中国金属矿山充填技术与装备的现状和未来

郭利杰，余 斌

(北京矿冶研究总院， 北京 100070)

中国金属矿山充填技术与装备的现状和未来

郭利杰，余 斌

(北京矿冶研究总院， 北京 100070)

随着国民经济的快速发展，工业发展与环境保护之间的矛盾日益尖锐。矿产资源开发将面临越来越严格的国家环保要求，创新采矿技术成为解决可持续采矿、生态环境及潜在灾害等问题的重要途径。矿山充填技术创新是实现绿色、安全、可持续开采的主要驱动力。介绍了近年来中国金属矿山充填工艺技术、充填材料应用及充填装备方面所取得的创新成果，展望了矿山充填技术及装备的未来发展趋势。

矿山充填;无废开采;充填材料;充填工艺;充填装备

1 矿山充填工艺技术发展概况

1.1 分级尾砂充填技术

分级尾砂充填技术工艺成熟，是目前应用最广泛的充填工艺技术，包括分级尾砂胶结充填和分级尾砂非胶结充填，属于水力充填，以自流输送为主。尾砂分级界限一般为37 μm，充填料浆的渗透系数应达到10 cm/h，分级尾砂的利用率在50%左右。

分级尾砂充填主要采用旋流分级与立式/卧式砂仓水力联合造浆技术，其输送料浆质量浓度为65%～72%。随着先进控制技术、自动检测及智能通讯反馈技术的发展，分级尾砂充填实现了充填参数自动检测与数据调整的智能协同控制。

1.2 高浓度全尾砂充填技术

高浓度全尾砂充填技术是1980年代末发展起来的新型矿山充填技术，在充填矿山日益得到广泛应用。该技术的特点是以全尾砂作为充填骨料，通过活化搅拌，在高浓度状态下输送到采场。该工艺将全部尾砂作为充填料，无需建尾矿库，为无废开采奠定了基础。

冬瓜山铜矿充填系统是目前国内较为先进的高浓度全尾砂胶结充填系统(见图1)，首次采用立式砂仓喷咀全尾砂造浆技术，实现全尾高浓度连续放砂充填。通过特殊的立式砂仓、创新的喷咀活化造浆技术以及喷咀布置等，选厂全尾砂直接泵(注)入立式砂仓，经高效沉淀、澄清脱水，采用高压水/气活化尾砂，将极细粒级的全尾砂(－20 μm全尾砂约占40%)直接制备成高浓度(74%以上)砂浆，然后采用深井管道自流输送降压系统以及采场泄水技术，对深井冬瓜山采场进行了充填。突破了极细粒级高浓度全尾砂浆的立式砂仓制备技术和深井开采全尾砂高浓度充填料浆自流管输降压的关键技术，解决了全尾砂低成本脱水的国际性难题，克服了矿山无废开采的技术瓶颈，形成了立式砂仓流态化全尾砂高浓度连续充填技术。

图1 冬瓜山铜矿立式砂仓活化造浆系统

1.3 膏体充填技术

膏体充填料是一种不离析、不沉淀、不脱水、可流动的非牛顿塑性流体，通常由矿山尾砂和水泥构成。膏体由稀尾砂浆制备，依靠浓密或过滤方法使尾砂浆脱水而制成。目前国内建有3座膏体充填系统，分别为金川镍矿膏体充填系统、大冶铜绿山铜矿充填系统及云南会泽铅锌矿膏体泵送系统。

会泽铅锌矿膏体充填系统是我国目前最先进的全尾砂充填系统。其膏体充填工艺是将选场的全尾砂浆用离心泵接力输送到地表充填站的缓冲槽，然后自流到有效容积为1100 m3的深锥浓密机中，添加絮凝剂后，使全尾砂均匀沉降，浓缩成重量浓度达到74%～76%的浆体，然后再泵送至一段搅拌槽使尾砂浆与水泥、水淬渣及水混合后，再进入二段螺旋搅拌装置后，制备成重量浓度在80% ～82%的合格膏体充填料，通过泵压输送，经充填钻孔输送到待充填采空区。

