某露天坑尾礦膠結(jié)體充填方案研究

班振興

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司）

尾礦膠結(jié)體是以尾砂為骨料、水泥等為膠結(jié)劑，與水混合后發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)而生成的具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)體。李詩(shī)雨［1］、徐喜［2］、盧宏建［3］等對(duì)尾礦膠結(jié)體的研究表明，膠結(jié)劑的種類(lèi)、尾礦漿的濃度、膠結(jié)料漿的灰砂比等因素直接影響尾礦膠結(jié)體的強(qiáng)度。

郄永波［4］、張長(zhǎng)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(shù)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，既能消除礦山的地質(zhì)災(zāi)害隱患，又能消納大宗固廢，具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定尾礦膠結(jié)體的物理參數(shù)，并選取某露天坑的典型剖面，通過(guò)數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)充填不同配比的尾礦膠結(jié)體對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)行成本分析，從而得出安全效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化的回填方案，并指導(dǎo)露天坑的回填。

1 尾礦膠結(jié)體力學(xué)參數(shù)研究

擬用于某露天坑充填的尾砂為3 個(gè)生產(chǎn)期的尾砂，分別命名為T(mén)1、T2、T3，對(duì)應(yīng)的密度、堆積密度、孔隙率見(jiàn)表1，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2，粒度篩析結(jié)果見(jiàn)表3，料漿濃度為56%、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 的不同灰砂比尾礦膠結(jié)體的物理參數(shù)見(jiàn)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?qū)Τ涮铙w強(qiáng)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(chǎn)率為21.42%，粗顆粒含量較少，屬于細(xì)—極細(xì)粒尾砂，顆粒不均勻系數(shù)為34.96，顆粒級(jí)配不均勻。

由表4可知，隨著灰砂比降低，尾礦膠結(jié)體黏聚力顯著下降，密度、摩擦角不同程度降低，滲透系數(shù)提高。灰砂比為1∶4 時(shí)，尾礦膠結(jié)體密度為1.56 g/cm3，黏聚力為77 kPa，摩擦角為31.1°，滲透系數(shù)為1.32×10-5cm/s；灰砂比為1∶8 時(shí)，尾礦膠結(jié)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(shù)提高為1.55×10-5cm/s；灰砂比為1∶12時(shí)，尾礦膠結(jié)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(shù)提高為1.98×10-5cm/s。

2 尾礦膠結(jié)體充填對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

選定典型的分析剖面是邊坡穩(wěn)定性研究的重要前提，直接關(guān)系著邊坡穩(wěn)定性研究的可靠性和成果質(zhì)量。本研究的露天坑共分4個(gè)邊坡分區(qū)，每個(gè)分區(qū)一個(gè)代表性剖面。本研究選取安全系數(shù)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(wěn)定性變化規(guī)律，從而確定尾礦膠結(jié)體充填方案。邊坡單臺(tái)階高度為12 m，受滑坡等原因影響，局部邊坡發(fā)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(fēng)化、中風(fēng)化凝灰?guī)r及微風(fēng)化、中風(fēng)化高嶺土化輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖。

2.1 研究選用巖石力學(xué)參數(shù)

本研究選用巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。

2.2 A—A′剖面研究

A—A′剖面概化剖面圖見(jiàn)圖1。

2.2.1 沒(méi)有尾礦膠結(jié)體回填工況下的邊坡安全系數(shù)分析

在沒(méi)有尾礦膠結(jié)體回填的工況下，考慮地下水滲流，邊坡安全系數(shù)見(jiàn)圖2。

由圖2 可見(jiàn)，邊坡安全系數(shù)為0.921，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；邊坡外側(cè)滑動(dòng)面為安全系數(shù)較低的滑動(dòng)面，在沒(méi)有尾礦膠結(jié)體回填的工況下，邊坡發(fā)生整體滑動(dòng)可能性較大，安全隱患較大。因此，必須盡快對(duì)邊坡進(jìn)行尾礦膠結(jié)體回填加固。

2.2.2 不同灰砂比的尾礦膠結(jié)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(jié)體回填后邊坡的安全系數(shù)變化情況。

