金屬礦露天坑與地下空區(qū)尾礦協(xié)同充填清潔生產(chǎn)

盧宏建 王奕仁 李成合 李 勝 李曉東 杜英男

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210；2.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦，河北唐山063701）

全世界每年采出礦產(chǎn)資源（金屬、非金屬、煤）90 億t，排棄廢石和尾礦300 億t［1］。截至2018年底，我國現(xiàn)有尾礦庫 12 萬余座，每年排放尾礦 16 億 t［2-4］。礦產(chǎn)資源開采后遺留的露天坑和地下空區(qū)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，貯存于尾礦庫的尾礦存在潰壩風(fēng)險和危害區(qū)域環(huán)境，是金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程產(chǎn)生的“兩害一廢”，是礦山綠色開采亟待解決的難題。尾礦充填采礦技術(shù)是生產(chǎn)安全、環(huán)境友好開采方式的代表，近年來獲得了廣泛應(yīng)用和長足發(fā)展，但是其不能全部消耗礦山排棄的尾礦［5-6］。對于露天轉(zhuǎn)地下礦山，還需要面臨早期露天開采遺留的露天坑治理問題。劉允秋［7］、廉杰等［8］提出了露天坑治理和綜合利用方法，但如何利用露天坑與地下空區(qū)進行尾礦協(xié)同充填，實現(xiàn)礦山尾礦充填清潔生產(chǎn)，達(dá)到“一廢治兩害”的目的，在理論與技術(shù)方面需要深入系統(tǒng)地研究。

本研究通過對露天坑與地下空區(qū)三維信息獲取技術(shù)、尾礦充填強度計算方法、露天坑與地下空區(qū)尾礦協(xié)同充填與排水技術(shù)、高效-材料再用-低成本輕型擋墻尾礦封閉技術(shù)進行系統(tǒng)分析，形成了一套適用于露天轉(zhuǎn)地下礦山的露天坑與地下空區(qū)尾礦協(xié)同充填清潔生產(chǎn)技術(shù)，研究成果在石人溝鐵礦得到應(yīng)用，建成了原礦200 萬t/a 的鐵礦床露天轉(zhuǎn)地下開采尾礦充填清潔技術(shù)工程示范。

1 露天坑與地下空區(qū)尾礦充填強度需求計算方法

針對目前充填體強度設(shè)計缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，常采用理論公式法和類比法確定，空區(qū)尾礦充填強度存在空間差異等問題，基于流體弗勞德準(zhǔn)則，運用發(fā)明的不均勻尾礦充填體制作與取樣裝置進行相似試驗，結(jié)合現(xiàn)場原位取樣力學(xué)試驗，揭示空區(qū)尾礦充填強度空間差異性分布特征，提出考慮尾礦充填強度不均勻特性的強度計算方法，進而確定露天坑與地下空區(qū)尾礦充填強度。

1.1 空區(qū)尾礦充填強度空間差異性分布特征

在充填作業(yè)過程中，由于離析沉積作用，導(dǎo)致尾礦充填到采場內(nèi)強度存在不均勻性［9-10］。因此厘清采場內(nèi)充填體強度的空間分布規(guī)律，對尾礦充填強度需求設(shè)計至關(guān)重要。目前主要采用鉆孔取樣分析尾礦充填強度空間差異性分布特征，存在成本高、擾動大等不足?；诖?，發(fā)明了不均勻尾礦充填體制作與取樣裝置與試驗方法［11］，揭示了空區(qū)尾礦充填強度空間差異性分布特征，即：空區(qū)尾礦充填體存在兩個分界面和粗骨料、細(xì)骨料及灰砂3 個不同區(qū)域。通過對相似試驗試件和原位取樣試件進行試驗內(nèi)壓縮試驗，得出了相同規(guī)律。即沿充填料漿流動方向，尾礦充填體的強度呈減小—增加—減小的“S”型分布，存在強度增強區(qū)和損失區(qū)。同時利用電子掃描顯微鏡試驗與X 射線衍射儀微觀檢測方法分析了不同區(qū)域充填體的微觀結(jié)構(gòu)特征與物相組成，揭示了空區(qū)尾礦充填體強度差異原因［12］。為考慮尾礦充填強度不均勻特性的需求計算提供了理論依據(jù)。

