北洺河鐵礦全尾砂膠結充填治理塌陷區的可行性研究①

汪光德，原明亮，曾建紅，王榮軍，周超群

（1.五礦礦業控股有限公司，河北 邯鄲056300；2.長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙410012）

近年來，“綠水青山就是金山銀山”的綠色發展理念已經深入人心，新建地下礦山普遍采用地下充填工藝，正在努力建設無尾礦山、綠色礦山。北洺河鐵礦由于已進入生產的中后期，受礦體賦存條件以及前期無底柱分段崩落采礦方法的限制，無法轉入地下充填，而且地表塌陷區域越來越大。其所屬的尖山北尾礦庫也因為庫容不足，無法滿足該礦后期的尾礦排放需求。因此，積極探索安全的方式將尾礦排入地表塌陷區成為了北洺河鐵礦的最佳選擇。

1 礦山概況

北洺河鐵礦目前是五礦礦業控股有限公司主要生產礦山之一，設計生產規模180 萬噸／年，1997 年開工建設，2002 年投產試運行，2004 年達產。

1.1 礦體特征

北洺河鐵礦屬于接觸交代矽卡巖型礦床，礦床主要賦存于奧陶系中統石灰巖與燕山期閃長巖的接觸帶中。礦床主要埋藏于北洺河河床以下，礦區基巖均為第四系黃土及河床卵石層所覆蓋，整體穩定性差，有近百米的礫石層。

該礦為國內典型的河床下賦存的大型金屬礦山，地質資源儲量為7 909 萬噸，主礦體長1 620 m，寬92～376 m，厚度40～160 m，埋深于136 ～679 m 之間。礦區構造主要以褶皺為主，斷裂次之。雙背斜構造，傾角6°～60°。

礦體形態在平面上為向南突出的“新月形”，在剖面上為大小不等復雜透鏡體，縱剖面上為一變化較大的“長蠕蟲”狀。礦體走向呈近東西向漸轉為北西方向。

1.2 采選工藝

北洺河鐵礦的采礦方法是無底柱分段崩落法，礦床開拓為豎井開拓，首采分段在－20 m 水平，該分段采取了集中大爆破，以形成礦石覆蓋層，松動出礦后誘導頂板巖石跟隨冒落。目前最低開拓水平為－230 m 水平。階段運輸水平－110 m、－230 m 水平，開采分段高為15 m，階段運輸方式為上下盤運輸巷加川脈環形運輸方式，川脈間距60 m。通風為兩翼對角抽出式，多級機站，回風水平－50 m 水平。結構參數分為18 m×15 m和16 m×10 m，采用4 m3電動鏟運機出礦，運輸中段采用14 t 電機車牽引4 m3曲軌側卸式礦車將礦石倒入主溜井，經－258 m 水平破碎和－278 m 及－282 m 水平皮帶轉載，進入計量漏斗，最后由箕斗提升到地表。－110 m 水平到－50 m 水平、－230 m 水平到－110 m 水平間各回采水平設有電梯井供人員上下，并有采區斜坡道供鏟運機上下行走。斜坡道由－230 m 水平向上通至－50 m 水平回風井，回風井為28°斜井，為大型設備下坑的通路。主要井筒有：主井、副井、西風井、主回風井、措施井（目前停止使用）。選礦采用一段開路自磨，二段閉路球磨，三次磁選和尾礦掃選的工藝流程。

1.3 開采現狀

北洺河鐵礦目前正在－230 m 中段開采，該中段的－125 m、－140 m、－155 m、－170 m 水平均已開采結束，主采水平為－185 m 水平，－200 m、－215 m 水平正在進行采準工程。剩余資源儲量約2 000 萬噸。

1.4 尾礦庫情況

北洺河鐵礦尖山北尾礦庫設計總庫容808.73 萬立方米，最終壩高59 m，現已堆筑55 m，剩余有效庫容約90 萬立方米，剩余服務年限不足兩年。

2 塌陷區的穩定性分析

2.1 塌陷區形成過程

北洺河鐵礦于2001 年11 月開始進行無底柱崩落法回采，2003 年2 月底在措施井附近出現塌陷坑，地表錯動范圍隨著地下開采范圍擴大而增加，中心區域緩慢下沉。至2004 年2 月，井下主要采空區上部約1 000 m 范圍內整體下沉2 m 左右。2005 年地表出現3 個較大的塌陷坑，其中最大塌陷坑東西長20 m，南北寬15 m。靠近塌陷坑周邊地表裂縫很多，最大寬度達到400 mm 以上，地表傾斜明顯。

