寬度30 m，擴(kuò)幫后垂直尾礦走向推進(jìn)。為了安全開(kāi)采和排水簡(jiǎn)便，開(kāi)采順序由尾礦堆積壩向庫(kù)內(nèi)自上而下分臺(tái)階開(kāi)采，分層剝采和卸載，逐步推進(jìn)，有利于回采過(guò)程中的排水。這樣初期壩2 103 m臺(tái)階標(biāo)高以上有自流排水條件。初期壩以下預(yù)留10 m寬的尾礦暫不開(kāi)采作為保護(hù)壩體的安全距離，當(dāng)開(kāi)采至初期壩頂標(biāo)高以下范圍時(shí)，在初期壩頂兩岸壩肩位置增加2條緊急溢洪道排泄雨季洪水。

4 挖機(jī)鏟裝、汽車運(yùn)輸安全驗(yàn)證

為了驗(yàn)證挖掘機(jī)和汽車在尾礦庫(kù)的安全鏟裝、運(yùn)輸，根據(jù)尾礦土工試驗(yàn)成果各鉆孔各取樣土樣中已知的凝聚力C和摩擦角φ，應(yīng)用庫(kù)爾-莫爾強(qiáng)度理論直線型強(qiáng)度曲線的推論計(jì)算尾礦單軸抗壓強(qiáng)度Sc，計(jì)算公式如下:

式中:Sc—單軸抗壓強(qiáng)度，kPa;

C—巖土凝聚力，kPa;

φ—內(nèi)摩擦角，(°)。

根據(jù)上式計(jì)算得出期六寨尾礦單軸抗壓強(qiáng)度Sc 最小45．9 kPa，最大320．0 kPa，平均141．28 kPa。

筆者推薦的斗容1 m3的挖機(jī)，該型號(hào)的挖機(jī)接地比壓33．84 kPa，比尾礦的單軸抗壓強(qiáng)度最小值要小，能保證尾礦的安全回采鏟裝。載重10 t自卸汽車汽車輪胎接地比壓94．08 kPa，比尾礦單軸抗壓強(qiáng)度平均值要低33%，運(yùn)輸安全性有較大的保障，對(duì)于局部尾礦單軸抗壓強(qiáng)度低于汽車接地比壓的區(qū)域可采取鋪設(shè)高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯耐磨板材、疏干排水、涼曬等措施確保汽車安全運(yùn)輸。同時(shí)載重10 t的自卸汽車與1 m3斗容的挖掘機(jī)匹配合理，可以充分發(fā)揮汽車和挖掘機(jī)的綜合效率。

5 露天境界圈定結(jié)果

尾礦堆存的厚度 0～34．8 m，平均厚度16．9 m，回采的尾礦高度不大。尾礦庫(kù)原始地形較平緩，一般為7°～48°，較陡處均為山包，現(xiàn)場(chǎng)勘察均為灰?guī)r覆蓋，山體穩(wěn)定不存在滑坡等地災(zāi)現(xiàn)象。根據(jù)尾礦堆存性質(zhì)、原始地形和開(kāi)采工藝確定露天開(kāi)采終了境界即為尾礦堆積前的原始地形。設(shè)計(jì)確定露天邊坡參數(shù)如下:工作臺(tái)階高度3．0 m;工作臺(tái)階坡面角45°;最終幫坡角 7°～48°，邊坡較陡處均為灰?guī)r山包，很穩(wěn)定，不需要再爆破開(kāi)挖放坡。尾礦回采內(nèi)部運(yùn)輸公路限制坡度6%。根據(jù)原始地形模型、堆存現(xiàn)狀模型、塊體模型，結(jié)合開(kāi)采工藝，圈定的露天境界結(jié)果見(jiàn)表2，露天終了境界見(jiàn)圖5。

表2 露天采場(chǎng)圈定結(jié)果表Tab.2 Results of open pit delineation

圖5 期六寨尾礦露天開(kāi)采終了境界模型Fig.5 Boundary model at the end of Qiliuzhai tailings dam open pit mining

6 結(jié) 語(yǔ)

利用尾礦工勘提供的鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)及地形圖，采用先進(jìn)的3DMine礦業(yè)工程三維數(shù)字軟件建立尾礦地質(zhì)模型，評(píng)估計(jì)算尾礦資源量，為尾礦回采提供基礎(chǔ)模型。采用機(jī)采機(jī)運(yùn)的開(kāi)采方式綜合回收尾礦錫資源，驗(yàn)證結(jié)果表明這種開(kāi)采方式具有可操作性，同時(shí)為企業(yè)贏得了一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，解決了尾礦庫(kù)的安全隱患。該尾礦庫(kù)成功的回采工藝為國(guó)內(nèi)其他類似項(xiàng)目提供了參考價(jià)值。

［1］采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)(2)礦床開(kāi)采卷上［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987．

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB 50771-2012有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2012．

［3］劉漢東．巖土力學(xué)［M］．北京:中央廣播電視大學(xué)出版社，2003．