CN114856572A - 一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法。包括以下步骤：S1、全尾砂沉降浓密；S2、底流深度脱水；S3、速凝胶结造球；S4、球粒固化堆储；S5、运输堆排露天坑；S6、客土覆盖与生态修复。通过将全尾砂深度脱水后，添加胶凝剂和速凝剂，采用造球机形成一定尺度的尾砂球粒，迅速凝结后运输至露天坑进行机械化堆排。尾砂球粒间大量孔隙实现堆载体轻量化，降低对露天坑隔离矿柱的压覆载荷；形成二次重构的水源涵养体，不破坏露天坑周边水文环境，有利于露天坑生态修复；在露天坑无泌水，遭遇降雨也不受雨水浸泡影响，且能快速将积水过滤排出，能有效解决露天坑尾砂胶结充填管道输送料浆浓度低、泌水多、降雨影响强度失效、排水困难等关键难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿山开采露天坑充填领域，尤其涉及一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法。
背景技术
矿山露天开采结束后形成露天坑，废弃露天坑一方面对矿区生态环境造成破坏，另一方面易与井下采矿系统形成复杂的水力通道，大气降水侵入地下生产系统给井下生产造成极大的安全隐患。此外，露天采坑高陡边坡受风化侵蚀、井下采矿扰动等影响极易诱发边坡滑塌，威胁地表建构筑物、井下生产系统的稳定性。
采用矿山尾砂充填露天坑，能够实现露天坑生态治理和尾砂高效利用双重目的。尾砂充填到露天坑一般需要固化凝结，因此通过添加胶凝剂搅拌后制备成60％～80％浓度的料浆由管道输送至露天坑排放。由于料浆具有一定含水量，露天坑内泌水与排水难度较大，造成充填料浆凝结时间很长，生产管理复杂；密实的尾砂胶结物形成大型弱渗透性阻隔体，破坏了露天坑周边水文环境，不利于露天坑生态修复；在南方多雨地区，受降雨影响，含有胶凝材料的充填料浆易被雨水冲刷稀释，发生离析和分层，胶凝材料粉状物料漂浮在积水上层被排出坑外，导致充填体强度失效，养护周期延长，甚至形成大的泥浆湖，给井下生产区域造成泥石流重大灾害风险。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法。通过将全尾砂深度脱水后，添加胶凝剂和速凝剂，采用滚动造球装置形成一定尺度的尾砂球粒，迅速凝结后运输至露天坑进行堆排，在露天坑无泌水，遭遇降雨也不受雨水浸泡影响，且能快速将积水过滤排出，能有效解决露天坑常规尾砂胶结充填管道输送料浆浓度低、泌水多、降雨影响强度失效、排水困难等关键难题。
为实现上述目的，本发明提供的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，主要包括以下步骤：
S1、全尾砂沉降浓密：选厂全尾砂通过管道输送至浓密机进行全尾砂高效浓密，获得质量浓度60％～75％的浓密底流；
S2、底流深度脱水：所述浓密底流进入深度过滤脱水设备，将全尾砂质量浓度浓缩至80％～90％，以符合滚动造球的物料要求；
S3、速凝胶结造球：采用滚动造球机对尾砂颗粒进行滚动挤密成球，按照一定配比添加胶凝剂和速凝剂，根据物料含水量添加适量水分；
S4、球粒固化堆储：将所述造球机产出的所述尾砂胶结球粒转运至固化堆储场，在固化堆储场进行充分养护固化；
S5、运输堆排露天坑：先清理露天坑边坡和底部，在底部构建高强度加固层，加固层上方铺设防渗层，然后设置滤排水井，将尾砂固化球粒由堆储场运输至露天坑内进行铺排；
