北洺河鐵礦全尾砂膠結(jié)充填治理塌陷區(qū)的可行性研究①

汪光德，原明亮，曾建紅，王榮軍，周超群

（1.五礦礦業(yè)控股有限公司，河北 邯鄲056300；2.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410012）

近年來(lái)，“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展理念已經(jīng)深入人心，新建地下礦山普遍采用地下充填工藝，正在努力建設(shè)無(wú)尾礦山、綠色礦山。北洺河鐵礦由于已進(jìn)入生產(chǎn)的中后期，受礦體賦存條件以及前期無(wú)底柱分段崩落采礦方法的限制，無(wú)法轉(zhuǎn)入地下充填，而且地表塌陷區(qū)域越來(lái)越大。其所屬的尖山北尾礦庫(kù)也因?yàn)閹?kù)容不足，無(wú)法滿(mǎn)足該礦后期的尾礦排放需求。因此，積極探索安全的方式將尾礦排入地表塌陷區(qū)成為了北洺河鐵礦的最佳選擇。

1 礦山概況

北洺河鐵礦目前是五礦礦業(yè)控股有限公司主要生產(chǎn)礦山之一，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模180 萬(wàn)噸／年，1997 年開(kāi)工建設(shè)，2002 年投產(chǎn)試運(yùn)行，2004 年達(dá)產(chǎn)。

1.1 礦體特征

北洺河鐵礦屬于接觸交代矽卡巖型礦床，礦床主要賦存于奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r與燕山期閃長(zhǎng)巖的接觸帶中。礦床主要埋藏于北洺河河床以下，礦區(qū)基巖均為第四系黃土及河床卵石層所覆蓋，整體穩(wěn)定性差，有近百米的礫石層。

該礦為國(guó)內(nèi)典型的河床下賦存的大型金屬礦山，地質(zhì)資源儲(chǔ)量為7 909 萬(wàn)噸，主礦體長(zhǎng)1 620 m，寬92～376 m，厚度40～160 m，埋深于136 ～679 m 之間。礦區(qū)構(gòu)造主要以褶皺為主，斷裂次之。雙背斜構(gòu)造，傾角6°～60°。

礦體形態(tài)在平面上為向南突出的“新月形”，在剖面上為大小不等復(fù)雜透鏡體，縱剖面上為一變化較大的“長(zhǎng)蠕蟲(chóng)”狀。礦體走向呈近東西向漸轉(zhuǎn)為北西方向。

1.2 采選工藝

北洺河鐵礦的采礦方法是無(wú)底柱分段崩落法，礦床開(kāi)拓為豎井開(kāi)拓，首采分段在－20 m 水平，該分段采取了集中大爆破，以形成礦石覆蓋層，松動(dòng)出礦后誘導(dǎo)頂板巖石跟隨冒落。目前最低開(kāi)拓水平為－230 m 水平。階段運(yùn)輸水平－110 m、－230 m 水平，開(kāi)采分段高為15 m，階段運(yùn)輸方式為上下盤(pán)運(yùn)輸巷加川脈環(huán)形運(yùn)輸方式，川脈間距60 m。通風(fēng)為兩翼對(duì)角抽出式，多級(jí)機(jī)站，回風(fēng)水平－50 m 水平。結(jié)構(gòu)參數(shù)分為18 m×15 m和16 m×10 m，采用4 m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦，運(yùn)輸中段采用14 t 電機(jī)車(chē)牽引4 m3曲軌側(cè)卸式礦車(chē)將礦石倒入主溜井，經(jīng)－258 m 水平破碎和－278 m 及－282 m 水平皮帶轉(zhuǎn)載，進(jìn)入計(jì)量漏斗，最后由箕斗提升到地表。－110 m 水平到－50 m 水平、－230 m 水平到－110 m 水平間各回采水平設(shè)有電梯井供人員上下，并有采區(qū)斜坡道供鏟運(yùn)機(jī)上下行走。斜坡道由－230 m 水平向上通至－50 m 水平回風(fēng)井，回風(fēng)井為28°斜井，為大型設(shè)備下坑的通路。主要井筒有：主井、副井、西風(fēng)井、主回風(fēng)井、措施井（目前停止使用）。選礦采用一段開(kāi)路自磨，二段閉路球磨，三次磁選和尾礦掃選的工藝流程。

