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        某露天坑尾礦膠結(jié)體充填方案研究

        2023-11-26 12:30:28班振興
        現(xiàn)代礦業(yè) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:灰砂尾砂摩擦角

        班振興

        (安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司)

        尾礦膠結(jié)體是以尾砂為骨料、水泥等為膠結(jié)劑,與水混合后發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)而生成的具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)體。李詩雨[1]、徐喜[2]、盧宏建[3]等對尾礦膠結(jié)體的研究表明,膠結(jié)劑的種類、尾礦漿的濃度、膠結(jié)料漿的灰砂比等因素直接影響尾礦膠結(jié)體的強(qiáng)度。

        郄永波[4]、張長鎖[5]、唐琦[6]、黃希輝[7]等提出,露天坑的巨大廢棄空間本身是一種資源,利用大宗固廢回填技術(shù)進(jìn)行生態(tài)修復(fù),既能消除礦山的地質(zhì)災(zāi)害隱患,又能消納大宗固廢,具有極大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

        研究通過室內(nèi)試驗(yàn)確定尾礦膠結(jié)體的物理參數(shù),并選取某露天坑的典型剖面,通過數(shù)值計算預(yù)測充填不同配比的尾礦膠結(jié)體對邊坡穩(wěn)定性的影響,并進(jìn)行成本分析,從而得出安全效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化的回填方案,并指導(dǎo)露天坑的回填。

        1 尾礦膠結(jié)體力學(xué)參數(shù)研究

        擬用于某露天坑充填的尾砂為3 個生產(chǎn)期的尾砂,分別命名為T1、T2、T3,對應(yīng)的密度、堆積密度、孔隙率見表1,主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表2,粒度篩析結(jié)果見表3,料漿濃度為56%、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 的不同灰砂比尾礦膠結(jié)體的物理參數(shù)見表4。

        由表1 可知,尾砂平均密度為2.89 g/cm3、平均堆積密度為1.43 g/cm3、平均孔隙率為50.60%。

        由表2可知,尾砂中SiO2、Fe、S、CaO含量較高,分別為28.73%、18.40%、12.06%、10.48%;其次為MgO和Al2O3,含量分別為4.95%和4.08%。尾砂中較高含量的硫?qū)Τ涮铙w強(qiáng)度有不利影響。

        由表3 可知,尾砂的d10=1.074 μm、d50=21.27 μm、d60=37.55 μm、d90=112.5 μm,+75 μm 產(chǎn)率為21.42%,粗顆粒含量較少,屬于細(xì)—極細(xì)粒尾砂,顆粒不均勻系數(shù)為34.96,顆粒級配不均勻。

        由表4可知,隨著灰砂比降低,尾礦膠結(jié)體黏聚力顯著下降,密度、摩擦角不同程度降低,滲透系數(shù)提高?;疑氨葹?∶4 時,尾礦膠結(jié)體密度為1.56 g/cm3,黏聚力為77 kPa,摩擦角為31.1°,滲透系數(shù)為1.32×10-5cm/s;灰砂比為1∶8 時,尾礦膠結(jié)體密度微降至1.53 g/cm3,黏聚力大幅度降至43 kPa,摩擦角降低為30.2°,滲透系數(shù)提高為1.55×10-5cm/s;灰砂比為1∶12時,尾礦膠結(jié)體密度再微降至1.52 g/cm3,黏聚力大幅度降至23 kPa,摩擦角降低為29.6°,滲透系數(shù)提高為1.98×10-5cm/s。

        2 尾礦膠結(jié)體充填對邊坡穩(wěn)定性的影響

        選定典型的分析剖面是邊坡穩(wěn)定性研究的重要前提,直接關(guān)系著邊坡穩(wěn)定性研究的可靠性和成果質(zhì)量。本研究的露天坑共分4個邊坡分區(qū),每個分區(qū)一個代表性剖面。本研究選取安全系數(shù)較低的A—A′剖面、B—B′剖面。研究不同灰砂比、不同充填高度下邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律,從而確定尾礦膠結(jié)體充填方案。邊坡單臺階高度為12 m,受滑坡等原因影響,局部邊坡發(fā)生并段,本研究充填方案以24 m 為1層。邊坡巖石主要為微風(fēng)化、中風(fēng)化凝灰?guī)r及微風(fēng)化、中風(fēng)化高嶺土化輝長閃長巖。

