大型矿山无尾协同平衡模型研究与应用

陈五九 刘福春 熊有为 王玉富 崔丽娜

(1.安徽马钢张庄矿业有限责任公司，安徽 六安 237484；2.长沙有色冶金设计研究院有限公司，长沙 410000；3.深井矿山安全高效开采技术湖南省工程研究中心，长沙 410000)

矿产资源开采在给人类社会提供基本物质保障的同时，也给矿山安全和生态环境造成很大的危害[1-2]。近年来，我国尾矿年排放量高达15亿t，但尾砂综合利用率极低[3]。大量的尾砂地表堆存不仅容易形成泥石流安全隐患，还对生态环境造成极大的污染和破坏[4-5]。当前国家对环境保护的关注前所未有，习近平总书记提出“绿色青山就是金山银山”的科学指导思想，绿色矿山建设正式提上日程。国家和地方也相继出台颁布了绿色矿山建设规范，对尾砂综合利用和处置提出了明确要求。以广东省为代表的多省市近年来已大力整治矿山固废污染问题，并提出尾矿库全面退出计划。《中华人民共和国环境保护税法》(2018年)更是明确对尾矿固体排放征收15元/t的环保税。

采用尾砂充填采空区能够最大限度降低地表尾砂堆存造成的环境污染，同时对采空区充填处理后有效控制岩石移动与变形，防治地表沉降塌陷，是地下矿山安全高效开采的必要技术措施。然而，对于大多数矿山而言，一方面，大型矿山开采形成的地下采空区具有顶板暴露面积大、揭露时间长、爆破振动失稳风险高、两步骤回采效率低等特点，如果不能及时、足量地对采空区进行充填，可能导致安全事故，或严重制约矿山产能。另一方面，随着开采低品位矿石逐渐增多，选矿尾砂产率不断提高，尾砂用于充填后的富余产量也越来越大，多余尾砂的处置和出路问题再次成为困扰矿山企业的现实问题。由此产生采空区尾砂充填处理时空关系不协调和富余尾砂固废地表堆存难避免的双重矛盾，即采充不平衡和物料产消不平衡。

国内付厚利、王维、苑占永等[6-8]针对不同矿山的具体特点进行了采充平衡的理论研究和应用，但构建的理论模型对其他矿山适用性有限。对于大型矿山无尾绿色开发，需综合考虑矿山开采规模、选厂尾砂产率、不同采矿工艺对充填体浓度和灰砂比的差异化要求、充填体物理性质、富余尾砂处置途径等诸多因素。本文从影响采充平衡和物料平衡的多因素着手分析，围绕尾砂采空区协同充填、尾砂固废处置零存留等关键问题，构建基于采充平衡和物料平衡的无尾协同平衡模型，依托张庄铁矿进行无尾矿库生产实例分析，进而提出实现采充平衡和物料平衡的关键措施，为类似开采条件矿山绿色开发提供参考。

1 基于采充平衡和物料平衡的无尾协同平衡模型

采充平衡的实质是井下采矿形成的采空区能够被足量的尾砂料浆及时充填满，保障邻近采场的高效回采和地表安全。物料产消平衡的核心是选厂产出的全部尾砂能得到充分的处理与利用，无尾矿山的目标是实现地表尾砂零堆存。

然而，以上采充平衡和物料平衡的实现，受尾砂产率、矿石密度、充填体密度、充填体含水率、充填体含砂率、采空区充满率、充填以外富余尾砂综合利用等众多因素的影响。因此，需要构建一种多元协同平衡模型，为矿山企业根据实际情况高效组织生产提供理论依据。

综合考虑以下因素：

1)矿山矿石开采规模A，t/a；

2)选厂处理的低品位岩石量(采掘废石)B，t/a；

3)选厂尾砂除充填以外综合利用量C，t/a；

4)矿石密度γ，t/m3；

5)充填体平均密度α，m3；

6)充填料浆平均灰砂比，1∶n；

7)充填体平均含水率δ，%；

8)尾砂产率E，%；

9)井下采空区充满率K，一般取值0.9～1.0；

10)平均每立方充填体中尾砂含量W，t/m3。

在满足采充平衡和物料平衡的原则上，矿山开采产生的全部尾砂，应等于采空区充填尾砂量与充填之外综合利用量之总和。因此，有以下关系：

(1)

