堆存尾砂膠結(jié)充填處理廢棄采空區(qū)的應(yīng)用實踐

郭利杰，許文遠(yuǎn)，史采星

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

堆存尾砂膠結(jié)充填處理廢棄采空區(qū)的應(yīng)用實踐

郭利杰，許文遠(yuǎn)，史采星

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

為解決堆存在郴州西河兩岸近250萬t的尾砂以及某礦區(qū)廢棄的采空區(qū)所帶來的地表與地下雙重安全隱患，以堆存尾砂為充填骨料，使用尾砂膠結(jié)充填技術(shù)對采空區(qū)進(jìn)行充填。該工藝不僅凈化了地表環(huán)境，而且能夠確保采礦作業(yè)的安全性，提高了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。實踐證明利用地表堆存尾砂處理采空區(qū)技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的，應(yīng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

堆存尾砂；安全隱患；采空區(qū)；尾砂膠結(jié)充填

尾礦屬于選礦后的產(chǎn)物，目前尾砂的年排放量占工業(yè)固體廢棄物的40%左右。尾礦除極小部分被利用外，絕大部分存放在地表尾礦庫中［1］，甚至直接堆積在地表，其攜帶的重金屬、硫等污染物會直接造成周圍環(huán)境污染，細(xì)粒尾砂在干燥后隨風(fēng)飄揚易造成大氣污染，危害人體健康。另外，由于尾礦庫設(shè)計不合理、監(jiān)管不到位等因素，可能會引起塌陷、滑坡，造成尾礦庫潰壩等災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計，我國已經(jīng)形成一定規(guī)模的尾礦庫約1500座，其中有色和冶金行業(yè)占80%［2］。研究表明，在世界上93種重大事故、災(zāi)害中，尾礦庫事故的危害名列第18位，足見尾礦事故危害之大，因此金屬礦山尾礦的排放與處置仍然是礦山亟待解決的問題之一［3］。

我國金屬非金屬礦山點多面廣，集約化程度低，開采技術(shù)落后，裝備水平、安全保障能力仍然很低。由于種種原因，我國礦產(chǎn)資源地下開采留下了大量的未處理的采空區(qū)，特別是一些國有礦山周邊的不明采空區(qū)，是影響礦山安全生產(chǎn)最主要的危害源之一［4－6］。既嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)和安全，又極大的破壞和浪費了地下寶貴的礦產(chǎn)資源。因采空區(qū)誘（引）發(fā)的片幫、冒頂、突水、礦震、地面塌陷、山體崩落 泥石流、地表植被破壞等多種形式的災(zāi)害不斷增多，尤其是重大事故有增大的趨勢［7］。

為解決以上兩個安全隱患，充填采礦法得到了更好的應(yīng)用。尾礦充填技術(shù)已經(jīng)比較成熟，利用尾礦充填，既可以解決礦山充填骨料來源，解決或部分解決尾礦的排放問題，凈化了地表環(huán)境，又可以對地下采空區(qū)進(jìn)行充填，使圍巖維持穩(wěn)定狀態(tài)，減少了空區(qū)上覆巖層以及地表的移動，確保了采礦安全，一舉兩得，因此充填采礦法成為解決尾礦排放與采空區(qū)處理的最佳途徑。

1 尾礦堆存量及采空區(qū)統(tǒng)計

郴州西河（大壁口至紅衛(wèi)橋）沿岸的尾砂隨意堆放在沒有經(jīng)過規(guī)范設(shè)計和建設(shè)的尾砂堆內(nèi)，這些尾砂僅在庫四周用黏土壘成簡易的土壩，庫貯存量從幾萬方到幾十萬方不等，均屬低矮山塘型尾砂堆。這些尾砂對環(huán)境造成了很大的污染，而且存在著重大的安全隱患。

西河上游沿河兩岸待處理的16座尾砂堆存量為222.16萬t，尾砂總體積估算約為133.03萬m3；大壁口－紅衛(wèi)橋段西河兩岸平均淤積尾砂約70m，平均厚度0.5m，確定的西河沿岸尾砂總量為16萬m3，尾砂重量為26.72萬t；待處理的總尾砂量為248.88萬t。故充填所需消納的尾礦總量為248.88萬t，折合149.0萬 m3。

