矿山废石全尾砂充填研究现状与发展趋势

王贤来，姚维信，王 虎，乔登攀，程伟华，张 磊

(1.中南大学,湖南 长沙 410083； 2.金川集团有限公司，甘肃 金昌 737100； 3.昆明理工大学，云南 昆明 650093)

1 我国采矿废尾排放现状

目前，世界矿业每年采掘出280亿t以上的矿岩。我国现已有矿产地18000余处，其中大中型矿产地7000余处。我国矿山开发的总规模居世界第3位，年采掘量超过50亿t。据不完全统计，1949～2005年，全国各类矿山产出各类矿废石162.3 亿t，其中煤矸石35.6 亿t，铁矿废石94 亿t，有色金属矿废石25 亿t，金矿废石4.6 亿t，化工矿废石3 亿t。我国现有尾矿库12718座，其中在建尾矿库为1526座，占总数的12%，已经闭库的尾矿库1024座，占总数的8%，截止到2007年，全国尾矿堆积总量为80.46亿t。仅2007年，全国尾矿排量近10亿t。此外，全国堆存粉煤灰12 亿t。煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物，每年的排放量相当于当年煤炭产量的8%～20%。据有关部门统计，目前全国大中型煤矿有矸石山1500多座，煤矸石积存超过34亿t，占地20万亩，并以每年2亿t的速度增长。矿产资源开发利用过程中产生的煤矸石、废石、尾砂、粉煤灰和冶炼渣，已成为我国排放量最大的工业废弃物，占固体废弃物总量的85%左右。大量矿山固体废料堆放地表，易诱发泥石流、尾矿溃坝事故。此外，矿床开采产生的地下大量采空区，易诱发矿区塌陷、矿震、崩塌、滑坡、矿井突水等地质灾害，采空区失稳问题越来越成了影响矿山安全生产的最主要的危险源之一。

2 矿山充填工艺的研究与应用现状

随着现代采矿设备机械化和系列化程度的不断提高，充填技术的发展以及相关采矿技术的不断革新和完善，充填法逐步成为了安全、高效的采矿方法。目前，水平分层充填采矿法(上向和下向)在我国得到了较为广泛的推广使用。此外，为了进一步提高采场生产能力及工效，大空场嗣后充填法、分段充填法也在铁矿山进行了试验和推广应用，它兼具空场法效率高及充填法贫损指标低的特点，也是我国今后若干年充填采矿法发展方向之一。众所周知，充填采矿技术具有消除采动引起的地表下沉和改善采矿应力环境功能，具有低贫损开采、提高资源综合利用率功能和“采富保贫”远景资源保护功能，具有降低废石尾砂等固体废料排放、达到无废开采的功能，以及具有适应各种复杂难采矿床开采的功能[1-2]。

2.1 低浓度分级尾砂胶结充填

20世纪50年代初，国外开始采用分级尾砂进行水力充填。进入60年代后，加拿大、澳大利亚、德国、美国、前苏联、中国等国家，围绕着新型充填材料及其特性，多相流流体力学及充填流变学为基础的浆体输送理论的研究取得了新的进展，并研制了充填料浆新的制备、输送设备，加上无轨采矿设备的应用，从而出现了胶结充填工艺。胶结充填工艺用于开采高品位富矿、矿岩不稳固的厚大矿体、深矿井及大面积区域性地压支护体系、“三下”(水体、道路、建构筑物下)及自燃发火倾向矿床的开采，已成为干式和水力充填工艺根本无法取代的充填工艺。1962年，加拿大弗鲁德(Frood)矿尾砂胶结充填工艺投入工业应用，使分层充填采矿和矿柱回采工作大为改善，并大大地提高了机械化程度，形成了一种新的较为高效的采矿方法[1，3]。以后，在美国犹他州的马夫劳韦尔(Mayflower)等矿试验成功，并在尾砂充填层上用波特兰水泥∶尾砂为1∶7配比的砂浆铺面，平均厚度0.15m。这就为分层充填采矿法提供了一个具有一定强度的分层平整表面[3]。在水力充填料浆中添加胶凝材料，对节省开支、改进品位控制，以及提高采矿方法回采效果和适应性等诸多方面，都显示出了明显的优越性。

