特殊條件下的尾礦開采

王光銳

(云南中林地質勘察設計有限公司)

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特殊條件下的尾礦開采

王光銳

(云南中林地質勘察設計有限公司)

摘要隨著礦產資源的日漸枯竭，選礦技術的日益進步，以及國家對礦山排尾的從嚴要求，將尾礦再利用提升到了一個極其重要的位置。尾礦利用的前提是開采，最常規的開采方式是“水采”，但對一些地域環境特殊、尾礦沉積韻律特別、結構構造復雜、不適宜“水采”的礦山，介紹了“單一分層法”、“直接見底法”和“組合分層法”三種尾礦干采方法，從根本上解決了這類礦山尾礦開采的難題。

關鍵詞特殊尾礦沉積韻律干式開采

云南某鐵礦是一個大型殘坡堆積型鐵礦床，始建于20世紀70年代初期，歷經數十年的開采，資源已日漸枯竭，而尾礦庫中已堆積了上千萬噸TFe27%左右的優質尾礦資源。通過選礦技術攻關，采用“重選+高梯度磁選”的選礦工藝，獲得了較好的技術經濟指標，成為該礦增收創效、延長服務年限的一條途徑。然而，由于該尾礦開采技術條件復雜及尾礦在排放過程中沉積韻律的特殊性，無法采用常規的“水采”工藝，只有另辟蹊徑，探索尾礦“干采”的方法。

1開采技術條件

1.1尾礦庫類型及現狀

該礦山尾礦庫三面依山，是一個典型的峽谷型尾礦庫，庫底最低高程2 260 m，終了堆存平面高程2 300 m，堆存厚度0～40 m；終了(長×寬) 1 110 m×330 m。

1.2水文地質條件

尾礦庫堆積物為結構松散、富含水的人工堆積層；尾礦庫位于礦區的低凹地帶，礦山的生產用水、生活廢水，以及大氣降水基本上流入尾礦庫內；該尾礦庫處于喀斯特地區，地下巖溶十分發育。

據此，若采用水采，需防止尾礦庫的泄漏；若采用干采，需要解決好尾礦的疏干及排水。

1.3工程地質條件

該尾礦庫原本是喀斯特地區發育的一個規模較大的天然凹地，所處地層巖性較為單一，庫底表面是0～20 m厚的第四系堆積層，表土層之下是昆陽群大龍口組碳酸鹽巖。

1.4環境地質條件

由于該尾礦庫位于巖溶發育極為強烈的大龍口組灰巖地區，其巖溶特征在地面表現為巖溶裂隙、漏斗、溶槽、溶洞，以及巖溶凹地，在地下則呈楔形、井型、管型垂向發育，與該礦區深部橫向分布的地下河道相通，形成了一套完整的地上和地下巖溶通道,曾多次發生尾礦庫泄漏而污染地下河道及附近村民飲用龍潭水源的事故。

1.5沉積韻律

構成尾礦沉積韻律的要素很多，主要有入選原礦類型、選礦工藝流程、尾礦性質、尾礦排放方式以及尾礦庫類型等。該礦山尾礦沉積韻律的因素具有以下特性：①因入選原礦為殘坡積礦，因此尾礦含泥多；②因選礦工藝流程中沒有磨礦工序，排出的尾礦粒徑粗細不均(0～35 mm)；③為了防止尾礦庫發生泄漏事故，采用周邊放礦的排放工藝；④該礦山選礦工藝流程經歷不斷改進，初期排出的尾礦品位較高，后期排出的尾礦品位逐漸降低。

在礦山生產初期，由于尾礦庫呈鍋底型(上寬下窄)，早先匯集入庫的尾礦在庫底狹小的中間區域積淀，按照尾礦漿體所攜帶礦物顆粒的大小、品位的高低，以及礦物體重的不同，顆粒大、品位高、體重大的礦物先沉降于尾礦庫底部，由此形成了由上往下粒徑漸粗、含鐵品位漸高的現象；隨著礦山生產進程的推移，尾礦堆積厚度逐漸增加，尾礦庫水平面不斷擴大，尾礦在水平面上的搬運距離增加，尾礦漿體中的礦物按照顆粒大小、品位高低、體重大小，隨水流的搬運距離由近至遠依次沉降。

綜上所述，該礦山尾礦的沉積韻律是：由外向內(從尾礦庫周邊到中央)礦物的含鐵品位由高到低，礦物顆粒由粗到細，含泥量逐漸增多；從上往下，礦物含鐵品位由低漸高，礦物顆粒由細漸粗。見圖1。

圖1　某鐵礦尾礦沉積韻律

1.6尾礦結構構造

該礦山尾礦主要由黏土，粉狀、碎塊狀褐鐵礦和赤鐵礦及巖石碎屑組成，呈自然狀態沉淀，固化時間短，壓實作用弱。含泥少的尾礦結構松散、粘結性差；含泥多的尾礦粘結性較強，失水后易板結成塊。

2尾礦開采的特殊性及開采方法

2.1尾礦開采的特殊性

根據對該尾礦開采技術條件的分析，尾礦具有以下特殊性：①組成尾礦的礦物顆粒粗細不勻，具有特殊的沉積韻律；②尾礦庫位于喀斯特地區，巖溶發育十分強烈；③尾礦庫呈“鍋底型”，且底板地形起伏較大，地形條件復雜；④該礦山地處2 300 m以上的高寒山區，冬季常易出現凍結現象；⑤該礦山水資源匱乏，生產用水管線長達13.5 km，四級泵站接力揚送，取水成本較高。

