胶结充填替代材料的研究与实践

2011-11-15廖美权

采矿技术 2011年3期

关键词：矿渣粉煤灰骨料

李炜，周旭，廖美权，林强

(陕西煎茶岭镍业有限公司，陕西略阳县 724308)

胶结充填替代材料的研究与实践

李炜，周旭，廖美权，林强

(陕西煎茶岭镍业有限公司，陕西略阳县 724308)

在环保和资源利用率要求越来越高的战略背景下，胶结充填采矿法以独特的优势逐步成为充填采矿的主流，但胶结充填费用约占采矿成本的25% ～40%，在满足充填体强度的同时，要降低胶结充填成本，寻找适合矿山的充填材料无疑是最佳途径。煎茶岭镍矿利用矿区周边丰富的粉煤灰和冶炼炉渣部分替代充填料，不仅解决了粗骨料粒径分布不均衡的问题，还大幅度地降低了充填成本，取得了较好的经济效益和社会效益，为类似矿山在胶结充填采矿中降低成本和物料选择提供了可借鉴的经验。

胶结充填;替代材料;粉煤灰;炉渣;成本控制

1 胶结充填采矿的发展趋势

充填采矿法在提高回采率、减低贫化率、控制地压、减少工业固体废弃物排放等方面，具有空场法和崩落法无法替代的优势，随着当今无轨采矿设备装备水平、自动化控制水平、胶凝剂技术水平大幅度提高，胶结充填采矿法成为了高强度、高效率、高回收率的现代化采矿技术，在固体废弃物治理、安全环保、矿产资源回收等方面极有研究和推广意义。澳大利亚不许采用崩落法采矿，要求矿山必须将采空区进行回填;德国对采用胶结充填法的矿山进行政府补贴;加拿大立法强制矿山采用充填采矿法，使其达到开采矿山比例60%以上。世界范围内采用胶结充填采矿法的比例迅速增长。

上向胶结充填采矿法为自下而上水平分层回采，随着工作面向上逐层充填回采，充填体仅仅起到静态支撑矿体上下盘围岩的作用，因此充填体最终强度达到1.5 MPa即能满足需要。下向胶结采矿法为自上而下分层回采，随着工作面向下逐层充填回采，采矿活动完全在充填体下进行，充填体承受矿床动态结构应力，充填体最终强度至少要达到5 MPa以上才能满足采矿需要。显然，下向胶结充填需要增大胶结剂的使用量以保障充填体强度，高强度的充填体要求使得充填成本远远高于上向胶结充填。

据资料统计，我国采用胶结充填的有色金属矿山比例仅为22%，而使用下向胶结充填采矿的矿山更不足1%，绝大部分矿山因充填成本高而被迫放弃采用。为缓解矿山开采产生的废渣、工业固体废弃物处理，消除矿区地质灾害长期隐患，自流胶结充填以充填体强度高、输送成本低、适应性广等显著特点必将成为充填采矿法的主流，必须尽快提高胶结充填采矿法在我国矿山采矿中的比重。

2 胶结充填采矿法成本

根据国内充填矿山生产资料统计，胶结充填成本一般占采矿总成本的25% ～40%，充填成本中胶结剂成本约占70%～80%。大型矿山年充填量往往达几十万甚至上百万立方米，年消耗胶结剂达十万至几十万吨，如生产能力750万t/a的地下矿山，若采用上向胶结充填，年消耗充填用水泥为30～35万t，费用达1.2亿元以上，若采用下向胶结充填年水泥消耗将高达2.6亿元。为此所有矿山都在寻找合适的替代材料来降低充填成本，以解决企业实际生产中成本居高不下的难题，但是胶结剂或者其他材料是否正确如何并确定最佳配比又直接决定着充填体强度，因此充填材料的选用对胶结充填采矿法广泛应用具有重要的意义。

通常情况下，矿山根据自身内外部技术经济条件，本着物料来源可靠、成本低廉、充填料浆制备输送便利等原则，在确保充填体强度的条件下，选取合适的充填材料及配比。目前国内外所选用的充填集料主要有尾砂、重介质浮选尾矿、废石、河砂、戈壁集料等，充填胶结剂主要有复合硅酸盐水泥、矿渣水泥、钢渣水泥等。为了在保证充填质量的前提下降低充填成本，国内外广泛开展水泥代用品的研究与应用，如添加粉煤灰部分替代水泥、将矿渣及各种冶炼渣粉磨后添加活性激化剂从而部分或完全替代水泥。

煎茶岭镍矿受矿岩赋存条件的限制，选用下向胶结充填采矿法高浓度细砂管道自流胶结充填，灰沙比为1∶4，胶凝剂选用pc·32.5复合硅酸盐水泥，粗骨料选用矿区周边－3 mm人工砂，充填成本约占采矿成本的37%，接近胶结充填平均水平的上限，因此必须进行节约成本的系列研究，正确选定胶结剂和粗骨料的替代材料及合理配比。

3 充填替代材料选择及对比

3.1 胶结剂替代材料选择

(1)复合硅酸盐水泥。复合硅酸盐水泥是目前国内外运用最为广泛、最为成熟的充填胶结剂。与各种充填集料混合均匀并充入采场，经养护后所形成的充填体是一种含有一定孔隙结构的完整的水泥结构物，充填料制备工艺相对简单，灰砂比控制易于掌握，在井下温度、湿度等环境条件下充填体强度可持续稳定增长，其安全可靠性好。

