我国充填工艺创新成就与尚需深入研究的课题

于润沧

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

我国充填工艺创新成就与尚需深入研究的课题

于润沧

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

胶结充填技术的出现和应用大幅度降低了极厚矿体矿柱回采的贫化率、损失率，可成功控制地下开采的地压活动，有效防止矿山地表岩层移动，对“三下”采矿和优先开采深部或下盘富矿，缓减深井开采岩爆威胁等具有特别重要的意义。概述了我国矿山充填工艺在高浓度充填、全尾砂胶结充填、膏体充填等方面的主要创新成就，并从膏体充填料浆流变性能的研究以及膏体充填技术的推广应用、深井充填剩余压头的处理、充填环管试验的计算机仿真、全尾矿脱水技术和装置的优化、降低充填成本、将膏体充填技术推广到尾矿干堆等6个方面提出了仍面临的诸多需要深入研究的重要课题，为我国充填技术的研究发展指明了方向。

充填工艺;胶结充填;全尾矿脱水;膏体充填;尾矿干堆

0 前言

我国充填工艺技术起步虽然较晚，但发展迅速，从1970年代中期开始一直处于世界先进水平之列。

1950年代末，曾占相当比重的干式充填基本处于被淘汰状态。1964年从瑞典为凤凰山铜矿引进分级尾砂充填(未设砂仓)技术，为我国掀开了应用尾砂充填的序幕，之后，在凡口铅锌矿试验成功利用卧式砂仓的分级尾砂胶结充填。1970年代末，国内先后出现了焦家金矿球型底立式砂仓、南京栖霞铅锌银矿锥型底立式砂仓、铜绿山铜矿用虹吸方式的立式砂仓，这3种不同类型的分级尾砂胶结充填立式砂仓的工业试验均取得了良好的效果，为胶结充填技术的快速发展奠定了基础，并在凡口铅锌矿、金川镍矿等矿山与大型无轨设备相结合，使充填采矿法发展进入高效率采矿方法的行列，为21世纪中无废开采的发展提供了技术支撑。

胶结充填工艺的发展主要遵循3个方向:首先是经济因素，胶结充填带来的综合经济效益能平衡或超过其生产成本的增加;其次是料浆浓度因素，控制胶结充填质量的胶凝材料的节约，对降低充填成本具有头等重要的意义;最后是环境因素，对矿区环境保护的日益严格要求，成为拓展胶结充填技术应用范围的重要推动力。从主流工艺看，胶结充填主要经历了以料浆浓度及其流变性分界的水力充填、高浓度充填和膏体充填3个阶段。

1 我国充填工艺创新成就

1973～1975年，金川镍矿与设计、科研单位合作，按照工业生产所用管径在实验室利用棒磨砂进行了胶结充填料浆环管输送试验，积累了海量的试验数据，并据此回归出计算水平直管单位长度料浆水力坡度的金川经验公式:

其计算误差远低于国际上流行的杜兰德公式。

1975年，金川镍矿与北京有色冶金设计研究总院、长沙矿山研究院合作进行的充填试验进入棒磨砂高浓度料浆试验阶段，试验表明，高浓度并非相对的概念，而是有特定含义的物理概念，即超过“临界流态浓度”的料浆浓度即为高浓度。试验提出的“临界流态浓度”的概念为:料浆基本不会发生离析，输送时无需考虑临界流速，可以在低流速下稳定输送的料浆浓度。输送物料的矿物成分、粒级组成、乃至化学成分都会影响“临界流态浓度”，这对于合理设计充填系统具有重要意义。也是在这个时期，国外同样开始重视充填料浆浓度问题。

在采用高浓度胶结充填的同时，金川还在下向进路式充填采矿法中首次使用了双机液压凿岩台车、6 m3铲运机等大型无轨设备，使盘区生产能力从50～60 t/d提高到800～1000 t/d，从而将传统上低效率的下向进路式充填采矿法改造成为高效率的无轨机械化采矿法。

1980年代末，凡口铅锌矿试验成功了全尾砂胶结充填工艺，并于1990年建成了我国第一个全尾砂胶结充填系统，尾砂利用率达90%以上。全尾砂的利用在胶结充填发展史上具有特殊重要的意义，一方面，全尾砂中有较多的微细粒级，脱水难度增加，对充填体强度产生负面影响，解决这些技术难题促进了胶结充填技术的进一步发展;另一方面，全尾砂的利用加上废料资源化，为实现无废开采开辟了有效的途径。地处南京栖霞山风景区的南京银茂铅锌矿业有限公司便是依靠全尾砂充填和废料资源化实现无废石场、无尾矿库、无废水外排的无废矿山。