由圖3～圖5 可知，當(dāng)采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.065；當(dāng)采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.061；當(dāng)采用灰砂比1∶12 的尾礦膠結(jié)體充填第1層時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.056。由此可見(jiàn)，在尾礦膠結(jié)回填第1 層時(shí)，尾礦膠結(jié)體灰砂比越高，對(duì)邊坡加固效果越好。由于第1 層尾礦膠結(jié)體回填對(duì)露天坑坑底有加固效果，且將作為露天坑尾砂回填的基礎(chǔ)，因此第1 層采用1∶4 的尾礦膠結(jié)體進(jìn)行充填，充填后邊坡安全系數(shù)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(jié)體回填后邊坡的安全系數(shù)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(jié)體充填后，第2 層采用灰砂比1∶4、1∶8、1∶12的尾礦膠結(jié)體充填，邊坡安全系數(shù)均為1.159。隨著充填高度的提高，邊坡安全系數(shù)顯著提高，但第2 層尾礦膠結(jié)體的配比對(duì)邊坡安全系數(shù)沒(méi)有影響，因此，考慮經(jīng)濟(jì)效益，可以選用較低灰砂比的尾礦膠結(jié)體。但為了保護(hù)基底尾礦膠結(jié)體，同時(shí)起過(guò)渡作用，第2層采用灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體充填，后續(xù)采用灰砂比為1∶12的尾礦膠結(jié)體充填。

2.3 B—B′剖面研究

B—B′剖面概化剖面圖見(jiàn)圖9。

2.3.1 沒(méi)有尾礦膠結(jié)體回填工況下的邊坡安全系數(shù)分析

在沒(méi)有尾礦膠結(jié)體回填的工況下，考慮地下水滲流，邊坡安全系數(shù)為見(jiàn)圖10。

由圖10 可見(jiàn)，邊坡安全系數(shù)為1.102，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲(chǔ)備不高；邊坡外側(cè)滑面為安全系數(shù)較低的滑動(dòng)面，在沒(méi)有尾礦膠結(jié)體回填的工況下，邊坡可能發(fā)生整體滑動(dòng)，具有一定的安全隱患。因此，必須對(duì)邊坡進(jìn)行尾礦膠結(jié)體回填加固。

2.3.2 不同灰砂比的尾礦膠結(jié)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(jié)體回填后邊坡的安全系數(shù)變化情況。

由圖11～圖13 可知，當(dāng)采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.233；當(dāng)采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.233；當(dāng)采用灰砂比1∶12 的尾礦膠結(jié)體充填第1 層時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.229。由此可見(jiàn)，在尾礦膠結(jié)回填第1層時(shí)，尾礦膠結(jié)體灰砂比變化對(duì)邊坡加固效果影響較小。由于第1 層尾礦膠結(jié)體回填對(duì)露天坑坑底有加固效果，且將作為露天坑尾砂回填的基礎(chǔ)，因此第1 層采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體進(jìn)行充填，充填后邊坡安全系數(shù)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(jié)體回填后邊坡的安全系數(shù)變化情況。

由圖14～圖16 可知，第2 層尾礦膠結(jié)體的灰砂比對(duì)邊坡安全系數(shù)影響不大，考慮經(jīng)濟(jì)效益因素，可以適當(dāng)降低尾礦膠結(jié)體的灰砂比。為了保護(hù)基底尾礦膠結(jié)體，同時(shí)起過(guò)渡作用，第2 層采用灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體充填，充填后邊坡安全系數(shù)為1.389，后續(xù)則可采用灰砂比1∶12的尾礦膠結(jié)體充填。

3 尾礦膠結(jié)體充填經(jīng)濟(jì)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(jié)體與成本相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表6。

由表6 可知，第2 層采用灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填，比灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填可節(jié)約129萬(wàn)元固化劑成本；第3 層采用灰砂比1∶12 的尾礦膠結(jié)體充填，比灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填可節(jié)約189 萬(wàn)元固化劑成本，比灰砂比1∶8 的尾礦膠結(jié)體充填可節(jié)約49萬(wàn)元固化劑成本。通過(guò)降低尾礦膠結(jié)體灰砂比可顯著節(jié)約成本，因此，充填方案在經(jīng)濟(jì)上是可行的。結(jié)合上文對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)論，建議第1層采用灰砂比1∶4 的尾礦膠結(jié)體充填，第2 層采用灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體充填，其他層則均采用灰砂比1∶12的尾礦膠結(jié)體充填。

4 結(jié)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(qiáng)度的因素；尾砂d10=1.074 μm、d50=21.27 μm、d90=112.5 μm，屬細(xì)—極細(xì)粒尾砂，顆粒不均勻系數(shù)為34.96，顆粒級(jí)配不均勻；隨著灰砂比降低，尾礦膠結(jié)體黏聚力顯著下降，密度、摩擦角不同程度降低，滲透系數(shù)提高。

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

（3）依據(jù)A—A′剖面、B—B′剖面充填尾礦膠結(jié)體的安全系數(shù)，并結(jié)合充填經(jīng)濟(jì)成本因素，建議第1層充填灰砂比1∶4的尾礦膠結(jié)體，第2層充填灰砂比1∶8的尾礦膠結(jié)體，其余層均充填灰砂比1∶12 的尾礦膠結(jié)體，從而達(dá)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(jié)體，既可解決尾礦的堆存問(wèn)題，又可加固邊坡，具有極大的安全效益和社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。