S6、客土覆盖与生态修复：待尾砂固化球粒充填堆至露天坑设计水平后，从周边运输废弃土壤铺置于上，并在客土覆盖后进行生态复绿，选择适生植物按照功能区划进行种植，最终实现废弃露天坑的生态修复。
进一步地，S1中，所述浓密机可以采用立式砂仓或深锥浓密机中的一种或两种串联进行全尾砂高效浓密。同时可根据尾砂粒径级配确定是否添加絮凝剂，以加速尾砂沉降效率，降低浓密机溢流水含固量。
进一步地，S2中，所述底流深度脱水过滤设备可以采用真空陶瓷过滤机、真空带式过滤机或板式压滤机之一，以将全尾砂浓密底流进一步深度脱水。
进一步地，所述滚动造球机为圆盘造球机、滚筒造球机或圆锥造球机中的一种，根据尾砂处理能力要求可采用一组或多组滚动造球机联合造球。
更进一步地，胶凝剂添加量为尾砂量的3％～5％，满足尾砂胶结球体固化不散，抗水不溃即可，尽量节省生产成本。
更进一步地，速凝剂添加量为胶凝剂添加量的3％～7％，使尾砂胶结球体在3～5min内快速干硬，满足运输和堆排作业。
更进一步地，添加水量应保持尾砂混合物总体含水率20％～30％，避免含水量太低成球难，粉尘大，以及含水量过高而黏糊性强，影响造球和运输生产效率。
更进一步地，速凝剂采用液体喷洒方式添加，使液体速凝剂成分在尾砂物料中充分弥散，与胶凝剂迅速反应，发挥快速胶固效应。
进一步地，所述露天坑底部加固层厚度为5～20m，加固层单轴抗压强度不低于3～5MPa。
进一步地，其中所述边坡可以不进行防渗处理，也可根据工程地质条件，选择性的进行防渗处理。
进一步地，所述滤排水井为多个，相邻之间的距离为30～50m，滤排水井为圆柱形，直径为0.3m～1.0m，采用管壁打孔的聚乙烯柔性管或钢管随尾砂堆排向上分段连接；或采用砖块垒砌成圆柱形圈随尾砂堆排向上分段堆砌，在圈壁留小洞并用土工膜包裹。
进一步地，先在露天坑底部安设一段滤排水井，然后铺设同等高度的尾砂固化球粒，待尾砂固化球粒充填夯实后，在上一段滤排水井上方连接下一段滤排水井，然后又铺设与当前段滤排水井同等高度的尾砂固化球粒，如此循环操作，直至滤排水井与尾砂固化球粒充填堆至露天坑设计水平。
其中，所述滤排水井并不局限于仅安设于底部防渗层上，随着尾砂球粒堆排向上，也可延伸至在边坡上安设滤排水井，安设操作同前。
进一步地，当所述滤排水井采用管壁打孔的聚乙烯柔性管或钢管时，其中第一段滤排水井可采用混凝土浆砌固定于底部，后续段的滤排水井之间通过卡箍连接或焊接方式固定。
进一步地，当采用砖块垒砌成圆柱形滤排水井的方式时，上下段滤排水井之间的连接通过混凝土浆向上堆砌即可。
进一步地，S5中，所述尾砂固化球粒可由胶带输送机或汽车运输至露天坑境界上部边缘，通过斜溜槽溜送至露天坑内，再由装载机或小型汽车搬移铺排至露天坑内各处；或直接由汽车从地表的堆储场运输至露天坑内卸料铺排。
更进一步地，所述尾砂球粒固化堆储场为带顶棚的工业堆储场地，同时作为尾砂固化球粒连续生产与露天坑间歇充填的衔接转运系统，可以在露天坑间歇充填期间，解决尾砂造球连续生产的储存矛盾。
有益效果
本发明的废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，通过将全尾砂深度脱水后，添加胶凝剂和速凝剂，采用滚动造球装置形成一定尺度的尾砂球粒，迅速凝结后运输至露天坑进行堆排，尾砂球粒间形成大量孔隙，一方面实现轻质化堆载，降低充填体对露天坑隔离矿柱的压覆载荷，一方面形成水源涵养体，对露天坑周边水文环境损伤低，有利于露天坑生态修复；在露天坑无泌水，遭遇降雨也不受雨水浸泡影响，且能快速将积水过滤排出，能有效解决露天坑常规尾砂胶结充填管道输送料浆浓度低、泌水多、降雨影响强度失效、排水困难等关键难题。本发明的废弃露天坑尾砂速凝造球充填生态修复系统与方法为实现无尾矿库绿色矿山建设和露天坑生态环境治理提供了科学有效的新途径。
