曾霄祥　劉　濤　徐嘉辰

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；

3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

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采坑改建尾礦庫技術(shù)路線與實施方案*

曾霄祥1,2,3劉濤1,2,3徐嘉辰1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；

3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

摘要我國現(xiàn)階段新建尾礦庫面臨諸多困難，利用礦山廢棄采坑改建尾礦庫可有效解決尾礦堆存問題。以某礦山為例，系統(tǒng)論述了采坑改建尾礦庫的技術(shù)路線與方案，分別從采場周邊環(huán)境單元、采場邊坡單元、工程實施單元、防洪系統(tǒng)單元、安全管理及其他單元等方面進行了安全論證，供類似采坑改建尾礦庫工程參考。

關(guān)鍵詞采坑尾礦庫技術(shù)路線方案安全論證

我國礦山資源品位大多偏低，選礦過程中會形成大量的排尾需求[1-3]。隨著經(jīng)濟發(fā)展和安全環(huán)保要求的不斷提升，新建尾礦庫面臨征地困難、成本激增、后期管理維護要求高等問題?，F(xiàn)階段眾多礦山擁有廢棄采坑等附屬資源，為此，本研究以某礦山為例，開展露天采坑改建尾礦庫的技術(shù)路線與方案研究，為類似礦山提供參考。

1研究區(qū)概況

1.1地形、地貌及周邊環(huán)境

某礦區(qū)采坑地處江南丘陵地帶，地形起伏不大，采坑?xùn)|北側(cè)地勢相對較高，分布有大黃山等丘陵低山(地表標(biāo)高在+40 m以上)，其余方向地勢相對平坦(地表標(biāo)高+21～+38 m)。采坑周邊環(huán)境植被覆蓋良好，水土保持狀態(tài)良好。采坑上部尺寸約780 m×570 m，下部400 m×120 m。封閉圈+25 m以上臺階高度為15 m，共有4個臺階；+25～-107 m 臺階高度為12 m，共有11個臺階,臺階坡面角60°，總體邊坡角30°～40°。在安全影響范圍內(nèi)，采坑北側(cè)分布礦石轉(zhuǎn)運場(標(biāo)高約+30 m)和主礦山自用鐵路線(標(biāo)高約+46 m)，東側(cè)分布村落(標(biāo)高約+28 m，直線距離約220 m)和縣道(標(biāo)高約+28 m，直線距離約140 m)，南側(cè)分布村落(標(biāo)高約+27 m，直線距離約120 m)和村村通道路，西側(cè)分布礦山選礦車間(標(biāo)高約+38 m，位于采坑西幫)和礦山自用道路(標(biāo)高約+25 m，直線距離約290 m)。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)及《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50191—2012)，采坑所在區(qū)域的抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計基本地震加速度為0.05 g，設(shè)計地震分組為第1組，設(shè)計特征周期為0.35 s。

1.2地質(zhì)條件1.2.1區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)構(gòu)造是處于近NWW向的構(gòu)造壓應(yīng)力條件下形成的，該構(gòu)造壓應(yīng)力是著名的郯城—廬江深斷裂的東側(cè)巖塊向北運動所派生的。

(1)凝灰?guī)r。賦存于-4 m標(biāo)高以上，巖石呈灰白—灰紫色、晶屑、巖屑凝灰結(jié)構(gòu)，多已高嶺土化、絹云母化、風(fēng)化程度為劇風(fēng)化—強風(fēng)化，呈碎塊狀-松散狀。

(2)安山巖。賦存于-20 m以上，巖石呈灰綠色—灰黃色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，近地表高嶺土化強，為強風(fēng)化，深部綠泥石化較強，風(fēng)化程度軟弱，呈短柱狀-碎塊狀。

(3)閃長玢巖。為分布廣泛的次火山巖體，巖石呈灰—灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主要成分為斜長石，并伴有普遍的陽起石化、綠泥化及鈉長石化、巖石堅硬，裂隙發(fā)育，呈短柱狀。

1.2.2地質(zhì)環(huán)境

(1)研究區(qū)現(xiàn)狀采坑主要結(jié)構(gòu)面為F1、F2斷裂。F1斷裂是最大的結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀330°～340°/67°～74°)，該結(jié)構(gòu)面走向與邊坡一致，傾向與邊坡相反，因此對邊坡整體穩(wěn)定性不會造成影響。F2斷裂在東幫-30 m以上邊坡臺階上構(gòu)造痕跡不明顯，加之尾砂的充填，F(xiàn)2斷裂也不會對邊坡整體穩(wěn)定性造成影響。

(2)采坑-45 m以上的巖體邊坡總體穩(wěn)定，未來邊坡不會出現(xiàn)較大的整體滑移，但采坑巖體主要為散體-碎裂結(jié)構(gòu)，加之影響邊坡局部穩(wěn)定性的不利因素較多，發(fā)生局部、小規(guī)模崩塌滑坡的頻率較高。

