某尾矿库尾矿回采技术方案及稳定性分析

董霄

摘要：尾矿回采对加强矿山尾矿资源二次利用及解决大量尾矿堆存于尾矿库中带来的安全隐患和环境污染具有重要的社会和经济意义。以某尾矿库尾矿回采为工程实例，重点介绍了尾矿干采法的回采工艺、回采顺序及回采方法，并对回采过程坝体（边坡）的稳定性及防排洪安全性进行了计算分析，同时也对回采期间可能出现的安全问题提出了相应的工程措施。采用该方案回采规模达到40万t/a，采场工作面推进平稳，采场及坝体边坡稳定性较好，对类似尾矿库尾矿回采工程具有实际参考价值。

关键词：尾矿库;尾矿回采;干采法;稳定性分析;调洪演算

中图分类号：TD856文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2020）07-0044-05 doi：10.11792/hj20200709

引 言

近年来，随着经济的快速发展，矿业开发规模也在不断增大，每年因矿产开发和加工而产生的尾矿可达数亿吨，矿山尾矿已成为目前工业生产中产出量最大、综合利用率最低的大宗固体废弃物之一。大部分尾矿堆存于尾矿库中，不仅占用大量土地，造成资源浪费，而且给周边区域带来重大安全隐患和环境污染[1]。

矿山固体废弃物具有危害和利用的双重性，是一种宝贵的二次资源[2]。尾矿作为一种潜在的二次资源，其开发和综合利用已经得到国家的高度重视，近年来国家各级政府部门不断出台支持尾矿开采和综合利用的相关政策。尾矿的回采和综合利用不仅可以减少土地占用率，保护环境，降低安全隐患，而且对矿山企业的发展和矿产资源的可持续发展具有重要的意义。

基于国家相关鼓励政策和尾矿综合利用现状，本文以山东省淄博市某尾矿库为例，对尾矿库的尾矿回采方案和回采工艺进行研究和设计，并对尾矿库尾矿回采过程的坝体（边坡）稳定性和防排洪安全性进行计算分析，实现尾矿库尾矿安全回采的目的。

1 工程概况

某尾矿库位于山东省淄博市境内，属山谷型尾矿库，采用下游式筑坝方式，坝体总高度59 m，库容209.93万m3，尾矿库等级为四等库。尾矿库全貌见图1。

初期坝为透水堆石坝，坝高19.5 m，坝顶宽15 m，内、外坡坡比均为1∶1.5;后期堆积坝为碾压式土石混合坝，分级堆筑，每级子坝高3 m，坝顶宽15 m，内、外坡坡比均为1∶2，坝轴线长度随沟谷地形向上逐渐扩大，最长约530 m。

尾矿库自2002年建成开始投入使用，现使用库容约171.80万m3，剩余库容约38.13万m3，剩余库容不足20 %，已停止使用。为实现资源的二次利用，对尾矿库尾矿进行回采，回采尾矿主要用途：一是作为矿山井下采空区充填用料进行二次利用;二是作为建筑材料外售进行综合利用。

2 尾矿库尾矿回采方案选择

尾矿库尾矿回采开采环境与露天矿开采类似，但是尾矿（砂）的组成成分不同于矿石，其成分为选矿后粒径均匀且相对较小的粉砂，尾砂堆积体呈现松散状，稳固性较差，易受回采扰动影响，导致稳定性发生变化。基于此，尾矿回采有着其独特的若干开采方法，开采方法各具特点，并且具有不同的开采适用性。

目前，尾矿库尾矿回采方法主要有3种：水力开采法、干采法和船采法。

水力开采法和船采法开采过程需要大量的水资源作为开采和运输介质，水流的冲击和侵蚀会对尾矿坝边坡的稳定性产生不利影响，增加开采过程的潜在滑坡塌陷风险;干采法相较于水力开采法和船采法，具有安全性高、工艺简单、设备进出场灵活便捷、便于管理等优点，并且采出产品为干尾砂，便于灵活处置。综合以上因素，选择采用干采法。

3 尾矿库尾矿回采

3.1 回采区域

1）平面区域。回采工作保留尾矿库现有坝体，只回采库内堆积尾矿。考虑到尾矿库防排洪需求和边坡稳定性，设计将自尾矿库（下游式筑坝四等库）坝顶外缘边线以内35 m的范围作为安全距离，此区域为禁采区。根据GB 50863—2013 《尾矿设施设计规范》规定，将排水设施周边15 m范围设定为机械禁采区域[3]，本区域内尾矿采用人工回采。

