特殊条件下的尾矿开采

王光锐

(云南中林地质勘察设计有限公司)



特殊条件下的尾矿开采

王光锐

(云南中林地质勘察设计有限公司)

摘要随着矿产资源的日渐枯竭，选矿技术的日益进步，以及国家对矿山排尾的从严要求，将尾矿再利用提升到了一个极其重要的位置。尾矿利用的前提是开采，最常规的开采方式是“水采”，但对一些地域环境特殊、尾矿沉积韵律特别、结构构造复杂、不适宜“水采”的矿山，介绍了“单一分层法”、“直接见底法”和“组合分层法”三种尾矿干采方法，从根本上解决了这类矿山尾矿开采的难题。

关键词特殊尾矿沉积韵律干式开采

云南某铁矿是一个大型残坡堆积型铁矿床，始建于20世纪70年代初期，历经数十年的开采，资源已日渐枯竭，而尾矿库中已堆积了上千万吨TFe27%左右的优质尾矿资源。通过选矿技术攻关，采用“重选+高梯度磁选”的选矿工艺，获得了较好的技术经济指标，成为该矿增收创效、延长服务年限的一条途径。然而，由于该尾矿开采技术条件复杂及尾矿在排放过程中沉积韵律的特殊性，无法采用常规的“水采”工艺，只有另辟蹊径，探索尾矿“干采”的方法。

1开采技术条件

1.1尾矿库类型及现状

该矿山尾矿库三面依山，是一个典型的峡谷型尾矿库，库底最低高程2 260 m，终了堆存平面高程2 300 m，堆存厚度0～40 m；终了(长×宽) 1 110 m×330 m。

1.2水文地质条件

尾矿库堆积物为结构松散、富含水的人工堆积层；尾矿库位于矿区的低凹地带，矿山的生产用水、生活废水，以及大气降水基本上流入尾矿库内；该尾矿库处于喀斯特地区，地下岩溶十分发育。

据此，若采用水采，需防止尾矿库的泄漏；若采用干采，需要解决好尾矿的疏干及排水。

1.3工程地质条件

该尾矿库原本是喀斯特地区发育的一个规模较大的天然凹地，所处地层岩性较为单一，库底表面是0～20 m厚的第四系堆积层，表土层之下是昆阳群大龙口组碳酸盐岩。

1.4环境地质条件

由于该尾矿库位于岩溶发育极为强烈的大龙口组灰岩地区，其岩溶特征在地面表现为岩溶裂隙、漏斗、溶槽、溶洞，以及岩溶凹地，在地下则呈楔形、井型、管型垂向发育，与该矿区深部横向分布的地下河道相通，形成了一套完整的地上和地下岩溶通道,曾多次发生尾矿库泄漏而污染地下河道及附近村民饮用龙潭水源的事故。

1.5沉积韵律

构成尾矿沉积韵律的要素很多，主要有入选原矿类型、选矿工艺流程、尾矿性质、尾矿排放方式以及尾矿库类型等。该矿山尾矿沉积韵律的因素具有以下特性：①因入选原矿为残坡积矿，因此尾矿含泥多；②因选矿工艺流程中没有磨矿工序，排出的尾矿粒径粗细不均(0～35 mm)；③为了防止尾矿库发生泄漏事故，采用周边放矿的排放工艺；④该矿山选矿工艺流程经历不断改进，初期排出的尾矿品位较高，后期排出的尾矿品位逐渐降低。

在矿山生产初期，由于尾矿库呈锅底型(上宽下窄)，早先汇集入库的尾矿在库底狭小的中间区域积淀，按照尾矿浆体所携带矿物颗粒的大小、品位的高低，以及矿物体重的不同，颗粒大、品位高、体重大的矿物先沉降于尾矿库底部，由此形成了由上往下粒径渐粗、含铁品位渐高的现象；随着矿山生产进程的推移，尾矿堆积厚度逐渐增加，尾矿库水平面不断扩大，尾矿在水平面上的搬运距离增加，尾矿浆体中的矿物按照颗粒大小、品位高低、体重大小，随水流的搬运距离由近至远依次沉降。

综上所述，该矿山尾矿的沉积韵律是：由外向内(从尾矿库周边到中央)矿物的含铁品位由高到低，矿物颗粒由粗到细，含泥量逐渐增多；从上往下，矿物含铁品位由低渐高，矿物颗粒由细渐粗。见图1。

图1　某铁矿尾矿沉积韵律

1.6尾矿结构构造

该矿山尾矿主要由黏土，粉状、碎块状褐铁矿和赤铁矿及岩石碎屑组成，呈自然状态沉淀，固化时间短，压实作用弱。含泥少的尾矿结构松散、粘结性差；含泥多的尾矿粘结性较强，失水后易板结成块。

2尾矿开采的特殊性及开采方法

2.1尾矿开采的特殊性

根据对该尾矿开采技术条件的分析，尾矿具有以下特殊性：①组成尾矿的矿物颗粒粗细不匀，具有特殊的沉积韵律；②尾矿库位于喀斯特地区，岩溶发育十分强烈；③尾矿库呈“锅底型”，且底板地形起伏较大，地形条件复杂；④该矿山地处2 300 m以上的高寒山区，冬季常易出现冻结现象；⑤该矿山水资源匮乏，生产用水管线长达13.5 km，四级泵站接力扬送，取水成本较高。