根據(jù)現(xiàn)場實測統(tǒng)計的蘇仙區(qū)柿竹園礦和雙園沖多金屬礦（錫、鉛鋅礦）的廢棄采空區(qū)總體積為227.7萬m3，詳細(xì)統(tǒng)計見表1。

表1 廢棄空區(qū)體積統(tǒng)計

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，計算年充填料漿量如下所示。

式中：QT為年充填料漿量，萬m3/a；QC為待充填空區(qū)體積，萬 m3/a；K1為尾砂脫水濃縮系數(shù)，K1＝1.15；K2為充填材料流失系數(shù)，K2＝1.05。

由已知可知，待充空區(qū)體積為227.7萬m3，經(jīng)計算可知，年充填料漿量為275萬m3/a，可以消納尾砂量為362萬t，完全可以處理完畢西河流域的248.88萬t尾砂。

2 充填物料特性試驗研究

根據(jù)西河治理工程尾礦材料的來源情況，充填材料為西河兩岸尾砂及固廢堆。充填物料特性試驗主要包括尾砂基礎(chǔ)物理參數(shù)試驗、粒級組成分析、沉降試驗研究、充填料漿流變試驗研究。

2.1 基礎(chǔ)物理參數(shù)試驗

尾砂密度及容重分別采用比重瓶法及堆積法測定，試驗根據(jù)土工試驗規(guī)程依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)T0112－1993測得。尾砂基礎(chǔ)物理參數(shù)見表2。

表2 尾砂基礎(chǔ)物理參數(shù)表

2.2 尾砂粒級分析

粒級組成分析用于測定尾砂顆粒組成尺寸及含量，利用激光粒度分析儀，根據(jù)激光與顆粒之間相互作用的光散射原理（Fraunhofer衍射理論和Mie光散射理論等），得到激光探測到的顆粒粒徑及其分布。粒級組成見圖1。

圖1 粒級組成曲線

鉛鋅尾礦d10＝60.888μm，d50＝200.682μm，d60＝236.674μm，d90＝412.351μm，不均勻系數(shù)為3.89。由尾礦粒度曲線可知，試驗尾礦細(xì)顆粒含量較少，屬于相對缺失細(xì)顆粒的類型，尾礦自然級配屬于相對不連續(xù)級配。

2.3 沉降試驗

為了解尾砂濃縮沉降規(guī)律，項目對料漿濃度Cw分別為20%、25%、30%、35%、40%的尾砂漿進(jìn)行了沉降試驗。用澄清液面隨時間的改變表示沉降速度，用沉降終了時尾砂濃度作為壓縮區(qū)的尾砂濃度。終了濃度見表3。

表3 不同濃度尾砂漿的終了濃度

2.4 充填料漿流變特性

通過坍落度試驗檢測了充填料漿的流變參數(shù)，綜合分析了充填料漿的流變特性，為充填料漿的高濃度自流輸送提供了依據(jù)。坍落度試驗結(jié)果見表4。

表4 坍落度試驗結(jié)果

由上述結(jié)果可以看出，尾砂料漿濃度從72%增加至74%時，砂漿的坍落度逐漸減小；總體上看，在同一濃度下的料漿，隨著水泥添加量的增加其坍落度增加；砂灰比為4、6、8和全尾砂的充填料漿的坍落度值分別從27.8cm、27.4cm、26.9cm 和26.0cm降低到27.0cm、26.5cm、26.0cm 和25.7cm，其值變化不大。采礦設(shè)計手冊通常認(rèn)為，要實現(xiàn)自流輸送坍落度值應(yīng)大于15～20cm，從實驗結(jié)果可以看出其坍落度遠(yuǎn)大于15～20cm。因此，礦山高濃度自流輸送充填在采空區(qū)充填倍線適宜的情況下，仍具有提高料漿濃度的充填潛力。

3 尾砂濃縮及充填方案

根據(jù)西河尾礦堆存現(xiàn)狀及鉛鋅礦采空區(qū)現(xiàn)狀，以及目前國內(nèi)充填技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時考慮到西河治理區(qū)遺留尾砂的規(guī)模所需的充填規(guī)模要求、充填尾砂的供應(yīng)能力以及消納尾砂礦山的采礦能力等因素，采用高濃度尾砂膠結(jié)充填工藝系統(tǒng)。該充填工藝系統(tǒng)目前技術(shù)最為成熟，效率最高。