1.4 废石胶结充填技术

近年来，废石胶结充填技术以其可以处理消纳井下矿坑废石，进一步实现废石不出坑胶结充填的技术优势备受关注，同时能为企业节省提升废石环节的费用，解决部分矿山充填尾砂不足。

废石胶结充填的实质是以矿山的掘进废石或分采废石作为充填集料，以水泥浆或胶结尾砂浆作为胶结介质，经充分混合后充入采空区的工艺与技术，包括废石水泥浆胶结充填技术和废石尾砂浆胶结充填技术。中国规模应用废石胶结充填的矿山有丰山铜矿、吉林镍矿、新桥硫铁矿和铜坑锡矿等，而部分应用废石的矿山则较多，如凡口铅锌矿、金川二矿和安庆铜矿等。

北京矿冶研究总院在安庆铜矿开展废石尾砂胶结充填技术试验研究，利用井下掘进的自然级配废石与地表充填站制备的尾砂胶结料浆，采用多元化的混合方式充入采场(见图2)。根据废石料充填工艺不同，井下废石尾砂胶结充填技术从以下2种方案中选择:方案一，废石料从充填溜井卸料充填方案，即在采场上方钻凿充填溜井，其位置应能使充填料均匀连续分布，废石料通过充填溜井进入充填空区，而胶结料浆则通过充填管流进充填空区;方案二，废石料通过小型变速皮带抛掷机抛掷废石料进入充填空区方案，即通过抛掷方式将废石料充填入采空区，而胶结料浆通过充填管流进充填空区，根据抛掷方式不同，废石料在采场中形成的废石堆形状不同，此方案可有效实现将废石料抛掷至采空区中心，形成胶结料浆包裹废石充填方案。这种充填方式较好的实现了废石与胶结料浆在不同现场条件的协同充填。

图2 废石尾砂胶结充填系统

1.5 其他充填技术

干式充填工艺由于其劳动强度大、效率极低，目前很少应用，只在极个别矿山配合低效率的采矿工艺小规模应用。磨砂胶结充填已逐步减少，主要应用在金川二矿、龙首矿。高水固化胶结充填主要应用在三山岛金矿、新城金矿及望儿山金矿等矿山。

泡沫砂浆充填是一种全新的胶结充填技术，利用泡沫技术将大量泡沫加入充填料浆中，减少水泥使用量，改善充填料浆流动性，提高充填料浆浓度，在保证充填强度质量的前提下可减少用水量和水泥用量，节约充填成本。目前泡沫砂浆充填技术已在凡口铅锌矿的井下采场充填成功应用。

2 矿山充填材料的应用

2.1 水泥

水泥目前仍是矿山胶结充填的主导胶凝材料。适用于矿山胶结充填的水泥品种一般为32.5级的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥及火山灰质硅酸盐水泥，其中应用普通硅酸盐水泥最为广泛。在胶结充填中，水泥材料费用一般占充填成本的60% ～70%以上，因此减小水泥用量或寻求廉价胶结剂是节约充填成本的主要途径。

2.2 高水固化胶凝材料

高水固化材料是以铝矾土为主料，配以多种无机原料和添加剂等经过破碎、烘干、配料、均化、烧制以及粉磨等工艺，制成甲乙2种固体粉料。主要包括高铝水泥、石灰、石膏、速凝剂、解凝剂、悬浮剂等，一般加入全尾砂作为填料。

高水材料具有高水性能、速凝早强性能、悬浮性、流动性和可泵性，再生强度性能、材料无毒、无害、无腐蚀性能等优点，材料成本低于水泥成本，是替代水泥的矿山充填优势胶结材料。

2.3 新型矿渣胶凝材料

北京矿冶研究总院与加拿大矿物能源技术中心(CANMET)合作研究，正在开发矿山充填新型胶结材料(可替代胶结剂)(见图3)，这种胶结剂是利用矿山废料和冶金废渣制成，是完全可以替代水泥的胶结充填材料，且成本低廉，能减少废料排放和环境破坏。新型矿渣胶凝材料属于资源节约、环境友好型新材料，具有广阔的应用前景。

