金属矿露天坑与地下空区尾矿协同充填清洁生产_卢宏建.pdf

收稿日期2019-10-08 基金项目河北省自然科学基金项目 （编号 E2018209129） 。 作者简介卢宏建 （1980） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 金属矿露天坑与地下空区尾矿协同充填清洁生产 卢宏建 1 王奕仁 1 李成合 2 李胜 2 李晓东 2 杜英男 21 （1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063210； 2. 河北钢铁集团矿业有限公司石人沟铁矿， 河北 唐山 063701） 摘要针对露天坑和地下空区诱发地质灾害、 尾矿库存在溃坝风险和破坏区域环境等问题， 以金属矿露天 转地下开采矿山工程为研究对象， 结合阶段空场嗣后充填法开采， 发明了不均匀尾矿充填体制作与取样装置， 基于 流体弗劳德准则， 结合现场原位取样力学试验， 提出了考虑尾矿充填强度不均匀特性的强度计算方法； 基于测量学 与系统工程理论， 提出了露天坑与地下空区三维信息提取和尾矿协同充填与排水技术； 运用流体力学和有限元理 论构建了一次充填高度和挡墙构筑位置参数优化三维模型， 形成了高效材料再用低成本轻型挡墙尾矿充填封 闭技术。研究成果在石人沟铁矿得到应用， 建成了原矿200万t/a的铁矿床露天转地下开采尾矿充填清洁技术工程 示范， 取得的主要技术指标为尾矿综合利用率达到100、 嗣后充填成本25元/t、 挡墙构筑效率0.016道/人时、 构 筑成本606元/m2。突破了露天坑与地下空区尾矿协同充填技术瓶颈， 完善了矿山尾矿处置理论与技术， 实现了尾 矿零排放， 消除了露天坑与地下空区安全隐患， 推动了冶金矿山生态文明建设， 加快了资源绿色开采进程。 关键词金属矿露天坑地下空区尾矿协同充填清洁生产 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-137-07 DOI10.19614/ki.jsks.202005020 Tailings Synergetic Filling Cleaner Production of Open Pit and Underground Goaf in Metal Mine Lu Hongjian1Wang Yiren1Li Chenghe2Li Sheng2Li Xiaodong2Du Yingnan22 （1. College of Mine Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China； 2. Shirengou Iron Mine， Hebei Iron and Steel Mining Co.， Ltd.， Tangshan 063701， China） AbstractIn order to solve the problem of geological disaster induced by open pits and underground goafs， dam break and regional environment damage exist in the tailings of the tailings reservoir．Regarding the metal mine of open pit to under- ground project as the study object， combining the sublevel open stope with subsequent filling technology， innovatively invent- ed a device for making and sampling tailings with uneven tailings．Based on the fluid Froude criterion， combined with in-situ sampling mechanical tests on the spot， a strength calculation that takes into account the uneven characteristics of tail- ings filling strength was proposed．