1994年，湖田铝土矿利用氧化铝生产中的废料赤泥开发成功赤泥胶结充填技术，并实现了特定条件下的无水泥胶结充填。

1990年代初，借鉴英国煤矿沿空留巷巷旁支护的经验，我国研制成功高水速凝固化充填材料，并在一些矿山特别是煤矿试验、使用，在充填领域独树一帜。由于材料价格偏高、后期强度有时不够稳定，大量推广应用尚有一定困难，但在某些特定情况下，如下向充填法接顶、局部快速维护等具有独特的作用。

1994年，金川镍矿试验成功膏体充填并建成了我国第1套膏体充填系统，标志着我国胶结充填技术迈上了一个新的台阶。1999年，铜绿山铜矿建成了我国第2套全尾砂膏体充填系统。为了解决膏体充填时全尾砂传统脱水工艺——带式过滤机脱水占地面积大等问题，会泽铅锌矿在2006年引进了深锥浓缩机，建成了输送管路长达4000 m的全尾砂膏体充填系统。该膏体充填系统相当先进，但深锥浓缩机价格昂贵，推广难度较大。冬瓜山铜矿利用传统锥形底立式砂仓，对其内部结构按照控压助流原理进行适当改造，研发成功底流放砂浓度能满足高浓度全尾砂充填和膏体充填要求的新型立式砂仓，并且做到了边给料边放砂，成本费用大为降低，为推广膏体充填做出了重要贡献。膏体充填已经成为国外广泛应用的技术，目前在国内也因其非常有利于降低胶凝材料用量、保证充填体质量和改善坑内环境而得到日益增强的关注。

2 我国充填工艺尚需深入研究的课题

目前为止，我国充填工艺的发展主要还是立足于经验技术，但建立能够最高浓度自流输送并在采场无需脱水的经济效果最优、充填质量最好、生产运转最可靠的理想膏体充填系统，要求人们超越传统经验技术，加强对若干理论性、关键性问题的研究。纵观国外近几年膏体充填技术的迅速发展和每年1次的国际膏体充填学术会议(International Seminar on Paste and Thickened Tailings)发表的研究论文，为了保持我国在该领域的先进地位，今后仍面临诸多需要深入研究的重要课题。

(1)膏体充填料浆流变性能的研究以及膏体充填技术的推广应用。从国外充填技术发展的趋势来看，膏体充填将逐渐成为充填的主流技术。膏体充填料浆流变性能的研究，对充填系统的优化、充填作业经济效益的提高具有极重要的意义。相关行业对水泥浆和新拌混凝土的流变性能已有较多研究，其与全尾矿膏体的流变性虽有类似之处，但由于工艺要求的差异，不能等同视之。作为非牛顿流体的全尾矿膏体，特别是在添加不同比例的胶凝材料乃至部分炉渣等骨料时，其流变性能会有很大差异，而且受诸多不易估量的变量的影响，到目前为止，还缺乏对这种物料的流变性能的系统研究。对全尾矿膏体流变性能的研究应当确立一套标准的研究方法，包括膏体屈服应力、塑性黏度、触变性的测定;剪切稀化对管道输送的影响;选用或研制适合的测试仪器装置;用流变参数计算管道输送阻力的公式等。以便确定某矿特定物料满足充填强度要求和最适合输送的流变参数。

(2)深井充填剩余压头的处理。我国将面临越来越多的深井开采，在深井开采中采用高浓度或膏体充填时，由于充填倍线小，会产生剩余压头问题。剩余压头将导致无法满管输送和管壁磨损加剧，使管道输送处于极不稳定的状态，甚至出现严重的“井喷”现象，使充填无法正常进行。对这些现象的机理需要深入研究，在充填系统设计中如何消除剩余压头的影响，需要从技术经济上作深入的探讨。

(3)充填环管试验的计算机仿真。在充填系统设计中，往往需要依靠环管试验获取不同条件下的管路输送参数，需要花费较长的时间，投入可观的资金和大量的人力，这对很多矿山往往是难以实现的，于是设计中不得不采用类比的方法来处理，因而也就很难获得最优的系统设计。以往，有些重点矿山在设计充填系统时在地面增加了一段环管段，供投产前试验之用，作为一种弥补。然而这也不是任何一个矿山都能实现的。北京科技大学李国政的博士论文《全尾砂膏体充填环管试验的虚拟现实计算机仿真技术研究与实现》对此作了初步的研究，但仍有值得提高之处。