上式中，平均每立方充填体中尾砂含量W可由以下关系求出：

(2)

以上各关系式进行关联，可推导以下关系：

(3)

转换为求充填之外尾砂富余量，则为：

(4)

以上式(4)为基于采充平衡和物料平衡的无尾协同平衡模型，可推导出针对不同矿山采矿和充填工艺特征的尾砂富余量计算方法，为矿山企业考虑富余尾砂处理途径提供依据，保证矿山安全高效绿色开发。

此外，若矿山开采的低品位含矿岩石不参与选矿流程，则式(4)可变形为：

(5)

2 大型矿山无尾协同平衡模型应用

2.1 基于无尾协同平衡模型的理论计算

安徽张庄铁矿为低品位大型磁铁矿床，采矿规模450万t/a，选厂生产规模500万t/a(450万t/a矿石及50万t/a废石)。矿区地表主要为村庄和农田，需采用充填法开采。由于地处平原，尾矿库选址难度大，建设投资高，且尾矿库安全生产和环境保护存在较大风险隐患。为了实现矿山绿色安全高效开发，张庄铁矿创新采用无尾矿库生产模式。

张庄铁矿为厚大型磁铁矿床，矿岩稳固性较好，采用两步骤阶段空场嗣后充填法进行开采，阶段高度90 m，矿房宽度15 m。为控制顶板围岩及侧边充填体稳定性，一步骤采场长度不超过140 m，二步骤采场长度不超过100 m。采空区不同部位充填体强度具有差异化特征，不同区域充填料浆灰砂比及所占比例见表1。矿山生产其他技术指标见表2。

表1 采空区不同部位充填料浆灰砂比及其比例Table 1 Filling slurry mortar-sand ratio and ratio in different parts of the goaf

表2 矿山生产主要技术指标Table 2 Main technical indicators of mine production

根据无尾协同平衡模型，可计算充填之外尾砂富余量：

=135.41万t/a

经核算，按选矿规模500万t/a(矿石450万t/a、废石50万t/a)，张庄铁矿尾砂总产量为326万t/a，其中选厂尾砂190.59万t/a(占全部尾砂的58.5%)用于采空区充填，充填之外富余尾砂量135.41万t/a(占全部尾砂的41.5%)。据此，矿山企业应采取措施，对富余尾砂135.41万t/a进行高效利用，实现地表尾砂零堆存。

2.2 无尾协同平衡生产关键保障措施

1)尾砂多级分离梯级利用减量化策略

为了尽量减少尾砂产量，降低充填外富余尾砂处理压力，张庄铁矿基于无尾协同平衡模型，创新了尾砂多级分离梯级利用减量化策略，策略流程图见图1。矿岩混提运输至选厂矿仓，先通过破碎进行两段磁选干抛，分别产生+30 mm的块尾矿和+3.15 mm的粗尾矿两种产品，大大降低了选矿尾砂产率。两段干抛后的碎矿在选厂球磨前再进行湿式预选，通过水力旋流器和直线振动筛分离出+0.3 mm的中尾砂。湿式预选后筛下尾砂进入Φ50 m高效浓密机进行沉降浓缩[9]，底流大部分泵送至充填站制备料浆充填井下采空区，剩余尾砂通过捞砂脱水处理，即采用旋流器和脱水筛分离为粗颗粒和细颗粒尾砂后加工利用。以上通过干抛、湿抛和分离脱水得到的块尾矿、粗尾矿、中尾砂、粗颗粒尾砂和细颗粒尾砂全部进行资源化利用，主要作为建筑材料加工销售。

图1 尾砂多级分离梯级利用策略流程图Fig.1 Flow chart of tailings multi-stage separation step utilization strategy

