吳英杰 賴偉

摘要：針對四川某銅礦采空區(qū)現(xiàn)狀和尾礦地表堆存難題，將尾礦處置和采空區(qū)充填治理相結合。通過改造現(xiàn)有尾礦濃縮系統(tǒng)，建設充填系統(tǒng);將采空區(qū)分區(qū)，在出口構筑防滲擋墻，采空區(qū)內表面采用灌漿帷幕，基底采用抗?jié)B混凝土防滲方式，有效防止充填料漿固結前泌水對水系的破壞，實現(xiàn)了尾礦綠色充填資源化和采空區(qū)空間功能協(xié)同利用，以及礦山地表無尾礦排放運行，同時消除了采空區(qū)安全隱患。

關鍵詞：全尾砂;采空區(qū);充填;協(xié)同治理;尾礦庫;濃縮機;防滲技術

中圖分類號：TD926.4 TD7文章編號：1001-1277（2021）10-0079-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20211018

引 言

中國有1萬多座地下金屬礦山，每年采出20多億t礦石，每年新增采空區(qū)約6億m3，使得采空區(qū)問題日益嚴重[1]。中國金屬非金屬地下礦山采空區(qū)分布范圍廣、總量大、隱蔽性強、規(guī)整性及空間分布規(guī)律性差、空間形態(tài)變化大、頂板冒落塌陷情況難以預測，屬于礦山重大安全隱患，由此誘發(fā)了多起安全事故[2-5]。截至2015年，中國尾礦累計堆存量近146億t，產(chǎn)生量大，但利用量卻有限[6-7]。

四川某銅礦經(jīng)過近60年的開采，形成了大量采空區(qū)，總體積為257.49萬m3。該礦山生產(chǎn)規(guī)模為1 200 t/d，年產(chǎn)尾礦40多萬t，但現(xiàn)有尾礦庫僅能滿足選礦廠1～2 a排尾量。尾礦充填采空區(qū)既可以提高資源利用率，防止地表塌陷，又可減少固體廢物地表排放，是充分利用尾礦資源，實現(xiàn)節(jié)地、節(jié)能、環(huán)保、廢物利用的有效途徑，因此越來越多的地下礦山采用尾砂充填方式治理采空區(qū)。通過尾礦處置方案研究，結合礦山開采現(xiàn)狀和建設條件，將尾礦和采空區(qū)協(xié)同處置，實現(xiàn)尾礦充填資源化和采空區(qū)空間功能利用，消除礦山兩大危險源，建設綠色安全礦山[8]。

1 尾礦處置方案

四川某銅礦采用房柱采礦法開采，根據(jù)礦山現(xiàn)狀和建設條件，尾礦處置有2個技術可行方案：一是新建尾礦庫，將尾礦堆存;二是尾礦采空區(qū)充填，即建設一套全尾砂充填系統(tǒng)，將全部尾礦充填于井下采空區(qū)。

1.1 新建尾礦庫

礦山現(xiàn)有尾礦庫僅能滿足選礦廠1～2 a排尾量，因此采用尾礦堆存模式必須新建尾礦庫，需進行尾礦庫的選址、報批和建設工作。新尾礦庫建成后，運行簡單，工人操作熟練，但結合礦山地域和尾礦庫堆存特點，存在以下問題：①當?shù)貫橹匾氖穹N植區(qū)，土地價值較高，尾礦庫征地面積大，建設費用較高，投資至少5 000萬元;②根據(jù)現(xiàn)有尾礦庫運營費用估算，新尾礦庫每年維護費用約400萬元，運營費用高;③低濃度尾礦漿輸送至尾礦庫后，回水利用率低，能耗較高;④尾礦庫事故頻發(fā)，安全管理要求高[9]。

1.2 尾礦采空區(qū)充填

結合礦山開采現(xiàn)狀，井下現(xiàn)有采空區(qū)257.49萬m3;大體可劃分為10個采空區(qū)群，賦存標高1 330～1 802 m，采空區(qū)高度為2.5～4.5 m，總面積為65萬m2，最大采空區(qū)體積達到70.2萬m3。隨著礦山的不斷生產(chǎn)，礦山年新增采空區(qū)約為14萬m3，年產(chǎn)尾礦40多萬t。按照每立方米采空區(qū)消納1.2 t尾礦估算，采空區(qū)可以滿足礦山約13 a的尾礦處置需求，同時采空區(qū)能夠逐步得到處置。

新增尾礦全部充填至井下采空區(qū)，將有效解決地表新建尾礦庫帶來的投資大、運營成本高及安全性差、環(huán)境污染大等弊端。尾礦采空區(qū)充填技術方案：將全尾砂濃縮脫水，添加膠結料，采用攪拌制備系統(tǒng)制成成品充填料漿，通過管道系統(tǒng)輸送至井下采空區(qū)。新建一套全尾砂充填系統(tǒng)，建設投資約858萬元，年運營費用約1 000萬元。

