露天矿坑改建尾矿库可行性技术研究

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[导读]文章分析了马钢南山矿业有限责任公司目前尾矿库的现状，论述了利用闭坑的凹山采场改建尾矿库的可行性；研究了采坑改建尾矿库的防洪、回水排放等问题，表明该采坑改作尾矿库后具有容量大、安全性好、投资少及不新占土地等优点；还给出了“45m标高以下的凹山采坑尾矿库库容计算、－150m以上台阶蓄洪容量”一览表。本文可作为与“改建尾矿库可行性研究”有关从业人员的技术指导，亦可为矿业企业行政、技术管理人员提供参考。 一、尾矿库现状

库容8476万m，设计终库标高100 m，现已占用有效库容7078万m，剩余1398万m，按设计每年排尾220万t计算，还可使用约10年。城门峒尾矿库设计有效库容2350万m3，设计终库标高180m,现已占用有效库容约953万m，剩余1397万m，按设计每年排尾200万t计算，还可使用约11年。目前尾矿流向示意如图1所示。

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图1 南山矿业公司尾矿流向示意图

二、利用凹山露天闭坑采场改建尾矿库

（一）可行性

至2007年底凹山总尾矿库和城门峒尾矿库剩余库容2795万m，而高村采场采期至2028年底，将合计有超过9000万t的尾矿，其中近2000万t干尾进排土场，余下的近7000万t排入尾矿库；即将开采的和尚桥铁矿，将产生近6000万t尾矿进入尾矿库，合计入库尾矿超过1.3亿t、容量近9000万m，目前两库的库容量远小于产生的尾矿量，建设新的尾矿库势在必行。

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凹山露天采坑是合适的库址。凹山采场预定于2009年末闭坑，其下部不再有采矿活动。利用该采坑作尾矿库，可避免在地表筑坝易出现坝体移位、开裂、渗漏、被水冲刷及地震溃坝等隐患；同时具有不占用土地、无需筑坝、投资少、安全性高的优点。 该采场以45m标高封闭圈为界，45m高程以下至－201m为一完整的凹坑；45m高程以上至90m标高有西、东、北3个出口；90m标高以上除北部有殿庵山、西部有大王山外，为敞开形山坡露天矿。 45m标高封闭圈周长3615m，面积81.5万m，开挖最低标高按采矿设计为－201m，深246m，闭坑后有足够的空间容纳尾砂，而且在矿坑外围底部－165和－65m标高处分别设有完整的排水巷道系统，可供尾矿排水用。因此，45m标高以下的废弃矿坑改建为尾矿库是可行的。 （二）库容计算 库容计算时采用采矿台阶的上边线，忽略平台宽度所占据的部分容积，计算结果可直接作为有效库容使用，见表1。 表1 45m标高以下的凹山采坑尾矿库库容计算 面积/m2 库容/m3 累计库容/m3 8510.57 12816.48 127962.32 127962.32 24801.95 225710.57 353672.90 43052.67 407127.72 760800.62 886.73 8095.50 1570346.12 81506.63 1097950.17 2668296.29 128852.62 1577694.37 4245990.65 195953.39 2436045.09 6682035.74 231150.66 32.3280.43 9885316.17 2941.93 3720694.41 13606010.58 314748.04 4347674.77 17953685.35 358474. 5049170.16 23002855.52 421419.17 5849203.57 28852059.09 509260.43 6980096.94 35832156.03 592027.08 8259656.29 44091812.32 665755.93 9433372.59 53525184.92 2标高/m －201 －1 －177 －165 －150 －135 －120 －105 －90 －75 －60 －45 －30 －15 0 15 30 45 737236.74 815133.67 10522445.08 112778.08 3047630.00 75690408.08 由表1可知，凹山采坑45m以下库容多达7000万m，加上目前两库的容量，已超过1亿m，满足未来南山矿矿石处理产生的约9000万m的尾矿容量。 （三）排放方式 采坑周围地面标高45m，利用低于45m标高的废弃采坑作尾矿库不需建筑初期坝和后期坝，只须解决尾砂从下到上逐台阶排放，正常固结。最低一层为－201m高程，其后按表1中的标高依次增高直到＋45m。 三、尾矿库防洪及排、回水 （一）疏干排水系统 凹山露天采场己建成两期坑道疏干排水系统，一期排水巷道设在－65m高程，二期设在－165m高程。－165m排水巷道有3个入口分别与－105、－90和－75m矿坑台阶的Φ600mm泄水孔相通；－65m排水巷道亦有与矿坑台阶相通的泄水口。 由于尾矿库低于地面，可利用原矿坑使用的－165及－65m两级巷道排水系统，在矿坑内相应台阶上建排水井，选用Φ1.0m窗口式排水井，井底由泄水孔（Φ0.6m）与排水巷道相连。无论洪水还是尾矿回水均由此通道进入巷道内，再由巷道流至水仓，用水泵通过斜井排到地面外。 凹山坑尾矿库使用初期，坑底回水由－165m排水巷道排至地表；后期则由－65m排水巷道排至地表。因坑底排水巷道最低标高为－165m，对于－165m及以下的－177～201m个台阶，可采用预建竖井加浮船泵抽水，用软管打至排水井内，排向－165m巷道。 由于该尾矿库低于地面，且排水能力是由巷道内水泵所决定的，对洪水以蓄为主、排为辅。越深处蓄水面面积越小，蓄洪能力也越小（表2）。现以最低处的排水井为例，进水标高下口为－150m，既使日降雨303.6mm的特大洪水，洪水总量38.9万m，使－150m台阶淹没约5～6m，而－165m巷道内水泵排水能力4000t/h，全部洪水排尽只需97.25小时。 3333 标高/m －150 －149 －148 －147 －146 －145 －144 表2 －150m以上台阶蓄洪容量 面积/m2 容积/m3 886.73 65994.72 0.72 67102.71 668.72 68210.71 67656.71 69318.70 687.70 70426.69 69872.70 71534.69 70080.69 累积容积/m3 0.72 1319.44 1996.15 268410.85 338.283.55 4092.24 上部各台阶水面面积越来越大，排水的压力越来越轻，更不会出现洪水外溢。在日降雨303.6mm的特大洪水时，30m台阶淹没仅约0.5m，－65m巷道内水泵排水能力4000t/h，全部洪水排净需105小时。 斜井井口出水有两种方式：1、在井口附近地表建立回水泵站，送回选矿厂；2、维持老方式，由地表水系汇流至凹山选厂2泵房，经大循环入选矿厂使用。 （二）浮船泵排洪 如上所述，既使用坑道排洪，也避免不了淹没数天的可能，因此可考虑用浮船泵回水排洪。浮船泵排水能力2000～4000t/h，不宜太小，以免暴雨后采场边帮浸水时间过长，酸性增大，带来环保方面的新问题。采用浮船泵回水的关键是需要大流量（2000～4000t/h），高扬程（最大250m）的浮船泵。 另外，可采取浮船泵一坑道联合排洪。下部坑道排洪，上部（－65m以上）用浮船泵回水排洪，浮船泵扬程只需约100m，而且－65m坑道废弃已久，不必再恢复。 四、安全稳定性 凹山采场台阶宽度≥7m、台阶边坡角60°、整体边坡角35～43，采场内边坡岩性坚硬完整、稳定性较好，采场仅在上部近地表30～30m台阶西帮北部、北帮、东帮的边坡为散体结构，岩性为凝灰岩、安山岩、闪长玢岩及硫铁矿层，边坡岩石为松软～半坚硬，出现过崩塌、滑坡，但经过削坡及锚杆、锚索等加固措施，消除了可能出现的安全隐息。数十年来，凹山采坑未出现大的边坡安全事故，总体属于岩#石边坡，并处于稳定状态，坑内贮存尾砂后，有减低下滑力的作用，对原岩石边坡无不良影响。