2013 年坍塌范圍發展為39.28×104m2，2014 年塌陷范圍變化不大。2013 年錯動范圍發展為0.96 km2。2014 年錯動范圍為1.18 km2，相較2013 年錯動范圍主要向西北和東部發展。最終錯動范圍為1.24 km2，相較2014 年錯動范圍主要向東北方向發展。

2.2 塌陷區現狀

北洺河鐵礦塌陷區所處區域地勢西高東低，西側標高290.0 ～291.9 m，東側標高269.03 ～272.6 m。北洺河鐵礦塌陷區最終錯動范圍南側邊緣距離北洺河河道北岸60 m，最終錯動范圍東西長1 250 m，南北寬850 m，總面積1.24 km2。初步估算，目前地表塌陷區容積為276 萬立方米以上。

塌陷區西南部為北洺河鐵礦干選廢石排土場，排巖的邊緣已靠近塌陷區域。根據現場踏勘的情況來看，廢石場沉降已經基本穩定。

從現場情況來看，北洺河鐵礦塌陷區11 線以西區域地勢呈整體下沉式盆地，未出現大的塌陷坑。特別是該區域北部生長了雜草及小型灌木，下沉基本穩定。

北洺河鐵礦塌陷區11 線以東區域為主要塌陷區域。最大的塌陷坑邊出現在此區域。依據地形圖，最大塌陷坑深度為50 m（坑底標高231.188 m，附近地表標高281.3 m）。

北洺河地下礦體賦存剖面和北洺河鐵礦塌陷區現狀剖面對照形成北洺河鐵礦塌陷區與地下礦體對照見圖1。

圖1 北洺河鐵礦塌陷區與地下礦體對照

北洺河鐵礦地下礦體呈西高東低的“長蠕蟲”狀。北洺河鐵礦一期（－50 ～－110 m 水平）采礦早已結束，二期（－110～－230 m 水平）正在生產中。其中－110 m、－125 m、－140 m、－155 m、－170 m 水平已回采完畢，－110 m 水平以下礦體主要集中在9 線以東區域。

從圖1 可看出，地表塌陷區內塌陷嚴重的區域集中在礦體厚大區域。11 線到8 線區域礦體最為厚大，北洺河鐵礦塌陷區下沉最厲害的區域也主要集中在此。

2.3 塌陷區穩定性分析

北洺河鐵礦地下礦體采礦呈向深部開拓、回采位置逐漸東移的趨勢。回采工作將繼續在8 線以東－125 m 以下水平進行，因此塌陷區穩定性分析范圍主要為9 線以西區域。

基于對北洺河鐵礦塌陷區三維應力模型的構建，對塌陷區9 線以西區域的穩定性和安全性進行分析評價［1］，得到如下結論：

1）采用無底柱分段崩落法，北洺河鐵礦礦體上部覆蓋巖層垮塌分兩期進行：第一期為井下開采時的隨采隨垮期，該時期的垮塌是由無底柱分段崩落采礦法引起的；第二期垮塌是由于第一期垮塌導致礦體上部覆蓋巖層因自重而在垂直方向形成巨大斷裂面，該巨大斷裂面會導致礦體上部覆蓋巖層呈現整體下沉態勢。因此，第二期垮塌的下沉與井下采動區的下沉是一致的。

2） 9＃～13＃勘探線之間的塌陷范圍面積為409 435.836 3 m2，理論計算平均下沉深度為5.4 m，塌陷區容積為2 210 953.516 m3。

3）在塌陷區的中部（11＃勘探線）以東方向，井下圍巖所承受的壓應力為0.149 ～543 MPa，均遠超過圍巖允許的壓應力范圍（63.608 9～168.101 9 MPa），井下圍巖均處于垮塌狀態。

