某銅礦尾礦處置及采空區(qū)充填協(xié)同治理實(shí)踐

吳英杰 賴偉

摘要：針對(duì)四川某銅礦采空區(qū)現(xiàn)狀和尾礦地表堆存難題，將尾礦處置和采空區(qū)充填治理相結(jié)合。通過(guò)改造現(xiàn)有尾礦濃縮系統(tǒng)，建設(shè)充填系統(tǒng);將采空區(qū)分區(qū)，在出口構(gòu)筑防滲擋墻，采空區(qū)內(nèi)表面采用灌漿帷幕，基底采用抗?jié)B混凝土防滲方式，有效防止充填料漿固結(jié)前泌水對(duì)水系的破壞，實(shí)現(xiàn)了尾礦綠色充填資源化和采空區(qū)空間功能協(xié)同利用，以及礦山地表無(wú)尾礦排放運(yùn)行，同時(shí)消除了采空區(qū)安全隱患。

關(guān)鍵詞：全尾砂;采空區(qū);充填;協(xié)同治理;尾礦庫(kù);濃縮機(jī);防滲技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD926.4 TD7文章編號(hào)：1001-1277（2021）10-0079-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20211018

引 言

中國(guó)有1萬(wàn)多座地下金屬礦山，每年采出20多億t礦石，每年新增采空區(qū)約6億m3，使得采空區(qū)問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。中國(guó)金屬非金屬地下礦山采空區(qū)分布范圍廣、總量大、隱蔽性強(qiáng)、規(guī)整性及空間分布規(guī)律性差、空間形態(tài)變化大、頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測(cè)，屬于礦山重大安全隱患，由此誘發(fā)了多起安全事故[2-5]。截至2015年，中國(guó)尾礦累計(jì)堆存量近146億t，產(chǎn)生量大，但利用量卻有限[6-7]。

四川某銅礦經(jīng)過(guò)近60年的開(kāi)采，形成了大量采空區(qū)，總體積為257.49萬(wàn)m3。該礦山生產(chǎn)規(guī)模為1 200 t/d，年產(chǎn)尾礦40多萬(wàn)t，但現(xiàn)有尾礦庫(kù)僅能滿足選礦廠1～2 a排尾量。尾礦充填采空區(qū)既可以提高資源利用率，防止地表塌陷，又可減少固體廢物地表排放，是充分利用尾礦資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)地、節(jié)能、環(huán)保、廢物利用的有效途徑，因此越來(lái)越多的地下礦山采用尾砂充填方式治理采空區(qū)。通過(guò)尾礦處置方案研究，結(jié)合礦山開(kāi)采現(xiàn)狀和建設(shè)條件，將尾礦和采空區(qū)協(xié)同處置，實(shí)現(xiàn)尾礦充填資源化和采空區(qū)空間功能利用，消除礦山兩大危險(xiǎn)源，建設(shè)綠色安全礦山[8]。

1 尾礦處置方案

四川某銅礦采用房柱采礦法開(kāi)采，根據(jù)礦山現(xiàn)狀和建設(shè)條件，尾礦處置有2個(gè)技術(shù)可行方案：一是新建尾礦庫(kù)，將尾礦堆存;二是尾礦采空區(qū)充填，即建設(shè)一套全尾砂充填系統(tǒng)，將全部尾礦充填于井下采空區(qū)。

1.1 新建尾礦庫(kù)

礦山現(xiàn)有尾礦庫(kù)僅能滿足選礦廠1～2 a排尾量，因此采用尾礦堆存模式必須新建尾礦庫(kù)，需進(jìn)行尾礦庫(kù)的選址、報(bào)批和建設(shè)工作。新尾礦庫(kù)建成后，運(yùn)行簡(jiǎn)單，工人操作熟練，但結(jié)合礦山地域和尾礦庫(kù)堆存特點(diǎn)，存在以下問(wèn)題：①當(dāng)?shù)貫橹匾氖穹N植區(qū)，土地價(jià)值較高，尾礦庫(kù)征地面積大，建設(shè)費(fèi)用較高，投資至少5 000萬(wàn)元;②根據(jù)現(xiàn)有尾礦庫(kù)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用估算，新尾礦庫(kù)每年維護(hù)費(fèi)用約400萬(wàn)元，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高;③低濃度尾礦漿輸送至尾礦庫(kù)后，回水利用率低，能耗較高;④尾礦庫(kù)事故頻發(fā)，安全管理要求高[9]。