1.3 方案比選

對比2種方案，新建尾礦庫的建設費用、征地費用較高，審批手續(xù)繁瑣，耗時長，安全風險高;尾礦采空區(qū)充填工藝簡單、施工工期較短，投入運營較快，能夠解決尾礦排放和采空區(qū)處理問題。此外，從運營費用上分析，尾礦庫運營費用較省，但人員數(shù)量遠大于后者。尾礦采空區(qū)充填不僅具有很好的環(huán)境效益和社會效益，而且符合國家環(huán)保、安全等產(chǎn)業(yè)政策要求。綜上所述，選擇尾礦采空區(qū)充填方案。

2 尾礦采空區(qū)充填

2.1 生產(chǎn)能力

尾礦采空區(qū)充填系統(tǒng)充填量計算公式為：

V n=Q kh k（1）

式中：V n為充填量（m3/d）;Q k為尾礦處置量（t/d）;h k為充填體單位尾砂消耗量（t/m3），取1.2 t/m3。

按照尾礦處置量1 200 t/d計算，V n=1 000 m3/d。根據(jù)充填設備、充填料漿管路輸送要求，礦山建設一套生產(chǎn)能力60 m3/h的充填系統(tǒng)。

2.2 工藝參數(shù)

根據(jù)上述計算，礦山新增采空區(qū)充填不能完全消耗產(chǎn)生的尾礦，結合尾礦庫庫容緊張的情況，剩余尾礦全部充填到老采空區(qū)。充填工藝參數(shù)：充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力1 000 m3/d（60 m3/h），充填料漿濃度65 %左右，充填料漿灰砂比1∶20～1∶60，以滿足不同采空區(qū)充填要求。工作制度采用三班8 h制。

2.3 尾砂漿體濃縮

本著充分利用現(xiàn)有建（構）筑物，減少投資和運營成本的原則，尾砂漿體濃縮采用改造后的高效濃縮機。礦山于2006年配置1臺16 m NXZ高效濃縮機。原工藝流程：選礦廠產(chǎn)生的尾砂自流進入濃縮機進料桶，尾砂漿體與絮凝劑混合，尾砂絮團沉降，設計底流濃度為50 %。底流經(jīng)尾礦輸送泵排入井下采空區(qū)。但是，由于設備性能未達標，存在底流濃度較低且不穩(wěn)定、溢流水渾濁等問題，致使設備建成后一直未正常使用，而僅作為水池使用，因此將其改造用于尾砂漿體濃縮。

由于現(xiàn)有濃縮機驅動能力較小，因此更換了主機、橋架和耙架。采用葉片型中心給料桶，具備尾砂漿體自稀釋功能;采用液壓驅動系統(tǒng)，并配置堅固的機械保護控制系統(tǒng);保留濃縮機主要槽體，僅更換濃縮機中心給料桶[10-11]。改造后的高效濃縮機設計處理能力1 600 t/d、底流濃度65 %，具體參數(shù)見表1。

2.4 工藝流程

尾礦采空區(qū)充填系統(tǒng)形象工藝流程見圖1。

2.4.1 全尾砂脫水及給料

選礦廠全尾砂漿經(jīng)管道自流輸送至改造后的濃縮機，經(jīng)自稀釋系統(tǒng)達到最佳絮凝沉降濃度，在中心給料桶與絮凝劑充分混合均勻后形成穩(wěn)定尾砂絮團，底流濃度65 %左右，溢流水含固量≤200×10-6。底流經(jīng)渣漿泵泵送至充填料漿制備站，經(jīng)流量計計量后進入攪拌桶，制備好的充填料漿采用普通無縫鋼管輸送，管道外徑133 mm。當?shù)V漿流量為57 m3/h時，沿程阻力損失為0.32 MPa;配置的渣漿泵揚程50 m，電動機功率55 kW。

2.4.2 膠結材料儲存及給料

水泥等膠結劑通過罐車運輸至堆存站，利用罐車自帶壓強將水泥吹送至水泥倉儲存。堆存作業(yè)時，打開水泥倉底部閘閥，通過219 mm×4 000 mm單管螺旋輸送機輸送至273 mm×1 500 mm稱重螺旋給料機，經(jīng)計量后進入攪拌桶。采空區(qū)充填采取膠結方式，灰砂比1∶20～1∶60，膠結劑消耗量≤10 t/h。按照灰砂比1∶50，日均消耗量30 t，滿足3 d使用計算，設計膠結劑儲倉容積為100 t。

2.4.3 充填料漿制備

攪拌設備選擇2 000 mm×2 100 mm強力雙層葉片型攪拌桶，尾砂漿體與膠結劑經(jīng)各自給料計計量后進入攪拌桶，強力攪拌，充分混合均勻。根據(jù)濃度狀況可添加適量水，以配制符合濃度要求的堆存料漿。制備站緊湊布置，占地面積約84 m2（7 m×12 m）。

2.4.4 充填料漿輸送

為了盡可能減少能源消耗，堆存站站址選擇在標高1 740 m左右的場地，兼顧上下各采空區(qū)的料漿輸送。充填料漿輸送管道長度550～1 140 m，輸送揚程0～45 m（不考慮3號采空區(qū)），2臺揚程60 m渣漿泵，1用1備，流量70 m3/h，電動機功率75 kW。