4）在塌陷區的中部（11＃勘探線）以東方向，井下圍巖所承受的應變在0.293×10－5～0.010 99 之間，均遠超過圍巖允許應變范圍（0.524×10－4～0.675×10－3），井下圍巖均處于垮塌狀態。

5）塌陷區內塌陷較嚴重的位置在10＃～11＃勘探線之間。

經數值模擬研究和現場考察分析，北洺河鐵礦9＃～13＃勘探線之間的塌陷區下部的井下采動區已塌落至地表，塌陷區趨于穩定。

2.4 充填后塌陷區穩定性分析

當塌陷區充入尾砂充填料后，9＃～13＃勘探線可容納221.1 萬立方米充填物料，充填物料密度為1.824 t／m3（實驗預測密度），即403.3 萬噸充填物料。塌陷區平均下降5.4 m，原頂板的負載上部錐體高度為285 m，塌陷區下降距離占原頂板的負載上部錐體高度的5.4／285 ＝1.9%。當物料充滿塌陷區后，井下采動區頂部崩落范圍之內的壓力將增加219 107 Pa，原頂板的負載為上部錐體壓力即13 533 438 Pa。充填物料壓力占原頂板的負載為上部錐體壓力比例為219 107／13 533 438＝1.62%。

如果塌陷區實施逐步充填，已塌陷采空區上部壓力將逐步加大，壓力總值也將增加，但變化不大（增加1.62%）。塌陷區充填物料后，會對已經垮塌采空區起到密實作用，不會再造成大面積垮塌情況。

因此，擬在10＃線以西區域采用膠結尾礦回填，10＃線以東采用廢石回填，回填順序自西向東，按回采結束時間及地表塌陷區穩定情況逐步推進。同時，對塌陷區回填區域進行定期變形監測，取得詳實數據，有效掌握其變化狀態，從而在更合理地利用塌陷區回填區域排放尾礦的同時，保證回填作業人員及設備的安全。回填后的區域將按照“回填一塊、治理一塊”的原則，進行覆土并恢復地表植被。

3 膠結充填技術可行性分析

3.1 膠結充填技術試驗

通過對充填全尾砂進行組分試驗、沉降試驗、流變試驗、泌水試驗、固結試驗、泥化實驗、滲透試驗、環管輸送試驗等，并結合現場條件、設備技術水平［2］，得到如下結論：

1）通過粒度分析結果可知，尾礦中－0.038 mm 粒級含量為43.98%，－0.02 mm 粒級含量為30.96%，表明該尾礦中細粒級含量較多，但通過沉降試驗發現該尾礦的總體沉降性能較好，澄清水固含量低，低濃度時絮凝劑PAM 對其助沉作用十分明顯。

2）從濃縮模型試驗結果來看，該尾礦在模型內的極限壓縮濃度可達到79%，結合膏體濃密機的應用實踐，采用膏體濃密機（添加一定量的絮凝劑）作為北洺河尾礦的制漿設備，工業上可獲得穩定的、底流濃度為60%～75%的尾礦料漿。

3）流變參數測試結果表明，濃度大于60%的尾礦是一種具有屈服值的假塑性流體，能被剪切稀化，其屈服應力與濃度呈指數函數關系。

4）坍落度和泌水試驗結果表明，尾礦膏體料漿的粘聚性、保水性良好，濃度為65%～75%、水泥添加量5%～1%的尾礦試樣，其泌水率值小于5%。其中，濃度為70%的料漿加入2%水泥后，泌水率僅為1.39%，能滿足塌陷區回填要求。

5）固結試驗結果表明，泵送至塌陷區的固結尾礦的抗壓強度只有不到1 MPa，能滿足隨塌陷區下塌而下塌的要求。

6）泥化試驗結果表明，水泥添加量10%以下時，不管是采用管道輸送堆存還是過濾堆存的固結尾礦，在潮濕條件下，遇水不會產生泥化，而干燥后遇水會膨脹散開，成為大顆粒散體。送入塌陷區堆存的尾礦，層層堆放，堆存過程中基本能保持潮濕狀態，也就不會產生泥化問題，而堆存工作結束后，堆層會逐漸由表及里干透，因此在堆存工作結束前可考慮在尾礦堆場上覆蓋一層高配比水泥的尾砂，水泥配比10%以上。

