尾矿库回采过程中关键工艺技术及安全要点

刘晓峰，袁永强

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

0 背景

据统计，截至2017 年底，我国现有非煤矿山数量44 998 座[1]，这些矿山在采矿和加工过程中产生了大量的尾矿。 为贮存这些尾矿，配套有7 793 座尾矿库，目前尾矿的堆积总量已超过2.0×107kt。 尾矿作为目前产出量最大、堆存量最多的固体废弃物，所带来的环境问题和安全隐患，严重制约了矿业经济和矿业城市的可持续发展。回采、综合利用现有的大量尾矿库，既可“变废为宝”，又可有效缓解资源和环境压力，并最终减轻或消除尾矿库的安全隐患[5]。 然而，随着尾矿库回采越来越多，若在回采过程中未足够重视回采关键技术及安全设施等环节， 事故的发生将难以避免。因此，本文拟对回采过程中关键工艺技术及安全设施要点进行分析， 以期为回采过程中不断形成的尾砂动态临时边坡稳定安全及回采作业人员的人身安全提供保障。

1 尾砂特性

尾砂是选矿厂在特定的经济技术条件下，将矿石磨细，选取有用成分后排放的废弃物。 各矿山尾砂粒径均有差别，国内部分矿山项目尾矿粒径占比情况见表1。

表1 矿山尾矿项目粒径占比情况

根据尾砂粒径粗细及占比情况，尾矿类别分为尾砾砂、尾粗砂、尾中砂、尾细砂、尾粉砂及尾粉土等[6]。钨矿山尾矿相对较粗，大部分尾砂粒径满足建筑砂石粒径+0.15 mm 的要求，可作为建筑砂石料考虑；其它矿山尾矿，由于尾砂粒径及成分原因，主要作为蒸压加气混凝土砌块、 混凝土掺合料及建材用硅质原料等[7-8]。

目前，随着选矿工艺的愈加成熟，回收项越来越多，回收率也越来越高，致使尾矿粒径越磨越细。尾砂的类别也逐步由砂性尾矿转变为粉性尾矿，甚至黏性尾矿。尾矿的内摩擦角减小，孔隙率增大，导致回采过程中尾矿边坡自稳性减弱，易形成滑坡、坍塌，而造成安全生产事故。 不同尾矿平均物理力学性质见表2。

表2 不同尾矿平均物理力学性质

2 回采工艺及技术要点

尾砂作为一种人工次生资源， 其回采与原生矿产资源回采不同。一般尾砂采用露天回采方式，由于堆积尾砂的承载力低且不均匀， 因此选择回采方法时，要考虑尾砂的承载力，尤其要考虑回采过程中的边坡安全稳定性。目前，国内尾矿库回采相关技术规范尚在制定当中。

2.1 尾砂回采方式比较

尾砂回采主要有水采和干采两种方式。其中，较为成熟的水采有采砂船回采和水力冲砂回采，一般还需配套压滤设施； 干采一般使用挖掘机加运输系统回采。

一般而言，采砂船回采，安全性相对较好，对尾矿库坝体及排洪系统损害较小，但是前期投入较大，需随时对库内回水进行补充， 管理及回采运行成本较高。 水力冲砂回采，工艺相对简单，但对作业人员的要求相对较高。为了回采尾砂，需要在尾矿库尾部形成一个人工沼泽区， 在雨季或雨量较大时危险性较大。 挖掘机加运输系统回采，工艺较简单，劳动强度低，易于安全生产管理。 其中，汽车运输相对运用较为广泛，主要在于其机动灵活，移动方便。

考虑到目前回采的尾矿库大多已停用或闭库多年，表面板结，具有一定的承载力，干采简单灵活，不需考虑压滤脱水的优势更为明显， 故尾砂干采方式相对普遍。

2.2 回采技术要点

结合回采项目实际工程，本文总结并提出了尾砂干采过程中应该注意的几个关键技术及安全设施要点，具体如下：

1）回采分区的技术要求。 为避免尾矿库大面积无序开采，且为确保回采过程中尾矿坝的稳定安全，需对尾矿库进行分区回采。 尾矿库宜分3 个开采区（如库面较短则可分2 个开采区）：靠尾矿库库尾为Ⅰ号开采区，为排洪系统所在区，需提前降低进水口高程，确保回采过程中的排洪安全。 相对而言，该区尾矿粒度最细、含水率最大、承载力最低，其分区宽度可短些。尾矿库中部区域为Ⅱ号开采区，为回采主区，尾砂粒度及承载力一般，其分区宽度最长。 堆积坝坝前为Ⅲ号开采区， 为尾矿库回采过程中的安全预留区，该区尾矿粒径最粗，承载力最高，其分区宽度应不小于尾矿库生产运行中要求的干滩长度（含安全超高要求）。

图1 尾矿库回采分区示意

在回采过程中，应按Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号开采区轮流开采，如图1 所示。先行开采Ⅰ号和Ⅱ号开采区对应的1 和2 开采区， 再开采Ⅰ号和Ⅱ号开采区对应的3及4 开采区，然后开采Ⅲ号开采区对应的5 开采区，再轮流开采3 个区对应的6、7、8……开采区， 直至回采完成。 在回采过程中始终确保Ⅰ和Ⅱ号开采区要比Ⅲ号开采区低一至二个台阶。

2）动态的截水及排洪设施。 在回采过程中必须高度重视防洪排水工作，做到安全行洪，尽可能不浸泡回采边坡。 应率先降低Ⅰ号开采区排洪设施的进水口高程，确保回采期间排洪安全，同时在回采过程中尽量保证雨水能自流至Ⅰ号开采区排洪设施处。

