大型礦山無尾協(xié)同平衡模型研究與應(yīng)用

陳五九 劉福春 熊有為 王玉富 崔麗娜

(1.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 六安 237484；2.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410000；3.深井礦山安全高效開采技術(shù)湖南省工程研究中心，長沙 410000)

礦產(chǎn)資源開采在給人類社會(huì)提供基本物質(zhì)保障的同時(shí)，也給礦山安全和生態(tài)環(huán)境造成很大的危害[1-2]。近年來，我國尾礦年排放量高達(dá)15億t，但尾砂綜合利用率極低[3]。大量的尾砂地表堆存不僅容易形成泥石流安全隱患，還對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的污染和破壞[4-5]。當(dāng)前國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)注前所未有，習(xí)近平總書記提出“綠色青山就是金山銀山”的科學(xué)指導(dǎo)思想，綠色礦山建設(shè)正式提上日程。國家和地方也相繼出臺(tái)頒布了綠色礦山建設(shè)規(guī)范，對(duì)尾砂綜合利用和處置提出了明確要求。以廣東省為代表的多省市近年來已大力整治礦山固廢污染問題，并提出尾礦庫全面退出計(jì)劃。《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》(2018年)更是明確對(duì)尾礦固體排放征收15元/t的環(huán)保稅。

采用尾砂充填采空區(qū)能夠最大限度降低地表尾砂堆存造成的環(huán)境污染，同時(shí)對(duì)采空區(qū)充填處理后有效控制巖石移動(dòng)與變形，防治地表沉降塌陷，是地下礦山安全高效開采的必要技術(shù)措施。然而，對(duì)于大多數(shù)礦山而言，一方面，大型礦山開采形成的地下采空區(qū)具有頂板暴露面積大、揭露時(shí)間長、爆破振動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高、兩步驟回采效率低等特點(diǎn)，如果不能及時(shí)、足量地對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，可能導(dǎo)致安全事故，或嚴(yán)重制約礦山產(chǎn)能。另一方面，隨著開采低品位礦石逐漸增多，選礦尾砂產(chǎn)率不斷提高，尾砂用于充填后的富余產(chǎn)量也越來越大，多余尾砂的處置和出路問題再次成為困擾礦山企業(yè)的現(xiàn)實(shí)問題。由此產(chǎn)生采空區(qū)尾砂充填處理時(shí)空關(guān)系不協(xié)調(diào)和富余尾砂固廢地表堆存難避免的雙重矛盾，即采充不平衡和物料產(chǎn)消不平衡。

國內(nèi)付厚利、王維、苑占永等[6-8]針對(duì)不同礦山的具體特點(diǎn)進(jìn)行了采充平衡的理論研究和應(yīng)用，但構(gòu)建的理論模型對(duì)其他礦山適用性有限。對(duì)于大型礦山無尾綠色開發(fā)，需綜合考慮礦山開采規(guī)模、選廠尾砂產(chǎn)率、不同采礦工藝對(duì)充填體濃度和灰砂比的差異化要求、充填體物理性質(zhì)、富余尾砂處置途徑等諸多因素。本文從影響采充平衡和物料平衡的多因素著手分析，圍繞尾砂采空區(qū)協(xié)同充填、尾砂固廢處置零存留等關(guān)鍵問題，構(gòu)建基于采充平衡和物料平衡的無尾協(xié)同平衡模型，依托張莊鐵礦進(jìn)行無尾礦庫生產(chǎn)實(shí)例分析，進(jìn)而提出實(shí)現(xiàn)采充平衡和物料平衡的關(guān)鍵措施，為類似開采條件礦山綠色開發(fā)提供參考。

1 基于采充平衡和物料平衡的無尾協(xié)同平衡模型

采充平衡的實(shí)質(zhì)是井下采礦形成的采空區(qū)能夠被足量的尾砂料漿及時(shí)充填滿，保障鄰近采場的高效回采和地表安全。物料產(chǎn)消平衡的核心是選廠產(chǎn)出的全部尾砂能得到充分的處理與利用，無尾礦山的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)地表尾砂零堆存。