With surveying and system engineering theory， three-dimensional ination extraction of open pits and underground empty areas， and synergetic filling and drainage technology of tailings are proposed； by using fluid mechanics and finite element theory， a three-dimensional model of primary filling height and retaining wall construction pa- rameters is optimized to an efficient-material reuse-low-cost light retaining wall tailings filling and closing technology． The study results have been applied in the Shirengou Iron Mine and the demonstration project of the tailings filling and clean- ing technology for the open pit to underground mining of 2 million tons per year of iron ore has been built， the main technical indicators are obtained asthe comprehensive utilization rate of tailings is 100， the subsequent filling cost is 25 RMB /t， the one construction efficiency of retaining wall needs 0．016 man-hour， and the construction cost is 606 RMB /m2， which solved the bottleneck of tailings co-filling technology in open pits and underground goafs， improved the theory and technology of mine tailings disposal， achieved zero emissions from tailings，eliminated safety hazards in open pits and underground goaf， promoted the ecological civilization construction of metallurgical mines， speeded up the process of resource green mining． KeywordsMetal mine， Open pit， Underground goaf， Tailings， Synergetic filling， Clearer production Series No． 527 May 2020 全世界每年采出矿产资源 （金属、 非金属、 煤） 90亿t， 排弃废石和尾矿300亿t ［1］。截至2018年底， 我 137 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 国现有尾矿库 12 万余座， 每年排放尾矿 16 亿 t ［2-4］。 矿产资源开采后遗留的露天坑和地下空区诱发地质 灾害， 贮存于尾矿库的尾矿存在溃坝风险和危害区 域环境， 是金属矿产资源开发利用过程产生的 “两害 一废” ， 是矿山绿色开采亟待解决的难题。尾矿充填 采矿技术是生产安全、 环境友好开采方式的代表， 近 年来获得了广泛应用和长足发展， 但是其不能全部 消耗矿山排弃的尾矿 ［5-6］。对于露天转地下矿山， 还 需要面临早期露天开采遗留的露天坑治理问题。刘 允秋 ［7］、 廉杰等［8］提出了露天坑治理和综合利用方 法， 但如何利用露天坑与地下空区进行尾矿协同充 填， 实现矿山尾矿充填清洁生产， 达到 “一废治两害” 的目的， 在理论与技术方面需要深入系统地研究。 本研究通过对露天坑与地下空区三维信息获取 技术、 尾矿充填强度计算方法、 露天坑与地下空区尾 矿协同充填与排水技术、 高效-材料再用-低成本轻 型挡墙尾矿封闭技术进行系统分析， 形成了一套适 用于露天转地下矿山的露天坑与地下空区尾矿协同 充填清洁生产技术， 研究成果在石人沟铁矿得到应 用， 建成了原矿200万t/a的铁矿床露天转地下开采 尾矿充填清洁技术工程示范。 1露天坑与地下空区尾矿充填强度需求计算 方法 针对目前充填体强度设计缺乏统一标准， 常采 用理论公式法和类比法确定， 空区尾矿充填强度存 在空间差异等问题， 基于流体弗劳德准则， 运用发明 的不均匀尾矿充填体制作与取样装置进行相似试 验， 结合现场原位取样力学试验， 揭示空区尾矿充填 强度空间差异性分布特征， 提出考虑尾矿充填强度 不均匀特性的强度计算方法， 进而确定露天坑与地 下空区尾矿充填强度。 