尾砂贮存于坑内有排水井排水疏干，随着时间推移，可逐步从下向上固结成层，安全稳定性是可靠的。蓄尾开始时要考虑对离硫边帮的处理，可采取喷射混凝土形成封闭层，阻断水、空气与硫的直接接触，以避免水的污染。

五、矿区生产及尾矿平衡

凹山坑尾矿库物送量的变化可分为4个阶段：

第一阶段：2010年凹山坑尾矿库投产初期，尾矿量逐年增加至2014年以后输送会有些困难。

第二阶段：2014年和尚桥和高村两个采场、3个尾矿库均维持最佳状态，直到2018年前后凹山总尾矿库、城门峒尾矿库闭库，该阶段凹山坑尾矿库入库尾砂量可稳定在每年342万t（228万m）。

第三阶段：原凹山总尾矿库、城门峒尾矿库闭库后，从2019年开始，凹山坑尾矿库入库尾砂量稳定在最大量761.7万t （507.8万m），可维持到2022年前后。

第四阶段：2022年以后，随着高村、和尚桥两个采场逐年减产，入库尾砂量逐年减少，若无新的资源开发，到2030年前后两个采场闭坑后尾矿库尚余有效库容近1000万m。

第一、二阶段全部尾砂分新、老两系统输送：

老系统：凹山老选厂－1总尾砂－2总尾砂－3总尾砂－老尾矿库（含城门峒），最大输送量每年420万t。

新系统：和尚桥新选厂－和尚桥新泵站－凹山坑尾矿库，该阶段最大输送量每年342万t。

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第三阶段凹山坑尾矿库成为惟一的尾矿库，新、老系统均要改造合并为一个输送系统。老系统从2总尾砂出口，铺设管道通向和尚桥泵站，最大输送量每年390万t；30总尾砂及其以后各段设施废止。

新系统和尚桥新泵站出口输送量要加大到每年762万t。2023年开始，随着矿石产量下降，尾矿量逐年减少，直到2030年为止。

六、采场改建尾矿库需研究的关键技术

（一）露天采场的工程地质及水文地质条件研究；

（二）库岸边坡岩体物理力学性质试验研究；

（三）拟排尾砂矿浆及尾砂的物理力学性能试验研究；

（四）尾矿浆的浓缩与固化可行性的技术经济分析研究；

（五）尾矿深坑排放的输送与排放工艺技术研究；

（六）尾矿排放过程中库岸边坡渗流场的动态变化规律分析与计算；

（七）库岸边坡稳定性分析与计算；

（八）滑动块体能量转移分析及冲击破坏分析计算；

（九）库岸边坡稳定与安全的控制技术研究。

七、结语

通过对凹山露天闭坑采场改建尾矿库的关键技术研究，不但可以节省建尾矿库征地与大量的基建投资费用（2亿多），使闭坑的采场得以充分有效利用，而且可以改善和提高矿山及周边地区的环境质量，有效治理矿区环境地质灾害，对保证矿山正常安全生产及人民生命安全具有重要作用。

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