堆存尾砂胶结充填处理废弃采空区的应用实践

郭利杰，许文远，史采星

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

堆存尾砂胶结充填处理废弃采空区的应用实践

郭利杰，许文远，史采星

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

为解决堆存在郴州西河两岸近250万t的尾砂以及某矿区废弃的采空区所带来的地表与地下双重安全隐患，以堆存尾砂为充填骨料，使用尾砂胶结充填技术对采空区进行充填。该工艺不仅净化了地表环境，而且能够确保采矿作业的安全性，提高了矿山企业的经济效益与社会效益。实践证明利用地表堆存尾砂处理采空区技术上是可行的，经济上是合理的，应进行推广应用。

堆存尾砂；安全隐患；采空区；尾砂胶结充填

尾矿属于选矿后的产物，目前尾砂的年排放量占工业固体废弃物的40%左右。尾矿除极小部分被利用外，绝大部分存放在地表尾矿库中［1］，甚至直接堆积在地表，其携带的重金属、硫等污染物会直接造成周围环境污染，细粒尾砂在干燥后随风飘扬易造成大气污染，危害人体健康。另外，由于尾矿库设计不合理、监管不到位等因素，可能会引起塌陷、滑坡，造成尾矿库溃坝等灾害。据统计，我国已经形成一定规模的尾矿库约1500座，其中有色和冶金行业占80%［2］。研究表明，在世界上93种重大事故、灾害中，尾矿库事故的危害名列第18位，足见尾矿事故危害之大，因此金属矿山尾矿的排放与处置仍然是矿山亟待解决的问题之一［3］。

我国金属非金属矿山点多面广，集约化程度低，开采技术落后，装备水平、安全保障能力仍然很低。由于种种原因，我国矿产资源地下开采留下了大量的未处理的采空区，特别是一些国有矿山周边的不明采空区，是影响矿山安全生产最主要的危害源之一［4－6］。既严重影响矿山生产和安全，又极大的破坏和浪费了地下宝贵的矿产资源。因采空区诱（引）发的片帮、冒顶、突水、矿震、地面塌陷、山体崩落 泥石流、地表植被破坏等多种形式的灾害不断增多，尤其是重大事故有增大的趋势［7］。

为解决以上两个安全隐患，充填采矿法得到了更好的应用。尾矿充填技术已经比较成熟，利用尾矿充填，既可以解决矿山充填骨料来源，解决或部分解决尾矿的排放问题，净化了地表环境，又可以对地下采空区进行充填，使围岩维持稳定状态，减少了空区上覆岩层以及地表的移动，确保了采矿安全，一举两得，因此充填采矿法成为解决尾矿排放与采空区处理的最佳途径。

1 尾矿堆存量及采空区统计

郴州西河（大壁口至红卫桥）沿岸的尾砂随意堆放在没有经过规范设计和建设的尾砂堆内，这些尾砂仅在库四周用黏土垒成简易的土坝，库贮存量从几万方到几十万方不等，均属低矮山塘型尾砂堆。这些尾砂对环境造成了很大的污染，而且存在着重大的安全隐患。

西河上游沿河两岸待处理的16座尾砂堆存量为222.16万t，尾砂总体积估算约为133.03万m3；大壁口－红卫桥段西河两岸平均淤积尾砂约70m，平均厚度0.5m，确定的西河沿岸尾砂总量为16万m3，尾砂重量为26.72万t；待处理的总尾砂量为248.88万t。故充填所需消纳的尾矿总量为248.88万t，折合149.0万 m3。

根据现场实测统计的苏仙区柿竹园矿和双园冲多金属矿（锡、铅锌矿）的废弃采空区总体积为227.7万m3，详细统计见表1。

表1 废弃空区体积统计

根据以上数据分析，计算年充填料浆量如下所示。

式中：QT为年充填料浆量，万m3/a；QC为待充填空区体积，万 m3/a；K1为尾砂脱水浓缩系数，K1＝1.15；K2为充填材料流失系数，K2＝1.05。

由已知可知，待充空区体积为227.7万m3，经计算可知，年充填料浆量为275万m3/a，可以消纳尾砂量为362万t，完全可以处理完毕西河流域的248.88万t尾砂。

2 充填物料特性试验研究

根据西河治理工程尾矿材料的来源情况，充填材料为西河两岸尾砂及固废堆。充填物料特性试验主要包括尾砂基础物理参数试验、粒级组成分析、沉降试验研究、充填料浆流变试验研究。