1.3 開(kāi)采現(xiàn)狀

北洺河鐵礦目前正在－230 m 中段開(kāi)采，該中段的－125 m、－140 m、－155 m、－170 m 水平均已開(kāi)采結(jié)束，主采水平為－185 m 水平，－200 m、－215 m 水平正在進(jìn)行采準(zhǔn)工程。剩余資源儲(chǔ)量約2 000 萬(wàn)噸。

1.4 尾礦庫(kù)情況

北洺河鐵礦尖山北尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容808.73 萬(wàn)立方米，最終壩高59 m，現(xiàn)已堆筑55 m，剩余有效庫(kù)容約90 萬(wàn)立方米，剩余服務(wù)年限不足兩年。

2 塌陷區(qū)的穩(wěn)定性分析

2.1 塌陷區(qū)形成過(guò)程

北洺河鐵礦于2001 年11 月開(kāi)始進(jìn)行無(wú)底柱崩落法回采，2003 年2 月底在措施井附近出現(xiàn)塌陷坑，地表錯(cuò)動(dòng)范圍隨著地下開(kāi)采范圍擴(kuò)大而增加，中心區(qū)域緩慢下沉。至2004 年2 月，井下主要采空區(qū)上部約1 000 m 范圍內(nèi)整體下沉2 m 左右。2005 年地表出現(xiàn)3 個(gè)較大的塌陷坑，其中最大塌陷坑?xùn)|西長(zhǎng)20 m，南北寬15 m?？拷菘又苓叺乇砹芽p很多，最大寬度達(dá)到400 mm 以上，地表傾斜明顯。

2013 年坍塌范圍發(fā)展為39.28×104m2，2014 年塌陷范圍變化不大。2013 年錯(cuò)動(dòng)范圍發(fā)展為0.96 km2。2014 年錯(cuò)動(dòng)范圍為1.18 km2，相較2013 年錯(cuò)動(dòng)范圍主要向西北和東部發(fā)展。最終錯(cuò)動(dòng)范圍為1.24 km2，相較2014 年錯(cuò)動(dòng)范圍主要向東北方向發(fā)展。

2.2 塌陷區(qū)現(xiàn)狀

北洺河鐵礦塌陷區(qū)所處區(qū)域地勢(shì)西高東低，西側(cè)標(biāo)高290.0 ～291.9 m，東側(cè)標(biāo)高269.03 ～272.6 m。北洺河鐵礦塌陷區(qū)最終錯(cuò)動(dòng)范圍南側(cè)邊緣距離北洺河河道北岸60 m，最終錯(cuò)動(dòng)范圍東西長(zhǎng)1 250 m，南北寬850 m，總面積1.24 km2。初步估算，目前地表塌陷區(qū)容積為276 萬(wàn)立方米以上。

塌陷區(qū)西南部為北洺河鐵礦干選廢石排土場(chǎng)，排巖的邊緣已靠近塌陷區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況來(lái)看，廢石場(chǎng)沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定。

從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，北洺河鐵礦塌陷區(qū)11 線(xiàn)以西區(qū)域地勢(shì)呈整體下沉式盆地，未出現(xiàn)大的塌陷坑。特別是該區(qū)域北部生長(zhǎng)了雜草及小型灌木，下沉基本穩(wěn)定。

北洺河鐵礦塌陷區(qū)11 線(xiàn)以東區(qū)域?yàn)橹饕輩^(qū)域。最大的塌陷坑邊出現(xiàn)在此區(qū)域。依據(jù)地形圖，最大塌陷坑深度為50 m（坑底標(biāo)高231.188 m，附近地表標(biāo)高281.3 m）。

北洺河地下礦體賦存剖面和北洺河鐵礦塌陷區(qū)現(xiàn)狀剖面對(duì)照形成北洺河鐵礦塌陷區(qū)與地下礦體對(duì)照見(jiàn)圖1。

圖1 北洺河鐵礦塌陷區(qū)與地下礦體對(duì)照

北洺河鐵礦地下礦體呈西高東低的“長(zhǎng)蠕蟲(chóng)”狀。北洺河鐵礦一期（－50 ～－110 m 水平）采礦早已結(jié)束，二期（－110～－230 m 水平）正在生產(chǎn)中。其中－110 m、－125 m、－140 m、－155 m、－170 m 水平已回采完畢，－110 m 水平以下礦體主要集中在9 線(xiàn)以東區(qū)域。

從圖1 可看出，地表塌陷區(qū)內(nèi)塌陷嚴(yán)重的區(qū)域集中在礦體厚大區(qū)域。11 線(xiàn)到8 線(xiàn)區(qū)域礦體最為厚大，北洺河鐵礦塌陷區(qū)下沉最厲害的區(qū)域也主要集中在此。

