某尾礦庫尾礦回采技術(shù)方案及穩(wěn)定性分析

董霄

摘要：尾礦回采對加強礦山尾礦資源二次利用及解決大量尾礦堆存于尾礦庫中帶來的安全隱患和環(huán)境污染具有重要的社會和經(jīng)濟意義。以某尾礦庫尾礦回采為工程實例，重點介紹了尾礦干采法的回采工藝、回采順序及回采方法，并對回采過程壩體（邊坡）的穩(wěn)定性及防排洪安全性進行了計算分析，同時也對回采期間可能出現(xiàn)的安全問題提出了相應的工程措施。采用該方案回采規(guī)模達到40萬t/a，采場工作面推進平穩(wěn)，采場及壩體邊坡穩(wěn)定性較好，對類似尾礦庫尾礦回采工程具有實際參考價值。

關(guān)鍵詞：尾礦庫;尾礦回采;干采法;穩(wěn)定性分析;調(diào)洪演算

中圖分類號：TD856文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）07-0044-05?doi：10.11792/hj20200709

引?言

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，礦業(yè)開發(fā)規(guī)模也在不斷增大，每年因礦產(chǎn)開發(fā)和加工而產(chǎn)生的尾礦可達數(shù)億噸，礦山尾礦已成為目前工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)出量最大、綜合利用率最低的大宗固體廢棄物之一。大部分尾礦堆存于尾礦庫中，不僅占用大量土地，造成資源浪費，而且給周邊區(qū)域帶來重大安全隱患和環(huán)境污染[1]。

礦山固體廢棄物具有危害和利用的雙重性，是一種寶貴的二次資源[2]。尾礦作為一種潛在的二次資源，其開發(fā)和綜合利用已經(jīng)得到國家的高度重視，近年來國家各級政府部門不斷出臺支持尾礦開采和綜合利用的相關(guān)政策。尾礦的回采和綜合利用不僅可以減少土地占用率，保護環(huán)境，降低安全隱患，而且對礦山企業(yè)的發(fā)展和礦產(chǎn)資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

基于國家相關(guān)鼓勵政策和尾礦綜合利用現(xiàn)狀，本文以山東省淄博市某尾礦庫為例，對尾礦庫的尾礦回采方案和回采工藝進行研究和設計，并對尾礦庫尾礦回采過程的壩體（邊坡）穩(wěn)定性和防排洪安全性進行計算分析，實現(xiàn)尾礦庫尾礦安全回采的目的。

1?工程概況

某尾礦庫位于山東省淄博市境內(nèi)，屬山谷型尾礦庫，采用下游式筑壩方式，壩體總高度59 m，庫容209.93萬m3，尾礦庫等級為四等庫。尾礦庫全貌見圖1。

初期壩為透水堆石壩，壩高19.5 m，壩頂寬15 m，內(nèi)、外坡坡比均為1∶1.5;后期堆積壩為碾壓式土石混合壩，分級堆筑，每級子壩高3 m，壩頂寬15 m，內(nèi)、外坡坡比均為1∶2，壩軸線長度隨溝谷地形向上逐漸擴大，最長約530 m。

尾礦庫自2002年建成開始投入使用，現(xiàn)使用庫容約171.80萬m3，剩余庫容約38.13萬m3，剩余庫容不足20 %，已停止使用。為實現(xiàn)資源的二次利用，對尾礦庫尾礦進行回采，回采尾礦主要用途：一是作為礦山井下采空區(qū)充填用料進行二次利用;二是作為建筑材料外售進行綜合利用。

2?尾礦庫尾礦回采方案選擇

尾礦庫尾礦回采開采環(huán)境與露天礦開采類似，但是尾礦（砂）的組成成分不同于礦石，其成分為選礦后粒徑均勻且相對較小的粉砂，尾砂堆積體呈現(xiàn)松散狀，穩(wěn)固性較差，易受回采擾動影響，導致穩(wěn)定性發(fā)生變化?；诖?，尾礦回采有著其獨特的若干開采方法，開采方法各具特點，并且具有不同的開采適用性。

目前，尾礦庫尾礦回采方法主要有3種：水力開采法、干采法和船采法。

水力開采法和船采法開采過程需要大量的水資源作為開采和運輸介質(zhì)，水流的沖擊和侵蝕會對尾礦壩邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，增加開采過程的潛在滑坡塌陷風險;干采法相較于水力開采法和船采法，具有安全性高、工藝簡單、設備進出場靈活便捷、便于管理等優(yōu)點，并且采出產(chǎn)品為干尾砂，便于靈活處置。綜合以上因素，選擇采用干采法。