尾礦充填的礦山廢棄采空區(qū)分別為柿竹園礦區(qū)和雙園沖礦區(qū)，根據(jù)廢棄空區(qū)容積的統(tǒng)計和現(xiàn)場實際，在柿竹園礦區(qū)配置1套充填系統(tǒng)，在雙園沖礦區(qū)配置2套充填系統(tǒng)。每套系統(tǒng)均可以實現(xiàn)尾砂充填單套能力約100m3/h。

3.1 充填設(shè)施選擇

充填設(shè)施主要包括地面充填制備站、充填鉆孔和輸送管路等設(shè)施。

充填攪拌站主要設(shè)備包括尾砂濃縮貯存裝置、水泥倉、水泥給料設(shè)備、高濃度攪拌槽和料漿輸送泵。

根據(jù)充填系統(tǒng)要求，尾砂濃縮貯存裝置的容積約1000m3，φ8.6m，兩用 一備。水 泥倉的 容積約 為180m3，倉頂設(shè)置除塵器、雷達(dá)料位計。每個水泥倉配置一臺雙管螺旋輸送機(jī)及微粉稱，對水泥進(jìn)行精確計量。攪拌桶選用φ2000×2100高濃度攪拌槽進(jìn)。

料漿輸送泵的選取需綜合考慮充填要求和尾砂輸送要求。柿竹園礦區(qū)最大充填倍線約為5.3；雙園沖礦區(qū)最大充填倍線為7.8，最大輸送距離約為1500m。為保證料漿的順利輸送，選擇3臺活塞式料漿輸送泵，每臺對應(yīng)一套尾砂濃縮及料漿制備系統(tǒng)，在難以實現(xiàn)自流輸送時，可采用泵送砂漿的方式進(jìn)行充填。

充填料漿制備完成后通過鉆孔充入采空區(qū)，共設(shè)3條垂直充填鉆孔。鉆孔內(nèi)放套管，套管選擇耐磨性強(qiáng)的雙金屬復(fù)合鋼管。

平巷中的充填管選用普通無縫鋼管，采場內(nèi)敷設(shè)的充填管選礦用樹脂管，規(guī)格要與普通無縫鋼管配套。

放砂管與充填管道安裝電磁流量計與射線濃度計，放砂管、造漿管等安裝電動閥門，通過PLC系統(tǒng)對充填工藝進(jìn)行自動控制。

3.2 充填料漿輸送

西河兩岸待處置的尾砂經(jīng)汽車送至尾砂濃縮貯存裝置頂部，當(dāng)井下需要充填時，尾砂濃縮貯存裝置內(nèi)的尾砂經(jīng)濃縮沉降后由裝置底部管路放入高濃度攪拌槽內(nèi)，需要膠結(jié)時啟動微粉秤把水泥送入攪拌槽，按75%重量濃度配比要求添加定量的水?dāng)嚢杈鶆蛑瞥珊细竦某涮盍蠞{。在能夠自流輸送的區(qū)段采用自流方式將充填料漿送到充填采場；不具備自流輸送條件的，則采用泵送方式輸送。充填料漿經(jīng)充填鉆孔及充填管路輸送至井下各中段采空區(qū)進(jìn)行充填。

每套充填系統(tǒng)的充填能力為100m3/h，每天工作3班，每班8小時。

3.3 充填泄水、泥砂排放

沿巷道每50～100m的適當(dāng)位置設(shè)置一個沉淀坑，充填泄水、泥砂從充填采空區(qū)溢出后，先流入分段巷道內(nèi)的沉淀坑，沉淀較粗的泥砂，清水及細(xì)泥通過泄水鉆孔流入中段泄水硐室的沉淀池內(nèi)，定期使用鏟運設(shè)備清理，送至采空區(qū)。

3.4 坑內(nèi)充填工區(qū)通訊

按照工區(qū)組織管理模式，坑內(nèi)專設(shè)充填工區(qū)，負(fù)責(zé)坑內(nèi)充填作業(yè)，包括充填管線的安裝維護(hù)、采空區(qū)充填擋墻的架設(shè)等充填工作。坑內(nèi)充填工區(qū)需配備專用通訊電話，以便與地面充填制備站聯(lián)系。各中段平巷中架設(shè)的充填管需要重點維護(hù)和管理，若發(fā)生異常如接頭不嚴(yán)、漏水漏漿或堵管等，要通過坑內(nèi)充填工區(qū)電話立即與地面制備站聯(lián)系，并及時處理。

