CN110566207A - 一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，将选矿厂浓密池底流出的全尾砂经深锥浓缩池浓缩为质量浓度为60％‑65％高浓度尾砂，然后加入尾砂固化剂混合搅拌均匀制得全尾砂回填料，将全尾砂回填料通过管道输送至无底柱分段崩落法开采的矿山的矿岩覆盖层上覆进行分层/分区定点排放，并通过自然脱水或铺设排水管利用水泵及时将回填料上层的水排出，使堆排的全尾砂回填料含水率不大于20％。本发明所涉及的方法，合理地利用现有露天采坑，解决了矿山废渣(废石和全尾砂)堆排问题，尤其是缓解了矿山尾矿库堆存压力，延长了矿山尾矿库使用寿命年限，同时堆排技术和排渗技术可行，保障了露天转地下安全平稳过渡。
Description
技术领域
本发明涉及本发明涉及无底柱分段崩落法采矿技术领域，具体为一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法。
背景技术
近年来，矿山开采技术和矿业经济快速发展，且国家环保政策日趋严格，大力提倡建设和发展绿色可持续矿山，露天开采对于深部赋存矿产资源的矿山而言，在安全、经济和环保方面都已经不太适用，露天转地下开采是必然选择。然而露天转地下开采，主要表现为露天开采减产和地下开采增产，且普遍存在安全生产条件差、露天与地下产量衔接困难等问题，因此，要实现矿山安全平稳过渡和缓解过渡期的经济压力，所选择的地下开采方法必须要具备基建时间短、生产安全、出矿量大、结构简单等特点。目前，能达到以上要求的只有由上世纪60年代被引入我国的，并在上世纪末被广泛应用于露天转地下矿山的无底柱分段崩落法。而对于采用无底柱分段崩落采矿法进行露天转地下开采的矿山，要求在地下开采区域的上部留有一定厚度的安全缓冲垫层或者安全隔离层---矿岩覆盖层，以起到防冲击地压、防边坡滑塌、阻滞渗水、减少漏风、防寒保暖、预防井下泥石流灾害以及提供落矿放矿条件等作用。
在矿山覆盖层形成方式方面，大多数矿山主要崩落挂帮矿或围岩、回填排土场废石形成覆盖层，也有一些矿山在前面形成初始覆盖层的基础上继续回填废石干选料，但废石的整体利用量不大，无法从根本上解决矿山废渣大面积堆存占用土地的问题，另外，近年来矿山尾矿库排土场问题频发，对矿区生态环境和周边居民或者工人生命、财产安全的影响很大。有专利将露天坑治理和尾矿库建设结合起来，在已闭坑或者地下开采为充填采矿法的露天坑内干式排尾(对尾砂浆进行自然脱水、过滤和干燥后进行堆排)，以及在地下开采为崩落法的塌陷坑内回填固化尾砂浆(浓缩固结后，重量浓度为60％左右的高浓度尾砂浆)，虽可延长尾矿库的服务年限，并能消除露天坑、塌陷区存在的滑塌、井下泥石流等安全隐患，但都需将尾砂进行分级处理，存在处理能力小、多雨地区的适应性差等问题，之前做的研究也只能是探索性试验应用，并不适于工业化推广应用；另外，随着经济快速发展和矿产资源紧缺，尾砂中的粗砂得到了综合应用，使得进入尾矿库内的尾砂粒径越来越细，细粒尾砂压滤干堆稳定性差、排渗不畅，更无法回避暴雨和洪水，是一种潜在的危险源与环境风险源。
发明内容
本发明是针对以上现有技术的不足，而提供一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法。本发明从安全、经济和环保方面综合考虑，将选矿厂浓密池底全尾砂浆经处理达到可供利用状态后，直接堆排至正处于露天转地下过渡期，地下开采为无底柱分段崩落法的矿山露天采坑原有覆盖层上覆，目前国内外无类似的技术报道和实用先例；然后充分利用矿山现有排渗系统(排洪沟或渠)安设排水管以便排出尾砂浆上覆积水(澄清水、洪水)，以保障矿山地下作业安全。采用本技术能充分利用矿山露天开采遗留下来的露天采坑作为全尾砂堆排的选址，以解决尾矿库全尾砂堆存问题，从源头上解决了矿山尾矿库库容不足这一问题，有助于建设绿色矿山，实现露天转地下安全平稳过渡，保障地下安全开采和地下作业人员安全。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，包括如下步骤：