3?尾礦庫尾礦回采

3.1?回采區(qū)域

1）平面區(qū)域?；夭晒ぷ鞅Ａ粑驳V庫現(xiàn)有壩體，只回采庫內(nèi)堆積尾礦?？紤]到尾礦庫防排洪需求和邊坡穩(wěn)定性，設計將自尾礦庫（下游式筑壩四等庫）壩頂外緣邊線以內(nèi)35 m的范圍作為安全距離，此區(qū)域為禁采區(qū)。根據(jù)GB 50863—2013 《尾礦設施設計規(guī)范》規(guī)定，將排水設施周邊15 m范圍設定為機械禁采區(qū)域[3]，本區(qū)域內(nèi)尾礦采用人工回采。

基于以上原則對尾礦庫平面回采區(qū)域進行劃定，開采區(qū)域劃分為機械采區(qū)和人工采區(qū)。

2）垂向區(qū)域。由于回采工程壩體及壩前安全區(qū)域尾礦不回采，邊坡高度隨著回采水平的加深不斷增加，為保障生產(chǎn)安全，本次回采深度為12 m。

3.2?工作制度

1）為保證回采工作和尾礦庫區(qū)的安全，每年雨季、汛期和其他降雨天氣時不得進行回采工作。

2）由于尾礦庫區(qū)照明條件較差，夜間工作具有諸多安全隱患和不確定性。因此，回采工作僅安排在白天進行。

綜上所述，本次尾礦回采作業(yè)采用間斷工作制：240 d/a，2班/d，6 h/班。

3.3?回采順序

結(jié)合本次尾礦庫尾礦回采工藝特點，確定回采順序為：

1）先排水后回采。

2）先上分層后下分層回采。

3）每個分層的回采均按照由庫內(nèi)向壩前的順序后退式回采，整體的回采方向為自北向南。

4）為保證生產(chǎn)安全，同一采掘條帶內(nèi)人工采區(qū)應在機械采區(qū)回采完畢之后進行回采，相鄰位置禁止同時回采。

3.4?采場參數(shù)

1）分層高度。機械采區(qū)采用挖掘機鏟裝，結(jié)合挖掘設備的技術(shù)參數(shù)，分層高度設定為3 m。

2）采掘條帶寬度。結(jié)合挖掘設備的有效工作范圍，采掘條帶寬度設定為16 m。

3）臺階坡面角。設計臺階坡面角約為18°（邊坡坡比約1∶3）。

4）主運輸干線。主運輸干線主要功能為采掘設備行駛和布置運輸設備，寬7 m。

5）采掘運輸支線。采掘運輸支線垂直于主運輸干線，寬7 m，支線間距等于采掘條帶寬度，為16 m。

3.5?主要設備

1）回采設備。本次回采工程采用液壓挖掘機作為回采鏟裝設備，選擇1臺R275LVS型反鏟式液壓挖掘機，斗容1.35 m3，鏟裝能力40萬t/a。

2）運輸設備。本次回采工程采用皮帶機+汽車聯(lián)合運輸方式。①皮帶機。選用25臺DY型移動式皮帶運輸機，機長16 m，運輸能力300 t/h。布置于采場內(nèi)，可隨回采工作的進行，靈活調(diào)整運輸線路和布置工作機及備用機數(shù)量。②自卸汽車。結(jié)合回采設備選型情況，選用4臺HOWO T5G型自卸汽車，自重14.8 t，有效載重14.66 t，運輸能力14萬t/（臺·a）（運距1.2 km）。

