金属矿露天坑与地下空区尾矿协同充填清洁生产

2020-06-22卢宏建王奕仁李成合李晓东杜英男

金属矿山 2020年5期

卢宏建王奕仁李成合李胜李晓东杜英男

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210；2.河北钢铁集团矿业有限公司石人沟铁矿，河北唐山063701）

全世界每年采出矿产资源（金属、非金属、煤）90 亿t，排弃废石和尾矿300 亿t［1］。截至2018年底，我国现有尾矿库 12 万余座，每年排放尾矿 16 亿 t［2-4］。矿产资源开采后遗留的露天坑和地下空区诱发地质灾害，贮存于尾矿库的尾矿存在溃坝风险和危害区域环境，是金属矿产资源开发利用过程产生的“两害一废”，是矿山绿色开采亟待解决的难题。尾矿充填采矿技术是生产安全、环境友好开采方式的代表，近年来获得了广泛应用和长足发展，但是其不能全部消耗矿山排弃的尾矿［5-6］。对于露天转地下矿山，还需要面临早期露天开采遗留的露天坑治理问题。刘允秋［7］、廉杰等［8］提出了露天坑治理和综合利用方法，但如何利用露天坑与地下空区进行尾矿协同充填，实现矿山尾矿充填清洁生产，达到“一废治两害”的目的，在理论与技术方面需要深入系统地研究。

本研究通过对露天坑与地下空区三维信息获取技术、尾矿充填强度计算方法、露天坑与地下空区尾矿协同充填与排水技术、高效-材料再用-低成本轻型挡墙尾矿封闭技术进行系统分析，形成了一套适用于露天转地下矿山的露天坑与地下空区尾矿协同充填清洁生产技术，研究成果在石人沟铁矿得到应用，建成了原矿200 万t/a 的铁矿床露天转地下开采尾矿充填清洁技术工程示范。

1 露天坑与地下空区尾矿充填强度需求计算方法

针对目前充填体强度设计缺乏统一标准，常采用理论公式法和类比法确定，空区尾矿充填强度存在空间差异等问题，基于流体弗劳德准则，运用发明的不均匀尾矿充填体制作与取样装置进行相似试验，结合现场原位取样力学试验，揭示空区尾矿充填强度空间差异性分布特征，提出考虑尾矿充填强度不均匀特性的强度计算方法，进而确定露天坑与地下空区尾矿充填强度。

1.1 空区尾矿充填强度空间差异性分布特征

在充填作业过程中，由于离析沉积作用，导致尾矿充填到采场内强度存在不均匀性［9-10］。因此厘清采场内充填体强度的空间分布规律，对尾矿充填强度需求设计至关重要。目前主要采用钻孔取样分析尾矿充填强度空间差异性分布特征，存在成本高、扰动大等不足。基于此，发明了不均匀尾矿充填体制作与取样装置与试验方法［11］，揭示了空区尾矿充填强度空间差异性分布特征，即：空区尾矿充填体存在两个分界面和粗骨料、细骨料及灰砂3 个不同区域。通过对相似试验试件和原位取样试件进行试验内压缩试验，得出了相同规律。即沿充填料浆流动方向，尾矿充填体的强度呈减小—增加—减小的“S”型分布，存在强度增强区和损失区。同时利用电子扫描显微镜试验与X 射线衍射仪微观检测方法分析了不同区域充填体的微观结构特征与物相组成，揭示了空区尾矿充填体强度差异原因［12］。为考虑尾矿充填强度不均匀特性的需求计算提供了理论依据。

1.2 露天坑尾矿充填强度设计

本研究将露天坑视为一个大的空区进行尾矿贮存，开采价值低的矿体时，不回收露天转地下隔离矿柱，露天坑回填采用低配比的灰砂（水泥和尾矿）进行充填，不扬尘为灰砂配比依据。开采价值高的矿体时，用高灰砂比充填体进行隔离矿柱置换，同时基于“三带”理论［13］确定上部高灰砂配比充填体区域，结合有限元模型确定强度需求［14］。露天坑采用水平分区和垂直分层进行尾矿充填，分区长度控制在100 m，分层高度为1.5 m（图1）。

1.3 地下空区尾矿充填强度设计

以石人沟铁矿典型两步采的阶段空场嗣后充填法开采为工程背景［15］，基于空区尾矿充填体强度分布规律，提出了空区尾矿充填强度降低系数K1，一般取0.6～1.0。同时考虑尾矿充填体安全储备系数K2，（结合《冶金矿山采矿设计规范》（GB 50830—2013）和《金属非金属矿山安全规程》（GB l6423—2006），取1.6～3.0）［16］。在 Mitchell 强度计算方法的基础上，提出了改进的尾矿充填强度σmc计算模型

式中，γ为充填体容重，Nm3；H为单侧揭露的充填体高度，m；L为单侧揭露的充填体长度，m。

结合石人沟铁矿，通过理论计算和数值模拟分析对比，给出了矿山一步空区尾矿充填强度标准值为2.0 MPa，现场实施效果良好，说明此计算方法对于现场尾矿充填强度设计具有一定的指导价值。