        2.1 研究選用巖石力學(xué)參數(shù)

        本研究選用巖石力學(xué)參數(shù)見表5。

        2.2 A—A′剖面研究

        A—A′剖面概化剖面圖見圖1。

        2.2.1 沒有尾礦膠結(jié)體回填工況下的邊坡安全系數(shù)分析

        在沒有尾礦膠結(jié)體回填的工況下,考慮地下水滲流,邊坡安全系數(shù)見圖2。

        由圖2 可見,邊坡安全系數(shù)為0.921,處于欠穩(wěn)定狀態(tài);邊坡外側(cè)滑動面為安全系數(shù)較低的滑動面,在沒有尾礦膠結(jié)體回填的工況下,邊坡發(fā)生整體滑動可能性較大,安全隱患較大。因此,必須盡快對邊坡進(jìn)行尾礦膠結(jié)體回填加固。

        2.2.2 不同灰砂比的尾礦膠結(jié)體回填工況下的邊坡的安全性

        2.2.2.1 第一層

        圖3~圖5 為A—A′剖面第1 層不同灰砂比的尾礦膠結(jié)體回填后邊坡的安全系數(shù)變化情況。

        由圖3~圖5 可知,當(dāng)采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時,邊坡安全系數(shù)為1.065;當(dāng)采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時,邊坡安全系數(shù)為1.061;當(dāng)采用灰砂比1∶12 的尾礦膠結(jié)體充填第1層時,邊坡安全系數(shù)為1.056。由此可見,在尾礦膠結(jié)回填第1 層時,尾礦膠結(jié)體灰砂比越高,對邊坡加固效果越好。由于第1 層尾礦膠結(jié)體回填對露天坑坑底有加固效果,且將作為露天坑尾砂回填的基礎(chǔ),因此第1 層采用1∶4 的尾礦膠結(jié)體進(jìn)行充填,充填后邊坡安全系數(shù)為1.065。

        2.2.2.2 第二層

        圖6~圖8 為A—A′剖面第2 層不同灰砂比的尾礦膠結(jié)體回填后邊坡的安全系數(shù)變化情況。

        由圖6~圖8可知,在第1層采用灰砂比1∶4的尾礦膠結(jié)體充填后,第2 層采用灰砂比1∶4、1∶8、1∶12的尾礦膠結(jié)體充填,邊坡安全系數(shù)均為1.159。隨著充填高度的提高,邊坡安全系數(shù)顯著提高,但第2 層尾礦膠結(jié)體的配比對邊坡安全系數(shù)沒有影響,因此,考慮經(jīng)濟(jì)效益,可以選用較低灰砂比的尾礦膠結(jié)體。但為了保護(hù)基底尾礦膠結(jié)體,同時起過渡作用,第2層采用灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體充填,后續(xù)采用灰砂比為1∶12的尾礦膠結(jié)體充填。

        2.3 B—B′剖面研究

        B—B′剖面概化剖面圖見圖9。

        2.3.1 沒有尾礦膠結(jié)體回填工況下的邊坡安全系數(shù)分析

        在沒有尾礦膠結(jié)體回填的工況下,考慮地下水滲流,邊坡安全系數(shù)為見圖10。

        由圖10 可見,邊坡安全系數(shù)為1.102,處于穩(wěn)定狀態(tài),但安全儲備不高;邊坡外側(cè)滑面為安全系數(shù)較低的滑動面,在沒有尾礦膠結(jié)體回填的工況下,邊坡可能發(fā)生整體滑動,具有一定的安全隱患。因此,必須對邊坡進(jìn)行尾礦膠結(jié)體回填加固。

