尾礦庫回采過程中關(guān)鍵工藝技術(shù)及安全要點(diǎn)

劉曉峰，袁永強(qiáng)

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

0 背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017 年底，我國現(xiàn)有非煤礦山數(shù)量44 998 座[1]，這些礦山在采礦和加工過程中產(chǎn)生了大量的尾礦。 為貯存這些尾礦，配套有7 793 座尾礦庫，目前尾礦的堆積總量已超過2.0×107kt。 尾礦作為目前產(chǎn)出量最大、堆存量最多的固體廢棄物，所帶來的環(huán)境問題和安全隱患，嚴(yán)重制約了礦業(yè)經(jīng)濟(jì)和礦業(yè)城市的可持續(xù)發(fā)展?；夭?、綜合利用現(xiàn)有的大量尾礦庫，既可“變廢為寶”，又可有效緩解資源和環(huán)境壓力，并最終減輕或消除尾礦庫的安全隱患[5]。 然而，隨著尾礦庫回采越來越多，若在回采過程中未足夠重視回采關(guān)鍵技術(shù)及安全設(shè)施等環(huán)節(jié)， 事故的發(fā)生將難以避免。因此，本文擬對(duì)回采過程中關(guān)鍵工藝技術(shù)及安全設(shè)施要點(diǎn)進(jìn)行分析， 以期為回采過程中不斷形成的尾砂動(dòng)態(tài)臨時(shí)邊坡穩(wěn)定安全及回采作業(yè)人員的人身安全提供保障。

1 尾砂特性

尾砂是選礦廠在特定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，將礦石磨細(xì)，選取有用成分后排放的廢棄物。 各礦山尾砂粒徑均有差別，國內(nèi)部分礦山項(xiàng)目尾礦粒徑占比情況見表1。

表1 礦山尾礦項(xiàng)目粒徑占比情況

根據(jù)尾砂粒徑粗細(xì)及占比情況，尾礦類別分為尾礫砂、尾粗砂、尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂及尾粉土等[6]。鎢礦山尾礦相對(duì)較粗，大部分尾砂粒徑滿足建筑砂石粒徑+0.15 mm 的要求，可作為建筑砂石料考慮；其它礦山尾礦，由于尾砂粒徑及成分原因，主要作為蒸壓加氣混凝土砌塊、 混凝土摻合料及建材用硅質(zhì)原料等[7-8]。

目前，隨著選礦工藝的愈加成熟，回收項(xiàng)越來越多，回收率也越來越高，致使尾礦粒徑越磨越細(xì)。尾砂的類別也逐步由砂性尾礦轉(zhuǎn)變?yōu)榉坌晕驳V，甚至黏性尾礦。尾礦的內(nèi)摩擦角減小，孔隙率增大，導(dǎo)致回采過程中尾礦邊坡自穩(wěn)性減弱，易形成滑坡、坍塌，而造成安全生產(chǎn)事故。 不同尾礦平均物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 不同尾礦平均物理力學(xué)性質(zhì)

2 回采工藝及技術(shù)要點(diǎn)

尾砂作為一種人工次生資源， 其回采與原生礦產(chǎn)資源回采不同。一般尾砂采用露天回采方式，由于堆積尾砂的承載力低且不均勻， 因此選擇回采方法時(shí)，要考慮尾砂的承載力，尤其要考慮回采過程中的邊坡安全穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)尾礦庫回采相關(guān)技術(shù)規(guī)范尚在制定當(dāng)中。

2.1 尾砂回采方式比較

尾砂回采主要有水采和干采兩種方式。其中，較為成熟的水采有采砂船回采和水力沖砂回采，一般還需配套壓濾設(shè)施； 干采一般使用挖掘機(jī)加運(yùn)輸系統(tǒng)回采。

一般而言，采砂船回采，安全性相對(duì)較好，對(duì)尾礦庫壩體及排洪系統(tǒng)損害較小，但是前期投入較大，需隨時(shí)對(duì)庫內(nèi)回水進(jìn)行補(bǔ)充， 管理及回采運(yùn)行成本較高。 水力沖砂回采，工藝相對(duì)簡單，但對(duì)作業(yè)人員的要求相對(duì)較高。為了回采尾砂，需要在尾礦庫尾部形成一個(gè)人工沼澤區(qū)， 在雨季或雨量較大時(shí)危險(xiǎn)性較大。 挖掘機(jī)加運(yùn)輸系統(tǒng)回采，工藝較簡單，勞動(dòng)強(qiáng)度低，易于安全生產(chǎn)管理。 其中，汽車運(yùn)輸相對(duì)運(yùn)用較為廣泛，主要在于其機(jī)動(dòng)靈活，移動(dòng)方便。

考慮到目前回采的尾礦庫大多已停用或閉庫多年，表面板結(jié)，具有一定的承載力，干采簡單靈活，不需考慮壓濾脫水的優(yōu)勢更為明顯， 故尾砂干采方式相對(duì)普遍。

2.2 回采技術(shù)要點(diǎn)

結(jié)合回采項(xiàng)目實(shí)際工程，本文總結(jié)并提出了尾砂干采過程中應(yīng)該注意的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及安全設(shè)施要點(diǎn)，具體如下：

