王光銳

(云南中林地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)有限公司)

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特殊條件下的尾礦開采

王光銳

(云南中林地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)有限公司)

摘要隨著礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，選礦技術(shù)的日益進(jìn)步，以及國家對礦山排尾的從嚴(yán)要求，將尾礦再利用提升到了一個(gè)極其重要的位置。尾礦利用的前提是開采，最常規(guī)的開采方式是“水采”，但對一些地域環(huán)境特殊、尾礦沉積韻律特別、結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、不適宜“水采”的礦山，介紹了“單一分層法”、“直接見底法”和“組合分層法”三種尾礦干采方法，從根本上解決了這類礦山尾礦開采的難題。

關(guān)鍵詞特殊尾礦沉積韻律干式開采

云南某鐵礦是一個(gè)大型殘坡堆積型鐵礦床，始建于20世紀(jì)70年代初期，歷經(jīng)數(shù)十年的開采，資源已日漸枯竭，而尾礦庫中已堆積了上千萬噸TFe27%左右的優(yōu)質(zhì)尾礦資源。通過選礦技術(shù)攻關(guān)，采用“重選+高梯度磁選”的選礦工藝，獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，成為該礦增收創(chuàng)效、延長服務(wù)年限的一條途徑。然而，由于該尾礦開采技術(shù)條件復(fù)雜及尾礦在排放過程中沉積韻律的特殊性，無法采用常規(guī)的“水采”工藝，只有另辟蹊徑，探索尾礦“干采”的方法。

1開采技術(shù)條件

1.1尾礦庫類型及現(xiàn)狀

該礦山尾礦庫三面依山，是一個(gè)典型的峽谷型尾礦庫，庫底最低高程2 260 m，終了堆存平面高程2 300 m，堆存厚度0～40 m；終了(長×寬) 1 110 m×330 m。

1.2水文地質(zhì)條件

尾礦庫堆積物為結(jié)構(gòu)松散、富含水的人工堆積層；尾礦庫位于礦區(qū)的低凹地帶，礦山的生產(chǎn)用水、生活廢水，以及大氣降水基本上流入尾礦庫內(nèi)；該尾礦庫處于喀斯特地區(qū)，地下巖溶十分發(fā)育。

據(jù)此，若采用水采，需防止尾礦庫的泄漏；若采用干采，需要解決好尾礦的疏干及排水。

1.3工程地質(zhì)條件

該尾礦庫原本是喀斯特地區(qū)發(fā)育的一個(gè)規(guī)模較大的天然凹地，所處地層巖性較為單一，庫底表面是0～20 m厚的第四系堆積層，表土層之下是昆陽群大龍口組碳酸鹽巖。

1.4環(huán)境地質(zhì)條件

由于該尾礦庫位于巖溶發(fā)育極為強(qiáng)烈的大龍口組灰?guī)r地區(qū)，其巖溶特征在地面表現(xiàn)為巖溶裂隙、漏斗、溶槽、溶洞，以及巖溶凹地，在地下則呈楔形、井型、管型垂向發(fā)育，與該礦區(qū)深部橫向分布的地下河道相通，形成了一套完整的地上和地下巖溶通道,曾多次發(fā)生尾礦庫泄漏而污染地下河道及附近村民飲用龍?zhí)端吹氖鹿省?/p>

1.5沉積韻律

構(gòu)成尾礦沉積韻律的要素很多，主要有入選原礦類型、選礦工藝流程、尾礦性質(zhì)、尾礦排放方式以及尾礦庫類型等。該礦山尾礦沉積韻律的因素具有以下特性：①因入選原礦為殘坡積礦，因此尾礦含泥多；②因選礦工藝流程中沒有磨礦工序，排出的尾礦粒徑粗細(xì)不均(0～35 mm)；③為了防止尾礦庫發(fā)生泄漏事故，采用周邊放礦的排放工藝；④該礦山選礦工藝流程經(jīng)歷不斷改進(jìn)，初期排出的尾礦品位較高，后期排出的尾礦品位逐漸降低。

在礦山生產(chǎn)初期，由于尾礦庫呈鍋底型(上寬下窄)，早先匯集入庫的尾礦在庫底狹小的中間區(qū)域積淀，按照尾礦漿體所攜帶礦物顆粒的大小、品位的高低，以及礦物體重的不同，顆粒大、品位高、體重大的礦物先沉降于尾礦庫底部，由此形成了由上往下粒徑漸粗、含鐵品位漸高的現(xiàn)象；隨著礦山生產(chǎn)進(jìn)程的推移，尾礦堆積厚度逐漸增加，尾礦庫水平面不斷擴(kuò)大，尾礦在水平面上的搬運(yùn)距離增加，尾礦漿體中的礦物按照顆粒大小、品位高低、體重大小，隨水流的搬運(yùn)距離由近至遠(yuǎn)依次沉降。