附图说明
图1是本发明露天坑尾砂充填方法流程图。
图2本发明工艺主要设备流程示意图。
图3是本发明露天坑生态修复剖面图示意图。
图4是本发明露天坑尾砂球粒运输与铺排示意图。
图5是本发明露天坑尾砂球粒充填滤排水井布置示意图。
附图中各部件的标记如下：1、深锥浓密机；2、真空带式过滤机；3、造球机；4、堆储场；5、露天坑；51、加固层；52、防渗层；53、滤排水井；54、尾砂固化球粒；55、废弃土壤；56、植物；6、汽车；7、斜溜井；8、装载机。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
如图1～5所示，本发明提供的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，主要包括以下步骤：
S1、全尾砂沉降浓密：选厂全尾砂通过管道输送至浓密机1进行全尾砂高效浓密，获得质量浓度60％～75％的浓密底流；
S2、底流深度脱水：所述浓密底流进入深度过滤脱水设备2，将全尾砂质量浓度浓缩至80％～90％，以符合滚动造球的物料要求；
S3、速凝胶结造球：采用滚动造球机3对尾砂颗粒进行滚动挤密成球，按照一定配比添加胶凝剂和速凝剂，根据物料含水量添加适量水分；
S4、球粒固化堆储：将所述造球机产出的所述尾砂胶结球粒转运至固化堆储场4，在固化堆储场4进行充分养护固化；
S5、运输堆排露天坑：先清理露天坑5边坡和底部，在底部构建高强度加固层51，加固层上方铺设防渗层52，然后设置滤排水井53，将尾砂固化球粒54由固化堆储场4运输至露天坑5内进行铺排；
S6、客土覆盖与生态修复：待尾砂固化球粒54充填堆至露天坑设计水平后，从周边运输废弃土壤55铺置于上，并在客土覆盖后进行生态复绿，选择适生植物56按照功能区划进行种植，最终实现废弃露天坑的生态修复。
进一步地，S1中，所述浓密机1可以采用立式砂仓或深锥浓密机中的一种或两种串联进行全尾砂高效浓密。同时可根据尾砂粒径级配确定是否添加絮凝剂，以加速尾砂沉降效率，降低浓密机溢流水含固量。
进一步地，S2中，所述底流深度脱水过滤设备2可以采用真空陶瓷过滤机、真空带式过滤机或板式压滤机，以将全尾砂浓密底流进一步深度脱水。
进一步地，所述滚动造球机3为圆盘造球机、滚筒造球机或圆锥造球机中的一种，根据尾砂处理能力要求可采用一组或多组滚动造球机联合造球。
更进一步地，胶凝剂添加量为尾砂量的3％～5％，满足尾砂胶结球体固化不散，抗水不溃即可，尽量节省生产成本。
更进一步地，速凝剂添加量为胶凝剂添加量的3％～7％，使尾砂胶结球体在3～5min内快速干硬，满足运输和堆排作业。
更进一步地，添加水量应保持尾砂混合物总体含水率20％～30％，避免含水量太低成球难，粉尘大，以及含水量过高而黏糊性强，影响造球和运输生产效率。
更进一步地，速凝剂采用液体喷洒方式添加，使液体速凝剂成分在尾砂物料中充分弥散，与胶凝剂迅速反应，发挥快速胶固效应。
进一步地，所述露天坑底部加固层厚度为5～20m，加固层单轴抗压强度不低于3～5MPa。
进一步地，所述边坡可以不进行防渗处理，也可根据工程地质条件，选择性的进行防渗处理。
进一步地，所述滤排水井53为多个，相邻之间的距离为30～50m，滤排水井为圆柱形，直径为0.3m～1.0m，采用管壁打孔的聚乙烯柔性管或钢管随尾砂堆排向上分段连接；或采用砖块垒砌成圆柱形圈随尾砂堆排向上分段堆砌，在圈壁留小洞并用土工膜包裹。