1.2 尾礦采空區(qū)充填

結(jié)合礦山開(kāi)采現(xiàn)狀，井下現(xiàn)有采空區(qū)257.49萬(wàn)m3;大體可劃分為10個(gè)采空區(qū)群，賦存標(biāo)高1 330～1 802 m，采空區(qū)高度為2.5～4.5 m，總面積為65萬(wàn)m2，最大采空區(qū)體積達(dá)到70.2萬(wàn)m3。隨著礦山的不斷生產(chǎn)，礦山年新增采空區(qū)約為14萬(wàn)m3，年產(chǎn)尾礦40多萬(wàn)t。按照每立方米采空區(qū)消納1.2 t尾礦估算，采空區(qū)可以滿足礦山約13 a的尾礦處置需求，同時(shí)采空區(qū)能夠逐步得到處置。

新增尾礦全部充填至井下采空區(qū)，將有效解決地表新建尾礦庫(kù)帶來(lái)的投資大、運(yùn)營(yíng)成本高及安全性差、環(huán)境污染大等弊端。尾礦采空區(qū)充填技術(shù)方案：將全尾砂濃縮脫水，添加膠結(jié)料，采用攪拌制備系統(tǒng)制成成品充填料漿，通過(guò)管道系統(tǒng)輸送至井下采空區(qū)。新建一套全尾砂充填系統(tǒng)，建設(shè)投資約858萬(wàn)元，年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用約1 000萬(wàn)元。

1.3 方案比選

對(duì)比2種方案，新建尾礦庫(kù)的建設(shè)費(fèi)用、征地費(fèi)用較高，審批手續(xù)繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)高;尾礦采空區(qū)充填工藝簡(jiǎn)單、施工工期較短，投入運(yùn)營(yíng)較快，能夠解決尾礦排放和采空區(qū)處理問(wèn)題。此外，從運(yùn)營(yíng)費(fèi)用上分析，尾礦庫(kù)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較省，但人員數(shù)量遠(yuǎn)大于后者。尾礦采空區(qū)充填不僅具有很好的環(huán)境效益和社會(huì)效益，而且符合國(guó)家環(huán)保、安全等產(chǎn)業(yè)政策要求。綜上所述，選擇尾礦采空區(qū)充填方案。

2 尾礦采空區(qū)充填

2.1 生產(chǎn)能力

尾礦采空區(qū)充填系統(tǒng)充填量計(jì)算公式為：

V n=Q kh k（1）

式中：V n為充填量（m3/d）;Q k為尾礦處置量（t/d）;h k為充填體單位尾砂消耗量（t/m3），取1.2 t/m3。

按照尾礦處置量1 200 t/d計(jì)算，V n=1 000 m3/d。根據(jù)充填設(shè)備、充填料漿管路輸送要求，礦山建設(shè)一套生產(chǎn)能力60 m3/h的充填系統(tǒng)。

2.2 工藝參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算，礦山新增采空區(qū)充填不能完全消耗產(chǎn)生的尾礦，結(jié)合尾礦庫(kù)庫(kù)容緊張的情況，剩余尾礦全部充填到老采空區(qū)。充填工藝參數(shù)：充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力1 000 m3/d（60 m3/h），充填料漿濃度65 %左右，充填料漿灰砂比1∶20～1∶60，以滿足不同采空區(qū)充填要求。工作制度采用三班8 h制。