2.3 塌陷區(qū)穩(wěn)定性分析

北洺河鐵礦地下礦體采礦呈向深部開(kāi)拓、回采位置逐漸東移的趨勢(shì)?；夭晒ぷ鲗⒗^續(xù)在8 線(xiàn)以東－125 m 以下水平進(jìn)行，因此塌陷區(qū)穩(wěn)定性分析范圍主要為9 線(xiàn)以西區(qū)域。

基于對(duì)北洺河鐵礦塌陷區(qū)三維應(yīng)力模型的構(gòu)建，對(duì)塌陷區(qū)9 線(xiàn)以西區(qū)域的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)［1］，得到如下結(jié)論：

1）采用無(wú)底柱分段崩落法，北洺河鐵礦礦體上部覆蓋巖層垮塌分兩期進(jìn)行：第一期為井下開(kāi)采時(shí)的隨采隨垮期，該時(shí)期的垮塌是由無(wú)底柱分段崩落采礦法引起的；第二期垮塌是由于第一期垮塌導(dǎo)致礦體上部覆蓋巖層因自重而在垂直方向形成巨大斷裂面，該巨大斷裂面會(huì)導(dǎo)致礦體上部覆蓋巖層呈現(xiàn)整體下沉態(tài)勢(shì)。因此，第二期垮塌的下沉與井下采動(dòng)區(qū)的下沉是一致的。

2） 9?！?3＃勘探線(xiàn)之間的塌陷范圍面積為409 435.836 3 m2，理論計(jì)算平均下沉深度為5.4 m，塌陷區(qū)容積為2 210 953.516 m3。

3）在塌陷區(qū)的中部（11?？碧骄€(xiàn)）以東方向，井下圍巖所承受的壓應(yīng)力為0.149 ～543 MPa，均遠(yuǎn)超過(guò)圍巖允許的壓應(yīng)力范圍（63.608 9～168.101 9 MPa），井下圍巖均處于垮塌狀態(tài)。

4）在塌陷區(qū)的中部（11＃勘探線(xiàn)）以東方向，井下圍巖所承受的應(yīng)變?cè)?.293×10－5～0.010 99 之間，均遠(yuǎn)超過(guò)圍巖允許應(yīng)變范圍（0.524×10－4～0.675×10－3），井下圍巖均處于垮塌狀態(tài)。

5）塌陷區(qū)內(nèi)塌陷較嚴(yán)重的位置在10＃～11?？碧骄€(xiàn)之間。

經(jīng)數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場(chǎng)考察分析，北洺河鐵礦9?！?3?？碧骄€(xiàn)之間的塌陷區(qū)下部的井下采動(dòng)區(qū)已塌落至地表，塌陷區(qū)趨于穩(wěn)定。

2.4 充填后塌陷區(qū)穩(wěn)定性分析

當(dāng)塌陷區(qū)充入尾砂充填料后，9?！?3?？碧骄€(xiàn)可容納221.1 萬(wàn)立方米充填物料，充填物料密度為1.824 t／m3（實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)密度），即403.3 萬(wàn)噸充填物料。塌陷區(qū)平均下降5.4 m，原頂板的負(fù)載上部錐體高度為285 m，塌陷區(qū)下降距離占原頂板的負(fù)載上部錐體高度的5.4／285 ＝1.9%。當(dāng)物料充滿(mǎn)塌陷區(qū)后，井下采動(dòng)區(qū)頂部崩落范圍之內(nèi)的壓力將增加219 107 Pa，原頂板的負(fù)載為上部錐體壓力即13 533 438 Pa。充填物料壓力占原頂板的負(fù)載為上部錐體壓力比例為219 107／13 533 438＝1.62%。

如果塌陷區(qū)實(shí)施逐步充填，已塌陷采空區(qū)上部壓力將逐步加大，壓力總值也將增加，但變化不大（增加1.62%）。塌陷區(qū)充填物料后，會(huì)對(duì)已經(jīng)垮塌采空區(qū)起到密實(shí)作用，不會(huì)再造成大面積垮塌情況。