2.1 基础物理参数试验

尾砂密度及容重分别采用比重瓶法及堆积法测定，试验根据土工试验规程依据标准T0112－1993测得。尾砂基础物理参数见表2。

表2 尾砂基础物理参数表

2.2 尾砂粒级分析

粒级组成分析用于测定尾砂颗粒组成尺寸及含量，利用激光粒度分析仪，根据激光与颗粒之间相互作用的光散射原理（Fraunhofer衍射理论和Mie光散射理论等），得到激光探测到的颗粒粒径及其分布。粒级组成见图1。

图1 粒级组成曲线

铅锌尾矿d10＝60.888μm，d50＝200.682μm，d60＝236.674μm，d90＝412.351μm，不均匀系数为3.89。由尾矿粒度曲线可知，试验尾矿细颗粒含量较少，属于相对缺失细颗粒的类型，尾矿自然级配属于相对不连续级配。

2.3 沉降试验

为了解尾砂浓缩沉降规律，项目对料浆浓度Cw分别为20%、25%、30%、35%、40%的尾砂浆进行了沉降试验。用澄清液面随时间的改变表示沉降速度，用沉降终了时尾砂浓度作为压缩区的尾砂浓度。终了浓度见表3。

表3 不同浓度尾砂浆的终了浓度

2.4 充填料浆流变特性

通过坍落度试验检测了充填料浆的流变参数，综合分析了充填料浆的流变特性，为充填料浆的高浓度自流输送提供了依据。坍落度试验结果见表4。

表4 坍落度试验结果

由上述结果可以看出，尾砂料浆浓度从72%增加至74%时，砂浆的坍落度逐渐减小；总体上看，在同一浓度下的料浆，随着水泥添加量的增加其坍落度增加；砂灰比为4、6、8和全尾砂的充填料浆的坍落度值分别从27.8cm、27.4cm、26.9cm 和26.0cm降低到27.0cm、26.5cm、26.0cm 和25.7cm，其值变化不大。采矿设计手册通常认为，要实现自流输送坍落度值应大于15～20cm，从实验结果可以看出其坍落度远大于15～20cm。因此，矿山高浓度自流输送充填在采空区充填倍线适宜的情况下，仍具有提高料浆浓度的充填潜力。

3 尾砂浓缩及充填方案

根据西河尾矿堆存现状及铅锌矿采空区现状，以及目前国内充填技术的发展现状，同时考虑到西河治理区遗留尾砂的规模所需的充填规模要求、充填尾砂的供应能力以及消纳尾砂矿山的采矿能力等因素，采用高浓度尾砂胶结充填工艺系统。该充填工艺系统目前技术最为成熟，效率最高。

尾矿充填的矿山废弃采空区分别为柿竹园矿区和双园冲矿区，根据废弃空区容积的统计和现场实际，在柿竹园矿区配置1套充填系统，在双园冲矿区配置2套充填系统。每套系统均可以实现尾砂充填单套能力约100m3/h。

3.1 充填设施选择

充填设施主要包括地面充填制备站、充填钻孔和输送管路等设施。

充填搅拌站主要设备包括尾砂浓缩贮存装置、水泥仓、水泥给料设备、高浓度搅拌槽和料浆输送泵。

根据充填系统要求，尾砂浓缩贮存装置的容积约1000m3，φ8.6m，两用 一备。水 泥仓的 容积约 为180m3，仓顶设置除尘器、雷达料位计。每个水泥仓配置一台双管螺旋输送机及微粉称，对水泥进行精确计量。搅拌桶选用φ2000×2100高浓度搅拌槽进。

料浆输送泵的选取需综合考虑充填要求和尾砂输送要求。柿竹园矿区最大充填倍线约为5.3；双园冲矿区最大充填倍线为7.8，最大输送距离约为1500m。为保证料浆的顺利输送，选择3台活塞式料浆输送泵，每台对应一套尾砂浓缩及料浆制备系统，在难以实现自流输送时，可采用泵送砂浆的方式进行充填。