(1)全尾砂特性分析：对选矿厂浓密池底流出的全尾砂进行检测分析，检测分析内容包括尾砂粒度、矿物组成、矿物含量、自然沉降、自然堆积；
(2)制备露天采坑全尾砂回填料：将全尾砂经深锥浓缩池中浓缩至重量百分浓度为60％-65％的高浓度尾砂浆，将浓缩后的高浓度尾砂浆导入尾砂搅拌机中，加入尾砂固化剂，混合搅拌均匀；
(3)全尾砂回填料输送、堆排：将制备好的全尾砂回填料，通过管道输送至无底柱分段崩落法开采的矿山一定厚度的矿岩覆盖层上覆进行分区/分层定点排放，并通过自然脱水或布设排渗系统及时将全尾砂回填料上层的水排出，使堆排的全尾砂回填料含水率不大于20％。
进一步地，所述步骤(1)中对尾砂粒径、自然沉降、自然堆积的检测分析是指，通过分析尾砂粒级分布及其在自然沉降下的堆积情况，判断其是否有利于管道输送，是否不经过处理就可直接达到露天采坑内排放要求。
进一步地，所述步骤(1)中选矿厂浓密池底流出的全尾砂质量浓度为35％-40％。
进一步地，所述步骤(2)中尾砂固化剂按如下质量比添加，尾砂固化剂：全尾砂＝1:8-1:20。
进一步地，所述步骤(3)中全尾砂回填料单次堆排厚度根据如下方法确定：
①基于覆盖层崩落时全尾砂回填料不形成空顶的堆排最大厚度D1确定：
式中，D1---固化尾砂单次堆排最大厚度，m；
R---单次堆排固化尾砂扩展半径，m；
σ---固化尾砂单轴抗压强度，MPa；
②基于覆盖层块度和全尾砂回填料融合流动以防止细粒尾砂流入工作面的堆排最小厚度D2确定：
式中，D2---固化尾砂单次堆排最大厚度，m；
b---近工作面覆岩平均块度与固化尾砂经相似外力破坏后的平均块度之比；
T---固化尾砂塌落度，cm；
σ---固化尾砂单轴抗压强度，MPa；
a---覆盖层块度均匀度系数；
③固化尾砂单次堆排合理厚度的最终确定
综合①和②来确定出全尾砂回填料单次堆排厚度的区间范围，在此区间范围内进行堆排。
进一步地，步骤(3)中所述的矿岩覆盖层必须至少保持3个分段高度的厚度要求。
进一步地，当矿岩覆盖层厚度小于3个分段高度时，可通过回填排土场部分废石来满足厚度要求。
进一步地，步骤(3)中所述的分区/分层定点排放是指：在露天采坑内堆排时，沿现场东南西北四个边帮回采安全区域每隔一个分段设置一个回填区，输送管道沿每个回填区铺设，并在每个回填区的中部安设一个排放口，将制备的全尾砂回填料用砂浆泵通过管道直接排放到划定的回填区内，单次堆排、固化后，循环回填。
进一步地，排渗系统布设方法为：单次堆排全尾砂回填料后，利用矿山现有排洪系统和地质条件，布设排水沟渠、管道和回水设施，将全尾砂层表面贮存的澄清水和洪水通过排洪系统利用水泵抽出、输送至回水池，渗流水通过排水沟渠或管道输送至回水池，并通过回水设施将回水池内的水送回至选矿厂，实现水的循环使用。
在全尾砂层表面贮存的澄清水和洪水是指，全尾砂浆自然沉淀，出现液、固分层现象，且脱水效率低，会在其表面贮存大量澄清水；且在暴雨天气会有大面积洪水汇集，水会沿矿岩覆盖层间间隙渗透至矿石岩层中，从而影响井下作业安全。
与现有堆存技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明从无底柱分段崩落法特性和充分利用露天采坑方面出发，将矿山废渣(废石和全尾砂)回填至露天采坑内形成覆盖层，一方面有效地解决了目前矿山废渣堆存占用土地和污染环境问题，合乎国家建设“绿色矿山”政策；另一方面实现了露天向地下开采的安全平稳过渡；
2.本发明将浓密池底流出的全尾砂处理后直接堆排至地表露天采坑一定厚度矿岩覆盖层上，从源头缓解了矿山尾矿库堆存压力，延长尾矿库使用年限，并减少尾砂浆输送至尾矿库，再转排至露天采坑的不必要的运输成本及相关尾矿库的管理成本；
3.浓缩固结后的全尾砂力学性能达标，具有一定保水和流动性能；将其压滤脱水至最优含水率后，易于分层/分区堆排，使全尾砂堆排至露天坑内一定厚度矿岩覆盖层，随地下开采一起缓慢下沉，且在下沉过程中保持整体性，不产生细小颗粒随矿岩覆盖层颗粒间间隙渗透至矿石层造成贫化的技术可行；
4.布设排渗系统，排出全尾砂层上覆澄清水和洪水，一方面避免了大量水渗透发生泥石流等自然危害井下作业安全，另一方面实现了尾砂水循环使用，充分保障矿山采、选生产的连续性。