1. 1空区尾矿充填强度空间差异性分布特征 在充填作业过程中， 由于离析沉积作用， 导致尾 矿充填到采场内强度存在不均匀性 ［9-10］。因此厘清 采场内充填体强度的空间分布规律， 对尾矿充填强 度需求设计至关重要。目前主要采用钻孔取样分析 尾矿充填强度空间差异性分布特征， 存在成本高、 扰 动大等不足。基于此， 发明了不均匀尾矿充填体制 作与取样装置与试验方法 ［11］， 揭示了空区尾矿充填 强度空间差异性分布特征， 即 空区尾矿充填体存在 两个分界面和粗骨料、 细骨料及灰砂3个不同区域。 通过对相似试验试件和原位取样试件进行试验内压 缩试验， 得出了相同规律。即沿充填料浆流动方向， 尾矿充填体的强度呈减小增加减小的 “S” 型分 布， 存在强度增强区和损失区。同时利用电子扫描 显微镜试验与X射线衍射仪微观检测方法分析了不 同区域充填体的微观结构特征与物相组成， 揭示了 空区尾矿充填体强度差异原因 ［12］。为考虑尾矿充填 强度不均匀特性的需求计算提供了理论依据。 1. 2露天坑尾矿充填强度设计 本研究将露天坑视为一个大的空区进行尾矿贮 存， 开采价值低的矿体时， 不回收露天转地下隔离矿 柱， 露天坑回填采用低配比的灰砂 （水泥和尾矿） 进 行充填， 不扬尘为灰砂配比依据。开采价值高的矿 体时， 用高灰砂比充填体进行隔离矿柱置换， 同时基 于 “三带” 理论 ［13］确定上部高灰砂配比充填体区域， 结合有限元模型确定强度需求 ［14］。露天坑采用水平 分区和垂直分层进行尾矿充填， 分区长度控制在100 m， 分层高度为1.5 m （图1） 。 1. 3地下空区尾矿充填强度设计 以石人沟铁矿典型两步采的阶段空场嗣后充填 法开采为工程背景 ［15］， 基于空区尾矿充填体强度分 布规律， 提出了空区尾矿充填强度降低系数K1， 一般 取0.6～1.0。同时考虑尾矿充填体安全储备系数K2， （结合 冶金矿山采矿设计规范 （GB 508302013） 和 金属非金属矿山安全规程 （GB l64232006） ， 取 1.6～3.0） ［16］。在 Mitchell强度计算方法的基础上， 提 出了改进的尾矿充填强度σmc计算模型 σmc K2γH K1H L 1 ， 式中，γ为充填体容重， N m 3； H为单侧揭露的充填体 高度， m；L为单侧揭露的充填体长度， m。 138 ChaoXing 2020年第5期卢宏建等 金属矿露天坑与地下空区尾矿协同充填清洁生产 结合石人沟铁矿， 通过理论计算和数值模拟分 析对比， 给出了矿山一步空区尾矿充填强度标准值 为2.0 MPa， 现场实施效果良好， 说明此计算方法对于 现场尾矿充填强度设计具有一定的指导价值。 2露天坑与地下空区尾矿协同充填与排水技术 为了治理金属矿产资源开发利用过程产生的 “两害一废”（露天坑、 地下空区、 尾矿） ， 基于测量学 与系统工程理论， 提出了露天坑与地下空区体积计 算方法与获取技术， 发明了露天坑与地下空区尾矿 协同充填与排水技术， 实现了矿山全部尾矿循环利 用， 形成了尾矿清洁技术。同时将露天坑汇水有效 地截留在地下开采区域上部并进行循环利用， 大幅 降低了排水费用和深部矿体开采涌水淹井事故的发 生概率， 为地下矿山安全生产提供了保障。 2. 1露天坑与地下空区体积计算方法与获取技术 通过将露天终了现状数据 （Atuo CAD 图） 导入 3DMine 数据平台， 生成实体模型， 通过体积计算函 数 ［5］， 可提取出露天坑体积数据 （图2） 。 运用MDL-vs150三维激光扫描仪提取空区三维 点云数据后， 导入3DMine数据平台， 生成实体模型， 可提取出地下空区体积数据 ［17］ （图3） 。 2. 2露天矿坑与地下空区尾矿协同充填与排水技 术方案 露天矿坑与地下空区尾矿协同充填与排水技术 适用于露天转地下后采用空场嗣后充填法开采的矿 山， 协同考虑露天矿坑和地下首采中段空区治理与 排水工作， 将露天坑汇水有效地截留在地下开采区 域上部并进行循环利用， 大幅度降低了深部矿体开 采涌水淹井事故的发生概率， 能为地下矿山安全生 产提供保障。该技术在石人沟铁矿得到了应用， 技 术实施方案如图4所示 ［18］。 矿山地下首采中段开采结束后， 采空区未充填 时的矿山纵剖面如图4 （a） 所示， 在地下首采中段采 空区5i顶部对应的露天坑底部钻凿充填孔12和滤水 管放置孔13 （图4 （b） ） ， 充填孔12和滤水管放置孔13 并根据采空区长度进行布设， 孔的直径为150 mm， 进 行20 mm混凝土护壁处理。 