尾礦固結(jié)技術(shù)在某礦山塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理中的應(yīng)用

鄭德彬

（五礦礦業(yè)（安徽）工程設(shè)計有限公司）

近40 a來，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)快速增長的同時，也伴生和遺留下一系列的問題。長期大規(guī)模的開采，使得當(dāng)?shù)赝恋厮萘芽p、礦渣亂堆、土地壓占等問題凸顯，廢礦井、塌陷坑、露天采礦坑遍布礦區(qū)。

據(jù)統(tǒng)計，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”的國家環(huán)保理念。

武安市某礦山是一座采用崩落法開采的礦山，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年末該礦資源儲量1 545.91萬t。經(jīng)過多年的地下采礦活動，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的前提下，擬利用尾礦固結(jié)技術(shù)對該塌陷區(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)計生產(chǎn)規(guī)模180萬t/a，1997年開工建設(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，地表錯動范圍隨著地下開采范圍的擴(kuò)大而擴(kuò)大，中心區(qū)域緩慢下沉。塌陷區(qū)最終錯動范圍東西長1 250 m、南北寬850 m，總面積約1.24 km2，塌陷區(qū)容積約276萬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)前開采現(xiàn)狀，結(jié)合礦山5 a規(guī)劃，隨著以后礦體開采范圍向東向深發(fā)展，塌陷區(qū)也會隨之向東發(fā)展，西部區(qū)域隨著采礦活動的結(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)終采時間為主要因素初步評價塌陷區(qū)穩(wěn)定性，認(rèn)為終采時間達(dá)到3.3 a以上基本可以判斷該場地穩(wěn)定。11#勘探線以西區(qū)域2003年采礦活動結(jié)束，從現(xiàn)場踏勘來看，地表主要表現(xiàn)為整體塌陷形成地表移動盆地，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)試驗研究

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

2.1 尾礦的流動性

濃度65%、70%、75%、80%的尾礦狀態(tài)分別見圖1。

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

2.2 塌落度試驗

采用坍落度試驗測定拌合物的流動性，并結(jié)合直觀經(jīng)驗評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)體的塌落度見表1。

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由表1可見，試驗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

不同濃度、不同膠凝材料配比條件下全尾砂固結(jié)體的泌水率情況見表2。

由表2可見，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，其余配比均無泌水現(xiàn)象。

2.4 抗壓強(qiáng)度試驗

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)度見表3。

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由表3可見，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)時間延長而提高。

2.5 泥化試驗

為了考察堆存于塌陷區(qū)的尾礦遭遇雨水沖刷、浸泡時是否會發(fā)生泥化現(xiàn)象，實驗室進(jìn)行了模擬實驗。

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證固結(jié)試塊是否發(fā)生泥化崩解現(xiàn)象，試驗開始的頭20 min持續(xù)觀察試驗進(jìn)程，之后每12 h觀察1次，共觀察48 h。

從試驗結(jié)果看，不添加膠凝材料的試塊在短時間內(nèi)會完全泥化；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、開裂現(xiàn)象；膠凝材料摻量達(dá)到或超過3%的試塊基本不發(fā)生泥化。

2.6 揚(yáng)塵試驗

揚(yáng)塵試驗采用風(fēng)洞實驗筒為測試環(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儀，以測量測試環(huán)境中的粉塵濃度（PM2.5和PM10）。

根據(jù)風(fēng)力等級表及其對應(yīng)的陸地地面物征象描述，試驗設(shè)計風(fēng)速采用4級風(fēng)進(jìn)行揚(yáng)塵監(jiān)測。試驗發(fā)現(xiàn)，在排除測試環(huán)境中粉塵影響的情況下，所測數(shù)據(jù)大部分低于國家標(biāo)準(zhǔn)污染物濃度限值2級標(biāo)準(zhǔn)下的24 h平均值。

2.7 試驗結(jié)論

膠凝材料的摻入對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，滿足隨塌陷區(qū)下塌而下塌的要求；同時，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)波動等外部因素干擾較大，尾礦含水率較高時，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，最后通過壓濾，使含水率小于20%，再經(jīng)汽車運(yùn)輸至塌陷區(qū)進(jìn)行回填。根據(jù)目前國內(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，該方案可以分期實施，一期可實施部分壓濾機(jī)運(yùn)行，再根據(jù)實際運(yùn)行情況，對設(shè)備、工藝等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后再實施二期工程，保證整個回填治理工程建設(shè)合理、運(yùn)行可靠，降低了一次性資金投入，項目風(fēng)險較小。估算需投資約1 934萬元。

從礦山實際情況、工藝流程特點及投資估算看，濃縮壓濾固結(jié)方案優(yōu)勢更加明顯。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

（1）礦山塌陷區(qū)大部分區(qū)域較穩(wěn)定，具備回填治理條件。

（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，且穩(wěn)定性好、強(qiáng)度適宜，對井下采礦活動影響小，滿足塌陷區(qū)回填作業(yè)對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）通過尾礦固結(jié)回填，塌陷區(qū)得到了治理，同時也一定程度上解決了該礦山的尾礦排放問題。

（5）用尾礦固結(jié)的方法來治理地表塌陷坑，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的尾砂量，甚至實現(xiàn)無尾排放，節(jié)省了尾礦庫的建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用，減少了對耕地的占用，降低了對周圍環(huán)境的影響。