生产实践表明，采用尾砂多级分离梯级利用减量化策略，张庄大型铁矿选厂产生的大量尾砂全部得以处置与利用，实现了地表零堆存，为无尾矿库安全生产提供了关键保障。

2)全尾砂高浓度大流量连续充填技术

为了对井下大规模采空区及时进行处理，同时提高尾砂处置利用率，保证安全生产，张庄铁矿创新应用了超细全尾砂高浓度大流量连续充填技术[10-12]。选厂产出的超细全尾砂先泵送至充填站的尾砂缓冲桶，消能减速后进入一台Φ20 m深锥浓密机，经与环绕入料井多点布置添加的絮凝剂充分结合后，有序沉降脱水。浓密机底流由底流泵输送至搅拌桶，根据全尾砂浓密底流浓度和流量，胶凝材料经螺旋给料系统按灰砂比精准输出，充分搅拌均匀后经钻孔自流输送至井下采空区。为了保障大型采空区及时充填，满足采充平衡，充填系统24 h连续制备与输送，生产能力为180～220 m3/h。充填工艺流程见图2所示。

图2 张庄矿超细全尾砂大流量充填系统工艺流程图Fig.2 Process flow chart of large flow filling system of Zhangzhuang mine

3)尾砂固废再生骨料制备及高值利用技术

为了最大程度实现尾砂固废减量化、资源化、无害化，张庄铁矿对铁尾砂进行改性无害化处理，然后将其作为公路路基和路面基层材料(如图3)，实现了铁尾砂在公路工程领域资源化循环利用。同时，为了进一步拓宽尾砂资源化利用途径，张庄铁矿研发了基于铁尾砂的加气混凝土建材应用技术(如图4)，建成了年产60万m3尾砂加气混凝土板材(砌块)及2.4亿块尾砂灰砂砖项目。尾砂固废再生骨料制备及高值利用技术一方面解决了张庄铁矿充填富余尾砂的处置问题，降低了固废堆存造成的安全和环保风险，一方面通过固废资源化高值利用，提高了矿山经济效益，实现了变废为宝，变害为利的科学发展。

图3 铁尾砂基路面Fig.3 Iron tailings pavement

图4 铁尾砂基加气混凝土砖Fig.4 Iron tailings-based aerated concrete brick

4)大矿房高强度开采下采充动态精准协同管理

张庄铁矿开采强度高，矿房结构参数大，回采周期长，导致采空区顶板和侧面充填体暴露面积大，揭露时间长，采动影响下易发生失稳破坏，影响井下生产和地表安全。张庄铁矿通过盘区内矿房回采顺序优化，基于矿房回采工序间相互制约关系，对采切、穿孔爆破、出矿、充填等生产环节进行动态精准协同管理。在对采空区及时高效充填的同时，维持井下20～30万m3空区体积始终处于滚动待充状态，并将该待充空间分配于两个以上不同采空区，确保充填作业可持续，可缓冲，可灵活调配。

3 结论

1)综合考虑矿山开采规模、选厂尾砂产率、不同采矿工艺对充填体浓度和灰砂比的差异化要求、充填体物理性质、富余尾砂处置途径等诸多因素，构建了基于采充平衡和物料平衡的无尾协同平衡模型如下：

2)无尾矿库生产是绿色矿山的重要体现，矿山企业可以研究制定与其适应的尾砂多级分离梯级利用减量化策略，根据矿岩特性、采选工艺流程和产品市场需求，充分论证尾砂固废资源化利用的可行性。

3)对于采用大型结构参数采场回采的矿山，高浓度大流量连续充填工艺是实现其安全高效采矿的关键保障，深锥浓密机是连续高效充填的核心装备。

4)随着工艺技术的不断发展，尾砂资源化利用的途径也不断拓宽。将预抛分离的尾砂固废作为资源产品高值利用是实现尾砂减量化的关键措施，超细尾砂的资源化利用是当前需要解决的瓶颈技术难题。

5)采充平衡动态协同组织是无尾矿山安全高效生产最为关键的保障，在对采空区稳定性有效控制的前提下，应始终维持井下一定体积和数量的采空区处于待充状态，保证充填作业可持续，可缓冲，可灵活调配。