在地下首采中段合适的位置设置充填挡墙24， 自露天坑底的滤水管放置孔13下放滤水管14到充 填挡墙24的滤水孔位置 （图4 （g） ） ， 滤水管选用波纹 滤水管， 其管径为100 mm， 滤水管外层用麻布包裹， 内层用滤布包裹， 并用细铁丝捆扎。 对露天转地下过渡期的地下开采的首个中段的 采空区5i进行充填处理， 如图4 （c） 所示。 将地下首采中段采空区充填治理的滤水管路14 延长作为露天坑堆填治理的排水通道， 按照露天坑 尾矿充填强度设计要求对露天坑进行分区分层回 填， 滤水管14通过接头、 弯头18连接改变长度和空 139 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 间位置， 通过三通19连接增加滤水管数量， 如图4 （e）所示。 露天坑回填分区长度和宽度不大于100 m， 分区 中间布置方形泄水井17， 采用砖墙砌筑， 尺寸为150 mm150 mm， 进行20 mm混凝土护壁处理， 泄水井 砌筑高度大于分层堆填高度的200 mm， 泄水井17内 连接的滤水管14高度大于分层堆填高度的400 mm。 在地下过渡期的首采中段合理位置布设防水闸 门26， 形成安全储备水仓。 露天坑汇水经泄水井17， 滤水管14， 排水沟， 过 渡期地下开采的水仓 101、 水泵 102排至地表循环利 用。 3高效-材料再用-低成本轻型挡墙尾矿充填 封闭技术 针对充填挡墙构筑时间长、 成本高的问题， 基 于再利用矿山支护废旧材料的思路， 设计了一种由 钢骨架 （锚杆和钢管） 、 木板、 钢筋网、 土工布、 钢支 撑等材料组成的轻型充填挡墙。运用流体力学和 有限元理论构建了一次充填高度和挡墙构筑位置 参数优化三维模型， 形成了轻型挡墙的设计计算 实施的整套工艺技术 （图5） 。结合石人沟铁矿的 围岩体和充填体力学特性进行了计算和实施应用。 与矿山前期的砌砖充填挡墙相比， 挡墙构筑效率从 0.01道/ （人 时） 提升至0.016道/ （人 时） ， 构筑成本从 788元/m2降至606元/m2（成本计算未考虑木板和钢管 的循环利用次数， 钢管可循环使用6～8次， 木板循环 使用3～4次） ［19-21］。 4工程示范 研究成果在石人沟铁矿得到应用， 建成了原矿 200万t/a的铁矿床露天转地下开采尾矿充填清洁技 140 ChaoXing 2020年第5期 术工程示范， 形成了采矿选矿尾矿资源综合利 用绿色清洁生产技术体系 （图6） 。主要技术指标为 尾矿综合利用率达到100， 嗣后充填成本25 元/t， 挡 墙构筑效率0.016道/ （人 时） ， 构筑成本606 元/m2， 矿 山-180 m水平正常排水量28 346 m3/d， 最大排水量 49 811 m3/d （与崩落法开采比较， 矿山汇水面积减小 65） 。 5结论 （1） 发明了不均匀尾矿充填体制作与取样装置， 揭示了空区尾矿充填强度空间差异性分布特征， 提 出了考虑尾矿充填强度不均匀特性的强度计算方 法， 确定了露天矿坑与地下空区尾矿充填强度。 （2） 提出了露天矿坑与地下空区体积数据信息 获取与计算方法， 发明了露天矿坑与地下空区尾矿 协同充填与排水技术， 实现了矿山全部尾矿循环利 用。 （3） 提出了一种轻型充填挡墙结构， 构建了一次 充填高度和挡墙构筑位置参数优化三维模型， 形成 了轻型挡墙尾矿充填封闭设计计算实施的集成 工艺技术， 提高了挡墙构筑效率， 降低了挡墙构筑成 本。 （4） 研究成果在崩落法开采的露天转地下矿山 和地下矿山推广应用具有一定的局限性， 后续将针 对采用崩落法开采矿山的尾矿协同充填清洁技术进 行研究。 参 考 文 献 刘玉林， 刘长淼， 刘红召， 等．我国矿山尾矿利用技术及开发利 用建议 ［J］ ．矿产保护与利用， 2018 （6） 140-144． Liu Yulin， Liu Changmiao， Liu Hongzhao， et al．Utilization technolo- gy of mine tailings in China and exploitation suggestions ［J］ ．Conser- vation and Utilization of Mineral Resources， 2018 （6） 140-144． 王运敏， 项宏海．排土场稳定性及灾害防治 ［M］ ．北京 冶金工业 出版社， 2011． 卢宏建等 金属矿露天坑与地下空区尾矿协同充填清洁生产 ［1］ ［2］ 141 ChaoXing Wang Yunmin， Xiang Honghai．Waste Dump Stability and Disaster Prevention ［M］ ．BeijingMetallurgical Industry Press， 2011． 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