2.5 采空區(qū)防滲及封閉

2.5.1 采空區(qū)防滲

采空區(qū)內表面采用灌漿帷幕（水泥漿中加入抗?jié)B劑，灌漿完畢后墻體滲透系數(shù)≥1.0×10-7cm/s）方式處理，形成連續(xù)的阻水帷幕;基底采用抗?jié)B混凝土防滲方式，混凝土抗?jié)B等級不小于P6，厚度≥100 mm，防滲性能不低于厚1.5 m、滲透系數(shù)1.0×10-7cm/s黏土層。采空區(qū)內表面灌漿帷幕防滲見圖2，基底防滲見圖3。

2.5.2 排滲系統(tǒng)構筑

排滲系統(tǒng)采取陣列式排水包。第一步，在1根長度1 m、直徑100 mm的鉆孔鋼管上緊密纏繞1層棕樹墊，并用鐵絲纏繞固定。第二步，用直徑70 cm、長度1.2 m的竹籠將包好棕樹墊的鉆孔鋼管套上，然后在竹籠里填滿碎石，最后用土工布將竹籠地面以上部分全部包裹，并用鐵絲固定。第三步，以竹籠為中心，用石塊堆砌一個直徑3 m、高度1 m的空心圓柱體，用碎石填滿圓柱體，形成一個高1.8 m的蒙古包，最后用土工布將碎石全部包裹，并用鐵絲纏繞固定形成排水包。充填料漿滲水從排水包外進入，滲入鉆孔鋼管，再通過管道排至擋墻外，接入礦山排水系統(tǒng)。充填泌水排放系統(tǒng)見圖4。

2.5.3 采空區(qū)擋墻封閉

采空區(qū)采用混凝土擋墻封閉，見圖5。為了使擋墻更加牢固且防止充填料漿的泄漏，首先在擋墻兩側的圍巖中固定幾根錨桿，錨桿頂部采用錨固劑錨固，錨桿露出部分采用鋼筋加固，其作用在于使圍巖與擋墻成為一體，從而加大擋墻的承受力及防止料漿側漏。在完成擋墻的基本骨架之后再進行鋼筋混凝土擋墻的制作。

鋼筋混凝土擋墻采用C20混凝土，水、水泥、砂子、石子質量比為0.47∶1∶1.342∶3.129，砂率30 %，水灰比0.47，粗骨料最大粒徑20 mm;擋墻配筋直徑10 mm，間距150 mm。

在鋼筋混凝土擋墻制作完成后，還需在周邊進行噴漿或水泥卷涂抹，即周邊密封處理，防止周邊跑漿。

2.6 治理效果

充填系統(tǒng)調試完成后，運行正常，充填料漿流量、濃度穩(wěn)定，實現(xiàn)了全尾砂膠結充填。充填料漿能夠自流平，充填體固結后表面沒有泌水，且基本接頂。已完成充填量92萬m3，處置尾砂160.6萬t，處理采空區(qū)59.8萬m3，生產(chǎn)能力及相關指標均達到設計要求。井下采空區(qū)充填情況見圖6。

3 結 論

1）四川某銅礦現(xiàn)有尾礦庫服務年限將至，新建尾礦庫的建設及運營成本高，且存在巨大安全隱患。井下有大量采空區(qū)，易發(fā)生地質災害。結合礦山開采現(xiàn)狀，確定將尾礦與采空區(qū)協(xié)同處置。

2）高效濃縮機經(jīng)改造后，底流濃度由50 %提高到65 %，且誤差能夠長時間穩(wěn)定在±1 %;充填料漿進入采空區(qū)后，大幅降低了泌水量。

3）采空區(qū)經(jīng)防滲處置，最大限度控制了充填泌水對水系的破壞，阻止了充填料漿固結前泌水對環(huán)境的破壞，阻斷了充填體和地下水系的物質交換。礦山滲水取樣檢測均合格。

4）尾礦采空區(qū)充填調試完成后，運行正常，處置尾砂共計160.6萬t，處理采空區(qū)59.8萬m3，實現(xiàn)了尾礦全部充填資源化利用，地表無尾排放;同時消除了采空區(qū)安全隱患，充填區(qū)未發(fā)生地壓活動。

[參 考 文 獻]

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Collaborative treatment of tailings disposal and goaf filling in a copper mine

Wu Yingjie1，Lai Wei2

（1.Sichuan Huili Datong Co.，Ltd.; 2.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.）

Abstract：In light of the goaf status and the challenge of surface tailings stockpiling in a copper mine in Sichuan，the study combined the treatment of tailings disposal and goaf filling.By renovating existing tailings thickening system and constructing filling system，dividing the goafs，constructing anti-seepage retaining wall at the exit，applying grouting curtains inside goafs and seepage resistant concrete for seepage prevention at the base bottom，the bleedings are effectively kept from harming the stream systems before the filling materials solidify，achieving the synergic utilization of tailings recycling as green filling resources and goafs as spatial resources，achieving the operation of mine surfaces without tailings discharge，at the same time eliminating safety risks in goafs.

Keywords：ungraded tailings;goaf;filling;collaborative treatment;tailings pond;thickener;anti-seepage technology