鄭德彬

（五礦礦業(yè)（安徽）工程設(shè)計(jì)有限公司）

近40 a來(lái)，河北省武安市采礦業(yè)發(fā)展迅猛，一度成為武安經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐產(chǎn)業(yè)。豐富的礦產(chǎn)資源在助力當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的同時(shí)，也伴生和遺留下一系列的問(wèn)題。長(zhǎng)期大規(guī)模的開(kāi)采，使得當(dāng)?shù)赝恋厮萘芽p、礦渣亂堆、土地壓占等問(wèn)題凸顯，廢礦井、塌陷坑、露天采礦坑遍布礦區(qū)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，武安市因采礦造成的廢渣尾礦壓占、植被破壞、土地塌陷等使約60 km2的土地遭到破壞。治理礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害，恢復(fù)塌陷區(qū)周邊的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境，再現(xiàn)青山綠水的工作刻不容緩，也完全符合“綠水青山就是金山銀山”的國(guó)家環(huán)保理念。

武安市某礦山是一座采用崩落法開(kāi)采的礦山，礦山一期回采已結(jié)束，二期正在生產(chǎn)中。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，2020年末該礦資源儲(chǔ)量1 545.91萬(wàn)t。經(jīng)過(guò)多年的地下采礦活動(dòng)，該礦山已形成面積約1.24 km2的塌陷區(qū)。為了恢復(fù)該塌陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境，在不威脅地下采礦活動(dòng)的前提下，擬利用尾礦固結(jié)技術(shù)對(duì)該塌陷區(qū)穩(wěn)定區(qū)域的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)治理工作。即利用選礦廠的尾砂，固結(jié)回填至塌陷坑。在完成固結(jié)尾礦分段回填及平整作業(yè)后進(jìn)行黏土及耕植土覆土作業(yè)，并對(duì)回填完畢區(qū)域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境綠化，最終達(dá)到恢復(fù)塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境的目的［1-7］。

1 塌陷區(qū)現(xiàn)狀與穩(wěn)定性分析

1.1 現(xiàn)狀

礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模180萬(wàn)t/a，1997年開(kāi)工建設(shè)，2002年投產(chǎn)試運(yùn)行，2004年達(dá)產(chǎn)。

2003年2月底，在措施井附近出現(xiàn)塌陷坑，地表錯(cuò)動(dòng)范圍隨著地下開(kāi)采范圍的擴(kuò)大而擴(kuò)大，中心區(qū)域緩慢下沉。塌陷區(qū)最終錯(cuò)動(dòng)范圍東西長(zhǎng)1 250 m、南北寬850 m，總面積約1.24 km2，塌陷區(qū)容積約276萬(wàn)m3。塌陷區(qū)11#勘探線以西區(qū)域呈現(xiàn)為整體下沉式盆地，未出現(xiàn)大的塌陷坑；11#～8#勘探線區(qū)域礦體最厚大，塌陷最嚴(yán)重的區(qū)域也主要集中于此，最大塌陷坑深50 m。

1.2 穩(wěn)定性分析

該鐵礦主要回采礦體西高東低，9#勘探線以西礦體主要賦存在-95 m以上，且呈平底式形態(tài)，礦體僅在10#～9#勘探線間下探-109 m水平，9#勘探線以東礦體逐漸向下部延伸。根據(jù)礦山當(dāng)前開(kāi)采現(xiàn)狀，結(jié)合礦山5 a規(guī)劃，隨著以后礦體開(kāi)采范圍向東向深發(fā)展，塌陷區(qū)也會(huì)隨之向東發(fā)展，西部區(qū)域隨著采礦活動(dòng)的結(jié)束而漸趨穩(wěn)定。9#勘探線以西礦體埋深在-110 m水平以上，地表標(biāo)高約290 m。參照《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB51044—2014），以采空區(qū)終采時(shí)間為主要因素初步評(píng)價(jià)塌陷區(qū)穩(wěn)定性，認(rèn)為終采時(shí)間達(dá)到3.3 a以上基本可以判斷該場(chǎng)地穩(wěn)定。11#勘探線以西區(qū)域2003年采礦活動(dòng)結(jié)束，從現(xiàn)場(chǎng)踏勘來(lái)看，地表主要表現(xiàn)為整體塌陷形成地表移動(dòng)盆地，未出現(xiàn)較大的塌陷坑，該區(qū)域已經(jīng)穩(wěn)定。9#～11#勘探線區(qū)域2013年采礦活動(dòng)也已結(jié)束，隨著9#勘探線以西采礦逐步東移，此區(qū)域也將逐步趨于穩(wěn)定。