图3 新型矿渣胶凝材料

2.4 其他胶凝材料

粉煤灰在替代部分水泥时能有效改善充填料活性及流动性，同时也环保节约，正逐渐得到推广应用。

冶炼炉渣已广泛应用于水泥工业制造矿渣水泥，目前国内矿山用炉渣作为充填料主要是利用没经过磨细的高炉炉渣和铜、镍冶炼炉渣作为充填骨料的一部分，能有效改善充填料浆活性和提高充填料浆浓度，如大冶有色金属公司铜绿山矿利用铜水淬渣作充填骨料，云南会泽铅锌矿利用全尾砂－水淬渣进行膏体充填。

地质聚合物是一类新型的胶凝材料，合成地质聚合物的原料以无机非金属矿物和工业废渣为主，主要有效成分为铝－硅酸盐，具有早期强度较高、耐酸碱腐蚀、耐热耐高温、吸收及固定重金属离子等性能，可替代水泥广泛应用于井下胶结充填。

3 充填设备发展与革新

3.1 膏体浓缩设备

美国FLSmith矿业公司研制的道尔－爱姆科深锥膏体浓密机是目前世界上最先进的膏体制备浓缩设备，其制浆浓度可达到71% ～75%，脱水效率高，适用于制备膏体充填料及尾矿干堆。会泽铅锌矿的膏体充填系统已经成功应用该浓缩机制备井下充填料浆(见图4)。

图4 深锥膏体浓缩机结构

芬兰奥图泰公司制造的SUPAFLO®膏体浓密机采用创新的自动稀释系统、科学的耙架结构设计、高效的驱动系统及精确的自动控制技术，解决了尾矿物料脱水采用普通浓密机难以解决的挑战。这种浓缩机是根据不同物料特性及用户要求进行量身定制，具有絮凝有效性高、高效的液压驱动、低阻力耙臂及最少压耙事故等优点，可以制备出最高浓度达70%的尾矿浆体(见图5)。

图5 SUPAFLO®膏体浓密机

3.2 过滤设备

陶瓷过滤机是目前国际上公认的细粒级矿物过滤的(固液分离)设备，是集机电、微过滤板、自动化控制、超声波清洗等高新技术为一体的新型产品。芬兰拉罗克斯公司新推出的过滤机服务产品—奥图泰拉罗克斯过滤机，具有节约能源与水的消耗，过滤效率高、效果好等优点。目前这种过滤机用于尾矿脱水的实例，在国内尚未见诸报道，其生产能力可满足充填量小的膏体料浆制备，具有较好的推广前景。

3.3 膏体泵送设备

膏体充填泵是在建筑工程混凝土泵的基础上发展起来的。目前用于矿山充填的膏体泵主要有德国的普茨迈斯特(Putzmeister)公司和施维因(Schwing)公司的双缸活塞泵和维尔泵(Wirth)、荷兰的奇好(Geho)的双缸隔膜泵。我国金川镍矿和铜绿山铜矿膏体充填分别选用的是施维因公司生产的KSP－140HDR液压双缸活塞泵和KSP80HD双缸活塞泵，云南会泽铅锌矿膏体充填系统选用奇好泵。截止目前，尚未有国产泵能满足泵送膏体料浆要求。

4 发展趋势

随着矿产资源供需结构的变化和节能环保的要求日益严格，无废开采是一种理想的生态采矿模式，高浓度/膏体全尾砂充填技术及废石胶结充填技术或将成为无废开采的核心技术载体。未来，高浓度/膏体全尾砂充填技术与废石胶结充填技术应不是互相孤立的，而是互相结合、协同处理地表尾矿与井下废物的可持续性融合技术。它们将成为最大限度减少废物、资源和能源极致利用、环境污染与破坏最小的可持续采矿范例。

未来，低成本、环保的新型胶结材料的创新研究与开发或将越来越受到重视。随着新型胶凝材料制备技术研究的不断深入，能更多消纳矿业废物、具备更低成本的新型复合胶结材料(炉渣胶结剂和地聚物胶凝剂)的强度性能将能得到显著改善，从而推动高浓度/膏体全尾砂胶结充填技术在更广范围的矿山推广应用。同时更有效、更具成本效率并能适应更极端环境的尾矿膏体浓缩设备、泵送设备的研究开发将不断得到创新发展;更精准、更智能的充填参数自动检测仪表与自控系统、通信系统将能达到同步协调。

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2011－04－02)