然而，以上采充平衡和物料平衡的實(shí)現(xiàn)，受尾砂產(chǎn)率、礦石密度、充填體密度、充填體含水率、充填體含砂率、采空區(qū)充滿率、充填以外富余尾砂綜合利用等眾多因素的影響。因此，需要構(gòu)建一種多元協(xié)同平衡模型，為礦山企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況高效組織生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

綜合考慮以下因素：

1)礦山礦石開采規(guī)模A，t/a；

2)選廠處理的低品位巖石量(采掘廢石)B，t/a；

3)選廠尾砂除充填以外綜合利用量C，t/a；

4)礦石密度γ，t/m3；

5)充填體平均密度α，m3；

6)充填料漿平均灰砂比，1∶n；

7)充填體平均含水率δ，%；

8)尾砂產(chǎn)率E，%；

9)井下采空區(qū)充滿率K，一般取值0.9～1.0；

10)平均每立方充填體中尾砂含量W，t/m3。

在滿足采充平衡和物料平衡的原則上，礦山開采產(chǎn)生的全部尾砂，應(yīng)等于采空區(qū)充填尾砂量與充填之外綜合利用量之總和。因此，有以下關(guān)系：

(1)

上式中，平均每立方充填體中尾砂含量W可由以下關(guān)系求出：

(2)

以上各關(guān)系式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可推導(dǎo)以下關(guān)系：

(3)

轉(zhuǎn)換為求充填之外尾砂富余量，則為：

(4)

以上式(4)為基于采充平衡和物料平衡的無尾協(xié)同平衡模型，可推導(dǎo)出針對(duì)不同礦山采礦和充填工藝特征的尾砂富余量計(jì)算方法，為礦山企業(yè)考慮富余尾砂處理途徑提供依據(jù)，保證礦山安全高效綠色開發(fā)。

此外，若礦山開采的低品位含礦巖石不參與選礦流程，則式(4)可變形為：

(5)

2 大型礦山無尾協(xié)同平衡模型應(yīng)用

2.1 基于無尾協(xié)同平衡模型的理論計(jì)算

安徽張莊鐵礦為低品位大型磁鐵礦床，采礦規(guī)模450萬t/a，選廠生產(chǎn)規(guī)模500萬t/a(450萬t/a礦石及50萬t/a廢石)。礦區(qū)地表主要為村莊和農(nóng)田，需采用充填法開采。由于地處平原，尾礦庫選址難度大，建設(shè)投資高，且尾礦庫安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)存在較大風(fēng)險(xiǎn)隱患。為了實(shí)現(xiàn)礦山綠色安全高效開發(fā)，張莊鐵礦創(chuàng)新采用無尾礦庫生產(chǎn)模式。

張莊鐵礦為厚大型磁鐵礦床，礦巖穩(wěn)固性較好，采用兩步驟階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄟM(jìn)行開采，階段高度90 m，礦房寬度15 m。為控制頂板圍巖及側(cè)邊充填體穩(wěn)定性，一步驟采場長度不超過140 m，二步驟采場長度不超過100 m。采空區(qū)不同部位充填體強(qiáng)度具有差異化特征，不同區(qū)域充填料漿灰砂比及所占比例見表1。礦山生產(chǎn)其他技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 采空區(qū)不同部位充填料漿灰砂比及其比例Table 1 Filling slurry mortar-sand ratio and ratio in different parts of the goaf

表2 礦山生產(chǎn)主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indicators of mine production

