某露天坑尾矿胶结体充填方案研究

2023-11-26班振兴

现代矿业 2023年10期

班振兴

（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

尾矿胶结体是以尾砂为骨料、水泥等为胶结剂，与水混合后发生一系列物理化学反应而生成的具有一定强度的胶结体。李诗雨［1］、徐喜［2］、卢宏建［3］等对尾矿胶结体的研究表明，胶结剂的种类、尾矿浆的浓度、胶结料浆的灰砂比等因素直接影响尾矿胶结体的强度。

郄永波［4］、张长锁［5］、唐琦［6］、黄希辉［7］等提出，露天坑的巨大废弃空间本身是一种资源，利用大宗固废回填技术进行生态修复，既能消除矿山的地质灾害隐患，又能消纳大宗固废，具有极大的社会效益和经济效益。

研究通过室内试验确定尾矿胶结体的物理参数，并选取某露天坑的典型剖面，通过数值计算预测充填不同配比的尾矿胶结体对边坡稳定性的影响，并进行成本分析，从而得出安全效益和经济效益最大化的回填方案，并指导露天坑的回填。

1 尾矿胶结体力学参数研究

拟用于某露天坑充填的尾砂为3 个生产期的尾砂，分别命名为T1、T2、T3，对应的密度、堆积密度、孔隙率见表1，主要化学成分分析结果见表2，粒度筛析结果见表3，料浆浓度为56%、养护龄期为28 d 的不同灰砂比尾矿胶结体的物理参数见表4。

由表1 可知，尾砂平均密度为2.89 g/cm3、平均堆积密度为1.43 g/cm3、平均孔隙率为50.60%。

由表2可知，尾砂中SiO2、Fe、S、CaO含量较高，分别为28.73%、18.40%、12.06%、10.48%；其次为MgO和Al2O3，含量分别为4.95%和4.08%。尾砂中较高含量的硫对充填体强度有不利影响。

由表3 可知，尾砂的d10=1.074 μm、d50=21.27 μm、d60=37.55 μm、d90=112.5 μm，+75 μm 产率为21.42%，粗颗粒含量较少，属于细—极细粒尾砂，颗粒不均匀系数为34.96，颗粒级配不均匀。

由表4可知，随着灰砂比降低，尾矿胶结体黏聚力显著下降，密度、摩擦角不同程度降低，渗透系数提高。灰砂比为1∶4 时，尾矿胶结体密度为1.56 g/cm3，黏聚力为77 kPa，摩擦角为31.1°，渗透系数为1.32×10-5cm/s；灰砂比为1∶8 时，尾矿胶结体密度微降至1.53 g/cm3，黏聚力大幅度降至43 kPa，摩擦角降低为30.2°，渗透系数提高为1.55×10-5cm/s；灰砂比为1∶12时，尾矿胶结体密度再微降至1.52 g/cm3，黏聚力大幅度降至23 kPa，摩擦角降低为29.6°，渗透系数提高为1.98×10-5cm/s。

2 尾矿胶结体充填对边坡稳定性的影响

选定典型的分析剖面是边坡稳定性研究的重要前提，直接关系着边坡稳定性研究的可靠性和成果质量。本研究的露天坑共分4个边坡分区，每个分区一个代表性剖面。本研究选取安全系数较低的A—A′剖面、B—B′剖面。研究不同灰砂比、不同充填高度下边坡的稳定性变化规律，从而确定尾矿胶结体充填方案。边坡单台阶高度为12 m，受滑坡等原因影响，局部边坡发生并段，本研究充填方案以24 m 为1层。边坡岩石主要为微风化、中风化凝灰岩及微风化、中风化高岭土化辉长闪长岩。

2.1 研究选用岩石力学参数

本研究选用岩石力学参数见表5。

2.2 A—A′剖面研究

A—A′剖面概化剖面图见图1。

2.2.1 没有尾矿胶结体回填工况下的边坡安全系数分析

在没有尾矿胶结体回填的工况下，考虑地下水渗流，边坡安全系数见图2。

由图2 可见，边坡安全系数为0.921，处于欠稳定状态；边坡外侧滑动面为安全系数较低的滑动面，在没有尾矿胶结体回填的工况下，边坡发生整体滑动可能性较大，安全隐患较大。因此，必须尽快对边坡进行尾矿胶结体回填加固。

2.2.2 不同灰砂比的尾矿胶结体回填工况下的边坡的安全性

2.2.2.1 第一层

图3～图5 为A—A′剖面第1 层不同灰砂比的尾矿胶结体回填后边坡的安全系数变化情况。

由图3～图5 可知，当采用灰砂比1∶4 的尾矿胶结体充填第1 层时，边坡安全系数为1.065；当采用灰砂比1∶8 的尾矿胶结体充填第1 层时，边坡安全系数为1.061；当采用灰砂比1∶12 的尾矿胶结体充填第1层时，边坡安全系数为1.056。由此可见，在尾矿胶结回填第1 层时，尾矿胶结体灰砂比越高，对边坡加固效果越好。由于第1 层尾矿胶结体回填对露天坑坑底有加固效果，且将作为露天坑尾砂回填的基础，因此第1 层采用1∶4 的尾矿胶结体进行充填，充填后边坡安全系数为1.065。