基于以上原则对尾矿库平面回采区域进行划定，开采区域划分为机械采区和人工采区。

2）垂向区域。由于回采工程坝体及坝前安全区域尾矿不回采，边坡高度随着回采水平的加深不断增加，为保障生产安全，本次回采深度为12 m。

3.2 工作制度

1）為保证回采工作和尾矿库区的安全，每年雨季、汛期和其他降雨天气时不得进行回采工作。

2）由于尾矿库区照明条件较差，夜间工作具有诸多安全隐患和不确定性。因此，回采工作仅安排在白天进行。

综上所述，本次尾矿回采作业采用间断工作制：240 d/a，2班/d，6 h/班。

3.3 回采顺序

结合本次尾矿库尾矿回采工艺特点，确定回采顺序为：

1）先排水后回采。

2）先上分层后下分层回采。

3）每个分层的回采均按照由库内向坝前的顺序后退式回采，整体的回采方向为自北向南。

4）为保证生产安全，同一采掘条带内人工采区应在机械采区回采完毕之后进行回采，相邻位置禁止同时回采。

3.4 采场参数

1）分层高度。机械采区采用挖掘机铲装，结合挖掘设备的技术参数，分层高度设定为3 m。

2）采掘条带宽度。结合挖掘设备的有效工作范围，采掘条带宽度设定为16 m。

3）台阶坡面角。设计台阶坡面角约为18°（边坡坡比约1∶3）。

4）主运输干线。主运输干线主要功能为采掘设备行驶和布置运输设备，宽7 m。

5）采掘运输支线。采掘运输支线垂直于主运输干线，宽7 m，支线间距等于采掘条带宽度，为16 m。

3.5 主要设备

1）回采设备。本次回采工程采用液压挖掘机作为回采铲装设备，选择1台R275LVS型反铲式液压挖掘机，斗容1.35 m3，铲装能力40万t/a。

2）运输设备。本次回采工程采用皮带机+汽车联合运输方式。①皮带机。选用25台DY型移动式皮带运输机，机长16 m，运输能力300 t/h。布置于采场内，可随回采工作的进行，灵活调整运输线路和布置工作机及备用机数量。②自卸汽车。结合回采设备选型情况，选用4台HOWO T5G型自卸汽车，自重14.8 t，有效载重14.66 t，运输能力14万t/（台·a）（运距1.2 km）。

3）辅助设备。1台L955F型装载机，1台SD10YE型推土机，1台RS8200型压路机，1台8 m3洒水车，1台CPC30A型叉车。

3.6 回采方法

1）回采工作开始之前，首先对尾矿库实施排水疏干，直至库面无水状态，并对回采区进行降水、疏干和晾干处理。

2）定位排洪设施位置，以排洪设施周边15 m为界线确定人工回采区边界，并设置标记，划分机械采区和人工采区。

3）在尾矿库划定的开采区域内选择合适位置设置主运输干线，作为回采过程尾矿运输的主要通道。

4）在垂直于主运输干线的两侧，按照由库内到坝前的顺序依次布置采掘运输支线，将回采区域划分为若干采掘条带。

5）在回采设备进场之前，对运输线路进行清理并做硬化处理，使运输道路地基承载能力达到采掘及运输设备正常工作要求。

6）人工回采区首先在北端开掘形成底部宽20 m的排水降水区，用于汇集及排出地下渗水和雨水，增加作业安全。

7）回采设备进场，在各采掘条带内，采用反铲式挖掘机，沿采掘运输支线后退式回采，回采的尾矿由挖掘机装入移动式皮带运输机，经倒运后，于坝前指定区域装入自卸汽车经矿区现有运输道路运至库外尾矿外运中转点。

8）特殊情况下，当采出尾矿不能及时运出需在现场堆积时，矿堆距离采矿作业现场不得小于5 m，且矿堆高度不超过4 m，矿堆坡面角不得大于自然安息角。

9）回采过程中，靠近山体部位应注意对山体边坡的保护，回采至山体基岩后应对浮土、浮石及时进行清理，确保山体边坡的稳定性。

4 尾矿库尾矿回采安全

4.1 坝体及边坡稳定性

由于尾矿成分的特殊性，随着回采工作的进行，其堆积状态发生变化，尾矿坝坝体原本存在的稳定状态也会发生改变，坝体边坡的稳定性受到极大影响;同时，回采过程产生的内边坡的稳定性也是影响回采工程及尾矿库安全的重要因素。

为保证尾矿库尾矿回采工程和回采结束后坝体及库内边坡的安全，结合尾矿库土层物理力学参数和工程经验，利用有限元数值分析软件，采用数值分析方法，对尾矿库尾矿回采工程相关坝体及边坡稳定性进行计算分析。

1）现状坝体稳定性分析。现状尾矿库坝顶标高约288 m，沉积滩顶标高285 m，坝体坡比按实际测量数据约1∶2，库面正常水位线标高281.66 m，洪水水位按极端最不利条件考虑（满足规范要求的最小安全超高及干滩长度），取284.60 m。各土层物理力学参数见表1，稳定性分析模型见图2。

采用有限元分析软件，应用强度折减法对尾矿库现状坝体分别进行正常运行、洪水运行和特殊运行（正常水位+地震荷载）3种工况条件下的边坡稳定性计算，计算结果见表2。

2）回采结束坝体及采场边坡稳定性分析。回采工作结束，回采总采深为12 m，划分4个分层（台阶），台阶高度为3 m，台阶坡面角为18°（坡比1∶3），台阶间安全平台宽度为3 m。正常水位标高按回采区最低点标高考虑，约270 m，洪水水位标高取272.6 m。稳定性分析模型见图3。