因此，擬在10＃線(xiàn)以西區(qū)域采用膠結(jié)尾礦回填，10＃線(xiàn)以東采用廢石回填，回填順序自西向東，按回采結(jié)束時(shí)間及地表塌陷區(qū)穩(wěn)定情況逐步推進(jìn)。同時(shí)，對(duì)塌陷區(qū)回填區(qū)域進(jìn)行定期變形監(jiān)測(cè)，取得詳實(shí)數(shù)據(jù)，有效掌握其變化狀態(tài)，從而在更合理地利用塌陷區(qū)回填區(qū)域排放尾礦的同時(shí)，保證回填作業(yè)人員及設(shè)備的安全?；靥詈蟮膮^(qū)域?qū)凑铡盎靥钜粔K、治理一塊”的原則，進(jìn)行覆土并恢復(fù)地表植被。

3 膠結(jié)充填技術(shù)可行性分析

3.1 膠結(jié)充填技術(shù)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)充填全尾砂進(jìn)行組分試驗(yàn)、沉降試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)、泌水試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、泥化實(shí)驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、環(huán)管輸送試驗(yàn)等，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件、設(shè)備技術(shù)水平［2］，得到如下結(jié)論：

1）通過(guò)粒度分析結(jié)果可知，尾礦中－0.038 mm 粒級(jí)含量為43.98%，－0.02 mm 粒級(jí)含量為30.96%，表明該尾礦中細(xì)粒級(jí)含量較多，但通過(guò)沉降試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該尾礦的總體沉降性能較好，澄清水固含量低，低濃度時(shí)絮凝劑PAM 對(duì)其助沉作用十分明顯。

2）從濃縮模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該尾礦在模型內(nèi)的極限壓縮濃度可達(dá)到79%，結(jié)合膏體濃密機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐，采用膏體濃密機(jī)（添加一定量的絮凝劑）作為北洺河尾礦的制漿設(shè)備，工業(yè)上可獲得穩(wěn)定的、底流濃度為60%～75%的尾礦料漿。

3）流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，濃度大于60%的尾礦是一種具有屈服值的假塑性流體，能被剪切稀化，其屈服應(yīng)力與濃度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4）坍落度和泌水試驗(yàn)結(jié)果表明，尾礦膏體料漿的粘聚性、保水性良好，濃度為65%～75%、水泥添加量5%～1%的尾礦試樣，其泌水率值小于5%。其中，濃度為70%的料漿加入2%水泥后，泌水率僅為1.39%，能滿(mǎn)足塌陷區(qū)回填要求。

5）固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明，泵送至塌陷區(qū)的固結(jié)尾礦的抗壓強(qiáng)度只有不到1 MPa，能滿(mǎn)足隨塌陷區(qū)下塌而下塌的要求。

6）泥化試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥添加量10%以下時(shí)，不管是采用管道輸送堆存還是過(guò)濾堆存的固結(jié)尾礦，在潮濕條件下，遇水不會(huì)產(chǎn)生泥化，而干燥后遇水會(huì)膨脹散開(kāi)，成為大顆粒散體。送入塌陷區(qū)堆存的尾礦，層層堆放，堆存過(guò)程中基本能保持潮濕狀態(tài)，也就不會(huì)產(chǎn)生泥化問(wèn)題，而堆存工作結(jié)束后，堆層會(huì)逐漸由表及里干透，因此在堆存工作結(jié)束前可考慮在尾礦堆場(chǎng)上覆蓋一層高配比水泥的尾砂，水泥配比10%以上。

7）滲透試驗(yàn)結(jié)果表明，該尾礦固結(jié)后的滲透系數(shù)為6×10－7cm／s。

8）環(huán)管輸送試驗(yàn)結(jié)果表明，濃度是影響管道摩阻損失的最關(guān)鍵因素之一。濃度為65%～72%的尾礦，添加2%的水泥后可進(jìn)行泵送。

由上述試驗(yàn)結(jié)論可知，充填膏體不會(huì)產(chǎn)生大量泌水，由充填膏體產(chǎn)生的水量不會(huì)對(duì)塌陷區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。膏體固結(jié)后本身具有一定的粘結(jié)力，基本不會(huì)產(chǎn)生泥化現(xiàn)象，不會(huì)因泥化產(chǎn)生泥石流現(xiàn)象從而對(duì)塌陷區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此全尾砂膠結(jié)后用于塌陷區(qū)充填是可行的。

3.2 膠結(jié)充填主要設(shè)備

3.2.1 深錐濃密機(jī)