4 充填質(zhì)量評價

4.1 技術(shù)指標(biāo)

充填材料單耗及用量計算見表5。

表5 充填材料單耗及用量計算表

4.2 膠結(jié)充填體質(zhì)量

充填料漿濃度對充填體強(qiáng)度影響很大，濃度越高強(qiáng)度越大，濃度越低，溢流水帶出的水泥就越多，充填強(qiáng)度也越低，在同等抗壓強(qiáng)度下水泥耗量更大。該充填系統(tǒng)工藝的尾砂膠結(jié)充填料漿濃度可達(dá)70%～76%，正常連續(xù)生產(chǎn)的充填濃度一般為70%～73%。

充填料漿濃度均為75%，膠結(jié)充填的灰砂比為1∶12，膠結(jié)充填體強(qiáng)度可達(dá)0.5MPa左右。達(dá)到了解決尾礦的排放問題，凈化地表環(huán)境，又可以對地下采空區(qū)進(jìn)行充填，使圍巖維持穩(wěn)定狀態(tài)，減少空區(qū)上覆巖層以及地表的移動，確保了采礦安全的雙重目的。

5 結(jié)論

實踐證明，利用西河兩岸堆存的尾砂處理某礦區(qū)的廢棄空區(qū)，不僅解決了尾砂的堆存問題，消除了塌陷、滑坡、潰壩等地表安全隱患，凈化了地表環(huán)境，又解決了廢棄空區(qū)隱藏的地下安全隱患問題，保證了廢棄空區(qū)周邊采礦生產(chǎn)活動的安全性，提高了礦石的回收率，提高了礦山的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。同時，證明了利用地表堆存尾砂處理采空區(qū)是技術(shù)上可行的，經(jīng)濟(jì)是合理的，應(yīng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

［1］解偉，隋利軍，何哲祥.基于采礦充填的尾礦處置技術(shù)應(yīng)用前景［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34（8）：37－39.

［2］解偉，隋利軍，何哲祥.我國尾礦處置技術(shù)的現(xiàn)狀及設(shè)想［J］.礦業(yè)快報，2008，24（5）：10－12.

［3］楊超.金屬礦山尾礦高濃度管道輸送技術(shù)研究［D］.淄博：山東理工大學(xué)，2011.

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

［5］鄭懷昌，李明.地下采空區(qū)危險性及其分析［J］.礦山壓力與頂板管理，2006，22（4）：127－129.

［6］尹彥波.采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警新技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2008（5）：33－37.

［7］王國燾.金屬礦災(zāi)源空區(qū)信息獲取及危險性分析［D］.長沙：中南大學(xué)，2010.

Application of the stockpile tailings cemented filling technology on abandoned cavity treatment

GUO Li－jie，XU Wen－yuan，SHI Cai－xing
（Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China）

There piled nearly 2.5 million ton of backfilling on both sides of West－River and also some cavity was abandoned in a mine，which caused double safety threat to both surface and underground.In order to deal with the double potential hazard，we used the cemented tailings filling technology to fill the cavity，and the piled tailings were used as the filling aggregates.Not only can this technology purify the surface environment but also the safety of mining operations can be ensured，which will improve both economic and social benefits of mining enterprises.Practice has proved that using stockpiling backfilling to dispose of cavity is technically feasible and economically reasonable thus popularization and application of the technology should be conducted.

stockpile backfilling；potential safety hazard；cavity；cemented tailings filling

郭利杰（1980－），男，博士，高級工程師，主要從事礦山充填工藝與技術(shù)研究工作。E－mail：ljguo264＠126.com。

TD853

A

1004－4051（2014）S2－0194－04

2014－10－13

國家科技支撐計劃項目資助（編號；2012BAC09B02）；國家科技支撐計劃項目資助（編號：2013BAB02B02）；國家國際科技合作專項資助（編號：2014DFR70340）；北京礦冶研究總院科研基金重大項目資助（編號：YJZ－2013－0200）