进一步地，先在露天坑5底部安设一段滤排水井53，然后铺设同等高度的尾砂固化球粒54，待尾砂固化球粒54充填夯实后，在上一段滤排水井53上方连接下一段滤排水井53，然后又铺设与当前段滤排水井同等高度的尾砂固化球粒54，如此循环操作，直至滤排水井与尾砂固化球粒充填堆至露天坑设计水平。
其中，所述滤排水井并不局限于仅安设于底部防渗层上，随着尾砂球粒堆排向上，也可延伸至在边坡上安设滤排水井，安设操作同前。
进一步地，当所述滤排水井53采用管壁打孔的聚乙烯柔性管或钢管时，其中第一段滤排水井可采用混凝土浆砌固定于底部，后续段的滤排水井之间通过卡箍连接或焊接方式固定。
进一步地，当采用砖块垒砌成圆柱形滤排水井的方式时，上下段滤排水井之间的连接通过混凝土浆向上堆砌即可。
进一步地，S5中，所述尾砂固化球粒54可由胶带输送机或汽车6运输至露天坑境界上部边缘，通过斜溜槽7溜送至露天坑5内，再由装载机8或小型汽车搬移铺排至露天坑内各处；或直接由汽车从地表的堆储场运输至露天坑内卸料铺排。
更进一步地，所述尾砂球粒固化堆储场4为带顶棚的工业堆储场地，同时作为尾砂固化球粒连续生产与露天坑间歇充填的衔接转运系统，可以在露天坑间歇充填期间，解决尾砂造球连续生产的储存矛盾。
下面对本发明提供的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法在实际矿山使用情况进行说明。
申请人在南方某矿山的废弃露天坑的生态修复中试用了本发明的充填方法。该矿山早期采用露天坑开采方式，露采闭坑后形成长约500m，宽约300m，深约100m的大型露天坑。由于资源开采持续接替的需要，露天坑闭坑后转入井下继续生产。井下主要分段空场嗣后充填采矿法，最上部中段与露天坑底之间隔离矿柱约30m，且存在早期民采残留未处理的采空区。由于南方雨季降水较多，露天坑内积水易通过坑底和边坡裂隙渗入采空区和井下坑道，影响生产作业环境，围岩和矿柱长期受侵蚀易失稳破坏，存在安全风险。同时，该矿山尾矿库已堆满，根据当地相关部门要求，已进行闭库复垦，新建尾矿库无址可选，造成当前尾砂除用于井下充填外，还富余大量尾砂无处可排，严重制约了矿山可持续生产。
因此，为了解决矿山废弃露天坑生产治理和尾砂处理难题，同时避免降雨对充填的尾砂胶结体造成影响，提出采用尾砂速凝造球充填露天坑并进行生态修复的技术思路，具体通过本实施例的下述填充方法进行，包括如下步骤：
S1、全尾砂沉降浓密。选厂全尾砂浓度12％～15％，通过管道泵送至Φ16m深锥浓密机，由于全尾砂粒径较细，其中-20um颗粒含量约占46％，为加速细颗粒尾砂沉降，降低溢流水含固量，添加絮凝剂后浓缩获得质量浓度为68％的尾砂底流。
S2、底流深度脱水。深锥浓密机底流由渣浆泵输送至真空带式过滤机，充分利用料浆重力和真空吸力实现固液分离。经真空带式过滤机脱水后，尾砂质量浓度达到88％左右。
S3、速凝胶结造球。采用两台Φ3.0m的圆盘造球机对尾砂颗粒进行滚动挤密成球。圆盘转速8r/min，盘斜度调整值45°，单台设备生产能力15～20t/h。
进一步地，所述S3中，以425#水泥为胶凝剂，添加量为尾砂量的5％，前期试验表明该灰砂比能够实现尾砂胶结体28天单轴抗压强度不低于0.5MPa。
更进一步地，采用无碱速凝剂，添加量为胶凝剂添加量的5％，前期试验表明该配比能使尾砂胶结球体在3～5min内初凝，8～10min内终凝。速凝剂采用液体喷洒方式添加，使液体速凝剂成分在尾砂物料中充分弥散，与胶凝剂迅速反应，发挥快速胶固效应。
更进一步地，添加水量保持尾砂混合物总体含水率约20％，避免含水量太低成球难，粉尘大，以及含水量过高而黏糊性强，影响造球和运输生产效率。