深錐濃密機(jī)是制備尾礦膏體的關(guān)鍵設(shè)備［3］，目前國(guó)內(nèi)該制備工藝已日趨成熟、技術(shù)可靠［4］。

根據(jù)北洺河鐵礦系統(tǒng)需求，深錐濃密機(jī)放砂流量需按92.65 m3／h、放砂質(zhì)量濃度按70%左右設(shè)計(jì)。濃密機(jī)設(shè)計(jì)選取單位面積處理量0.7 t／（h·m2），尾砂處理量120.0 t／h，計(jì)算濃密機(jī)面積171.43 m2，設(shè)計(jì)濃密機(jī)直徑為15 m，面積為176.63 m2。選型具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 深錐濃密機(jī)的選型

3.2.2 充填工業(yè)泵

充填工業(yè)泵用于尾礦充填料的遠(yuǎn)距離輸送。目前市場(chǎng)上此類(lèi)泵的生產(chǎn)廠(chǎng)家較多、技術(shù)成熟，但進(jìn)口泵比國(guó)產(chǎn)泵采購(gòu)成本多50%～100%。

實(shí)際運(yùn)行中考慮不均衡系數(shù)1.15，擬選用2 臺(tái)充填工業(yè)泵輸送泵，1 用1 備。正常輸出流量110 m3／h，正常泵送壓力10 MPa，額定功率320 kW 以上。

4 經(jīng)濟(jì)可行性分析

項(xiàng)目主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 項(xiàng)目主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目需要新建尾礦膏體制備站，該站主要由深錐濃密機(jī)、尾礦膏體制備間、藥劑間、充填工業(yè)泵泵房、配電室、回水池、回水泵房、倉(cāng)庫(kù)、生活和辦公場(chǎng)所等組成。建設(shè)場(chǎng)地?cái)M選擇在北洺河鐵礦西風(fēng)井廠(chǎng)區(qū)南側(cè)。其中藥劑間、倉(cāng)庫(kù)、生活和辦公場(chǎng)所可利用西風(fēng)井現(xiàn)有設(shè)施，節(jié)省部分投資。

本項(xiàng)目建設(shè)投資約為2 100 萬(wàn)元，其中工程費(fèi)用為1 600 萬(wàn)元，工程建設(shè)其他費(fèi)用為350 萬(wàn)元，預(yù)備費(fèi)為150 萬(wàn)元。該投資費(fèi)用比新建庫(kù)容為276 萬(wàn)立方米尾礦庫(kù)（最低投資約10 元／m3）節(jié)省660 萬(wàn)元。

本項(xiàng)目運(yùn)行第2 年單位尾礦運(yùn)營(yíng)成本估算為18.30 元／t，見(jiàn)表3。

表3 單位尾礦運(yùn)營(yíng)成本估算表

該運(yùn)營(yíng)成本與尾礦漿直接排放至尾礦庫(kù)相比，主要增加了膠凝材料的消耗費(fèi)用。

5 環(huán)境和社會(huì)效益分析

1）本項(xiàng)目的實(shí)施，利用了選礦廠(chǎng)的全部尾砂，實(shí)現(xiàn)廢物綜合利用，污染物消減量大。膠結(jié)尾砂中不摻入任何有害化學(xué)制劑，也不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

2）本項(xiàng)目運(yùn)行將減少尾礦地表堆存占地和揚(yáng)塵污染，杜絕尾礦外排造成的安全隱患和環(huán)境污染，甚至可以取消尾礦庫(kù)，可從根本上解決地表尾礦庫(kù)帶來(lái)的安全隱患。同時(shí)又能改善塌陷區(qū)帶來(lái)的安全隱患，使區(qū)域生態(tài)得到一定補(bǔ)償和恢復(fù)，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生有利影響。

3）本項(xiàng)目將突破性地解決選礦尾礦庫(kù)和地下采礦塌陷區(qū)兩個(gè)重大危險(xiǎn)源，為地下開(kāi)采空區(qū)治理提供新路徑和技術(shù)支撐。該項(xiàng)目若成功實(shí)施，對(duì)于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)礦山具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值，對(duì)我國(guó)金屬礦山尾礦處理和地下采礦技術(shù)進(jìn)步將產(chǎn)生有力推動(dòng)作用。

因此，該項(xiàng)目的建設(shè)具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)北洺河鐵礦塌陷區(qū)的穩(wěn)定性分析以及對(duì)全尾砂膏體制備、輸送、膠結(jié)充填技術(shù)的可行性試驗(yàn)研究，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)估算、環(huán)境和社會(huì)效益等綜合分析，認(rèn)為北洺河鐵礦全尾砂膠結(jié)充填治理塌陷區(qū)的項(xiàng)目完全可行。