尾礦庫回采過程中關鍵工藝技術及安全要點

劉曉峰，袁永強

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

0 背景

據統計，截至2017 年底，我國現有非煤礦山數量44 998 座[1]，這些礦山在采礦和加工過程中產生了大量的尾礦。 為貯存這些尾礦，配套有7 793 座尾礦庫，目前尾礦的堆積總量已超過2.0×107kt。 尾礦作為目前產出量最大、堆存量最多的固體廢棄物，所帶來的環境問題和安全隱患，嚴重制約了礦業經濟和礦業城市的可持續發展。回采、綜合利用現有的大量尾礦庫，既可“變廢為寶”，又可有效緩解資源和環境壓力，并最終減輕或消除尾礦庫的安全隱患[5]。 然而，隨著尾礦庫回采越來越多，若在回采過程中未足夠重視回采關鍵技術及安全設施等環節， 事故的發生將難以避免。因此，本文擬對回采過程中關鍵工藝技術及安全設施要點進行分析， 以期為回采過程中不斷形成的尾砂動態臨時邊坡穩定安全及回采作業人員的人身安全提供保障。

1 尾砂特性

尾砂是選礦廠在特定的經濟技術條件下，將礦石磨細，選取有用成分后排放的廢棄物。 各礦山尾砂粒徑均有差別，國內部分礦山項目尾礦粒徑占比情況見表1。

表1 礦山尾礦項目粒徑占比情況

根據尾砂粒徑粗細及占比情況，尾礦類別分為尾礫砂、尾粗砂、尾中砂、尾細砂、尾粉砂及尾粉土等[6]。鎢礦山尾礦相對較粗，大部分尾砂粒徑滿足建筑砂石粒徑+0.15 mm 的要求，可作為建筑砂石料考慮；其它礦山尾礦，由于尾砂粒徑及成分原因，主要作為蒸壓加氣混凝土砌塊、 混凝土摻合料及建材用硅質原料等[7-8]。

目前，隨著選礦工藝的愈加成熟，回收項越來越多，回收率也越來越高，致使尾礦粒徑越磨越細。尾砂的類別也逐步由砂性尾礦轉變為粉性尾礦，甚至黏性尾礦。尾礦的內摩擦角減小，孔隙率增大，導致回采過程中尾礦邊坡自穩性減弱，易形成滑坡、坍塌，而造成安全生產事故。 不同尾礦平均物理力學性質見表2。

表2 不同尾礦平均物理力學性質

2 回采工藝及技術要點

尾砂作為一種人工次生資源， 其回采與原生礦產資源回采不同。一般尾砂采用露天回采方式，由于堆積尾砂的承載力低且不均勻， 因此選擇回采方法時，要考慮尾砂的承載力，尤其要考慮回采過程中的邊坡安全穩定性。目前，國內尾礦庫回采相關技術規范尚在制定當中。

2.1 尾砂回采方式比較

尾砂回采主要有水采和干采兩種方式。其中，較為成熟的水采有采砂船回采和水力沖砂回采，一般還需配套壓濾設施； 干采一般使用挖掘機加運輸系統回采。

一般而言，采砂船回采，安全性相對較好，對尾礦庫壩體及排洪系統損害較小，但是前期投入較大，需隨時對庫內回水進行補充， 管理及回采運行成本較高。 水力沖砂回采，工藝相對簡單，但對作業人員的要求相對較高。為了回采尾砂，需要在尾礦庫尾部形成一個人工沼澤區， 在雨季或雨量較大時危險性較大。 挖掘機加運輸系統回采，工藝較簡單，勞動強度低，易于安全生產管理。 其中，汽車運輸相對運用較為廣泛，主要在于其機動靈活，移動方便。

考慮到目前回采的尾礦庫大多已停用或閉庫多年，表面板結，具有一定的承載力，干采簡單靈活，不需考慮壓濾脫水的優勢更為明顯， 故尾砂干采方式相對普遍。

2.2 回采技術要點

結合回采項目實際工程，本文總結并提出了尾砂干采過程中應該注意的幾個關鍵技術及安全設施要點，具體如下：

1）回采分區的技術要求。 為避免尾礦庫大面積無序開采，且為確保回采過程中尾礦壩的穩定安全，需對尾礦庫進行分區回采。 尾礦庫宜分3 個開采區（如庫面較短則可分2 個開采區）：靠尾礦庫庫尾為Ⅰ號開采區，為排洪系統所在區，需提前降低進水口高程，確保回采過程中的排洪安全。 相對而言，該區尾礦粒度最細、含水率最大、承載力最低，其分區寬度可短些。尾礦庫中部區域為Ⅱ號開采區，為回采主區，尾砂粒度及承載力一般，其分區寬度最長。 堆積壩壩前為Ⅲ號開采區， 為尾礦庫回采過程中的安全預留區，該區尾礦粒徑最粗，承載力最高，其分區寬度應不小于尾礦庫生產運行中要求的干灘長度（含安全超高要求）。

圖1 尾礦庫回采分區示意

在回采過程中，應按Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號開采區輪流開采，如圖1 所示。先行開采Ⅰ號和Ⅱ號開采區對應的1 和2 開采區， 再開采Ⅰ號和Ⅱ號開采區對應的3及4 開采區，然后開采Ⅲ號開采區對應的5 開采區，再輪流開采3 個區對應的6、7、8……開采區， 直至回采完成。 在回采過程中始終確保Ⅰ和Ⅱ號開采區要比Ⅲ號開采區低一至二個臺階。

2）動態的截水及排洪設施。 在回采過程中必須高度重視防洪排水工作，做到安全行洪，盡可能不浸泡回采邊坡。 應率先降低Ⅰ號開采區排洪設施的進水口高程，確保回采期間排洪安全，同時在回采過程中盡量保證雨水能自流至Ⅰ號開采區排洪設施處。