2.2水采

尾礦水采分為水槍—砂泵和挖泥船2種開采方式，對于常規尾礦，水采開采能力強、生產成本低，目前被國內外礦山廣泛采用。

水槍—砂泵開采的前提是造漿，由于該尾礦特殊的沉積韻律，粒級粗細不勻，含泥少、顆粒粗的尾礦在水槍沖采過程中沉降速度過快，無法形成礦漿；含泥多的尾礦膠結性較強，脫水后易板結成塊，水槍沖采十分困難。

挖泥船開采要求尾礦庫保持一定水位，尾礦庫底部要相對平坦開闊。根據以上分析該尾礦不適宜此法開采。

2.3干采

從該礦山的實情出發，總結了單一分層法、直接見底法和組合分層法3種尾礦干采的方法。

2.3.1單一分層法

在尾礦庫水平面鋪設主運輸干線及運輸支線，采用反鏟式挖掘機沿運輸支線后退式，由上往下、逐層開采。見圖2。

圖2　單一分層法采礦工藝

(1)適用條件。所有尾礦庫均可采用此方法回采，尤其適用于堆積厚度大于10 m或尾礦庫底板起伏較大、地形復雜的尾礦開采。

(2)開采工藝及步驟：①在尾礦庫中鋪設主運輸干線；②在垂直于主運輸干線兩側布置回采運輸支線；③采用反鏟式挖掘機—自卸式汽車，沿回采支線后退式回采。

(3) 采場構成要素。①主運輸干線及回采運輸支線寬度視選用的采掘運輸設備而定，一般為4～5 m，采用鋼筋混凝土預制塊鋪設；②采掘帶寬度與回采運輸支線相等，為挖掘機挖掘半徑的2倍；③一次回采深度視選用的挖掘設備而定，斗容為1 m3的挖掘機一次回采深度為5 m左右。

(4)主要優缺點。優點：適用性強，采出礦石無貧化，安全可靠；缺點：運輸干線及回采支線鋪設工作量大，開采成本高，回采效率低，尾礦疏干及工作面排水困難。

2.3.2直接見底法

沿尾礦庫周邊修筑永久性運輸公路,直達尾礦庫底板，然后水平推進回采尾礦, 形似凹陷露天開采。見圖3。

圖3　直接見底法開采工藝

(1)適用條件。尾礦庫中尾礦堆積厚度小于10 m，尾礦庫底板地形相對平緩。

(2)開采工藝及步驟。①采用反鏟式挖掘機從尾礦庫存的一幫開掘，直達尾礦庫底板的主運輸干線；②采用正鏟式挖掘機沿尾礦庫底板水平推進，形成水平段溝；③在水平段溝的兩側采用正鏟式挖掘機，沿尾礦庫原始地形等高線水平推進回采。在開采過程中，可用廢石對尾礦庫底板進行鋪墊和找平，以改善采掘及運輸作業條件。

(3)采場構成要素。①臺階高度不大于10 m；②臺階坡面角為45°；③采掘帶寬度正鏟式挖掘機挖掘半徑的2倍；④運輸干線寬度為6～8 m時，最大縱坡比不大于8%。

(4)工作面排水。①沿尾礦庫周邊開挖截流溝，防止礦山工業、生活廢水，以及雨季地表徑流進入尾礦庫內；②在采區低凹處設置降水井，將工作面溢流及尾礦滲透水引入其內，采用臥式泵向外抽排。

(5)主要優缺點。優點：開采效率高，成本低，易于實施。缺點：適用范圍有一定局限，因尾礦庫底板凸凹不平，加之庫底松軟時需要用廢碴鋪墊找平，因此采出尾礦有貧化現象。

2.3.3組合分層法

開采時先掘進出入車溝，形成開采臺階，然后鋪設回采進路，采用正鏟式挖掘機前進式開采。當上分層礦石采完后，再采用反鏟式挖掘機沿回采進路后退式開采，回采下分層礦石。見圖4。

圖4　組合分層法開采工藝

(1)適用條件。尾礦庫中堆積厚度大于15 m的尾礦；尾礦庫底板地形起伏較大，不適宜采用第二種方法開采。

(2)開采工藝及步驟。采用反鏟式挖掘機，從尾礦庫一幫開掘通往下一水平的出入車溝作為主運輸干線；②采用正鏟式挖掘機水平推進，形成水平段溝；③在水平段溝的兩側布置采掘帶，采用鋼筋混凝土預制塊鋪設采掘運輸支線，且隨采掘工作面同步延伸；④采用正鏟式挖掘機，沿采掘運輸支線前進式開采上分層礦石；⑤上分層礦石回采結束后，采用反鏟式挖掘機沿采掘運輸支線后退式開采下分層礦石；⑥該水平礦石回采結束，延伸出入車溝至下一水平，進行下一水平的開采。

(3)采場構成要素與第二種方法相同。

(4)工作面排水與第二種方法相同。

(5)主要優缺點。優點：適用性較第二種方法強，開采成本較第一種方法低；缺點：工藝較繁瑣，采掘運輸支線鋪設困難。

2.3.4尾礦干采體系

三種干采方法各有優劣，在實際開采過程是相互聯系的，三者之間取長補短、相輔相成，構成了一套完整的尾礦“干采”體系。見圖5。

圖5　尾礦干采工藝體系

3結論

隨著國家循環經濟發展步伐的加快，尾礦開發利用的規模不斷擴大，對尾礦開采工藝及生產能力提出了更高的要求。尾礦干采作為一種非常規的開采方式，通過多年的探索，所采用的“單一分層法”、“直接見底法”、“組合分層法”已經形成了一套完整的尾礦干采工藝，并成功地應用于礦山生產實踐，為不宜水采的尾礦開采提供借鑒和參考。

(收稿日期2015-10-22)

王光銳(1965—)，男，工程師，653100 云南省玉溪市紅塔區匯溪路。