我国凡口铅锌矿于1964年首先开始进行低浓度尾砂胶结充填的试验，以后陆续在全国数十个矿山采用尾砂胶结充填技术，都取得了显著的技术经济效果。目前,分级尾砂充填可分为水力非胶结充填和胶结充填两种。胶结剂一般为水泥、石膏、磨细的炉渣等。分级尾砂充填工艺的尾砂利用率，一般只有50%～60%。该工艺在使用中存在料浆凝固慢、离析分层、强度低且不均匀等现象；井下脱水时，胶凝材料及细粒级尾砂流失；井下废水、细泥污染环境；排水、排泥费用高；采场回采周期长；生产能力低等问题，需进一步改进和提高。

2.2 全尾砂高浓度胶结充填

由于传统的水泥胶结充填采用分级尾砂，而含泥及细粒级尾砂被排放到尾砂库，一方面增加了库坝的维护费用，另一方面造成环境污染。现代充填技术，不仅考虑采矿工艺的需要，还要考虑矿山开采废弃物的综合利用与处理、环境保护、减少污染等社会要求，实现无废害开采。因此，应完全、彻底地将全部尾砂用于井下充填。但由于传统的分级尾砂充填的浓度较低，料浆充入采场后的脱水过程中会发生离析、分层现象，导致充填体的整体性不好、强度不高，同时采场内脱水也难免会带走部分水泥和细粒级尾砂，污染井下作业环境，水泥的流失也会降低充填体的强度。此外，由于充填体的沉缩率较大，常造成充填体难以接顶。为了改变这些问题，到了20世纪70年代，人们着手研究和探索实现料浆高浓度充填的有效途径。不少矿山采取措施，将料浆质量浓度提高到大于70%以上，即所谓高浓度或浓砂浆胶结充填。与此同时，还研究了利用不分级脱泥(-20～-37μm)的细粒级物料的全尾砂料浆作惰性充填材料的胶结充填工艺。中国、德国、南非、美国、加拿大、哈萨克斯坦、奥地利等国，采用不同的工艺，先后实现了全尾砂高浓度胶结充填[3-8]。目前，高浓度充填在矿山充填中仍然占主要的地位，应用最为广泛。高浓度充填料浆管输时，高浓度料浆固体颗粒在横断面上呈均匀分布状态，在流动过程中很少有固体颗粒之间的相对位移，不易发生离析和沉淀，并具有充填体力学性能良好、强度高、采场脱水量少、胶结材料的用量大幅度降低等优点。

2.3 膏体、似膏体充填

膏体充填在近年来发展极为迅速，世界上一些矿业发达的国家投入了大量的人力、物力研究和开发应用膏体充填技术。以德国普鲁塞格金属公司(Preussage AG Metal)为代表的全尾砂膏体泵送胶结充填工艺。这种工艺可提供在低水泥耗量下的高强度充填体，且充填材料选用范围广，既可以采用全尾砂或分级尾砂，也可以添加不同比例的30mm以下的碎石、戈壁集料、天然砂或炉渣，以及粉煤灰、煤泥等工业废料，使胶结充填迈入了一个新的阶段。目前，膏体充填料浆采用粗骨料(分级尾砂、河砂等)与细骨料(溢流尾砂、黏土、淤泥等)按一定的比例混合搅拌而成。由于一定量的细粒级存在，料浆外观象牙膏，故称之为膏体。膏体具有良好的均质性、悬浮性和稳定性。膏体充填的特点是料浆浓度大，其重量浓度可达75%～85%。由于膏体的塑性粘度和屈服切应力大，必须采用加压输送。膏体料浆象塑性结构体一样，在管道中作整体运动，膏体中的固体颗粒一般不发生沉淀，层间也不出现交流，膏体在管路中呈柱塞状流动。膏体充填料的内摩擦角较大，凝固时间短，能迅速对围岩和矿柱产生作用，减缓空区闭合。膏体充填工艺充填料浆浓度高，减少了水泥用量，降低了充填成本；充填体沉缩率小，接顶率高，充填质量好，强度高；采场无溢流水，改善了井下作业环境节省了排水及清理污泥的费用。全尾砂膏体泵送充填一次性投资大，尾砂脱水浓缩、储存和膏体泵压输送技术难度大。由于膏体充填综合运用了现代工业的多项高新技术，如微细颗粒材料浓缩脱水技术与设备、高浓度浆体泵送技术与设备、活化搅拌设备、计算机在线控制技术等，是现时采矿工业中一项技术含量很高的新技术之一。从世界范围以及长远发展来看，膏体充填技术是充填采矿技术发展的主力方向[2，4-8]。