S4、球粒固化堆储。将造球机3产出的尾砂胶结球粒转运至固化堆储场4，在固化堆储场4进行充分养护固化，同时可以作为尾砂固化球粒连续生产与露天坑间歇充填的衔接转运系统。
S5、运输堆排露天坑。先清理露天坑5边坡和底部，在底部构建一层10m厚的高强度加固层51，加固层采用尾砂与水泥按1：6灰砂比进行构建，且28天单轴抗压强度不低于3.0MPa。在加固层51上方铺设防渗层52，设置滤排水井53，然后通过汽车将尾砂固化球粒由堆储场4运输至露天坑5内进行铺排。
更进一步地，滤排水井53呈梅花状错开布置，相邻之间相互间隔30m，有利于提高尾砂球粒堆中水分渗流效率。滤排水井53为圆柱形，直径0.5m，采用管壁打孔的聚乙烯柔性管随尾砂堆排向上分段连接。
实际施工时，先在露天坑底部安设第一段柔性管，然后铺设同等高度的尾砂固化球粒，待尾砂固化球粒充填夯实后，在第一段柔性管上方连接第二段柔性管，然后又铺设与第二段柔性管同等高度的尾砂固化球粒，如此循环操作，直至滤排水井与尾砂固化球粒充填堆至露天坑设计水平。当然在堆排向上的过程中，所述滤排水井可延伸至安设于所述边坡上，安设操作同前。
其中在安设第一段柔性管时，可采用混凝土浆砌固定于底部，也可以采用人工扶稳或者其他一些固定方式，比如利用木板顶住下方，后周围用尾砂球粒铺满就可以固定，后续段的柔性管之间通过卡箍连接或焊接方式固定。
由于滤排水井管道内压力低于外部充填体压力，且内部水位低于外部，同时滤排水井管道壁上开设通孔，而尾砂固化球粒54为干料，不含水，且堆置于露天坑内时具有较大孔隙率，因此，降雨时就能很好地将雨水迁移渗滤到排水井53中，当到达一定水位后，再集中抽出露天坑，保持堆场作业环境友好。
更进一步地，尾砂固化球粒54由汽车6运输至露天坑5境界上部边缘，通过斜溜槽7溜送至露天坑5内，再由装载机8搬移铺排至露天坑内各处卸料铺排。
S6、客土覆盖与生态修复。待尾砂固化球粒54充填堆至露天坑设计水平后，从周边运输废弃土壤55铺置于上，减少周边工业设施建设土方开挖后弃土排放，同时作为后续生态修复的基层土壤。在客土覆盖后进行生态复绿，选择适生植物56按照功能区划进行种植，最终实现废弃露天坑的生态修复。
相比现有露天坑尾砂充填方法，由于采用速凝球粒充填，尾砂胶结料进入露天坑之前已凝结固化，呈球粒固态形式，便于运输堆存和机械化铺排，作业便捷高效。没有大量泌水，且不受降雨影响，雨水渗滤效率高，积水排放简单。本实施例的填充方法特别适合于降雨多的南方地区。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、全尾砂沉降浓密：选厂全尾砂通过管道输送至浓密机进行全尾砂高效浓密，获得质量浓度60％～75％的浓密底流；
S2、底流深度脱水：所述浓密底流进入深度过滤脱水设备，将全尾砂质量浓度浓缩至80％～90％；
S3、速凝胶结造球：采用滚动造球机对尾砂颗粒进行滚动挤密成球，按照一定配比添加胶凝剂和速凝剂，根据物料含水量添加适量水分；
S4、球粒固化堆储：将所述造球机产出的所述尾砂胶结球粒转运至固化堆储场，在固化堆储场进行充分养护固化；
S5、运输堆排露天坑：先清理露天坑边坡和底部，在底部构建高强度加固层，加固层上方铺设防渗层，然后设置滤排水井，将尾砂固化球粒由堆储场运输至露天坑内进行铺排；
S6、客土覆盖与生态修复：待尾砂固化球粒充填堆至露天坑设计水平后，从周边运输废弃土壤铺置于上，并在客土覆盖后进行生态复绿，选择适生植物按照功能区划进行种植，最终实现废弃露天坑的生态修复。
2.根据权利要求1所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，S1中，所述浓密机可以采用立式砂仓或深锥浓密机中的一种或两种串联进行全尾砂高效浓密。