2.2.2.2 第二层

图6～图8 为A—A′剖面第2 层不同灰砂比的尾矿胶结体回填后边坡的安全系数变化情况。

由图6～图8可知，在第1层采用灰砂比1∶4的尾矿胶结体充填后，第2 层采用灰砂比1∶4、1∶8、1∶12的尾矿胶结体充填，边坡安全系数均为1.159。随着充填高度的提高，边坡安全系数显著提高，但第2 层尾矿胶结体的配比对边坡安全系数没有影响，因此，考虑经济效益，可以选用较低灰砂比的尾矿胶结体。但为了保护基底尾矿胶结体，同时起过渡作用，第2层采用灰砂比1∶8的尾矿胶结体充填，后续采用灰砂比为1∶12的尾矿胶结体充填。

2.3 B—B′剖面研究

B—B′剖面概化剖面图见图9。

2.3.1 没有尾矿胶结体回填工况下的边坡安全系数分析

在没有尾矿胶结体回填的工况下，考虑地下水渗流，边坡安全系数为见图10。

由图10 可见，边坡安全系数为1.102，处于稳定状态，但安全储备不高；边坡外侧滑面为安全系数较低的滑动面，在没有尾矿胶结体回填的工况下，边坡可能发生整体滑动，具有一定的安全隐患。因此，必须对边坡进行尾矿胶结体回填加固。

2.3.2 不同灰砂比的尾矿胶结体回填工况下的边坡的安全性

2.3.2.1 第一层

图11～图13 为B—B′剖面第1 层不同灰砂比的尾矿胶结体回填后边坡的安全系数变化情况。

由图11～图13 可知，当采用灰砂比1∶4 的尾矿胶结体充填第1 层时，边坡安全系数为1.233；当采用灰砂比1∶8 的尾矿胶结体充填第1 层时，边坡安全系数为1.233；当采用灰砂比1∶12 的尾矿胶结体充填第1 层时，边坡安全系数为1.229。由此可见，在尾矿胶结回填第1层时，尾矿胶结体灰砂比变化对边坡加固效果影响较小。由于第1 层尾矿胶结体回填对露天坑坑底有加固效果，且将作为露天坑尾砂回填的基础，因此第1 层采用灰砂比1∶4 的尾矿胶结体进行充填，充填后边坡安全系数为1.233。

2.3.2.2 第二层

图14～图16 为B—B′剖面第2 层不同灰砂比的尾矿胶结体回填后边坡的安全系数变化情况。

由图14～图16 可知，第2 层尾矿胶结体的灰砂比对边坡安全系数影响不大，考虑经济效益因素，可以适当降低尾矿胶结体的灰砂比。为了保护基底尾矿胶结体，同时起过渡作用，第2 层采用灰砂比1∶8的尾矿胶结体充填，充填后边坡安全系数为1.389，后续则可采用灰砂比1∶12的尾矿胶结体充填。

3 尾矿胶结体充填经济成本分析

以24 m 为1 层，露天坑总共可分为7 层。每层尾矿胶结体与成本相关指标见表6。

由表6 可知，第2 层采用灰砂比1∶8 的尾矿胶结体充填，比灰砂比1∶4 的尾矿胶结体充填可节约129万元固化剂成本；第3 层采用灰砂比1∶12 的尾矿胶结体充填，比灰砂比1∶4 的尾矿胶结体充填可节约189 万元固化剂成本，比灰砂比1∶8 的尾矿胶结体充填可节约49万元固化剂成本。通过降低尾矿胶结体灰砂比可显著节约成本，因此，充填方案在经济上是可行的。结合上文对边坡稳定性分析结论，建议第1层采用灰砂比1∶4 的尾矿胶结体充填，第2 层采用灰砂比1∶8的尾矿胶结体充填，其他层则均采用灰砂比1∶12的尾矿胶结体充填。

4 结论

（1）拟用于某露天坑充填的尾砂平均密度为2.89 g/cm3、平均堆积密度为1.43 g/cm3、平均孔隙率为50.60%；SiO2、Fe、S、CaO 含量较高，其次为MgO 和Al2O3，硫是影响充填体强度的因素；尾砂d10=1.074 μm、d50=21.27 μm、d90=112.5 μm，属细—极细粒尾砂，颗粒不均匀系数为34.96，颗粒级配不均匀；随着灰砂比降低，尾矿胶结体黏聚力显著下降，密度、摩擦角不同程度降低，渗透系数提高。

（2）尾砂胶结体充填露天坑，可以显著提高边坡的安全系数。A—A′剖面在露天坑回填之前边坡安全系数为0.921，采用灰砂比1∶4的尾矿胶结体充填第1层后，边坡安全系数为1.065；采用灰砂比1∶8 的尾矿胶结体充填第2 层后，边坡安全系数为1.159。B—B'剖面在露天坑回填之前的边坡安全系数为1.102，采用灰砂比1∶4 的尾矿胶结体充填第1 层后，边坡安全系数为1.233；采用灰砂比1∶8的尾矿胶结体充填第2层后，边坡安全系数为1.389。