鉴于全尾砂高浓度胶结充填工艺与膏体充填工艺的优点与不足，人们试图寻求一种既具有水力胶结充填料浆那样的流动性好、输送方便，又具有膏体充填强度高、井下不脱水、保护环境等优点的充填工艺。基于以上背景，中国矿业大学孙恒虎教授于20世纪末提出了似膏体充填新模式，发明了似膏体充填专用胶凝材料，初步建立了似膏体充填理论体系，并提出了似膏体充填工艺过程。似膏体充填模式的实质可以概述为：利用似膏体充填胶凝材料(全铝土胶凝料)做胶结剂，碎煤矸石、矿山尾砂或河砂等作骨料，骨料中配以15%～30%的细粒级物料(-37μm，如粉煤灰、溢流尾砂等)，制成重量浓度72%～78%，外观近似膏体一样的浆体，故称之为“似膏体”。采用重力自流或泵送的方式经管路输送至井下充填空区，充填料浆在井下不需脱水或微量脱水即可固结成充填体。由于似膏体充填技术具有胶凝材料成本低、设备投资小、充填效果好等优点，似膏体充填技术具有良好的发展前景[9]。

2.4 粗骨料-块(碎)石胶结充填

在细砂胶结充填技术迅速发展的同时，自20世纪70年代以来，澳大利亚、前苏联等国家，在用空场法采完的空区内，先倒入块石充填，再向块石中压注水泥净浆或水泥砂浆，形成块(碎)石胶结充填体；或者在块(碎)石倒入采空区的同时，将用管路输送的水泥砂浆也注入空区自淋混合；也有在待充空区的上口处，用电耙、铲运机或带折返板的溜槽混合拌制，而后充填入采空区的胶结充填工艺[3，10]。块石胶结充填在国内外进行了大量的试验研究工作，其成功的典范当属芒特艾萨(Mount Isa)矿、基得克里克(Kidd Creek)矿。1973年，芒特艾萨矿便开始应用块石胶结充填。我国红透山铜矿建立了一套井下块石充填系统并形成较大的充填能力，实现了废石不出坑。大厂锡矿、铜录山铜矿等试验成功了块石胶结充填工艺—块石水泥砂浆自淋混合充填工艺，充填强度高、成本低。块石胶结充填体在试块强度3 MPa条件下使水泥含量降至100 kg/m3,是传统胶结充填水泥用量的30%～50%，成本大幅度降低。生产实践表明，在相同水泥用量的条件下，与其他胶结充填工艺相比较，这种充填工艺所形成的胶结充填体，能够达到更大的强度，可以起到人工矿柱的作用，其强度和稳定性都比细砂胶结充填为好，能保证第二步骤回采时的安全[1,3]。该工艺还可以明显地收到矿石贫化小、生产能力大、废石提运少，并能够缓解地表废石堆对环境污染的效果。块石胶结充填，可以看成是干式充填和细砂胶结充填工艺的结合，是当代胶结充填工艺的发展方向之一。