(3)采坑周邊環(huán)境較簡單，但在Ⅲ區(qū)(南幫)和Ⅳ區(qū)(西幫)有多處違規(guī)堆存的尾砂，局部亂排生活、建筑垃圾，違規(guī)堆存的尾砂有較多的雨水沖溝，該類現(xiàn)象易引發(fā)次生災(zāi)害和環(huán)境問題。

2技術(shù)路線及論證方法

2.1危險、有害因素辯識與分析

根據(jù)采坑周圍環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境及實施現(xiàn)狀，辨識和分析危險、有害因素，確定危險、有害因素存在部位、存在方式及事故發(fā)生的途徑。該采坑改建尾礦庫存在的主要危險、有害因素有：①采場周邊環(huán)境單元存在的危險、有害因素；②采場邊坡單元存在的危險、有害因素；③工程實施單元存在的危險、有害因素；④防洪系統(tǒng)單元存在的危險、有害因素；⑤安全管理及其他單元存在的危險、有害因素。

2.2技術(shù)路線

本研究技術(shù)路線見圖1。

圖1　技術(shù)路線

2.3安全論證2.3.1采場周邊環(huán)境單元

采坑周邊未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，相關(guān)資料表明區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件有利于工程的實施。采坑周邊環(huán)境較簡單，臨近區(qū)域僅有礦用自有設(shè)施且安全距離較充分，村落、道路等與采場距離均較遠，工程實施對其安全影響較小。工程的實施可能因尾水浸泡誘發(fā)零散崩塌，但誘發(fā)大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害的可能性較小，在技術(shù)人員進行臨坡作業(yè)后，采坑整體環(huán)境有利于工程的安全實施，工程實施后的場地安全性有較大提升?？傮w而言，采坑周邊環(huán)境對工程安全實施有利，妥善解決工程后期出現(xiàn)的排洪、排尾、排土問題后，工程實施對采坑周邊環(huán)境的安全影響較小。

2.3.2采場邊坡單元

采場邊坡穩(wěn)定性計算的目的在于依據(jù)地質(zhì)勘察資料定量分析采場邊坡的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上論證工程現(xiàn)階段及后期實施過程中采場邊坡的安全性[4-5]。根據(jù)計算結(jié)果分析可能存在的危險、有害因素并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施。該采場典型邊坡的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)見表1，相關(guān)計算結(jié)果如表2、圖2所示。

表1　采場邊坡穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

由表2、圖2可知：不利工況條件下的采場邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，個別部位處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，工程的邊坡總體是安全的。論證邊坡穩(wěn)定性分析時假定忽略尾砂的壓蓋作用，且?guī)r體邊坡浸潤線按高位

表2　邊坡典型剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖2　典型剖面邊坡穩(wěn)定性分析

考慮，計算結(jié)果偏于安全。工程實施初期及后期，邊坡的整體穩(wěn)定性滿足安全要求，僅局部高陡邊坡可能發(fā)生小范圍塌方及滑坡，在采取避讓、監(jiān)測、預(yù)警等安全措施后，可確保工程的安全實施。

2.3.3工程實施單元

工程的實施處于初期、中期，周邊環(huán)境總體良好，控制相對簡單，除西側(cè)尾礦充填通道邊坡?lián)鯄Υ嬖诎踩[患外，工程實施初期安全狀態(tài)良好。工程實施中后期，排洪、排尾、排土方案參數(shù)需進一步細(xì)化完善。工程后期作業(yè)應(yīng)重點防范的事故類型包括滑坡、坍塌、物體打擊、淹溺及其他傷害，需及時采取事故安全防范措施。

2.3.4防洪系統(tǒng)單元

工程實施處于初期、中期，坑內(nèi)調(diào)洪庫容巨大，無防洪安全問題，本研究提出的地表治理方案和排水方案符合采坑周邊地勢條件，工程防洪安全問題主要集中于后期，并且與排尾、排土、回水問題交織，工程實施后的地表排水構(gòu)筑物應(yīng)著重考慮抗不均勻沉降和引入構(gòu)筑物的可靠度問題。

2.3.5安全管理及其他單元

工程實施初期、中期，控制和安全管理要求相對簡單，采取必要的安全檢查和交接班記錄措施，設(shè)置了在線監(jiān)測設(shè)施，可滿足初期、中期的安全管理要求。該工程實施的控制難點在于后期，為確保工程的安全實施，建議制定相關(guān)的安全管理規(guī)章制度。

3實施方案

3.1排尾、回水方案

(1)坑邊放礦。根據(jù)地形地貌條件，采坑坑邊區(qū)域地勢平緩且無重要設(shè)施，尾礦輸送管線在坑邊可實現(xiàn)環(huán)繞布置。目前尾礦輸送接入點位于采坑西北側(cè)和東北側(cè)，尚未實現(xiàn)環(huán)繞布置、均勻放礦。工程實施后期，為確保尾礦沉積灘面均勻上升，需確保尾礦排放管線沿坑邊環(huán)繞布置、均勻分散放礦。在治理工程實施過程中，尾礦充填前期坑內(nèi)澄清水相對較深、澄清條件相對較好，后期隨著坑內(nèi)尾礦灘面上升，澄清條件逐漸變差。尾礦灘面沉積時間越長，穩(wěn)定性越佳，影響水質(zhì)程度越輕。鑒于采坑西側(cè)對水質(zhì)要求相對較高，故本研究首先實施采坑西側(cè)沿線進行均勻分散放礦，一次性放礦至灘頂標(biāo)高+16.0 m；然后實施采坑北側(cè)沿線均勻分散放礦，一次性放礦至灘頂標(biāo)高+16.0 m；最后實施采坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)沿線均勻分散放礦。