附图说明
图1是放矿椭球体理论中覆盖层安全结构与厚度确定原理图；
图2是本发明所述方法流程框图；
图3是实施例铁尾砂粒径分布图；
图4是实施例堆排各参数示意图；
A.单次堆排厚度；B.堆存露天采坑结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为放矿椭球体理论中的覆盖层安全结构与厚度确定原理图，其中，①H3为三个分段高度的矿石层(60m)；②H2为松动椭球体影响范围，至少是一个分段高度的2.5倍，属于流动层，是矿岩覆盖层(50m)；③H1为整体下移层，不受放矿影响，可在此进行尾砂堆排。
实施例
本发明提供一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，流程如图2所示，具体步骤如下：
1.对某铁矿厂浓密池底流出的全尾砂进行检测分析，检测分析内容包括尾砂粒度、矿物组成、矿物含量、自然沉降、自然堆积；铁尾砂的矿物成分如表1所示，粒径如图3所示：
表1某铁矿全尾砂成分分析结果(％)
管道输送要求：
①料浆粒径组成的基本要求是-20μm含量不低于15％，-20μm颗粒含量可在管壁形成润滑层，降低管道输送阻力，保护管壁并防止管道磨损，本实施例中全尾砂-20μm含量15％-20％，符合要求；
②自流输送料浆塌落度范围为23-27cm，(本实施例中塌落度符合自流输送要求)、临界流速1.4-1.7m/s、工作流速2.8-3.5m/s；泵送料浆塌落度范围为15-20cm、临界流速不作要求、工作流速0.8-1.5m/s。
露天采坑堆排要求：
①3-7d的抗压强度达到0.05MPa；28d抗压强度＞0.5MPa；
②渗透系数≤1×10-7cm/s。
2.将选矿厂浓密池底流出的重量浓度为35％-40％全尾砂浆经深锥浓缩池中浓缩为重量浓度60％-65％的高浓度尾砂浆，以及尾砂固化剂，按照尾砂固化剂：全尾砂＝1:8-1:20的比例，加入到尾砂搅拌机中，混合搅拌均匀制得全尾砂回填料，将全尾砂回填料通过管道输送至无底柱分段崩落法开采的矿山至少3个分段(60m)厚的矿岩覆盖层上覆进行分层/分区定点排放，并通过自然脱水或布设排渗系统及时将回填料上层的水排出，使堆排的全尾砂回填料含水率不大于20％；
其中，采用的尾砂固化剂为32.5级矿渣硅酸盐水泥。
按一个分段高度(20m)算，用如下量化方法来确定出固化尾砂单次堆排厚度的区间范围：
①基于覆盖层崩落时固化尾砂不形成空顶的堆排最大厚度确定
式中，D1---固化尾砂单次堆排最大厚度，m；
R---单次堆排固化尾砂扩展半径，20m；
σ---固化尾砂单轴抗压强度，MPa；一般为28d抗压强度0.5MPa；
计算得出D1＝9.77m；
②基于覆盖层块度和固化尾砂融合流动以防止细粒尾砂流入工作面的堆排最小厚度确定
式中，D2---固化尾砂单次堆排最大厚度，m；
b---近工作面覆岩平均块度与固化尾砂经相似外力破坏后的平均块度之比(6-8)；
T---固化尾砂塌落度，25-27cm；
σ---固化尾砂单轴抗压强度，MPa(一般为28d抗压强度0.5MPa)；
a---覆盖层块度均匀度系数(均匀系数94-95)；
计算得出D2＝4.52-4.86m；
综合①和②来确定出固化尾砂单次堆排厚度的区间范围(4.52-9.77m)，在此区间范围内进行堆排。
其中，具体的分区/分层定点排放方式为：
在露天采坑内堆排时，沿现场东南西北四个边帮回采安全区域每隔一个分段(20m)设置一个回填区，输送管道沿每个回填区铺设，并在每个回填区的中部安设一个排放口，将制备的回填料用砂浆泵通过管道直接排放到划定的回填区内；单次堆排厚度为4.52-9.77m，固化时间为14天(14天的强度刚好达到堆排要求)，进行循环回填；本实施例堆排各参数如图4所示；
其中，排渗系统布设方法包括：单次堆排全尾砂回填料后，充分利用矿山现有排洪系统，布设排水沟渠、管道和回水设施。将全尾砂层表面贮存大量澄清水和洪水通过排洪系统利用水泵抽出输送至回水池，渗流水通过排水沟渠或管道输送至回水池，并通过回水设施将回水池内的水送回至选矿厂循环使用。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)全尾砂特性分析：对选矿厂浓密池底流出的全尾砂进行检测分析，检测分析内容包括尾砂粒度、矿物组成、矿物含量、自然沉降；