3.根据权利要求1所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，S2中，所述底流深度脱水过滤设备可以采用真空陶瓷过滤机、真空带式过滤机或板式压滤机之一。
4.根据权利要求1所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，所述滚动造球机为圆盘造球机、滚筒造球机或圆锥造球机中的一种，根据尾砂处理能力要求可采用一组或多组滚动造球机联合造球。
5.根据权利要求1所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，所述胶凝剂添加量为尾砂量的3％～5％，速凝剂添加量为胶凝剂添加量的3％～7％，速凝剂采用液体喷洒方式添加，添加水量应保持尾砂混合物总体含水率20％～30％。
6.根据权利要求1所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，所述露天坑底部加固层厚度为5～20m，加固层单轴抗压强度不低于3～5MPa。
7.根据权利要求1所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，所述滤排水井为多个，相邻之间的距离为30～50m，滤排水井为圆柱形，直径为0.3m～1.0m，采用管壁打孔的聚乙烯柔性管或钢管随尾砂堆排向上分段连接；或采用砖块垒砌成圆柱形圈随尾砂堆排向上分段堆砌，在圈壁留小洞并用土工膜包裹。
8.根据权利要求7所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，先在露天坑底部安设一段滤排水井，然后铺设同等高度的尾砂固化球粒，待尾砂固化球粒充填夯实后，在上一段滤排水井上方连接下一段滤排水井，然后又铺设与当前段滤排水井同等高度的尾砂固化球粒，如此循环操作，直至滤排水井与尾砂固化球粒充填堆至露天坑设计水平。
9.根据权利要求8所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，当所述滤排水井采用管壁打孔的聚乙烯柔性管或钢管时，其中第一段滤排水井可采用混凝土浆砌固定于底部，后续段的滤排水井之间通过卡箍连接或焊接方式固定。
10.根据权利要求1所述的一种废弃露天坑尾砂速凝造球充填方法，其特征在于，S5中，所述尾砂固化球粒可由胶带输送机或汽车运输至露天坑境界上部边缘，通过斜溜槽溜送至露天坑内，再由装载机或小型汽车搬移铺排至露天坑内各处；或直接由汽车从地表的堆储场运输至露天坑内卸料铺排。
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| RU2568452C1 (ru) * | 2014-09-16 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук (ИХН СО РАН) | Способ герметизации противофильтрационного экрана под водоемом после отработки карьера |
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| CN114856572B (zh) | 2023-01-17 |
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