2 露天坑与地下空区尾矿协同充填与排水技术

为了治理金属矿产资源开发利用过程产生的“两害一废”（露天坑、地下空区、尾矿），基于测量学与系统工程理论，提出了露天坑与地下空区体积计算方法与获取技术，发明了露天坑与地下空区尾矿协同充填与排水技术，实现了矿山全部尾矿循环利用，形成了尾矿清洁技术。同时将露天坑汇水有效地截留在地下开采区域上部并进行循环利用，大幅降低了排水费用和深部矿体开采涌水淹井事故的发生概率，为地下矿山安全生产提供了保障。

2.1 露天坑与地下空区体积计算方法与获取技术

通过将露天终了现状数据（Atuo CAD 图）导入3DMine 数据平台，生成实体模型，通过体积计算函数［5］，可提取出露天坑体积数据（图2）。

运用MDL-vs150 三维激光扫描仪提取空区三维点云数据后，导入3DMine 数据平台，生成实体模型，可提取出地下空区体积数据［17］（图3）。

2.2 露天矿坑与地下空区尾矿协同充填与排水技术方案

露天矿坑与地下空区尾矿协同充填与排水技术适用于露天转地下后采用空场嗣后充填法开采的矿山，协同考虑露天矿坑和地下首采中段空区治理与排水工作，将露天坑汇水有效地截留在地下开采区域上部并进行循环利用，大幅度降低了深部矿体开采涌水淹井事故的发生概率，能为地下矿山安全生产提供保障。该技术在石人沟铁矿得到了应用，技术实施方案如图4所示［18］。

矿山地下首采中段开采结束后，采空区未充填时的矿山纵剖面如图4（a）所示，在地下首采中段采空区5i顶部对应的露天坑底部钻凿充填孔12 和滤水管放置孔13（图4（b）），充填孔12 和滤水管放置孔13并根据采空区长度进行布设，孔的直径为150 mm，进行20 mm混凝土护壁处理。

在地下首采中段合适的位置设置充填挡墙24，自露天坑底的滤水管放置孔13 下放滤水管14 到充填挡墙24 的滤水孔位置（图4（g）），滤水管选用波纹滤水管，其管径为100 mm，滤水管外层用麻布包裹，内层用滤布包裹，并用细铁丝捆扎。

对露天转地下过渡期的地下开采的首个中段的采空区5i进行充填处理，如图4（c）所示。

将地下首采中段采空区充填治理的滤水管路14延长作为露天坑堆填治理的排水通道，按照露天坑尾矿充填强度设计要求对露天坑进行分区分层回填，滤水管14 通过接头、弯头18 连接改变长度和空间位置，通过三通19连接增加滤水管数量，如图4（e）所示。

露天坑回填分区长度和宽度不大于100 m，分区中间布置方形泄水井17，采用砖墙砌筑，尺寸为150 mm×150 mm，进行20 mm 混凝土护壁处理，泄水井砌筑高度大于分层堆填高度的200 mm，泄水井17 内连接的滤水管14高度大于分层堆填高度的400 mm。

在地下过渡期的首采中段合理位置布设防水闸门26，形成安全储备水仓。

露天坑汇水经泄水井17，滤水管14，排水沟，过渡期地下开采的水仓101、水泵102排至地表循环利用。

3 高效-材料再用-低成本轻型挡墙尾矿充填封闭技术

针对充填挡墙构筑时间长、成本高的问题，基于再利用矿山支护废旧材料的思路，设计了一种由钢骨架（锚杆和钢管）、木板、钢筋网、土工布、钢支撑等材料组成的轻型充填挡墙。运用流体力学和有限元理论构建了一次充填高度和挡墙构筑位置参数优化三维模型，形成了轻型挡墙的设计—计算—实施的整套工艺技术（图5）。结合石人沟铁矿的围岩体和充填体力学特性进行了计算和实施应用。与矿山前期的砌砖充填挡墙相比，挡墙构筑效率从0.01道（/人·时）提升至0.016道（/人·时），构筑成本从788元/m2降至606元/m（2成本计算未考虑木板和钢管的循环利用次数，钢管可循环使用6～8 次，木板循环使用3～4次）［19-21］。

4 工程示范

研究成果在石人沟铁矿得到应用，建成了原矿200 万t/a 的铁矿床露天转地下开采尾矿充填清洁技术工程示范，形成了采矿—选矿—尾矿资源综合利用绿色清洁生产技术体系（图6）。主要技术指标为：尾矿综合利用率达到100%，嗣后充填成本25 元/t，挡墙构筑效率0.016道（/人·时），构筑成本606 元/m2，矿山-180 m 水平正常排水量28 346 m3/d，最大排水量49 811 m3/d（与崩落法开采比较，矿山汇水面积减小65%）。