采用有限元分析软件，应用强度折减法对回采结束坝体及采场边坡分别进行正常运行、洪水运行和特殊运行3种工况条件下的边坡稳定性计算，计算结果见表3。

通过计算，尾矿库现状坝体、回采结束坝体及采场边坡在正常运行、洪水运行及特殊运行工况条件下，边坡抗滑稳定性安全系数均大于设计规范要求，稳定性较好。

4.2 防排洪安全

1）防排洪标准。根据GB 50863—2013 《尾矿设施设计规范》规定，四等庫防洪标准的洪水重现期为100～200 a[3]，本次回采按200 a考虑。

2）洪水计算。根据《山东省水文图集》和尾矿库库区地质资料，查阅洪水参数，进行洪水计算，200年一遇暴雨条件下，库区洪峰流量为22.2 m3/s，洪水总量为4.31万m3。

3）防排洪设施。回采期间沿用尾矿库现有防排洪设施，由长170 m，断面为1.3 m×1.3 m（宽×深）的矩形排洪斜槽和长450 m，断面为R上=0.65 m，R下=0.62 m（R上为上半圆拱半径，R下为下半圆拱半径）的圆拱形排洪涵管组成。

4）调洪演算。根据尾矿库的来水与去水之差等于尾矿库内水量变化的原理，进行调洪演算。

尾矿库内任一时段Δt的水量平衡方程式为：

尾矿库排洪过程中出现的最高水位即为尾矿库的最高洪水位，调洪演算结果见表4，200年一遇洪水下尾矿库泄洪曲线见图4。

根据调洪演算结果，尾矿库尾矿沉积滩顶至最高洪水位的高差为1.3 m，大于规范要求的四等库最小安全超高0.5 m;尾矿沉积滩的平均坡度按1∶100计算，尾矿库滩顶至最高洪水位边线的距离为130 m，大于规范要求的下游式筑坝四等库最小滩长35 m。

据此可知，暴雨设计频率为200年一遇时，尾矿库现有排洪设施的防排洪能力满足安全要求。

4.3 回采工程安全措施

1）严格按照设计回采工艺和回采顺序要求进行回采工作，先排水、降水、疏干和晾干处理至尾矿承载力达标后方可进行回采作业。

2）回采作业期间，严禁向尾矿库内排放尾矿或排水，回采作业应避开雨季，严禁在大雨、暴雨等恶劣天气时作业。

3）尾礦回采期间，做好尾矿坝位移、采场边坡、坝体渗压（浸润线）、降雨量、库区水位等监测工作，要有完整的监测记录。

4）随着尾矿库回采工作的进行，回采区台阶边坡应及时进行修整和护坡。雨季回采边坡应铺设护坡毯或防雨布，减少雨水对边坡的侵蚀;旱季对尾矿面进行喷淋并结合铺设防尘网的方式减少库面扬尘，避免环境污染和粉尘危害。

5 工程应用

目前，该尾矿库正在按照设计的回采方案和回采工艺进行尾矿库尾矿回采工作，回采工作于2020年4月开始，现正在进行库内第一分层的尾矿回采作业，已采出尾矿量约10万t。根据现场实际回采进度，回采规模可以达到40万t/a。回采工程各项指标基本达到了设计预期：

1）回采过程中，采场工作面推进平稳，采场边坡比约1∶3，分层高度为3 m，以目前现场反馈资料计算，采场及坝体边坡稳定性较好。

2）回采工作开始前，为保证尾矿库排水设施的安全运行，将排水斜槽周边15 m范围设置为机械禁采区。目前，尾矿库排水设施运行良好，坝体浸润线和库内水位线埋深可以满足坝体稳定和回采设备安全运行要求。

3）回采运输按设计要求采用皮带机+汽车联合运输方式，库内尾矿运输道路经硬化处理后，承载能力可以满足设备的正常安全运行要求。

6 结 论

尾矿作为一种潜在的二次资源，其开发和综合利用不仅符合国家鼓励政策，同时可为矿山企业带来一定的经济效益。

1）结合尾矿库尾矿回采工程特点，确定了回采工艺、回采顺序及回采方法等技术参数。

2）对回采过程的坝体、采场边坡稳定性进行了安全性分析，同时也对回采期间的防排洪安全进行了校核和演算，安全性均符合要求。

3）对尾矿回采过程中的安全问题提出了相应的安全措施。

[参 考 文 献]

[1] 王红，吴刚，张丽.尾矿资源化与矿山的可持续发展[J].化工矿物与加工，2009（3）：30-31.

[2] 陈永贵，张可能.中国矿山固体废物综合治理现状与对策[J].资源环境与工程，2005，19（4）：311-313.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.尾矿设施设计规范：GB 50863—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.