老廠期六寨尾礦回收開采設計淺析

李小武

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

0 引 言

隨著礦產資源越來越緊張，礦產品價格上漲，為尾礦綜合回收利用創造了有利條件。老廠期六寨尾礦庫地處云南省個舊市以南，距個舊市區26 km，距大屯鎮24 km，距昆明338 km。期六寨尾礦庫位于期北山采選廠下方約100 m處的天然巖溶凹地內。該尾礦庫1964年投入使用，1965年凹地堆滿;該尾礦庫設計砂壩堆至2 120 m，使用至2 118．5 m的庫容為504萬 m3。在運行過程中，采用尾礦堆積的方式增高壩體，至2001年停止使用時，堆存尾礦792．13萬m3，超設計庫容堆存尾礦288．13萬m3，屬超高超容尾礦庫。尾礦庫北部已采出一部分尾礦，尾礦量24．66萬m3，目前保有的尾礦量約為767．47萬m3，含錫品位0．155%，全鐵品位18．871%，含錫金屬量14 175 t。期六寨尾礦庫屬于超高超庫容尾礦庫，而且該尾礦庫初期壩內外坡均為1∶0．75，致使該尾礦庫穩定性不足。為消除老廠期六寨尾礦庫的安全隱患，同時循環利用錫礦資源，設計回收開采該尾礦。

1 尾礦堆體地質特征

尾礦庫主要由尾粘土、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，無搖振反應，光滑，干強度中等，韌性中等。該層主要賦存在堆積體中、上部靠庫內一側，呈2-4層與1-1、1-2、1-3層相間產出，剖面上常出現分枝復合現象，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。搖振反應迅速，無光澤，干強度低，韌性低。該層主要賦存于堆積體上、中部近壩頭部位，靠庫內一側局部也有少量分布，呈1-4層產出，向庫內一側常出現分叉現象，單層厚0．40～13．90 m。

第1-2層尾粉質粘土: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。搖振反應中等，無光澤反應，干強度低，韌性低。該層主要賦存在Ⅰ、Ⅱ號壩堆積體中、下部，呈1-2層產出，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。無搖振反應，光滑，干強度中等，韌性強。該層主要賦存于Ⅰ、Ⅱ號壩堆積體中、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。級配差。該層分布于Ⅰ號壩1剖面zk3～zk4～zk5一帶的堆積體下部，單層厚1．00～4．10 m。

尾礦庫底部為第4系坡殘積粘土和中風化白云質灰巖。

2 尾礦庫三維模型

2.1 地表模型

利用尾礦庫堆存現狀地形圖，采用3DMine礦業工程三維數字軟件建立現狀模型，見圖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，見圖2。

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

圖2 尾礦庫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。根據采礦開采臺階高度，設計建立塊體模型的尺寸:初級塊尺寸為8m×8m×6 m;次級塊尺寸為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，上部為現狀地形三維立體模型，塊體的主要屬性有:①體重:每個塊體所代表尾礦庫堆積體的體重。②礦巖:每個塊體所代表的是尾礦堆積體或者是巖石。③Cu:每個塊體所代表的是尾礦堆積體的銅的品位。④TFe:每個塊體所代表的是尾礦堆積體的全鐵的品位。⑤Sn:每個塊體所代表的是尾礦堆積體的錫的品位。⑥Pb:每個塊體所代表的是尾礦堆積體的鉛的品位。

塊體模型詳見圖3。圖3中不同顏色代表Sn的品位高低。為了更好的反應尾礦庫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;尾礦庫堆積體中Sn品位的垂直分布情況見圖4。

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

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

3 開采工藝

期六寨尾礦庫原始地形較平緩，一般為7°～48°。尾礦堆存的厚度 0 ～34．8 m，平均厚度16．9 m。根據尾礦堆存性質等開采技術條件，可選用水采水運和機采機運2種開采工藝。

(1)水采水運方案:開采范圍2 097～2 131．8 m，采深34．8 m，設計推薦露天開采方式開采。采剝工藝采用高壓水槍噴射高壓水流直接沖采尾礦層，采場按6 m高度劃分臺階由上而下回采，礦漿由輸礦溝自流到集漿池，采場礦漿用一級渣漿泵揚至二級泵站漿池，由二級泵站加壓后，1．7 km管道輸送至源興選礦廠的集漿池。水采水運方案優點是采剝工藝簡單，能利用原有部分設施，基建工程量較少，勞動生產率高，生產管理簡單，外界影響因素較小;缺點是年經營費用稍高，可比基建投資略高，基建時間稍長，采場需3班作業，經營成本略高，采礦工人勞動強度較大，不易實現選別回采，礦漿濃度不易控制。