1）回采分區(qū)的技術(shù)要求。 為避免尾礦庫大面積無序開采，且為確?；夭蛇^程中尾礦壩的穩(wěn)定安全，需對(duì)尾礦庫進(jìn)行分區(qū)回采。 尾礦庫宜分3 個(gè)開采區(qū)（如庫面較短則可分2 個(gè)開采區(qū)）：靠尾礦庫庫尾為Ⅰ號(hào)開采區(qū)，為排洪系統(tǒng)所在區(qū)，需提前降低進(jìn)水口高程，確保回采過程中的排洪安全。 相對(duì)而言，該區(qū)尾礦粒度最細(xì)、含水率最大、承載力最低，其分區(qū)寬度可短些。尾礦庫中部區(qū)域?yàn)棰蛱?hào)開采區(qū)，為回采主區(qū)，尾砂粒度及承載力一般，其分區(qū)寬度最長。 堆積壩壩前為Ⅲ號(hào)開采區(qū)， 為尾礦庫回采過程中的安全預(yù)留區(qū)，該區(qū)尾礦粒徑最粗，承載力最高，其分區(qū)寬度應(yīng)不小于尾礦庫生產(chǎn)運(yùn)行中要求的干灘長度（含安全超高要求）。

圖1 尾礦庫回采分區(qū)示意

在回采過程中，應(yīng)按Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號(hào)開采區(qū)輪流開采，如圖1 所示。先行開采Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)開采區(qū)對(duì)應(yīng)的1 和2 開采區(qū)， 再開采Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)開采區(qū)對(duì)應(yīng)的3及4 開采區(qū)，然后開采Ⅲ號(hào)開采區(qū)對(duì)應(yīng)的5 開采區(qū)，再輪流開采3 個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)的6、7、8……開采區(qū)， 直至回采完成。 在回采過程中始終確保Ⅰ和Ⅱ號(hào)開采區(qū)要比Ⅲ號(hào)開采區(qū)低一至二個(gè)臺(tái)階。

2）動(dòng)態(tài)的截水及排洪設(shè)施。 在回采過程中必須高度重視防洪排水工作，做到安全行洪，盡可能不浸泡回采邊坡。 應(yīng)率先降低Ⅰ號(hào)開采區(qū)排洪設(shè)施的進(jìn)水口高程，確?；夭善陂g排洪安全，同時(shí)在回采過程中盡量保證雨水能自流至Ⅰ號(hào)開采區(qū)排洪設(shè)施處。

如尾礦庫兩側(cè)匯水面積較大時(shí)， 可在庫區(qū)岸坡上修筑截水溝將雨水引至庫外或在靠近庫區(qū)山坡的尾砂上， 開挖臨時(shí)渠道連接至現(xiàn)有排洪設(shè)施或引至庫外。如在下部尾砂回采過程中，涉及其它在生產(chǎn)運(yùn)行過程中已封堵的排洪系統(tǒng)，并難以拆除時(shí)，為了確保尾礦庫回采期排洪安全， 需通過開挖臨時(shí)明渠或鋪設(shè)臨時(shí)涵管方式將庫內(nèi)雨水引至庫外。 其中臨時(shí)渠道、臨時(shí)明渠及臨時(shí)涵管均是是動(dòng)態(tài)的，隨著回采工作面的降低而逐漸下降，并不斷拆除重建。為過流安全， 臨時(shí)渠道和臨時(shí)明渠內(nèi)側(cè)可采用三合板或土工膜進(jìn)行保護(hù)，其也便于拆除和鋪設(shè)。尾礦庫回采臨時(shí)排水設(shè)施見圖2。

圖2 尾礦庫回采臨時(shí)排水設(shè)施示意

3）回采高度控制技術(shù)要求。 回采過程中應(yīng)由庫內(nèi)往壩前、自上而下分層逐層開采。根據(jù)挖掘機(jī)挖深、挖掘機(jī)作業(yè)高度及邊坡安全等因素， 每層回采高度宜控制為2.0～3.0 m，回采過程中始終確保Ⅰ和Ⅱ號(hào)開采區(qū)要比Ⅲ號(hào)開采區(qū)低一至二個(gè)臺(tái)階， 相鄰回采區(qū)間最大相差二個(gè)臺(tái)階。 相鄰兩區(qū)間最大高差的設(shè)定是考慮到回采過程中即使邊坡坍塌， 也不至于導(dǎo)致重大傷亡事故。 即便6.0 m 高的邊坡發(fā)生坍塌，也不會(huì)將作業(yè)的挖掘機(jī)完全淹沒， 搶救被困人員相對(duì)也容易。

4）回采邊坡控制技術(shù)要求。 回采過程中應(yīng)高度重視尾礦壩及尾礦回采形成的動(dòng)態(tài)臨時(shí)邊坡安全穩(wěn)定。 因尾礦壩隨回采逐步降低，勢能也逐步減小，故只需保證堆積壩壩體浸潤線深度滿足相關(guān)要求、Ⅲ號(hào)開采區(qū)有足夠的預(yù)留寬度，即能確保尾礦壩安全。