充填料浆制备完成后通过钻孔充入采空区，共设3条垂直充填钻孔。钻孔内放套管，套管选择耐磨性强的双金属复合钢管。

平巷中的充填管选用普通无缝钢管，采场内敷设的充填管选矿用树脂管，规格要与普通无缝钢管配套。

放砂管与充填管道安装电磁流量计与射线浓度计，放砂管、造浆管等安装电动阀门，通过PLC系统对充填工艺进行自动控制。

3.2 充填料浆输送

西河两岸待处置的尾砂经汽车送至尾砂浓缩贮存装置顶部，当井下需要充填时，尾砂浓缩贮存装置内的尾砂经浓缩沉降后由装置底部管路放入高浓度搅拌槽内，需要胶结时启动微粉秤把水泥送入搅拌槽，按75%重量浓度配比要求添加定量的水搅拌均匀制成合格的充填料浆。在能够自流输送的区段采用自流方式将充填料浆送到充填采场；不具备自流输送条件的，则采用泵送方式输送。充填料浆经充填钻孔及充填管路输送至井下各中段采空区进行充填。

每套充填系统的充填能力为100m3/h，每天工作3班，每班8小时。

3.3 充填泄水、泥砂排放

沿巷道每50～100m的适当位置设置一个沉淀坑，充填泄水、泥砂从充填采空区溢出后，先流入分段巷道内的沉淀坑，沉淀较粗的泥砂，清水及细泥通过泄水钻孔流入中段泄水硐室的沉淀池内，定期使用铲运设备清理，送至采空区。

3.4 坑内充填工区通讯

按照工区组织管理模式，坑内专设充填工区，负责坑内充填作业，包括充填管线的安装维护、采空区充填挡墙的架设等充填工作。坑内充填工区需配备专用通讯电话，以便与地面充填制备站联系。各中段平巷中架设的充填管需要重点维护和管理，若发生异常如接头不严、漏水漏浆或堵管等，要通过坑内充填工区电话立即与地面制备站联系，并及时处理。

4 充填质量评价

4.1 技术指标

充填材料单耗及用量计算见表5。

表5 充填材料单耗及用量计算表

4.2 胶结充填体质量

充填料浆浓度对充填体强度影响很大，浓度越高强度越大，浓度越低，溢流水带出的水泥就越多，充填强度也越低，在同等抗压强度下水泥耗量更大。该充填系统工艺的尾砂胶结充填料浆浓度可达70%～76%，正常连续生产的充填浓度一般为70%～73%。

充填料浆浓度均为75%，胶结充填的灰砂比为1∶12，胶结充填体强度可达0.5MPa左右。达到了解决尾矿的排放问题，净化地表环境，又可以对地下采空区进行充填，使围岩维持稳定状态，减少空区上覆岩层以及地表的移动，确保了采矿安全的双重目的。

5 结论

实践证明，利用西河两岸堆存的尾砂处理某矿区的废弃空区，不仅解决了尾砂的堆存问题，消除了塌陷、滑坡、溃坝等地表安全隐患，净化了地表环境，又解决了废弃空区隐藏的地下安全隐患问题，保证了废弃空区周边采矿生产活动的安全性，提高了矿石的回收率，提高了矿山的经济效益与社会效益。同时，证明了利用地表堆存尾砂处理采空区是技术上可行的，经济是合理的，应进行推广应用。

［1］解伟，隋利军，何哲祥.基于采矿充填的尾矿处置技术应用前景［J］.工业安全与环保，2008，34（8）：37－39.

［2］解伟，隋利军，何哲祥.我国尾矿处置技术的现状及设想［J］.矿业快报，2008，24（5）：10－12.

［3］杨超.金属矿山尾矿高浓度管道输送技术研究［D］.淄博：山东理工大学，2011.

［4］王啟明，徐必根，唐绍辉，等.我国金属非金属矿山采空区现状与治理对策分析［J］.矿业研究与开发，2009（4）：63－68.

［5］郑怀昌，李明.地下采空区危险性及其分析［J］.矿山压力与顶板管理，2006，22（4）：127－129.

［6］尹彦波.采空区稳定性监测预警新技术研究与应用［J］.采矿技术，2008（5）：33－37.

［7］王国焘.金属矿灾源空区信息获取及危险性分析［D］.长沙：中南大学，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，高级工程师，主要从事矿山充填工艺与技术研究工作。E－mail：ljguo264＠126.com。

TD853

A

1004－4051（2014）S2－0194－04

2014－10－13

国家科技支撑计划项目资助（编号；2012BAC09B02）；国家科技支撑计划项目资助（编号：2013BAB02B02）；国家国际科技合作专项资助（编号：2014DFR70340）；北京矿冶研究总院科研基金重大项目资助（编号：YJZ－2013－0200）