綜上所述，該礦山尾礦的沉積韻律是：由外向內(nèi)(從尾礦庫周邊到中央)礦物的含鐵品位由高到低，礦物顆粒由粗到細(xì)，含泥量逐漸增多；從上往下，礦物含鐵品位由低漸高，礦物顆粒由細(xì)漸粗。見圖1。

圖1　某鐵礦尾礦沉積韻律

1.6尾礦結(jié)構(gòu)構(gòu)造

該礦山尾礦主要由黏土，粉狀、碎塊狀褐鐵礦和赤鐵礦及巖石碎屑組成，呈自然狀態(tài)沉淀，固化時(shí)間短，壓實(shí)作用弱。含泥少的尾礦結(jié)構(gòu)松散、粘結(jié)性差；含泥多的尾礦粘結(jié)性較強(qiáng)，失水后易板結(jié)成塊。

2尾礦開采的特殊性及開采方法

2.1尾礦開采的特殊性

根據(jù)對該尾礦開采技術(shù)條件的分析，尾礦具有以下特殊性：①組成尾礦的礦物顆粒粗細(xì)不勻，具有特殊的沉積韻律；②尾礦庫位于喀斯特地區(qū)，巖溶發(fā)育十分強(qiáng)烈；③尾礦庫呈“鍋底型”，且底板地形起伏較大，地形條件復(fù)雜；④該礦山地處2 300 m以上的高寒山區(qū)，冬季常易出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象；⑤該礦山水資源匱乏，生產(chǎn)用水管線長達(dá)13.5 km，四級泵站接力揚(yáng)送，取水成本較高。

2.2水采

尾礦水采分為水槍—砂泵和挖泥船2種開采方式，對于常規(guī)尾礦，水采開采能力強(qiáng)、生產(chǎn)成本低，目前被國內(nèi)外礦山廣泛采用。

水槍—砂泵開采的前提是造漿，由于該尾礦特殊的沉積韻律，粒級粗細(xì)不勻，含泥少、顆粒粗的尾礦在水槍沖采過程中沉降速度過快，無法形成礦漿；含泥多的尾礦膠結(jié)性較強(qiáng)，脫水后易板結(jié)成塊，水槍沖采十分困難。

挖泥船開采要求尾礦庫保持一定水位，尾礦庫底部要相對平坦開闊。根據(jù)以上分析該尾礦不適宜此法開采。

2.3干采

從該礦山的實(shí)情出發(fā)，總結(jié)了單一分層法、直接見底法和組合分層法3種尾礦干采的方法。

2.3.1單一分層法

在尾礦庫水平面鋪設(shè)主運(yùn)輸干線及運(yùn)輸支線，采用反鏟式挖掘機(jī)沿運(yùn)輸支線后退式，由上往下、逐層開采。見圖2。

圖2　單一分層法采礦工藝

(1)適用條件。所有尾礦庫均可采用此方法回采，尤其適用于堆積厚度大于10 m或尾礦庫底板起伏較大、地形復(fù)雜的尾礦開采。

(2)開采工藝及步驟：①在尾礦庫中鋪設(shè)主運(yùn)輸干線；②在垂直于主運(yùn)輸干線兩側(cè)布置回采運(yùn)輸支線；③采用反鏟式挖掘機(jī)—自卸式汽車，沿回采支線后退式回采。

(3) 采場構(gòu)成要素。①主運(yùn)輸干線及回采運(yùn)輸支線寬度視選用的采掘運(yùn)輸設(shè)備而定，一般為4～5 m，采用鋼筋混凝土預(yù)制塊鋪設(shè)；②采掘帶寬度與回采運(yùn)輸支線相等，為挖掘機(jī)挖掘半徑的2倍；③一次回采深度視選用的挖掘設(shè)備而定，斗容為1 m3的挖掘機(jī)一次回采深度為5 m左右。

(4)主要優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：適用性強(qiáng)，采出礦石無貧化，安全可靠；缺點(diǎn)：運(yùn)輸干線及回采支線鋪設(shè)工作量大，開采成本高，回采效率低，尾礦疏干及工作面排水困難。