(2)高水速凝材料。高水速凝材料进入采场后虽可不脱水而在较短时间内凝结硬化，但充填体自身却是一种高含水的物体，充填体中水所占的重量比例达60%～75%，体积比例更高达80%以上，充填体在较短时间内达到最高强度后，由于水化物的脱水使充填体强度逐步下降，充填体在力学上稳定性差，而且由于价格高、添加量不稳定、产地限制等，试验中发现采用高水速凝材料替代部分水泥，成本最多降低4～6元/t，因此可以做为提高早期强度的替代材料，而不适宜做水泥的替代材料。

(3)矿渣水泥。矿渣水泥为硅酸盐类胶结剂，参与料浆制备充入采场后，其水化产物为稳定的硅酸钙凝胶，在井下环境条件下充填体具有同等的稳定性和可靠性，同时由于矿渣水泥经加工成干粉状物料后，其产品粒度、容重等物理性能与水泥相同，可采用完全相同的运输、存贮、给料、计量控制、充填料浆制备输送等工艺设备，所以技术上仅对不同配比条件下充填强度进行比较。矿渣水泥等量替代20%复合硅酸盐水泥，充填试块较全水泥胶结剂试块强度更高，表1为煎茶岭复合硅酸盐水泥试块与矿渣水泥、复合硅酸盐水泥混合试块强度试验对比。

表1 各类充填材料试块强度试验对比

由表1可见，矿渣水泥具有非常好的胶结效果，是理想的胶结材料，可以部分替代或者全部替代。但是煎茶岭镍矿矿区300 km范围内无矿渣水泥，受产地和运费限制，测算成本高于全复合硅酸盐水泥，无法选择和替代。有矿渣水泥使用条件的矿山应尽可能选用，胶结剂消耗量可减少5% ～10%左右，充填成本可明显降低。

(4)粉煤灰。粉煤灰是人工火山灰质混合材料，绝大部分来自热电厂燃煤产生，是一种工业固体废弃物，本身略有水硬胶结性，与水泥中的氢氧化钙等碱性物质化学反应后具有明显水硬胶凝性能。由于粉煤灰低廉的价格和化学反应后具有的胶凝性能，且在良好的输送性、减少管道磨损、提高充填体早期强度方面有一定的优势，胶结充填中部分替代水泥胶结剂是完全可行的。

由于粉煤灰只是略呈胶结性能，渗透率较低，国家规范规定粉煤灰添加总量不得超过30%。煎茶岭镍矿在下向胶结充填中粉煤灰采用超量替代法，即减少10%水泥使用量需用20%粉煤灰来替代，充填体强度完全满足要求。

3.2 粗骨料替代材料选择

国内外大量试验研究及生产实践表明，高炉水淬渣、冶炼渣、分级尾砂等工业固体废弃料经简单加工后均可作为粗骨料胶结充填。这些替代材料可平衡和改善粗骨料粒级分布，使粗骨料可以达到最佳级配，满足细度模数要求的技术条件并能稳定充填体质量。

3.3 国内外部分矿山胶结剂及粗骨料应用

矿山在充填胶结剂和骨料选择中，根据矿区可用材料利用条件，选择最佳物料组合和配比，使胶结充填成本能合理控制。应当特别注充填方式对充填体有不同的要求，下向胶结充填由于对强度有严格的要求，不可为节约成本而降低灰砂比或者随意选取胶结剂和粗骨料。国内外部分矿山胶结剂及粗骨料应用对比见表2。

表2 国内外部分矿山胶结剂及粗骨料应用对比

4 煎茶岭镍矿选择充填替代材料

煎茶岭镍矿下向胶结充填工艺设计中，仅选择了人工砂和复合硅酸盐水泥2种充填材料，本着降低充填成本和环保的目标，为消除人工砂粒径级配波动，利用矿区周边电厂粉煤灰和冶炼炉渣充足的有利条件，对粉煤灰和冶炼炉渣替代部分充填料做了系统研究，取得较好的效果。需要提示的是，所有参与充填的物料对SO3都必须严格限制，SO3超标会造成充填体远期大幅下降。一般规定物料总SO3不得超过5%为宜。

(1)粉煤灰替代水泥。经分析粉煤灰价格盈亏平衡点为水泥的47%，实际粉煤灰价格仅为水泥的29%，经济上完全具备使用条件。煎茶岭镍矿按照10%梯度递减水泥，同时选用F类Ⅰ级粉煤灰超量替代胶结剂，目前已经将水泥消耗量由300 kg/m3减少到270 kg/m3，使用证明完全成功。正在工业试验将水泥消耗降低到240 kg/m3，最终实现水泥消耗量为210 kg/m3。

矿山利用粉煤灰替代水泥后，充填成本下降8%。使用粉煤灰后输送管道磨损减轻，变径及弯头的服务期限延长了约38%。同时在添加粉煤灰后，充填体早期强度有所提高，由原来的7.1 MPa提高到 8.9 MPa。

(2)冶炼炉渣替代。矿山充填用粗骨料设计要求细度模数为2.6 ～2.9，但人工砂一直在2.9 ～3.4波动，造成临界流速紊乱，输送过程总多次造成淤积堵管，造成充填体离析脱层。经过配比试验，使用80%人工砂、20%冶炼炉渣，粗骨料细度模数稳定在2.8±0.1范围，完全达到了粗骨料最佳级配，见表3。冶炼炉渣的成本仅为人工砂的78%，因此使充填成本下降了约4%。