如尾矿库两侧汇水面积较大时， 可在库区岸坡上修筑截水沟将雨水引至库外或在靠近库区山坡的尾砂上， 开挖临时渠道连接至现有排洪设施或引至库外。如在下部尾砂回采过程中，涉及其它在生产运行过程中已封堵的排洪系统，并难以拆除时，为了确保尾矿库回采期排洪安全， 需通过开挖临时明渠或铺设临时涵管方式将库内雨水引至库外。 其中临时渠道、临时明渠及临时涵管均是是动态的，随着回采工作面的降低而逐渐下降，并不断拆除重建。为过流安全， 临时渠道和临时明渠内侧可采用三合板或土工膜进行保护，其也便于拆除和铺设。尾矿库回采临时排水设施见图2。

图2 尾矿库回采临时排水设施示意

3）回采高度控制技术要求。 回采过程中应由库内往坝前、自上而下分层逐层开采。根据挖掘机挖深、挖掘机作业高度及边坡安全等因素， 每层回采高度宜控制为2.0～3.0 m，回采过程中始终确保Ⅰ和Ⅱ号开采区要比Ⅲ号开采区低一至二个台阶， 相邻回采区间最大相差二个台阶。 相邻两区间最大高差的设定是考虑到回采过程中即使边坡坍塌， 也不至于导致重大伤亡事故。 即便6.0 m 高的边坡发生坍塌，也不会将作业的挖掘机完全淹没， 抢救被困人员相对也容易。

4）回采边坡控制技术要求。 回采过程中应高度重视尾矿坝及尾矿回采形成的动态临时边坡安全稳定。 因尾矿坝随回采逐步降低，势能也逐步减小，故只需保证堆积坝坝体浸润线深度满足相关要求、Ⅲ号开采区有足够的预留宽度，即能确保尾矿坝安全。

回采动态临时边坡安全与边坡高度及尾砂内摩擦角息息相关。 边坡高度控制在相邻回采区间最大相差二个台阶。 由于放矿沉积、上覆荷载、粒度粗细及固结程度等差异， 各回采区尾砂内摩擦角也不尽相同。 根据尾砂粒径与内摩擦角研究试验情况[9-10]，且考虑到砂面上有车辆来回运输， 回采边坡建议不陡于1∶2.5； 同时在尾矿回采期间应加强边坡的监测。值得指出的是：在雨季及降雨后，由于雨水浸泡，其内摩擦角会大幅度降低， 使得尾砂边坡易造成失稳或处于临界状态。因此，必须建立专职安全人员检查现场，确保检查边坡安全后，设备和人员方可进入库内继续施工作业。

5）库内相关设施保护要点。 在开采前应在现场标识出排洪设施及初期坝坝体的位置。 为保证排洪系统的安全，排洪设施15 m 范围内的尾砂，不得采用挖掘机械回采（可辅以水力冲砂回采），且其两侧的尾砂应均匀下降，避免形成较大高差；在回采至初期坝坝体标高时， 开采作业位置需控制距离坝体内坡线2 m 以外，避免破坏坝体。

6）临时道路技术要求。根据尾砂承载力指标，尽量选用接地比压较小的履带式挖掘机进行回采作业。为确保配套汽车的正常运输，除尾矿库场外道路外，还需在尾矿库内修筑临时道路。 临时道路应紧邻山体岸坡设置，宽度不宜小于5.0 m，坡度不得大于8%，并随着尾砂回采标高的下降而逐渐降低。同时，为避免回采对临时道路影响， 回采边界应与临时道路底边线保持一定距离，建议不小于3 倍的道路高度。库内临时道路示意见图3。

图3 库内临时道路示意

7）辅助设施备用要求。 为防止回采区局部地段存有积水而影响回采作业， 在回采时应备用一台具有较好的耐磨性能、 能适应回采的污水和泥沙的潜水泵。同时现场应配有钢丝绳和卸扣，以便车辆陷入时将其拖出。在尾砂较为松软的地方，可采用焊接螺纹钢条的钢板垫于地面上。

8）尾矿库回采后终期用途。 尾矿库回采后一般考虑重新复用或者销库。 重新复用指的是重新作为尾矿库使用，并进行排尾作业，需经认证并征得监管部门审批， 要求在回采过程中尽量保护好相关尾矿设施。 销库[11]是指将尾矿库内尾砂全部清除，并拆除尾矿设施后不再进行排尾作业或库区恢复至其它用地，不再纳入尾矿库管理范围。 当需拆除初期坝时，应逐层拆除，避免形成高陡边坡。

3 结语

1）尾矿库回采不同于一般的露天采矿，是一项复杂的系统工程， 需对各个环节的关键技术进行统筹考虑，做到安全、有序回采。其既要科学合理分区，达到废弃物资源再利用的目的及确保尾矿库排洪安全，又要高度重视尾砂边坡稳定性差的特点，做好台阶高度及边坡的控制，确保临时动态边坡安全稳定，同时还要杜绝洪水淹坑， 设置可靠的动态截水和排洪设施。

2）尾矿库回采不仅可变废为宝，缓解资源和环境压力，具有较高的社会及环境效益，契合了现倡导的“绿色矿山[12]、无废矿山”总体目标。

3）尾矿库回采是正常生产的逆过程，通过回采，可减轻或彻底消除尾矿库重大危险源对下游的危害。