2 尾礦固結(jié)試驗(yàn)研究

為了確定現(xiàn)場(chǎng)尾礦固結(jié)后是否具備回填治理塌陷坑的條件，開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究。

2.1 尾礦的流動(dòng)性

濃度65%、70%、75%、80%的尾礦狀態(tài)分別見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，濃度65%的尾礦流動(dòng)性較強(qiáng)，濃度80%的尾礦基本失去流動(dòng)性。

2.2 塌落度試驗(yàn)

采用坍落度試驗(yàn)測(cè)定拌合物的流動(dòng)性，并結(jié)合直觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定其黏聚性和保水性。不同濃度、不同膠凝材料（水泥）摻量（與尾礦的質(zhì)量比，下同）條件下全尾砂固結(jié)體的塌落度見(jiàn)表1。

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由表1可見(jiàn)，試驗(yàn)濃度的尾砂料漿間的塌落度均較小，濃度越高塌落度越低；膠凝材料用量越高，尾砂料漿的塌落度越低。

2.3 泌水率試驗(yàn)

不同濃度、不同膠凝材料配比條件下全尾砂固結(jié)體的泌水率情況見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，除濃度75%且不加膠凝材料的全尾砂固結(jié)體有少量泌水外，其余配比均無(wú)泌水現(xiàn)象。

2.4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

不同濃度、不同膠凝材料配比條件下全尾砂固結(jié)體不同齡期的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

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由表3可見(jiàn)，相同膠凝材料摻量的試塊抗壓強(qiáng)度隨礦漿濃度提高而提高；相同礦漿濃度的試塊抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料摻量的增加而提高；各試塊的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)而提高。

2.5 泥化試驗(yàn)

為了考察堆存于塌陷區(qū)的尾礦遭遇雨水沖刷、浸泡時(shí)是否會(huì)發(fā)生泥化現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。

不同濃度、不同膠凝材料摻量條件下全尾砂固結(jié)體養(yǎng)護(hù)28 d后，將固結(jié)試塊浸泡于清水中以驗(yàn)證固結(jié)試塊是否發(fā)生泥化崩解現(xiàn)象，試驗(yàn)開(kāi)始的頭20 min持續(xù)觀察試驗(yàn)進(jìn)程，之后每12 h觀察1次，共觀察48 h。

從試驗(yàn)結(jié)果看，不添加膠凝材料的試塊在短時(shí)間內(nèi)會(huì)完全泥化；添加少量膠凝材料（1%～2.5%）的試塊出現(xiàn)了不同程度的泥化或崩解、開(kāi)裂現(xiàn)象；膠凝材料摻量達(dá)到或超過(guò)3%的試塊基本不發(fā)生泥化。

2.6 揚(yáng)塵試驗(yàn)

揚(yáng)塵試驗(yàn)采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)筒為測(cè)試環(huán)境，風(fēng)機(jī)從風(fēng)筒一側(cè)進(jìn)行吹風(fēng)，在風(fēng)筒另一側(cè)距離出口不遠(yuǎn)處安裝粉塵濃度檢測(cè)儀，以測(cè)量測(cè)試環(huán)境中的粉塵濃度（PM2.5和PM10）。

根據(jù)風(fēng)力等級(jí)表及其對(duì)應(yīng)的陸地地面物征象描述，試驗(yàn)設(shè)計(jì)風(fēng)速采用4級(jí)風(fēng)進(jìn)行揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在排除測(cè)試環(huán)境中粉塵影響的情況下，所測(cè)數(shù)據(jù)大部分低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)污染物濃度限值2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的24 h平均值。