1.2 露天坑尾礦充填強度設(shè)計

本研究將露天坑視為一個大的空區(qū)進行尾礦貯存，開采價值低的礦體時，不回收露天轉(zhuǎn)地下隔離礦柱，露天坑回填采用低配比的灰砂（水泥和尾礦）進行充填，不揚塵為灰砂配比依據(jù)。開采價值高的礦體時，用高灰砂比充填體進行隔離礦柱置換，同時基于“三帶”理論［13］確定上部高灰砂配比充填體區(qū)域，結(jié)合有限元模型確定強度需求［14］。露天坑采用水平分區(qū)和垂直分層進行尾礦充填，分區(qū)長度控制在100 m，分層高度為1.5 m（圖1）。

1.3 地下空區(qū)尾礦充填強度設(shè)計

以石人溝鐵礦典型兩步采的階段空場嗣后充填法開采為工程背景［15］，基于空區(qū)尾礦充填體強度分布規(guī)律，提出了空區(qū)尾礦充填強度降低系數(shù)K1，一般取0.6～1.0。同時考慮尾礦充填體安全儲備系數(shù)K2，（結(jié)合《冶金礦山采礦設(shè)計規(guī)范》（GB 50830—2013）和《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB l6423—2006），取1.6～3.0）［16］。在 Mitchell 強度計算方法的基礎(chǔ)上，提出了改進的尾礦充填強度σmc計算模型

式中，γ為充填體容重，Nm3；H為單側(cè)揭露的充填體高度，m；L為單側(cè)揭露的充填體長度，m。

結(jié)合石人溝鐵礦，通過理論計算和數(shù)值模擬分析對比，給出了礦山一步空區(qū)尾礦充填強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.0 MPa，現(xiàn)場實施效果良好，說明此計算方法對于現(xiàn)場尾礦充填強度設(shè)計具有一定的指導(dǎo)價值。

2 露天坑與地下空區(qū)尾礦協(xié)同充填與排水技術(shù)

為了治理金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程產(chǎn)生的“兩害一廢”（露天坑、地下空區(qū)、尾礦），基于測量學(xué)與系統(tǒng)工程理論，提出了露天坑與地下空區(qū)體積計算方法與獲取技術(shù)，發(fā)明了露天坑與地下空區(qū)尾礦協(xié)同充填與排水技術(shù)，實現(xiàn)了礦山全部尾礦循環(huán)利用，形成了尾礦清潔技術(shù)。同時將露天坑匯水有效地截留在地下開采區(qū)域上部并進行循環(huán)利用，大幅降低了排水費用和深部礦體開采涌水淹井事故的發(fā)生概率，為地下礦山安全生產(chǎn)提供了保障。

2.1 露天坑與地下空區(qū)體積計算方法與獲取技術(shù)

通過將露天終了現(xiàn)狀數(shù)據(jù)（Atuo CAD 圖）導(dǎo)入3DMine 數(shù)據(jù)平臺，生成實體模型，通過體積計算函數(shù)［5］，可提取出露天坑體積數(shù)據(jù)（圖2）。

運用MDL-vs150 三維激光掃描儀提取空區(qū)三維點云數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入3DMine 數(shù)據(jù)平臺，生成實體模型，可提取出地下空區(qū)體積數(shù)據(jù)［17］（圖3）。

2.2 露天礦坑與地下空區(qū)尾礦協(xié)同充填與排水技術(shù)方案

露天礦坑與地下空區(qū)尾礦協(xié)同充填與排水技術(shù)適用于露天轉(zhuǎn)地下后采用空場嗣后充填法開采的礦山，協(xié)同考慮露天礦坑和地下首采中段空區(qū)治理與排水工作，將露天坑匯水有效地截留在地下開采區(qū)域上部并進行循環(huán)利用，大幅度降低了深部礦體開采涌水淹井事故的發(fā)生概率，能為地下礦山安全生產(chǎn)提供保障。該技術(shù)在石人溝鐵礦得到了應(yīng)用，技術(shù)實施方案如圖4所示［18］。

礦山地下首采中段開采結(jié)束后，采空區(qū)未充填時的礦山縱剖面如圖4（a）所示，在地下首采中段采空區(qū)5i頂部對應(yīng)的露天坑底部鉆鑿充填孔12 和濾水管放置孔13（圖4（b）），充填孔12 和濾水管放置孔13并根據(jù)采空區(qū)長度進行布設(shè)，孔的直徑為150 mm，進行20 mm混凝土護壁處理。