3 废石-全尾砂高浓度管输充填技术研究

废石-全尾砂高浓度管输充填工艺，实质是以水泥为胶凝材料，以矿山废石破碎集料为骨料(-20～-25mm),与全尾砂按一定的比例混合、搅拌并制成非牛顿(似)均质充填浆体，管输(泵送)至井下采空区进行充填。本项试验是在金川公司完成的,旨在开发利用金川矿山的大宗废石和全尾砂，实现高浓度废石-全尾砂泵压管输充填以解决棒磨砂严重不足的问题。金川矿山是采用下向胶结充填采矿法的矿山，每年的充填量超过180×104m3，仅二矿区每年的充填量就达到(120～130)×104m3。是金川公司的攻关课题之一。根据前期室内强度试验结果，料浆重量浓度范围在77%～80%之间，水泥耗量为260kg/m3，废石和尾砂配比为5.0∶5.0～6.0∶4.0条件下，料浆的可泵性满足管输要求和下向进路式采矿充填体假顶强度要求(R3≥1.5MPa,R7≥2.5MPa,R28≥5.0MPa)。工业试验共进行了废石全尾砂比5∶5和6∶4两组试验。其中废石全尾砂比5∶5条件下，完成3组浓度试验，重量浓度为77%、78%、79.5%；废石全尾砂比6∶4条件下，完成了3组试验，重量浓度分别为76%、78%、80.8%。工业试验共完成充填量总计11955m3，水泥单耗262.9 kg/m3。工业试验在二矿四区、五区、六区进路进行充填,充填管道Lmax=1858m，Lmin=1650m，垂直落差H=492m，充填倍线Nmax=4.78, Nmin=4.35。结果表明,高浓度废石-全尾砂充填料浆属屈服粘塑性体，可用Hershel-Bulkley模型表征，其流变方程为：料浆浓度对和很敏感，随料浆重量浓度增大，屈服应力和粘度系数均增大。相同浓度情况下，随废石尾砂比增大，料浆屈服应力总体呈增大趋势。试验测得水平直管阻力计算模型为：管径对料浆输送阻力的影响非常明显，相同浓度条件下管径越小，沿程阻力越大。相同管径条件下，浓度越高，输送阻力越大；流量越大，输送阻力越大。从降低管输阻力、减少管道磨损的角度出发，工业应用中在满足料浆的最小输送速度的前提下，尽可能采用大直径管道输送。总体上料浆流动性好，满足长距离采空进路自流密实充填要求；料浆稳定性好，在泵压管输过程中不失水、不离析、不沉积，满足长距离泵压管输充填工艺要求。由此可见,废石-全尾砂高浓度料浆泵压管输充填工艺，是一种集高浓度和膏体充填工艺的优势于一体，而成本低的矿山废石充填新工艺。充填料浆具有良好的稳定性、流动性和可输送性，并且形成的充填体的强度满足采矿工艺要求，成本低。由于粗粒级废石骨料的应用，可有效降低胶结剂用量，成本低。经类比估算，废石-全尾砂充填成本约为86.48元/m3，是金川矿山现用棒磨砂自流充填成本的66.25%，二矿区膏体充填成本的88%，成本优势比较明显,值得推广。

4 坑采矿山废石全尾砂管输充填发展方向

基于现时期下充填工艺技术的应用与研究现状，尾砂与废石仍然是矿山充填的主体骨料，而且尾砂排放量更大。按照提高浓度和利用全尾砂的要求，需要解决全尾砂料浆的浓密、过滤、强力活化搅拌、料浆管道输送、采场脱水及充填体强度等一系列复杂的技术问题。实际上，尽管全尾砂膏体胶结充填工艺具有料浆浓度输送高、水泥用量少、充填成本低、充填强度高等突出优点，但由于其工艺技术复杂、管理技术水平要求高、一次性基建投资大等主要缺点。因此，矿山应主力研究并推广尾矿干排技术。重点研究全尾砂高效回填采空区大规模工程化过程中，尾砂低成本浓缩技术、尾矿高浓度大泵量井下输送技术、采空区快速充填关键技术和井下充填污染控制技术；研究解决复杂采空区高效密闭技术、尾矿胶结充填料在采空区快速充填及快速固化技术。

废石是矿山企业的又一大宗工业废料且不存在来源不足问题，而现有矿山废石充填工艺技术还远不能满足矿山环境保护的要求。目前，仍然以自然级配采掘废石作为充填集料、水泥浆为胶结介质，并且只能利用采空区落差条件，通过充填料分流输送和自淋混合方式实现胶结充填。因而，废石的利用率有限，只能在少数矿山推广，而采用分层充填法的矿山(如金川公司所属矿山、凡口铅锌矿等)还不能有效利用废石进行充填。因而需要研究矿山废石充填新模式，须重点研究废石破碎集料长距离管输充填工艺技术，以降低充填成本和减少矿山废料向地表的排放。

另外，目前针对矿山废石与全尾砂的充填工艺技术仍然是分而用之，因而绝大多数矿山未能有效利用废石与全尾砂进行充填，因而需要进一步研究矿山废石-全尾砂充填新模式，以降低充填成本和减少矿山废料的排放。

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