2.3 尾砂漿體濃縮

本著充分利用現(xiàn)有建（構(gòu)）筑物，減少投資和運(yùn)營(yíng)成本的原則，尾砂漿體濃縮采用改造后的高效濃縮機(jī)。礦山于2006年配置1臺(tái)16 m NXZ高效濃縮機(jī)。原工藝流程：選礦廠產(chǎn)生的尾砂自流進(jìn)入濃縮機(jī)進(jìn)料桶，尾砂漿體與絮凝劑混合，尾砂絮團(tuán)沉降，設(shè)計(jì)底流濃度為50 %。底流經(jīng)尾礦輸送泵排入井下采空區(qū)。但是，由于設(shè)備性能未達(dá)標(biāo)，存在底流濃度較低且不穩(wěn)定、溢流水渾濁等問(wèn)題，致使設(shè)備建成后一直未正常使用，而僅作為水池使用，因此將其改造用于尾砂漿體濃縮。

由于現(xiàn)有濃縮機(jī)驅(qū)動(dòng)能力較小，因此更換了主機(jī)、橋架和耙架。采用葉片型中心給料桶，具備尾砂漿體自稀釋功能;采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并配置堅(jiān)固的機(jī)械保護(hù)控制系統(tǒng);保留濃縮機(jī)主要槽體，僅更換濃縮機(jī)中心給料桶[10-11]。改造后的高效濃縮機(jī)設(shè)計(jì)處理能力1 600 t/d、底流濃度65 %，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 工藝流程

尾礦采空區(qū)充填系統(tǒng)形象工藝流程見(jiàn)圖1。

2.4.1 全尾砂脫水及給料

選礦廠全尾砂漿經(jīng)管道自流輸送至改造后的濃縮機(jī)，經(jīng)自稀釋系統(tǒng)達(dá)到最佳絮凝沉降濃度，在中心給料桶與絮凝劑充分混合均勻后形成穩(wěn)定尾砂絮團(tuán)，底流濃度65 %左右，溢流水含固量≤200×10-6。底流經(jīng)渣漿泵泵送至充填料漿制備站，經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入攪拌桶，制備好的充填料漿采用普通無(wú)縫鋼管輸送，管道外徑133 mm。當(dāng)?shù)V漿流量為57 m3/h時(shí)，沿程阻力損失為0.32 MPa;配置的渣漿泵揚(yáng)程50 m，電動(dòng)機(jī)功率55 kW。

2.4.2 膠結(jié)材料儲(chǔ)存及給料

水泥等膠結(jié)劑通過(guò)罐車運(yùn)輸至堆存站，利用罐車自帶壓強(qiáng)將水泥吹送至水泥倉(cāng)儲(chǔ)存。堆存作業(yè)時(shí)，打開(kāi)水泥倉(cāng)底部閘閥，通過(guò)219 mm×4 000 mm單管螺旋輸送機(jī)輸送至273 mm×1 500 mm稱重螺旋給料機(jī)，經(jīng)計(jì)量后進(jìn)入攪拌桶。采空區(qū)充填采取膠結(jié)方式，灰砂比1∶20～1∶60，膠結(jié)劑消耗量≤10 t/h。按照灰砂比1∶50，日均消耗量30 t，滿足3 d使用計(jì)算，設(shè)計(jì)膠結(jié)劑儲(chǔ)倉(cāng)容積為100 t。

2.4.3 充填料漿制備

攪拌設(shè)備選擇2 000 mm×2 100 mm強(qiáng)力雙層葉片型攪拌桶，尾砂漿體與膠結(jié)劑經(jīng)各自給料計(jì)計(jì)量后進(jìn)入攪拌桶，強(qiáng)力攪拌，充分混合均勻。根據(jù)濃度狀況可添加適量水，以配制符合濃度要求的堆存料漿。制備站緊湊布置，占地面積約84 m2（7 m×12 m）。