根據(jù)無尾協(xié)同平衡模型，可計(jì)算充填之外尾砂富余量：

=135.41萬t/a

經(jīng)核算，按選礦規(guī)模500萬t/a(礦石450萬t/a、廢石50萬t/a)，張莊鐵礦尾砂總產(chǎn)量為326萬t/a，其中選廠尾砂190.59萬t/a(占全部尾砂的58.5%)用于采空區(qū)充填，充填之外富余尾砂量135.41萬t/a(占全部尾砂的41.5%)。據(jù)此，礦山企業(yè)應(yīng)采取措施，對(duì)富余尾砂135.41萬t/a進(jìn)行高效利用，實(shí)現(xiàn)地表尾砂零堆存。

2.2 無尾協(xié)同平衡生產(chǎn)關(guān)鍵保障措施

1)尾砂多級(jí)分離梯級(jí)利用減量化策略

為了盡量減少尾砂產(chǎn)量，降低充填外富余尾砂處理壓力，張莊鐵礦基于無尾協(xié)同平衡模型，創(chuàng)新了尾砂多級(jí)分離梯級(jí)利用減量化策略，策略流程圖見圖1。礦巖混提運(yùn)輸至選廠礦倉，先通過破碎進(jìn)行兩段磁選干拋，分別產(chǎn)生+30 mm的塊尾礦和+3.15 mm的粗尾礦兩種產(chǎn)品，大大降低了選礦尾砂產(chǎn)率。兩段干拋后的碎礦在選廠球磨前再進(jìn)行濕式預(yù)選，通過水力旋流器和直線振動(dòng)篩分離出+0.3 mm的中尾砂。濕式預(yù)選后篩下尾砂進(jìn)入Φ50 m高效濃密機(jī)進(jìn)行沉降濃縮[9]，底流大部分泵送至充填站制備料漿充填井下采空區(qū)，剩余尾砂通過撈砂脫水處理，即采用旋流器和脫水篩分離為粗顆粒和細(xì)顆粒尾砂后加工利用。以上通過干拋、濕拋和分離脫水得到的塊尾礦、粗尾礦、中尾砂、粗顆粒尾砂和細(xì)顆粒尾砂全部進(jìn)行資源化利用，主要作為建筑材料加工銷售。

圖1 尾砂多級(jí)分離梯級(jí)利用策略流程圖Fig.1 Flow chart of tailings multi-stage separation step utilization strategy

生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用尾砂多級(jí)分離梯級(jí)利用減量化策略，張莊大型鐵礦選廠產(chǎn)生的大量尾砂全部得以處置與利用，實(shí)現(xiàn)了地表零堆存，為無尾礦庫安全生產(chǎn)提供了關(guān)鍵保障。

2)全尾砂高濃度大流量連續(xù)充填技術(shù)

為了對(duì)井下大規(guī)模采空區(qū)及時(shí)進(jìn)行處理，同時(shí)提高尾砂處置利用率，保證安全生產(chǎn)，張莊鐵礦創(chuàng)新應(yīng)用了超細(xì)全尾砂高濃度大流量連續(xù)充填技術(shù)[10-12]。選廠產(chǎn)出的超細(xì)全尾砂先泵送至充填站的尾砂緩沖桶，消能減速后進(jìn)入一臺(tái)Φ20 m深錐濃密機(jī)，經(jīng)與環(huán)繞入料井多點(diǎn)布置添加的絮凝劑充分結(jié)合后，有序沉降脫水。濃密機(jī)底流由底流泵輸送至攪拌桶，根據(jù)全尾砂濃密底流濃度和流量，膠凝材料經(jīng)螺旋給料系統(tǒng)按灰砂比精準(zhǔn)輸出，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠼?jīng)鉆孔自流輸送至井下采空區(qū)。為了保障大型采空區(qū)及時(shí)充填，滿足采充平衡，充填系統(tǒng)24 h連續(xù)制備與輸送，生產(chǎn)能力為180～220 m3/h。充填工藝流程見圖2所示。

圖2 張莊礦超細(xì)全尾砂大流量充填系統(tǒng)工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of large flow filling system of Zhangzhuang mine

3)尾砂固廢再生骨料制備及高值利用技術(shù)