        2.3.2 不同灰砂比的尾礦膠結(jié)體回填工況下的邊坡的安全性

        2.3.2.1 第一層

        圖11~圖13 為B—B′剖面第1 層不同灰砂比的尾礦膠結(jié)體回填后邊坡的安全系數(shù)變化情況。

        由圖11~圖13 可知,當(dāng)采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時,邊坡安全系數(shù)為1.233;當(dāng)采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時,邊坡安全系數(shù)為1.233;當(dāng)采用灰砂比1∶12 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時,邊坡安全系數(shù)為1.229。由此可見,在尾礦膠結(jié)回填第1層時,尾礦膠結(jié)體灰砂比變化對邊坡加固效果影響較小。由于第1 層尾礦膠結(jié)體回填對露天坑坑底有加固效果,且將作為露天坑尾砂回填的基礎(chǔ),因此第1 層采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體進(jìn)行充填,充填后邊坡安全系數(shù)為1.233。

        2.3.2.2 第二層

        圖14~圖16 為B—B′剖面第2 層不同灰砂比的尾礦膠結(jié)體回填后邊坡的安全系數(shù)變化情況。

        由圖14~圖16 可知,第2 層尾礦膠結(jié)體的灰砂比對邊坡安全系數(shù)影響不大,考慮經(jīng)濟(jì)效益因素,可以適當(dāng)降低尾礦膠結(jié)體的灰砂比。為了保護(hù)基底尾礦膠結(jié)體,同時起過渡作用,第2 層采用灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體充填,充填后邊坡安全系數(shù)為1.389,后續(xù)則可采用灰砂比1∶12的尾礦膠結(jié)體充填。

        3 尾礦膠結(jié)體充填經(jīng)濟(jì)成本分析

        以24 m 為1 層,露天坑總共可分為7 層。每層尾礦膠結(jié)體與成本相關(guān)指標(biāo)見表6。

        由表6 可知,第2 層采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填,比灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填可節(jié)約129萬元固化劑成本;第3 層采用灰砂比1∶12 的尾礦膠結(jié)體充填,比灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填可節(jié)約189 萬元固化劑成本,比灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填可節(jié)約49萬元固化劑成本。通過降低尾礦膠結(jié)體灰砂比可顯著節(jié)約成本,因此,充填方案在經(jīng)濟(jì)上是可行的。結(jié)合上文對邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)論,建議第1層采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填,第2 層采用灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體充填,其他層則均采用灰砂比1∶12的尾礦膠結(jié)體充填。

        4 結(jié)論

        (1)擬用于某露天坑充填的尾砂平均密度為2.89 g/cm3、平均堆積密度為1.43 g/cm3、平均孔隙率為50.60%;SiO2、Fe、S、CaO 含量較高,其次為MgO 和Al2O3,硫是影響充填體強(qiáng)度的因素;尾砂d10=1.074 μm、d50=21.27 μm、d90=112.5 μm,屬細(xì)—極細(xì)粒尾砂,顆粒不均勻系數(shù)為34.96,顆粒級配不均勻;隨著灰砂比降低,尾礦膠結(jié)體黏聚力顯著下降,密度、摩擦角不同程度降低,滲透系數(shù)提高。

        (2)尾砂膠結(jié)體充填露天坑,可以顯著提高邊坡的安全系數(shù)。A—A′剖面在露天坑回填之前邊坡安全系數(shù)為0.921,采用灰砂比1∶4的尾礦膠結(jié)體充填第1層后,邊坡安全系數(shù)為1.065;采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填第2 層后,邊坡安全系數(shù)為1.159。B—B'剖面在露天坑回填之前的邊坡安全系數(shù)為1.102,采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層后,邊坡安全系數(shù)為1.233;采用灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體充填第2層后,邊坡安全系數(shù)為1.389。

        (3)依據(jù)A—A′剖面、B—B′剖面充填尾礦膠結(jié)體的安全系數(shù),并結(jié)合充填經(jīng)濟(jì)成本因素,建議第1層充填灰砂比1∶4的尾礦膠結(jié)體,第2層充填灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體,其余層均充填灰砂比1∶12 的尾礦膠結(jié)體,從而達(dá)到安全和效益的最大化。

        (4)露天坑的廢棄空間是一種資源,向其中充填尾礦膠結(jié)體,既可解決尾礦的堆存問題,又可加固邊坡,具有極大的安全效益和社會效益、經(jīng)濟(jì)效益。

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