2.3.2直接見底法

沿尾礦庫周邊修筑永久性運(yùn)輸公路,直達(dá)尾礦庫底板，然后水平推進(jìn)回采尾礦, 形似凹陷露天開采。見圖3。

圖3　直接見底法開采工藝

(1)適用條件。尾礦庫中尾礦堆積厚度小于10 m，尾礦庫底板地形相對平緩。

(2)開采工藝及步驟。①采用反鏟式挖掘機(jī)從尾礦庫存的一幫開掘，直達(dá)尾礦庫底板的主運(yùn)輸干線；②采用正鏟式挖掘機(jī)沿尾礦庫底板水平推進(jìn)，形成水平段溝；③在水平段溝的兩側(cè)采用正鏟式挖掘機(jī)，沿尾礦庫原始地形等高線水平推進(jìn)回采。在開采過程中，可用廢石對尾礦庫底板進(jìn)行鋪墊和找平，以改善采掘及運(yùn)輸作業(yè)條件。

(3)采場構(gòu)成要素。①臺階高度不大于10 m；②臺階坡面角為45°；③采掘帶寬度正鏟式挖掘機(jī)挖掘半徑的2倍；④運(yùn)輸干線寬度為6～8 m時(shí)，最大縱坡比不大于8%。

(4)工作面排水。①沿尾礦庫周邊開挖截流溝，防止礦山工業(yè)、生活廢水，以及雨季地表徑流進(jìn)入尾礦庫內(nèi)；②在采區(qū)低凹處設(shè)置降水井，將工作面溢流及尾礦滲透水引入其內(nèi)，采用臥式泵向外抽排。

(5)主要優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：開采效率高，成本低，易于實(shí)施。缺點(diǎn)：適用范圍有一定局限，因尾礦庫底板凸凹不平，加之庫底松軟時(shí)需要用廢碴鋪墊找平，因此采出尾礦有貧化現(xiàn)象。

2.3.3組合分層法

開采時(shí)先掘進(jìn)出入車溝，形成開采臺階，然后鋪設(shè)回采進(jìn)路，采用正鏟式挖掘機(jī)前進(jìn)式開采。當(dāng)上分層礦石采完后，再采用反鏟式挖掘機(jī)沿回采進(jìn)路后退式開采，回采下分層礦石。見圖4。

圖4　組合分層法開采工藝

(1)適用條件。尾礦庫中堆積厚度大于15 m的尾礦；尾礦庫底板地形起伏較大，不適宜采用第二種方法開采。

(2)開采工藝及步驟。采用反鏟式挖掘機(jī)，從尾礦庫一幫開掘通往下一水平的出入車溝作為主運(yùn)輸干線；②采用正鏟式挖掘機(jī)水平推進(jìn)，形成水平段溝；③在水平段溝的兩側(cè)布置采掘帶，采用鋼筋混凝土預(yù)制塊鋪設(shè)采掘運(yùn)輸支線，且隨采掘工作面同步延伸；④采用正鏟式挖掘機(jī)，沿采掘運(yùn)輸支線前進(jìn)式開采上分層礦石；⑤上分層礦石回采結(jié)束后，采用反鏟式挖掘機(jī)沿采掘運(yùn)輸支線后退式開采下分層礦石；⑥該水平礦石回采結(jié)束，延伸出入車溝至下一水平，進(jìn)行下一水平的開采。

(3)采場構(gòu)成要素與第二種方法相同。

(4)工作面排水與第二種方法相同。

(5)主要優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：適用性較第二種方法強(qiáng)，開采成本較第一種方法低；缺點(diǎn)：工藝較繁瑣，采掘運(yùn)輸支線鋪設(shè)困難。

2.3.4尾礦干采體系

三種干采方法各有優(yōu)劣，在實(shí)際開采過程是相互聯(lián)系的，三者之間取長補(bǔ)短、相輔相成，構(gòu)成了一套完整的尾礦“干采”體系。見圖5。

圖5　尾礦干采工藝體系

3結(jié)論

隨著國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐的加快，尾礦開發(fā)利用的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對尾礦開采工藝及生產(chǎn)能力提出了更高的要求。尾礦干采作為一種非常規(guī)的開采方式，通過多年的探索，所采用的“單一分層法”、“直接見底法”、“組合分層法”已經(jīng)形成了一套完整的尾礦干采工藝，并成功地應(yīng)用于礦山生產(chǎn)實(shí)踐，為不宜水采的尾礦開采提供借鑒和參考。

(收稿日期2015-10-22)

王光銳(1965—)，男，工程師，653100 云南省玉溪市紅塔區(qū)匯溪路。