2.2水采

尾矿水采分为水枪—砂泵和挖泥船2种开采方式，对于常规尾矿，水采开采能力强、生产成本低，目前被国内外矿山广泛采用。

水枪—砂泵开采的前提是造浆，由于该尾矿特殊的沉积韵律，粒级粗细不匀，含泥少、颗粒粗的尾矿在水枪冲采过程中沉降速度过快，无法形成矿浆；含泥多的尾矿胶结性较强，脱水后易板结成块，水枪冲采十分困难。

挖泥船开采要求尾矿库保持一定水位，尾矿库底部要相对平坦开阔。根据以上分析该尾矿不适宜此法开采。

2.3干采

从该矿山的实情出发，总结了单一分层法、直接见底法和组合分层法3种尾矿干采的方法。

2.3.1单一分层法

在尾矿库水平面铺设主运输干线及运输支线，采用反铲式挖掘机沿运输支线后退式，由上往下、逐层开采。见图2。

图2　单一分层法采矿工艺

(1)适用条件。所有尾矿库均可采用此方法回采，尤其适用于堆积厚度大于10 m或尾矿库底板起伏较大、地形复杂的尾矿开采。

(2)开采工艺及步骤：①在尾矿库中铺设主运输干线；②在垂直于主运输干线两侧布置回采运输支线；③采用反铲式挖掘机—自卸式汽车，沿回采支线后退式回采。

(3) 采场构成要素。①主运输干线及回采运输支线宽度视选用的采掘运输设备而定，一般为4～5 m，采用钢筋混凝土预制块铺设；②采掘带宽度与回采运输支线相等，为挖掘机挖掘半径的2倍；③一次回采深度视选用的挖掘设备而定，斗容为1 m3的挖掘机一次回采深度为5 m左右。

(4)主要优缺点。优点：适用性强，采出矿石无贫化，安全可靠；缺点：运输干线及回采支线铺设工作量大，开采成本高，回采效率低，尾矿疏干及工作面排水困难。

2.3.2直接见底法

沿尾矿库周边修筑永久性运输公路,直达尾矿库底板，然后水平推进回采尾矿, 形似凹陷露天开采。见图3。

图3　直接见底法开采工艺

(1)适用条件。尾矿库中尾矿堆积厚度小于10 m，尾矿库底板地形相对平缓。

(2)开采工艺及步骤。①采用反铲式挖掘机从尾矿库存的一帮开掘，直达尾矿库底板的主运输干线；②采用正铲式挖掘机沿尾矿库底板水平推进，形成水平段沟；③在水平段沟的两侧采用正铲式挖掘机，沿尾矿库原始地形等高线水平推进回采。在开采过程中，可用废石对尾矿库底板进行铺垫和找平，以改善采掘及运输作业条件。

(3)采场构成要素。①台阶高度不大于10 m；②台阶坡面角为45°；③采掘带宽度正铲式挖掘机挖掘半径的2倍；④运输干线宽度为6～8 m时，最大纵坡比不大于8%。

(4)工作面排水。①沿尾矿库周边开挖截流沟，防止矿山工业、生活废水，以及雨季地表径流进入尾矿库内；②在采区低凹处设置降水井，将工作面溢流及尾矿渗透水引入其内，采用卧式泵向外抽排。

(5)主要优缺点。优点：开采效率高，成本低，易于实施。缺点：适用范围有一定局限，因尾矿库底板凸凹不平，加之库底松软时需要用废碴铺垫找平，因此采出尾矿有贫化现象。

2.3.3组合分层法

开采时先掘进出入车沟，形成开采台阶，然后铺设回采进路，采用正铲式挖掘机前进式开采。当上分层矿石采完后，再采用反铲式挖掘机沿回采进路后退式开采，回采下分层矿石。见图4。

图4　组合分层法开采工艺

(1)适用条件。尾矿库中堆积厚度大于15 m的尾矿；尾矿库底板地形起伏较大，不适宜采用第二种方法开采。

(2)开采工艺及步骤。采用反铲式挖掘机，从尾矿库一帮开掘通往下一水平的出入车沟作为主运输干线；②采用正铲式挖掘机水平推进，形成水平段沟；③在水平段沟的两侧布置采掘带，采用钢筋混凝土预制块铺设采掘运输支线，且随采掘工作面同步延伸；④采用正铲式挖掘机，沿采掘运输支线前进式开采上分层矿石；⑤上分层矿石回采结束后，采用反铲式挖掘机沿采掘运输支线后退式开采下分层矿石；⑥该水平矿石回采结束，延伸出入车沟至下一水平，进行下一水平的开采。

(3)采场构成要素与第二种方法相同。

(4)工作面排水与第二种方法相同。

(5)主要优缺点。优点：适用性较第二种方法强，开采成本较第一种方法低；缺点：工艺较繁琐，采掘运输支线铺设困难。

2.3.4尾矿干采体系

三种干采方法各有优劣，在实际开采过程是相互联系的，三者之间取长补短、相辅相成，构成了一套完整的尾矿“干采”体系。见图5。

图5　尾矿干采工艺体系

3结论

随着国家循环经济发展步伐的加快，尾矿开发利用的规模不断扩大，对尾矿开采工艺及生产能力提出了更高的要求。尾矿干采作为一种非常规的开采方式，通过多年的探索，所采用的“单一分层法”、“直接见底法”、“组合分层法”已经形成了一套完整的尾矿干采工艺，并成功地应用于矿山生产实践，为不宜水采的尾矿开采提供借鉴和参考。

(收稿日期2015-10-22)

王光锐(1965—)，男，工程师，653100 云南省玉溪市红塔区汇溪路。