(2)水下放礦。水下放礦在坑邊放礦結(jié)束后實施，須在+16.0 m標(biāo)高以下及距采場西北側(cè)的回水泵站200 m以外進行。采坑南北走向距離較長，為提升庫容利用率，本研究將水下分區(qū)放礦分為采坑中北部區(qū)塊及采坑中南部區(qū)塊。利用動力浮船架設(shè)軟管不斷延伸進行水下放礦，提升該區(qū)域庫容的利用系數(shù)，最終水下放礦灘頂以+16.0 m為界。水下放礦期間，放礦浮船及放礦管可在區(qū)塊循環(huán)作業(yè)。除后期需對灘面高程進行控制外，其余主要對回水水質(zhì)進行監(jiān)測，水質(zhì)滿足要求后可靈活調(diào)整，必要時需人為干預(yù)。

(3)回水方案。目前，在采坑西北側(cè)已建有選礦廠回水泵站，回水泵站的回水能力滿足選礦廠要求，工程實施后期仍使用該處泵站進行回水和調(diào)節(jié)坑內(nèi)水位。治理工程實施過程中，在滿足尾水澄清的條件下盡可能降低坑內(nèi)水位，治理工程實施末期可能存在尾水澄清距離不足的問題，可采用設(shè)置土工布圍擋等措施提升尾水澄清效果。

3.2排洪方案

防洪安全是關(guān)系到采坑地質(zhì)環(huán)境治理工程安全實施的重要因素，工程實施初期、中期，坑內(nèi)調(diào)洪庫容巨大，無防洪安全問題，該階段無需設(shè)置專用排洪設(shè)施，為確?？觾?nèi)回水設(shè)備正常運行，在澄清條件下避免續(xù)存過多尾水即可。治理工程實施所面臨的防洪安全問題主要集中于后期，并與排尾、排土、回水問題交織，需重點關(guān)注。目前對于該類工程尚無專用防洪標(biāo)準(zhǔn)，可供參考的防洪標(biāo)準(zhǔn)主要有《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)及《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)。本研究防洪標(biāo)準(zhǔn)為：①治理工程實施期間，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)洪水重現(xiàn)期為100 a；治理工程實施初期、中期，在保證回水水質(zhì)的前提下，盡可能降低采坑積水水量；治理工程實施后期地表回填接近完成，在洪水重現(xiàn)期為100 a的條件下，實現(xiàn)來水即排，縮短積水時間確保治理工程施工的安全和便利。②治理工程實施完畢后，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)洪水重現(xiàn)期為20 a，采坑回填至與周邊地表齊平，該階段已無調(diào)洪庫容，需實現(xiàn)來水即排，滿足復(fù)墾后的地表雨季排水需要。本研究洪水計算和調(diào)洪驗算結(jié)果見表3。

表3　洪水計算和調(diào)洪驗算結(jié)果

本研究后期排洪方案主要內(nèi)容：①工程實施末期坑內(nèi)水位尚未達到坑邊溢流條件，采用現(xiàn)有的坑內(nèi)回水泵站進行排水，減少采坑積水量；②工程實施末期坑內(nèi)水位達到坑邊溢流條件，采用坑邊溢流溝排放采坑積水，地表工程實施完畢后，設(shè)置地表排水溝；③根據(jù)地形條件，為減小采坑區(qū)排洪壓力，在鐵道線北側(cè)山體坡腳設(shè)置截排水溝，減少周邊匯流。

4結(jié)語

以某礦區(qū)為例，開展了礦山廢棄采坑改建尾礦庫方案的研究，并進行了安全論證。工程的實施與采坑周邊環(huán)境的相互影響較小，對于類似礦區(qū)尾礦庫建設(shè)有一定的參考價值。

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Technical Route and Execution Solution of the Transformation of Mining Pit to Tailings Pond

Zeng Xiaoxiang1,2,3Liu Tao1,2,3Xu Jiachen1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.)

AbstractAt present,many difficulties are existed in during the process of the talings pond construction,the tailings storage problem can be solved effectively by the transformation of the mine abandoned mining pit to tailings pond.Taking a mine as the research example,the technical route and solution selection of the transformation of minging pit to tailings pond are analyzed systematically.The safety demonstration is conducted from the aspects of the stope surrounding environment unit,stope slope unit,engineering implementation unit,flood control system unit,safety management unite and other units.The above research results in this paper can provide reference for the similar transformation engineering of mining pit to tailings pond.

KeywordsMining pit, Tailings pond, Technical route, Solution, Safety demonstration

(收稿日期2015-12-22)

*國家自然科學(xué)基金項目(編號：51539006)。

曾霄祥(1983—)，男，高級工程師，碩士，243000安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。