(4)全尾矿脱水技术和装置的优化。高浓度和膏体充填工艺中，全尾矿脱水是一个非常关键的环节，在深锥浓缩机诞生之前，国外多用带式过滤机进行全尾矿脱水，金川的膏体充填也是采用这种脱水方式，它存在很多缺点。随着一批千万吨级以上年产能的铁矿山采用充填采矿法，矿山年充填规模也越来越大，为了适应这种发展，国外已生产出直径达40 m的深锥浓缩机付诸使用，但深锥浓缩机的推广应用还有缺陷，仍有待对全尾矿的脱水技术和装置进行优化，以便获得更令人满意的技术成果。此外，过去的膏体充填系统，单系统对应的矿山生产能力为2000～3000 t/d，现在面对年生产规模千万吨级的膏体充填，无论系统设置还是配套设备研制都是全新的课题。

(5)降低成本是充填技术发展的永恒主题。在胶结充填成本中，胶凝材料占很大比重，所以国内外很多同行均在寻找更廉价的胶凝材料，在调整回采工艺、降低胶凝材料消耗方面不断钻研，取得了大量高水平的成果，但这种研究应是无止境的。另外值得注意的是，自从我国开始采用胶结充填技术以来，所用的灰砂比一般都比国外高，这是否正确呢?尽管目前国内已有不少研究充填体性能的文章，但仍然缺少系统的现场监测资料，尤其是对不同条件的分层充填、不同条件的嗣后充填现场的长期系统监测资料，因而很难有根据地去调整灰砂比，以显著地降低充填成本，因此，应该加强这方面的研究。

(6)将膏体充填技术推广到尾矿干堆。从流变学角度，膏体充填和尾矿干堆技术有共同之处，现在每年举行1次的“国际膏体充填学术会议”都把这2项技术视为一项综合技术。矿山需要充填时，将尾矿膏体料浆送入井下，不需要充填时，将尾矿膏体送往尾矿库，虽然它们要求的浓度有些许差别，因为尾矿排出必须考虑排出速度、滩流坡度和距离，以及尽量减少脱水。目前尾矿干堆在国外获得了迅速发展，尤其是在干旱缺水的地区。尾矿干堆技术的发展反过来也促进膏体充填，大直径深锥浓缩机开始就是为尾矿干堆设计的，将其用于膏体充填将奠定系统充填能力提高的基础。

3 结语

中国充填工艺技术的发展，经历了废石干式充填、碎石混凝土胶结充填、分级尾砂水力充填和胶结充填、高浓度棒磨砂或分级尾砂胶结充填、全尾砂膏体胶结(包括替代水泥的各种固化剂)充填的发展过程。如前所述，充填工艺基本上是沿着经济因素、料浆参数因索和环境因素这3条主线发展的。

从经济因素看，胶结充填技术虽然能给矿山带来诸多利益，但也存在不少问题，主要是投资增加、生产环节复杂、生产成本增加，在充填料浆浓度低的情况下，井下环境污染严重。因此，只有当胶结充填带来的经济效益足以平衡这些问题造成的影响时，充填才有可能得到推广应用。所以，降低成本便成为充填技术发展的永恒主题。

料浆参数因索中，料浆浓度对于胶结充填具有头等重要的意义，高浓度不仅是提高充填体强度的有效途径，而且也是降低水泥单耗，节约充填费用的最佳措施。从低浓度的分级尾砂水力充填到高浓度充填，是胶结充填技术发展的第一次飞跃。充填料在采场内不脱水，是充填法一种更高的技术追求，标志着胶结充填技术发展的第二次飞跃;膏体充填和高水速凝充填都可以实现充填过程不脱水，膏体充填在国外已进人快速发展阶段，在国内也开始应用于生产;高水速凝充填由于成本和充填体后期强度问题尚处于试验阶段。

环境因素缘于环保要求的日益严格，矿山产出的大量废石和尾矿除综合利用外，如能最大限度地用于充填，对减少占地、减轻采矿对生态环境的影响、构建生态采矿工程显然具有重要意义。膏体充填可以采用全尾砂，与利用分级尾砂的水力充填比较，不仅有利于剩余尾砂的堆坝，而且膏体充填技术还催生了尾砂的干式、半干式储存以及和废石一起处理，这种技术正在逐步得到广泛应用。

总之，随着深井开采的增加和生态环境保护要求的日益严格，膏体充填技术将备受青睐，其研究和推广应用空间是非常广阔的，希望在广大同行们的共同努力下，使我国在该项技术领域始终保持国际先进水平，为我国从矿业大国发展为矿业强国提供这一方面的技术支撑。

2011－04－02)

于润沧(1930－)，男，中国工程院院士，教授级高级工程师。长期从事矿山工程设计和科研工作，创造性地解决了许多关键性技术难题和参与开发高浓度胶结充填和试验推广全尾矿膏体充填。荣获国家科技进步奖特等奖、一等奖各1项、二等奖2项，全国最佳工程设计特等奖1项。