為了最大程度實(shí)現(xiàn)尾砂固廢減量化、資源化、無害化，張莊鐵礦對(duì)鐵尾砂進(jìn)行改性無害化處理，然后將其作為公路路基和路面基層材料(如圖3)，實(shí)現(xiàn)了鐵尾砂在公路工程領(lǐng)域資源化循環(huán)利用。同時(shí)，為了進(jìn)一步拓寬尾砂資源化利用途徑，張莊鐵礦研發(fā)了基于鐵尾砂的加氣混凝土建材應(yīng)用技術(shù)(如圖4)，建成了年產(chǎn)60萬m3尾砂加氣混凝土板材(砌塊)及2.4億塊尾砂灰砂磚項(xiàng)目。尾砂固廢再生骨料制備及高值利用技術(shù)一方面解決了張莊鐵礦充填富余尾砂的處置問題，降低了固廢堆存造成的安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，一方面通過固廢資源化高值利用，提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，變害為利的科學(xué)發(fā)展。

圖3 鐵尾砂基路面Fig.3 Iron tailings pavement

圖4 鐵尾砂基加氣混凝土磚Fig.4 Iron tailings-based aerated concrete brick

4)大礦房高強(qiáng)度開采下采充動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)協(xié)同管理

張莊鐵礦開采強(qiáng)度高，礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)大，回采周期長，導(dǎo)致采空區(qū)頂板和側(cè)面充填體暴露面積大，揭露時(shí)間長，采動(dòng)影響下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，影響井下生產(chǎn)和地表安全。張莊鐵礦通過盤區(qū)內(nèi)礦房回采順序優(yōu)化，基于礦房回采工序間相互制約關(guān)系，對(duì)采切、穿孔爆破、出礦、充填等生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)協(xié)同管理。在對(duì)采空區(qū)及時(shí)高效充填的同時(shí)，維持井下20～30萬m3空區(qū)體積始終處于滾動(dòng)待充狀態(tài)，并將該待充空間分配于兩個(gè)以上不同采空區(qū)，確保充填作業(yè)可持續(xù)，可緩沖，可靈活調(diào)配。

3 結(jié)論

1)綜合考慮礦山開采規(guī)模、選廠尾砂產(chǎn)率、不同采礦工藝對(duì)充填體濃度和灰砂比的差異化要求、充填體物理性質(zhì)、富余尾砂處置途徑等諸多因素，構(gòu)建了基于采充平衡和物料平衡的無尾協(xié)同平衡模型如下：

2)無尾礦庫生產(chǎn)是綠色礦山的重要體現(xiàn)，礦山企業(yè)可以研究制定與其適應(yīng)的尾砂多級(jí)分離梯級(jí)利用減量化策略，根據(jù)礦巖特性、采選工藝流程和產(chǎn)品市場需求，充分論證尾砂固廢資源化利用的可行性。

3)對(duì)于采用大型結(jié)構(gòu)參數(shù)采場回采的礦山，高濃度大流量連續(xù)充填工藝是實(shí)現(xiàn)其安全高效采礦的關(guān)鍵保障，深錐濃密機(jī)是連續(xù)高效充填的核心裝備。

4)隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，尾砂資源化利用的途徑也不斷拓寬。將預(yù)拋分離的尾砂固廢作為資源產(chǎn)品高值利用是實(shí)現(xiàn)尾砂減量化的關(guān)鍵措施，超細(xì)尾砂的資源化利用是當(dāng)前需要解決的瓶頸技術(shù)難題。

5)采充平衡動(dòng)態(tài)協(xié)同組織是無尾礦山安全高效生產(chǎn)最為關(guān)鍵的保障，在對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性有效控制的前提下，應(yīng)始終維持井下一定體積和數(shù)量的采空區(qū)處于待充狀態(tài)，保證充填作業(yè)可持續(xù)，可緩沖，可靈活調(diào)配。