(2)機采機運方案:開采范圍2 097～2 131．8 m，采深34．8 m，設計推薦露天開采方式開采;采用直進-折返式公路開拓，采剝工藝為緩幫開采，挖掘機鏟裝-汽車運輸，采用1 m3的型挖機鏟裝，10 t的自卸汽車運礦;開采順序由上往下分臺階開采，回采工作臺階高度3 m，沿尾礦走向開掘雙壁溝寬度20 m，擴幫后垂直尾礦走向推進;基建范圍分為南、北2個采區的2 127 m臺階，2個采區同時開采。機采機運方案優點是開拓系統和采剝工藝簡單，利用原有設施較多，采場2班作業，采礦工人勞動強度較小，年經營費用較低，可比基建投資略低，基建時間較短，易實現選別回采;缺點是基建工程量較多，勞動生產率較低，生產管理相對復雜，外界影響因素較大。

經過專業的技術經濟比選后，設計開采方案推薦采用機采機運的開采工藝，開采工藝比選見表1。

表1 期六寨尾礦庫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，設計推薦采用單斗挖掘機開采方法，設計采用常規的緩幫開采的回采工藝。開采順序由上往下分臺階開采，回采尾礦工作臺階高度3 m。沿1號初期壩走向開掘單、雙壁溝寬度30 m，擴幫后垂直尾礦走向推進。為了安全開采和排水簡便，開采順序由尾礦堆積壩向庫內自上而下分臺階開采，分層剝采和卸載，逐步推進，有利于回采過程中的排水。這樣初期壩2 103 m臺階標高以上有自流排水條件。初期壩以下預留10 m寬的尾礦暫不開采作為保護壩體的安全距離，當開采至初期壩頂標高以下范圍時，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 挖機鏟裝、汽車運輸安全驗證

為了驗證挖掘機和汽車在尾礦庫的安全鏟裝、運輸，根據尾礦土工試驗成果各鉆孔各取樣土樣中已知的凝聚力C和摩擦角φ，應用庫爾-莫爾強度理論直線型強度曲線的推論計算尾礦單軸抗壓強度Sc，計算公式如下:

式中:Sc—單軸抗壓強度，kPa;

C—巖土凝聚力，kPa;

φ—內摩擦角，(°)。

根據上式計算得出期六寨尾礦單軸抗壓強度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，該型號的挖機接地比壓33．84 kPa，比尾礦的單軸抗壓強度最小值要小，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，比尾礦單軸抗壓強度平均值要低33%，運輸安全性有較大的保障，對于局部尾礦單軸抗壓強度低于汽車接地比壓的區域可采取鋪設高強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輸。同時載重10 t的自卸汽車與1 m3斗容的挖掘機匹配合理，可以充分發揮汽車和挖掘機的綜合效率。

5 露天境界圈定結果

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。尾礦庫原始地形較平緩，一般為7°～48°，較陡處均為山包，現場勘察均為灰巖覆蓋，山體穩定不存在滑坡等地災現象。根據尾礦堆存性質、原始地形和開采工藝確定露天開采終了境界即為尾礦堆積前的原始地形。設計確定露天邊坡參數如下:工作臺階高度3．0 m;工作臺階坡面角45°;最終幫坡角 7°～48°，邊坡較陡處均為灰巖山包，很穩定，不需要再爆破開挖放坡。尾礦回采內部運輸公路限制坡度6%。根據原始地形模型、堆存現狀模型、塊體模型，結合開采工藝，圈定的露天境界結果見表2，露天終了境界見圖5。

表2 露天采場圈定結果表Tab.2 Results of open pit delineation

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

6 結 語

利用尾礦工勘提供的鉆孔數據庫及地形圖，采用先進的3DMine礦業工程三維數字軟件建立尾礦地質模型，評估計算尾礦資源量，為尾礦回采提供基礎模型。采用機采機運的開采方式綜合回收尾礦錫資源，驗證結果表明這種開采方式具有可操作性，同時為企業贏得了一定的經濟、社會效益，解決了尾礦庫的安全隱患。該尾礦庫成功的回采工藝為國內其他類似項目提供了參考價值。

［1］采礦設計手冊編委會．采礦設計手冊(2)礦床開采卷上［S］．北京:中國建筑工業出版社，1987．

［2］中華人民共和國國家標準．GB 50771-2012有色金屬采礦設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2012．

［3］劉漢東．巖土力學［M］．北京:中央廣播電視大學出版社，2003．