如尾礦庫兩側匯水面積較大時， 可在庫區岸坡上修筑截水溝將雨水引至庫外或在靠近庫區山坡的尾砂上， 開挖臨時渠道連接至現有排洪設施或引至庫外。如在下部尾砂回采過程中，涉及其它在生產運行過程中已封堵的排洪系統，并難以拆除時，為了確保尾礦庫回采期排洪安全， 需通過開挖臨時明渠或鋪設臨時涵管方式將庫內雨水引至庫外。 其中臨時渠道、臨時明渠及臨時涵管均是是動態的，隨著回采工作面的降低而逐漸下降，并不斷拆除重建。為過流安全， 臨時渠道和臨時明渠內側可采用三合板或土工膜進行保護，其也便于拆除和鋪設。尾礦庫回采臨時排水設施見圖2。

圖2 尾礦庫回采臨時排水設施示意

3）回采高度控制技術要求。 回采過程中應由庫內往壩前、自上而下分層逐層開采。根據挖掘機挖深、挖掘機作業高度及邊坡安全等因素， 每層回采高度宜控制為2.0～3.0 m，回采過程中始終確保Ⅰ和Ⅱ號開采區要比Ⅲ號開采區低一至二個臺階， 相鄰回采區間最大相差二個臺階。 相鄰兩區間最大高差的設定是考慮到回采過程中即使邊坡坍塌， 也不至于導致重大傷亡事故。 即便6.0 m 高的邊坡發生坍塌，也不會將作業的挖掘機完全淹沒， 搶救被困人員相對也容易。

4）回采邊坡控制技術要求。 回采過程中應高度重視尾礦壩及尾礦回采形成的動態臨時邊坡安全穩定。 因尾礦壩隨回采逐步降低，勢能也逐步減小，故只需保證堆積壩壩體浸潤線深度滿足相關要求、Ⅲ號開采區有足夠的預留寬度，即能確保尾礦壩安全。

回采動態臨時邊坡安全與邊坡高度及尾砂內摩擦角息息相關。 邊坡高度控制在相鄰回采區間最大相差二個臺階。 由于放礦沉積、上覆荷載、粒度粗細及固結程度等差異， 各回采區尾砂內摩擦角也不盡相同。 根據尾砂粒徑與內摩擦角研究試驗情況[9-10]，且考慮到砂面上有車輛來回運輸， 回采邊坡建議不陡于1∶2.5； 同時在尾礦回采期間應加強邊坡的監測。值得指出的是：在雨季及降雨后，由于雨水浸泡，其內摩擦角會大幅度降低， 使得尾砂邊坡易造成失穩或處于臨界狀態。因此，必須建立專職安全人員檢查現場，確保檢查邊坡安全后，設備和人員方可進入庫內繼續施工作業。

5）庫內相關設施保護要點。 在開采前應在現場標識出排洪設施及初期壩壩體的位置。 為保證排洪系統的安全，排洪設施15 m 范圍內的尾砂，不得采用挖掘機械回采（可輔以水力沖砂回采），且其兩側的尾砂應均勻下降，避免形成較大高差；在回采至初期壩壩體標高時， 開采作業位置需控制距離壩體內坡線2 m 以外，避免破壞壩體。

6）臨時道路技術要求。根據尾砂承載力指標，盡量選用接地比壓較小的履帶式挖掘機進行回采作業。為確保配套汽車的正常運輸，除尾礦庫場外道路外，還需在尾礦庫內修筑臨時道路。 臨時道路應緊鄰山體岸坡設置，寬度不宜小于5.0 m，坡度不得大于8%，并隨著尾砂回采標高的下降而逐漸降低。同時，為避免回采對臨時道路影響， 回采邊界應與臨時道路底邊線保持一定距離，建議不小于3 倍的道路高度。庫內臨時道路示意見圖3。

圖3 庫內臨時道路示意

7）輔助設施備用要求。 為防止回采區局部地段存有積水而影響回采作業， 在回采時應備用一臺具有較好的耐磨性能、 能適應回采的污水和泥沙的潛水泵。同時現場應配有鋼絲繩和卸扣，以便車輛陷入時將其拖出。在尾砂較為松軟的地方，可采用焊接螺紋鋼條的鋼板墊于地面上。

8）尾礦庫回采后終期用途。 尾礦庫回采后一般考慮重新復用或者銷庫。 重新復用指的是重新作為尾礦庫使用，并進行排尾作業，需經認證并征得監管部門審批， 要求在回采過程中盡量保護好相關尾礦設施。 銷庫[11]是指將尾礦庫內尾砂全部清除，并拆除尾礦設施后不再進行排尾作業或庫區恢復至其它用地，不再納入尾礦庫管理范圍。 當需拆除初期壩時，應逐層拆除，避免形成高陡邊坡。

3 結語

1）尾礦庫回采不同于一般的露天采礦，是一項復雜的系統工程， 需對各個環節的關鍵技術進行統籌考慮，做到安全、有序回采。其既要科學合理分區，達到廢棄物資源再利用的目的及確保尾礦庫排洪安全，又要高度重視尾砂邊坡穩定性差的特點，做好臺階高度及邊坡的控制，確保臨時動態邊坡安全穩定，同時還要杜絕洪水淹坑， 設置可靠的動態截水和排洪設施。

2）尾礦庫回采不僅可變廢為寶，緩解資源和環境壓力，具有較高的社會及環境效益，契合了現倡導的“綠色礦山[12]、無廢礦山”總體目標。

3）尾礦庫回采是正常生產的逆過程，通過回采，可減輕或徹底消除尾礦庫重大危險源對下游的危害。