3）輔助設備。1臺L955F型裝載機，1臺SD10YE型推土機，1臺RS8200型壓路機，1臺8 m3灑水車，1臺CPC30A型叉車。

3.6?回采方法

1）回采工作開始之前，首先對尾礦庫實施排水疏干，直至庫面無水狀態(tài)，并對回采區(qū)進行降水、疏干和晾干處理。

2）定位排洪設施位置，以排洪設施周邊15 m為界線確定人工回采區(qū)邊界，并設置標記，劃分機械采區(qū)和人工采區(qū)。

3）在尾礦庫劃定的開采區(qū)域內(nèi)選擇合適位置設置主運輸干線，作為回采過程尾礦運輸?shù)闹饕ǖ馈?/p>

4）在垂直于主運輸干線的兩側(cè)，按照由庫內(nèi)到壩前的順序依次布置采掘運輸支線，將回采區(qū)域劃分為若干采掘條帶。

5）在回采設備進場之前，對運輸線路進行清理并做硬化處理，使運輸?shù)缆返鼗休d能力達到采掘及運輸設備正常工作要求。

6）人工回采區(qū)首先在北端開掘形成底部寬20 m的排水降水區(qū)，用于匯集及排出地下滲水和雨水，增加作業(yè)安全。

7）回采設備進場，在各采掘條帶內(nèi)，采用反鏟式挖掘機，沿采掘運輸支線后退式回采，回采的尾礦由挖掘機裝入移動式皮帶運輸機，經(jīng)倒運后，于壩前指定區(qū)域裝入自卸汽車經(jīng)礦區(qū)現(xiàn)有運輸?shù)缆愤\至庫外尾礦外運中轉(zhuǎn)點。

8）特殊情況下，當采出尾礦不能及時運出需在現(xiàn)場堆積時，礦堆距離采礦作業(yè)現(xiàn)場不得小于5 m，且礦堆高度不超過4 m，礦堆坡面角不得大于自然安息角。

9）回采過程中，靠近山體部位應注意對山體邊坡的保護，回采至山體基巖后應對浮土、浮石及時進行清理，確保山體邊坡的穩(wěn)定性。

4?尾礦庫尾礦回采安全

4.1?壩體及邊坡穩(wěn)定性

由于尾礦成分的特殊性，隨著回采工作的進行，其堆積狀態(tài)發(fā)生變化，尾礦壩壩體原本存在的穩(wěn)定狀態(tài)也會發(fā)生改變，壩體邊坡的穩(wěn)定性受到極大影響;同時，回采過程產(chǎn)生的內(nèi)邊坡的穩(wěn)定性也是影響回采工程及尾礦庫安全的重要因素。

為保證尾礦庫尾礦回采工程和回采結(jié)束后壩體及庫內(nèi)邊坡的安全，結(jié)合尾礦庫土層物理力學參數(shù)和工程經(jīng)驗，利用有限元數(shù)值分析軟件，采用數(shù)值分析方法，對尾礦庫尾礦回采工程相關(guān)壩體及邊坡穩(wěn)定性進行計算分析。

1）現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性分析。現(xiàn)狀尾礦庫壩頂標高約288 m，沉積灘頂標高285 m，壩體坡比按實際測量數(shù)據(jù)約1∶2，庫面正常水位線標高281.66 m，洪水水位按極端最不利條件考慮（滿足規(guī)范要求的最小安全超高及干灘長度），取284.60 m。各土層物理力學參數(shù)見表1，穩(wěn)定性分析模型見圖2。

采用有限元分析軟件，應用強度折減法對尾礦庫現(xiàn)狀壩體分別進行正常運行、洪水運行和特殊運行（正常水位+地震荷載）3種工況條件下的邊坡穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果見表2。

2）回采結(jié)束壩體及采場邊坡穩(wěn)定性分析?；夭晒ぷ鹘Y(jié)束，回采總采深為12 m，劃分4個分層（臺階），臺階高度為3 m，臺階坡面角為18°（坡比1∶3），臺階間安全平臺寬度為3 m。正常水位標高按回采區(qū)最低點標高考慮，約270 m，洪水水位標高取272.6 m。穩(wěn)定性分析模型見圖3。

采用有限元分析軟件，應用強度折減法對回采結(jié)束壩體及采場邊坡分別進行正常運行、洪水運行和特殊運行3種工況條件下的邊坡穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果見表3。

通過計算，尾礦庫現(xiàn)狀壩體、回采結(jié)束壩體及采場邊坡在正常運行、洪水運行及特殊運行工況條件下，邊坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于設計規(guī)范要求，穩(wěn)定性較好。

4.2?防排洪安全

1）防排洪標準。根據(jù)GB 50863—2013 《尾礦設施設計規(guī)范》規(guī)定，四等庫防洪標準的洪水重現(xiàn)期為100～200 a[3]，本次回采按200 a考慮。

2）洪水計算。根據(jù)《山東省水文圖集》和尾礦庫庫區(qū)地質(zhì)資料，查閱洪水參數(shù)，進行洪水計算，200年一遇暴雨條件下，庫區(qū)洪峰流量為22.2 m3/s，洪水總量為4.31萬m3。