7）滲透試驗結果表明，該尾礦固結后的滲透系數為6×10－7cm／s。

8）環管輸送試驗結果表明，濃度是影響管道摩阻損失的最關鍵因素之一。濃度為65%～72%的尾礦，添加2%的水泥后可進行泵送。

由上述試驗結論可知，充填膏體不會產生大量泌水，由充填膏體產生的水量不會對塌陷區穩定性產生實質影響。膏體固結后本身具有一定的粘結力，基本不會產生泥化現象，不會因泥化產生泥石流現象從而對塌陷區穩定性產生影響。因此全尾砂膠結后用于塌陷區充填是可行的。

3.2 膠結充填主要設備

3.2.1 深錐濃密機

深錐濃密機是制備尾礦膏體的關鍵設備［3］，目前國內該制備工藝已日趨成熟、技術可靠［4］。

根據北洺河鐵礦系統需求，深錐濃密機放砂流量需按92.65 m3／h、放砂質量濃度按70%左右設計。濃密機設計選取單位面積處理量0.7 t／（h·m2），尾砂處理量120.0 t／h，計算濃密機面積171.43 m2，設計濃密機直徑為15 m，面積為176.63 m2。選型具體參數見表1。

表1 深錐濃密機的選型

3.2.2 充填工業泵

充填工業泵用于尾礦充填料的遠距離輸送。目前市場上此類泵的生產廠家較多、技術成熟，但進口泵比國產泵采購成本多50%～100%。

實際運行中考慮不均衡系數1.15，擬選用2 臺充填工業泵輸送泵，1 用1 備。正常輸出流量110 m3／h，正常泵送壓力10 MPa，額定功率320 kW 以上。

4 經濟可行性分析

項目主要經濟技術指標見表2。

表2 項目主要經濟技術指標

本項目需要新建尾礦膏體制備站，該站主要由深錐濃密機、尾礦膏體制備間、藥劑間、充填工業泵泵房、配電室、回水池、回水泵房、倉庫、生活和辦公場所等組成。建設場地擬選擇在北洺河鐵礦西風井廠區南側。其中藥劑間、倉庫、生活和辦公場所可利用西風井現有設施，節省部分投資。

本項目建設投資約為2 100 萬元，其中工程費用為1 600 萬元，工程建設其他費用為350 萬元，預備費為150 萬元。該投資費用比新建庫容為276 萬立方米尾礦庫（最低投資約10 元／m3）節省660 萬元。

本項目運行第2 年單位尾礦運營成本估算為18.30 元／t，見表3。

表3 單位尾礦運營成本估算表

該運營成本與尾礦漿直接排放至尾礦庫相比，主要增加了膠凝材料的消耗費用。

5 環境和社會效益分析

1）本項目的實施，利用了選礦廠的全部尾砂，實現廢物綜合利用，污染物消減量大。膠結尾砂中不摻入任何有害化學制劑，也不會產生二次污染。

2）本項目運行將減少尾礦地表堆存占地和揚塵污染，杜絕尾礦外排造成的安全隱患和環境污染，甚至可以取消尾礦庫，可從根本上解決地表尾礦庫帶來的安全隱患。同時又能改善塌陷區帶來的安全隱患，使區域生態得到一定補償和恢復，對生態環境產生有利影響。

3）本項目將突破性地解決選礦尾礦庫和地下采礦塌陷區兩個重大危險源，為地下開采空區治理提供新路徑和技術支撐。該項目若成功實施，對于國內外同類礦山具有良好的推廣應用價值，對我國金屬礦山尾礦處理和地下采礦技術進步將產生有力推動作用。

因此，該項目的建設具有良好的環境效益和社會效益。

6 結 語

通過對北洺河鐵礦塌陷區的穩定性分析以及對全尾砂膏體制備、輸送、膠結充填技術的可行性試驗研究，并結合經濟估算、環境和社會效益等綜合分析，認為北洺河鐵礦全尾砂膠結充填治理塌陷區的項目完全可行。