某露天坑尾礦膠結體充填方案研究

班振興

（安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司）

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

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進行生態修復，既能消除礦山的地質災害隱患，又能消納大宗固廢，具有極大的社會效益和經濟效益。

研究通過室內試驗確定尾礦膠結體的物理參數，并選取某露天坑的典型剖面，通過數值計算預測充填不同配比的尾礦膠結體對邊坡穩定性的影響，并進行成本分析，從而得出安全效益和經濟效益最大化的回填方案，并指導露天坑的回填。

1 尾礦膠結體力學參數研究

擬用于某露天坑充填的尾砂為3 個生產期的尾砂，分別命名為T1、T2、T3，對應的密度、堆積密度、孔隙率見表1，主要化學成分分析結果見表2，粒度篩析結果見表3，料漿濃度為56%、養護齡期為28 d 的不同灰砂比尾礦膠結體的物理參數見表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對充填體強度有不利影響。

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 產率為21.42%，粗顆粒含量較少，屬于細—極細粒尾砂，顆粒不均勻系數為34.96，顆粒級配不均勻。

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

2 尾礦膠結體充填對邊坡穩定性的影響

選定典型的分析剖面是邊坡穩定性研究的重要前提，直接關系著邊坡穩定性研究的可靠性和成果質量。本研究的露天坑共分4個邊坡分區，每個分區一個代表性剖面。本研究選取安全系數較低的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定性變化規律，從而確定尾礦膠結體充填方案。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化、中風化凝灰巖及微風化、中風化高嶺土化輝長閃長巖。

2.1 研究選用巖石力學參數

本研究選用巖石力學參數見表5。

2.2 A—A′剖面研究

A—A′剖面概化剖面圖見圖1。

2.2.1 沒有尾礦膠結體回填工況下的邊坡安全系數分析

在沒有尾礦膠結體回填的工況下，考慮地下水滲流，邊坡安全系數見圖2。

由圖2 可見，邊坡安全系數為0.921，處于欠穩定狀態；邊坡外側滑動面為安全系數較低的滑動面，在沒有尾礦膠結體回填的工況下，邊坡發生整體滑動可能性較大，安全隱患較大。因此，必須盡快對邊坡進行尾礦膠結體回填加固。

2.2.2 不同灰砂比的尾礦膠結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體回填后邊坡的安全系數變化情況。

由圖3～圖5 可知，當采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結體充填第1 層時，邊坡安全系數為1.065；當采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結體充填第1 層時，邊坡安全系數為1.061；當采用灰砂比1∶12 的尾礦膠結體充填第1層時，邊坡安全系數為1.056。由此可見，在尾礦膠結回填第1 層時，尾礦膠結體灰砂比越高，對邊坡加固效果越好。由于第1 層尾礦膠結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，因此第1 層采用1∶4 的尾礦膠結體進行充填，充填后邊坡安全系數為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體回填后邊坡的安全系數變化情況。

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

2.3 B—B′剖面研究

B—B′剖面概化剖面圖見圖9。

2.3.1 沒有尾礦膠結體回填工況下的邊坡安全系數分析

在沒有尾礦膠結體回填的工況下，考慮地下水滲流，邊坡安全系數為見圖10。

由圖10 可見，邊坡安全系數為1.102，處于穩定狀態，但安全儲備不高；邊坡外側滑面為安全系數較低的滑動面，在沒有尾礦膠結體回填的工況下，邊坡可能發生整體滑動，具有一定的安全隱患。因此，必須對邊坡進行尾礦膠結體回填加固。

2.3.2 不同灰砂比的尾礦膠結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體回填后邊坡的安全系數變化情況。

由圖11～圖13 可知，當采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結體充填第1 層時，邊坡安全系數為1.233；當采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結體充填第1 層時，邊坡安全系數為1.233；當采用灰砂比1∶12 的尾礦膠結體充填第1 層時，邊坡安全系數為1.229。由此可見，在尾礦膠結回填第1層時，尾礦膠結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，因此第1 層采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結體進行充填，充填后邊坡安全系數為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體回填后邊坡的安全系數變化情況。

由圖14～圖16 可知，第2 層尾礦膠結體的灰砂比對邊坡安全系數影響不大，考慮經濟效益因素，可以適當降低尾礦膠結體的灰砂比。為了保護基底尾礦膠結體，同時起過渡作用，第2 層采用灰砂比1∶8的尾礦膠結體充填，充填后邊坡安全系數為1.389，后續則可采用灰砂比1∶12的尾礦膠結體充填。

3 尾礦膠結體充填經濟成本分析

以24 m 為1 層，露天坑總共可分為7 層。每層尾礦膠結體與成本相關指標見表6。

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

4 結論

（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，硫是影響充填體強度的因素；尾砂d10=1.074 μm、d50=21.27 μm、d90=112.5 μm，屬細—極細粒尾砂，顆粒不均勻系數為34.96，顆粒級配不均勻；隨著灰砂比降低，尾礦膠結體黏聚力顯著下降，密度、摩擦角不同程度降低，滲透系數提高。

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

（3）依據A—A′剖面、B—B′剖面充填尾礦膠結體的安全系數，并結合充填經濟成本因素，建議第1層充填灰砂比1∶4的尾礦膠結體，第2層充填灰砂比1∶8的尾礦膠結體，其余層均充填灰砂比1∶12 的尾礦膠結體，從而達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、經濟效益。