3）防排洪設施?；夭善陂g沿用尾礦庫現(xiàn)有防排洪設施，由長170 m，斷面為1.3 m×1.3 m（寬×深）的矩形排洪斜槽和長450 m，斷面為R上=0.65 m，R下=0.62 m（R上為上半圓拱半徑，R下為下半圓拱半徑）的圓拱形排洪涵管組成。

4）調(diào)洪演算。根據(jù)尾礦庫的來水與去水之差等于尾礦庫內(nèi)水量變化的原理，進行調(diào)洪演算。

尾礦庫內(nèi)任一時段Δt的水量平衡方程式為：

尾礦庫排洪過程中出現(xiàn)的最高水位即為尾礦庫的最高洪水位，調(diào)洪演算結(jié)果見表4，200年一遇洪水下尾礦庫泄洪曲線見圖4。

根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果，尾礦庫尾礦沉積灘頂至最高洪水位的高差為1.3 m，大于規(guī)范要求的四等庫最小安全超高0.5 m;尾礦沉積灘的平均坡度按1∶100計算，尾礦庫灘頂至最高洪水位邊線的距離為130 m，大于規(guī)范要求的下游式筑壩四等庫最小灘長35 m。

據(jù)此可知，暴雨設計頻率為200年一遇時，尾礦庫現(xiàn)有排洪設施的防排洪能力滿足安全要求。

4.3?回采工程安全措施

1）嚴格按照設計回采工藝和回采順序要求進行回采工作，先排水、降水、疏干和晾干處理至尾礦承載力達標后方可進行回采作業(yè)。

2）回采作業(yè)期間，嚴禁向尾礦庫內(nèi)排放尾礦或排水，回采作業(yè)應避開雨季，嚴禁在大雨、暴雨等惡劣天氣時作業(yè)。

3）尾礦回采期間，做好尾礦壩位移、采場邊坡、壩體滲壓（浸潤線）、降雨量、庫區(qū)水位等監(jiān)測工作，要有完整的監(jiān)測記錄。

4）隨著尾礦庫回采工作的進行，回采區(qū)臺階邊坡應及時進行修整和護坡。雨季回采邊坡應鋪設護坡毯或防雨布，減少雨水對邊坡的侵蝕;旱季對尾礦面進行噴淋并結(jié)合鋪設防塵網(wǎng)的方式減少庫面揚塵，避免環(huán)境污染和粉塵危害。

5?工程應用

目前，該尾礦庫正在按照設計的回采方案和回采工藝進行尾礦庫尾礦回采工作，回采工作于2020年4月開始，現(xiàn)正在進行庫內(nèi)第一分層的尾礦回采作業(yè)，已采出尾礦量約10萬t。根據(jù)現(xiàn)場實際回采進度，回采規(guī)?？梢赃_到40萬t/a。回采工程各項指標基本達到了設計預期：

1）回采過程中，采場工作面推進平穩(wěn)，采場邊坡比約1∶3，分層高度為3 m，以目前現(xiàn)場反饋資料計算，采場及壩體邊坡穩(wěn)定性較好。

2）回采工作開始前，為保證尾礦庫排水設施的安全運行，將排水斜槽周邊15 m范圍設置為機械禁采區(qū)。目前，尾礦庫排水設施運行良好，壩體浸潤線和庫內(nèi)水位線埋深可以滿足壩體穩(wěn)定和回采設備安全運行要求。

3）回采運輸按設計要求采用皮帶機+汽車聯(lián)合運輸方式，庫內(nèi)尾礦運輸?shù)缆方?jīng)硬化處理后，承載能力可以滿足設備的正常安全運行要求。

6?結(jié)?論

尾礦作為一種潛在的二次資源，其開發(fā)和綜合利用不僅符合國家鼓勵政策，同時可為礦山企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益。

1）結(jié)合尾礦庫尾礦回采工程特點，確定了回采工藝、回采順序及回采方法等技術(shù)參數(shù)。

2）對回采過程的壩體、采場邊坡穩(wěn)定性進行了安全性分析，同時也對回采期間的防排洪安全進行了校核和演算，安全性均符合要求。

3）對尾礦回采過程中的安全問題提出了相應的安全措施。

[參 考 文 獻]

[1]?王紅，吳剛，張麗.尾礦資源化與礦山的可持續(xù)發(fā)展[J].化工礦物與加工，2009（3）：30-31.

[2]?陳永貴，張可能.中國礦山固體廢物綜合治理現(xiàn)狀與對策[J].資源環(huán)境與工程，2005，19（4）：311-313.

[3]?中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.尾礦設施設計規(guī)范：GB 50863—2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.