回采動(dòng)態(tài)臨時(shí)邊坡安全與邊坡高度及尾砂內(nèi)摩擦角息息相關(guān)。 邊坡高度控制在相鄰回采區(qū)間最大相差二個(gè)臺(tái)階。 由于放礦沉積、上覆荷載、粒度粗細(xì)及固結(jié)程度等差異， 各回采區(qū)尾砂內(nèi)摩擦角也不盡相同。 根據(jù)尾砂粒徑與內(nèi)摩擦角研究試驗(yàn)情況[9-10]，且考慮到砂面上有車輛來回運(yùn)輸， 回采邊坡建議不陡于1∶2.5； 同時(shí)在尾礦回采期間應(yīng)加強(qiáng)邊坡的監(jiān)測。值得指出的是：在雨季及降雨后，由于雨水浸泡，其內(nèi)摩擦角會(huì)大幅度降低， 使得尾砂邊坡易造成失穩(wěn)或處于臨界狀態(tài)。因此，必須建立專職安全人員檢查現(xiàn)場，確保檢查邊坡安全后，設(shè)備和人員方可進(jìn)入庫內(nèi)繼續(xù)施工作業(yè)。

5）庫內(nèi)相關(guān)設(shè)施保護(hù)要點(diǎn)。 在開采前應(yīng)在現(xiàn)場標(biāo)識(shí)出排洪設(shè)施及初期壩壩體的位置。 為保證排洪系統(tǒng)的安全，排洪設(shè)施15 m 范圍內(nèi)的尾砂，不得采用挖掘機(jī)械回采（可輔以水力沖砂回采），且其兩側(cè)的尾砂應(yīng)均勻下降，避免形成較大高差；在回采至初期壩壩體標(biāo)高時(shí)， 開采作業(yè)位置需控制距離壩體內(nèi)坡線2 m 以外，避免破壞壩體。

6）臨時(shí)道路技術(shù)要求。根據(jù)尾砂承載力指標(biāo)，盡量選用接地比壓較小的履帶式挖掘機(jī)進(jìn)行回采作業(yè)。為確保配套汽車的正常運(yùn)輸，除尾礦庫場外道路外，還需在尾礦庫內(nèi)修筑臨時(shí)道路。 臨時(shí)道路應(yīng)緊鄰山體岸坡設(shè)置，寬度不宜小于5.0 m，坡度不得大于8%，并隨著尾砂回采標(biāo)高的下降而逐漸降低。同時(shí)，為避免回采對(duì)臨時(shí)道路影響， 回采邊界應(yīng)與臨時(shí)道路底邊線保持一定距離，建議不小于3 倍的道路高度。庫內(nèi)臨時(shí)道路示意見圖3。

圖3 庫內(nèi)臨時(shí)道路示意

7）輔助設(shè)施備用要求。 為防止回采區(qū)局部地段存有積水而影響回采作業(yè)， 在回采時(shí)應(yīng)備用一臺(tái)具有較好的耐磨性能、 能適應(yīng)回采的污水和泥沙的潛水泵。同時(shí)現(xiàn)場應(yīng)配有鋼絲繩和卸扣，以便車輛陷入時(shí)將其拖出。在尾砂較為松軟的地方，可采用焊接螺紋鋼條的鋼板墊于地面上。

8）尾礦庫回采后終期用途。 尾礦庫回采后一般考慮重新復(fù)用或者銷庫。 重新復(fù)用指的是重新作為尾礦庫使用，并進(jìn)行排尾作業(yè)，需經(jīng)認(rèn)證并征得監(jiān)管部門審批， 要求在回采過程中盡量保護(hù)好相關(guān)尾礦設(shè)施。 銷庫[11]是指將尾礦庫內(nèi)尾砂全部清除，并拆除尾礦設(shè)施后不再進(jìn)行排尾作業(yè)或庫區(qū)恢復(fù)至其它用地，不再納入尾礦庫管理范圍。 當(dāng)需拆除初期壩時(shí)，應(yīng)逐層拆除，避免形成高陡邊坡。

3 結(jié)語

1）尾礦庫回采不同于一般的露天采礦，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程， 需對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，做到安全、有序回采。其既要科學(xué)合理分區(qū)，達(dá)到廢棄物資源再利用的目的及確保尾礦庫排洪安全，又要高度重視尾砂邊坡穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，做好臺(tái)階高度及邊坡的控制，確保臨時(shí)動(dòng)態(tài)邊坡安全穩(wěn)定，同時(shí)還要杜絕洪水淹坑， 設(shè)置可靠的動(dòng)態(tài)截水和排洪設(shè)施。

2）尾礦庫回采不僅可變廢為寶，緩解資源和環(huán)境壓力，具有較高的社會(huì)及環(huán)境效益，契合了現(xiàn)倡導(dǎo)的“綠色礦山[12]、無廢礦山”總體目標(biāo)。

3）尾礦庫回采是正常生產(chǎn)的逆過程，通過回采，可減輕或徹底消除尾礦庫重大危險(xiǎn)源對(duì)下游的危害。