2.7 試驗(yàn)結(jié)論

膠凝材料的摻入對(duì)該礦山尾礦料漿坍落度及抗壓強(qiáng)度等性能影響顯著，膠凝材料的摻入能提高固結(jié)試塊的強(qiáng)度，滿(mǎn)足隨塌陷區(qū)下塌而下塌的要求；同時(shí)，固結(jié)后的尾礦顆粒被膠凝材料凝結(jié)在一起，具備基本不泌水、不易泥化、不易揚(yáng)塵等特性，可以滿(mǎn)足該礦山塌陷區(qū)回填的基本要求。

3 塌陷區(qū)治理方案選擇

根據(jù)該礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及塌陷區(qū)情況，結(jié)合尾礦固結(jié)排放方式，提出2個(gè)適合該塌陷區(qū)穩(wěn)定區(qū)域治理的工藝流程，分別為深錐膏體固結(jié)工藝流程及濃縮壓濾固結(jié)工藝流程。

（1）深錐膏體固結(jié)方案。深錐膏體固結(jié)方案將尾礦通過(guò)深錐膏體濃密機(jī)濃縮至膏體狀態(tài)，并與一定量的膠凝材料混合，然后通過(guò)工業(yè)泵送至塌陷區(qū)進(jìn)行回填。此工藝受礦石性質(zhì)、選廠生產(chǎn)波動(dòng)等外部因素干擾較大，尾礦含水率較高時(shí)，固結(jié)排放濃度、膏體狀態(tài)可控性較低。估算需投資約2 425萬(wàn)元。

（2）濃縮壓濾固結(jié)方案。濃縮壓濾固結(jié)方案將尾砂濃縮后，混入一定量的膠凝材料，最后通過(guò)壓濾，使含水率小于20%，再經(jīng)汽車(chē)運(yùn)輸至塌陷區(qū)進(jìn)行回填。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備及工藝技術(shù)，壓濾濾餅含水率可控性高，塌陷區(qū)排放安全保障性較高；同時(shí)，該方案可以分期實(shí)施，一期可實(shí)施部分壓濾機(jī)運(yùn)行，再根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)備、工藝等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后再實(shí)施二期工程，保證整個(gè)回填治理工程建設(shè)合理、運(yùn)行可靠，降低了一次性資金投入，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)較小。估算需投資約1 934萬(wàn)元。

從礦山實(shí)際情況、工藝流程特點(diǎn)及投資估算看，濃縮壓濾固結(jié)方案優(yōu)勢(shì)更加明顯。因此，將濃縮壓濾固結(jié)工藝作為該礦塌陷區(qū)治理的工藝流程。尾礦濃縮設(shè)備采用深錐濃縮機(jī)，壓濾設(shè)備選用隔膜壓濾機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）礦山塌陷區(qū)大部分區(qū)域較穩(wěn)定，具備回填治理?xiàng)l件。

（2）選廠尾礦經(jīng)固結(jié)，具有基本不泌水、不易泥化、不易揚(yáng)塵等特點(diǎn)，且穩(wěn)定性好、強(qiáng)度適宜，對(duì)井下采礦活動(dòng)影響小，滿(mǎn)足塌陷區(qū)回填作業(yè)對(duì)回填物料的基本性能要求。

（3）在完成固結(jié)尾礦回填及平整作業(yè)后進(jìn)行黏土及耕植土覆土作業(yè)，并對(duì)回填完畢區(qū)域物進(jìn)行生物生態(tài)環(huán)境綠化，最終完成塌陷區(qū)環(huán)境恢復(fù)治理工作。

（4）通過(guò)尾礦固結(jié)回填，塌陷區(qū)得到了治理，同時(shí)也一定程度上解決了該礦山的尾礦排放問(wèn)題。

（5）用尾礦固結(jié)的方法來(lái)治理地表塌陷坑，不僅恢復(fù)治理了地表塌陷區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，還減少了排往尾礦庫(kù)的尾砂量，甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)尾排放，節(jié)省了尾礦庫(kù)的建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用，減少了對(duì)耕地的占用，降低了對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。