2.4.4 充填料漿輸送

為了盡可能減少能源消耗，堆存站站址選擇在標(biāo)高1 740 m左右的場(chǎng)地，兼顧上下各采空區(qū)的料漿輸送。充填料漿輸送管道長(zhǎng)度550～1 140 m，輸送揚(yáng)程0～45 m（不考慮3號(hào)采空區(qū)），2臺(tái)揚(yáng)程60 m渣漿泵，1用1備，流量70 m3/h，電動(dòng)機(jī)功率75 kW。

2.5 采空區(qū)防滲及封閉

2.5.1 采空區(qū)防滲

采空區(qū)內(nèi)表面采用灌漿帷幕（水泥漿中加入抗?jié)B劑，灌漿完畢后墻體滲透系數(shù)≥1.0×10-7cm/s）方式處理，形成連續(xù)的阻水帷幕;基底采用抗?jié)B混凝土防滲方式，混凝土抗?jié)B等級(jí)不小于P6，厚度≥100 mm，防滲性能不低于厚1.5 m、滲透系數(shù)1.0×10-7cm/s黏土層。采空區(qū)內(nèi)表面灌漿帷幕防滲見(jiàn)圖2，基底防滲見(jiàn)圖3。

2.5.2 排滲系統(tǒng)構(gòu)筑

排滲系統(tǒng)采取陣列式排水包。第一步，在1根長(zhǎng)度1 m、直徑100 mm的鉆孔鋼管上緊密纏繞1層棕樹(shù)墊，并用鐵絲纏繞固定。第二步，用直徑70 cm、長(zhǎng)度1.2 m的竹籠將包好棕樹(shù)墊的鉆孔鋼管套上，然后在竹籠里填滿碎石，最后用土工布將竹籠地面以上部分全部包裹，并用鐵絲固定。第三步，以竹籠為中心，用石塊堆砌一個(gè)直徑3 m、高度1 m的空心圓柱體，用碎石填滿圓柱體，形成一個(gè)高1.8 m的蒙古包，最后用土工布將碎石全部包裹，并用鐵絲纏繞固定形成排水包。充填料漿滲水從排水包外進(jìn)入，滲入鉆孔鋼管，再通過(guò)管道排至擋墻外，接入礦山排水系統(tǒng)。充填泌水排放系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

2.5.3 采空區(qū)擋墻封閉

采空區(qū)采用混凝土擋墻封閉，見(jiàn)圖5。為了使擋墻更加牢固且防止充填料漿的泄漏，首先在擋墻兩側(cè)的圍巖中固定幾根錨桿，錨桿頂部采用錨固劑錨固，錨桿露出部分采用鋼筋加固，其作用在于使圍巖與擋墻成為一體，從而加大擋墻的承受力及防止料漿側(cè)漏。在完成擋墻的基本骨架之后再進(jìn)行鋼筋混凝土擋墻的制作。

鋼筋混凝土擋墻采用C20混凝土，水、水泥、砂子、石子質(zhì)量比為0.47∶1∶1.342∶3.129，砂率30 %，水灰比0.47，粗骨料最大粒徑20 mm;擋墻配筋直徑10 mm，間距150 mm。

在鋼筋混凝土擋墻制作完成后，還需在周邊進(jìn)行噴漿或水泥卷涂抹，即周邊密封處理，防止周邊跑漿。

2.6 治理效果

充填系統(tǒng)調(diào)試完成后，運(yùn)行正常，充填料漿流量、濃度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了全尾砂膠結(jié)充填。充填料漿能夠自流平，充填體固結(jié)后表面沒(méi)有泌水，且基本接頂。已完成充填量92萬(wàn)m3，處置尾砂160.6萬(wàn)t，處理采空區(qū)59.8萬(wàn)m3，生產(chǎn)能力及相關(guān)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。井下采空區(qū)充填情況見(jiàn)圖6。