在地下首采中段合適的位置設(shè)置充填擋墻24，自露天坑底的濾水管放置孔13 下放濾水管14 到充填擋墻24 的濾水孔位置（圖4（g）），濾水管選用波紋濾水管，其管徑為100 mm，濾水管外層用麻布包裹，內(nèi)層用濾布包裹，并用細(xì)鐵絲捆扎。

對露天轉(zhuǎn)地下過渡期的地下開采的首個中段的采空區(qū)5i進行充填處理，如圖4（c）所示。

將地下首采中段采空區(qū)充填治理的濾水管路14延長作為露天坑堆填治理的排水通道，按照露天坑尾礦充填強度設(shè)計要求對露天坑進行分區(qū)分層回填，濾水管14 通過接頭、彎頭18 連接改變長度和空間位置，通過三通19連接增加濾水管數(shù)量，如圖4（e） 所示。

露天坑回填分區(qū)長度和寬度不大于100 m，分區(qū)中間布置方形泄水井17，采用磚墻砌筑，尺寸為150 mm×150 mm，進行20 mm 混凝土護壁處理，泄水井砌筑高度大于分層堆填高度的200 mm，泄水井17 內(nèi)連接的濾水管14高度大于分層堆填高度的400 mm。

在地下過渡期的首采中段合理位置布設(shè)防水閘門26，形成安全儲備水倉。

露天坑匯水經(jīng)泄水井17，濾水管14，排水溝，過渡期地下開采的水倉101、水泵102排至地表循環(huán)利用。

3 高效-材料再用-低成本輕型擋墻尾礦充填封閉技術(shù)

針對充填擋墻構(gòu)筑時間長、成本高的問題，基于再利用礦山支護廢舊材料的思路，設(shè)計了一種由鋼骨架（錨桿和鋼管）、木板、鋼筋網(wǎng)、土工布、鋼支撐等材料組成的輕型充填擋墻。運用流體力學(xué)和有限元理論構(gòu)建了一次充填高度和擋墻構(gòu)筑位置參數(shù)優(yōu)化三維模型，形成了輕型擋墻的設(shè)計—計算—實施的整套工藝技術(shù)（圖5）。結(jié)合石人溝鐵礦的圍巖體和充填體力學(xué)特性進行了計算和實施應(yīng)用。與礦山前期的砌磚充填擋墻相比，擋墻構(gòu)筑效率從0.01道（/人·時）提升至0.016道（/人·時），構(gòu)筑成本從788元/m2降至606元/m（2成本計算未考慮木板和鋼管的循環(huán)利用次數(shù)，鋼管可循環(huán)使用6～8 次，木板循環(huán)使用3～4次）［19-21］。

4 工程示范

研究成果在石人溝鐵礦得到應(yīng)用，建成了原礦200 萬t/a 的鐵礦床露天轉(zhuǎn)地下開采尾礦充填清潔技術(shù)工程示范，形成了采礦—選礦—尾礦資源綜合利用綠色清潔生產(chǎn)技術(shù)體系（圖6）。主要技術(shù)指標(biāo)為：尾礦綜合利用率達(dá)到100%，嗣后充填成本25 元/t，擋墻構(gòu)筑效率0.016道（/人·時），構(gòu)筑成本606 元/m2，礦山-180 m 水平正常排水量28 346 m3/d，最大排水量49 811 m3/d（與崩落法開采比較，礦山匯水面積減小65%）。

5 結(jié) 論

（1）發(fā)明了不均勻尾礦充填體制作與取樣裝置，揭示了空區(qū)尾礦充填強度空間差異性分布特征，提出了考慮尾礦充填強度不均勻特性的強度計算方法，確定了露天礦坑與地下空區(qū)尾礦充填強度。

（2）提出了露天礦坑與地下空區(qū)體積數(shù)據(jù)信息獲取與計算方法，發(fā)明了露天礦坑與地下空區(qū)尾礦協(xié)同充填與排水技術(shù)，實現(xiàn)了礦山全部尾礦循環(huán)利用。

（3）提出了一種輕型充填擋墻結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一次充填高度和擋墻構(gòu)筑位置參數(shù)優(yōu)化三維模型，形成了輕型擋墻尾礦充填封閉設(shè)計—計算—實施的集成工藝技術(shù)，提高了擋墻構(gòu)筑效率，降低了擋墻構(gòu)筑成本。

（4）研究成果在崩落法開采的露天轉(zhuǎn)地下礦山和地下礦山推廣應(yīng)用具有一定的局限性，后續(xù)將針對采用崩落法開采礦山的尾礦協(xié)同充填清潔技術(shù)進行研究。