(2)制备露天采坑全尾砂回填料：将全尾砂经深锥浓缩池中浓缩至重量百分浓度为60％-65％的高浓度尾砂浆，将浓缩后的高浓度尾砂浆导入尾砂搅拌机中，加入尾砂固化剂，混合搅拌均匀；
(3)全尾砂回填料输送、堆排：将制备好的全尾砂回填料，通过管道输送至无底柱分段崩落法开采的矿山一定厚度的矿岩覆盖层上覆进行分区/分层定点排放，并通过自然脱水或布设排渗系统及时将全尾砂回填料上层的水排出，使堆排的全尾砂回填料含水率不大于20％。
2.根据权利要求1所述的一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，所述步骤(1)中对尾砂粒径及自然沉降的检测分析是指，通过分析尾砂粒级分布及其在自然沉降下的堆积情况，判断其是否有利于管道输送，是否不经过处理就可直接达到露天采坑内排放要求。
3.根据权利要求1所述的一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，所述步骤(1)中选矿厂浓密池底流出的全尾砂质量浓度为35％-40％。
4.根据权利要求1所述的一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，所述步骤(2)中尾砂固化剂按如下质量比添加，尾砂固化剂：全尾砂＝1:8-1:20。
5.根据权利要求1所述的一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，所述步骤(3)中全尾砂回填料单次堆排厚度根据如下方法确定：
①基于覆盖层崩落时全尾砂回填料不形成空顶的堆排最大厚度D1确定：
式中，D1---固化尾砂单次堆排最大厚度，m；
R---单次堆排固化尾砂扩展半径，m；
σ---固化尾砂单轴抗压强度，MPa；
②基于覆盖层块度和全尾砂回填料融合流动以防止细粒尾砂流入工作面的堆排最小厚度D2确定：
式中，D2---固化尾砂单次堆排最大厚度，m；
b---近工作面覆岩平均块度与固化尾砂经相似外力破坏后的平均块度之比；
T---固化尾砂塌落度，cm；
σ---固化尾砂单轴抗压强度，MPa；
a---覆盖层块度均匀度系数；
③固化尾砂单次堆排合理厚度的最终确定：
综合①和②来确定出全尾砂回填料单次堆排厚度的区间范围，在此区间范围内进行堆排。
6.根据权利要求1所述的一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，步骤(3)中所述的矿岩覆盖层必须至少保持3个分段高度的厚度要求。
7.根据权利要求6所述的一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，当矿岩覆盖层厚度小于3个分段高度时，通过回填排土场部分废石来满足厚度要求。
8.根据权利要求1所述的一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，步骤(3)中所述的分区/分层定点排放是指：在露天采坑内堆排时，沿现场东南西北四个边帮回采安全区域每隔一个分段设置一个回填区，输送管道沿每个回填区铺设，并在每个回填区的中部安设一个排放口，将制备的全尾砂回填料用砂浆泵通过管道直接排放到划定的回填区内，单次堆排、固化后，循环回填。
9.根据权利要求1所述的一种露天转地下无底柱分段崩落法覆盖层全尾砂堆置方法，其特征在于，排渗系统布设方法为：单次堆排全尾砂回填料后，利用矿山现有排洪系统和地质条件，布设排水沟渠、管道和回水设施，将全尾砂层表面贮存的澄清水和洪水通过排洪系统利用水泵抽出、输送至回水池，渗流水通过排水沟渠或管道输送至回水池，并通过回水设施将回水池内的水送回至选矿厂，实现水的循环使用。
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