3 結(jié) 論

1）四川某銅礦現(xiàn)有尾礦庫(kù)服務(wù)年限將至，新建尾礦庫(kù)的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本高，且存在巨大安全隱患。井下有大量采空區(qū)，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。結(jié)合礦山開(kāi)采現(xiàn)狀，確定將尾礦與采空區(qū)協(xié)同處置。

2）高效濃縮機(jī)經(jīng)改造后，底流濃度由50 %提高到65 %，且誤差能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在±1 %;充填料漿進(jìn)入采空區(qū)后，大幅降低了泌水量。

3）采空區(qū)經(jīng)防滲處置，最大限度控制了充填泌水對(duì)水系的破壞，阻止了充填料漿固結(jié)前泌水對(duì)環(huán)境的破壞，阻斷了充填體和地下水系的物質(zhì)交換。礦山滲水取樣檢測(cè)均合格。

4）尾礦采空區(qū)充填調(diào)試完成后，運(yùn)行正常，處置尾砂共計(jì)160.6萬(wàn)t，處理采空區(qū)59.8萬(wàn)m3，實(shí)現(xiàn)了尾礦全部充填資源化利用，地表無(wú)尾排放;同時(shí)消除了采空區(qū)安全隱患，充填區(qū)未發(fā)生地壓活動(dòng)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 馬海濤，劉寧武，王云海，等.金屬礦山采空區(qū)災(zāi)害防治技術(shù)研究綜述[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10（10）：75-80.

[2] 劉海林，汪為平，何承堯，等.金屬非金屬地下礦山采空區(qū)治理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2018，34（6）：1-7，12.

[3] 王啟明，徐必根，唐紹輝，等.我國(guó)金屬非金屬礦山采空區(qū)現(xiàn)狀與治理對(duì)策分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2009，29（4）：63-68.

[4] 李志超.我國(guó)非金屬礦山采空區(qū)現(xiàn)狀與治理對(duì)策分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，15（19）：48-49.

[5] 何榮興，韓智勇，周顏軍，等.金屬非金屬礦山采空區(qū)災(zāi)害特征分析及預(yù)防措施[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2020，40（9）：33-38.

[6] 盧瑞楨，甘敏，林欣威.礦山尾礦資源綜合利用現(xiàn)狀及前景分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2020，36（12）：5-7.

[7] 易龍生，米宏成，吳倩，等.中國(guó)尾礦資源綜合利用現(xiàn)狀[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2020，40（3）：79-84.

[8] 陳晶，朱立德.尾礦大量消納的最佳途徑[J].有色冶金節(jié)能，2017，33（4）：55-57.

[9] 藍(lán)蓉.尾礦庫(kù)常見(jiàn)安全隱患排查[J].勞動(dòng)保護(hù)，2020（11）：66-68.

[10] 童仁平.提高高效濃密機(jī)濃縮效果的有效途徑[J].黃金，2014，35（5）：64-67.

[11] 孫寧磊，丁劍，李勇，等.紅土鎳礦濕法冶煉中CCD濃密機(jī)溢流跑渾影響因素分析[J].中國(guó)有色冶金，2020，49（2）：45-48.

Collaborative treatment of tailings disposal and goaf filling in a copper mine

Wu Yingjie1，Lai Wei2

（1.Sichuan Huili Datong Co.，Ltd.; 2.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.）

Abstract：In light of the goaf status and the challenge of surface tailings stockpiling in a copper mine in Sichuan，the study combined the treatment of tailings disposal and goaf filling.By renovating existing tailings thickening system and constructing filling system，dividing the goafs，constructing anti-seepage retaining wall at the exit，applying grouting curtains inside goafs and seepage resistant concrete for seepage prevention at the base bottom，the bleedings are effectively kept from harming the stream systems before the filling materials solidify，achieving the synergic utilization of tailings recycling as green filling resources and goafs as spatial resources，achieving the operation of mine surfaces without tailings discharge，at the same time eliminating safety risks in goafs.

Keywords：ungraded tailings;goaf;filling;collaborative treatment;tailings pond;thickener;anti-seepage technology