浅析废石胶结充填技术在金川二矿区的应用前景*

郭慧高，辜大志，邹龙，曹思远

(金川集团有限公司，甘肃金昌市737100)

浅析废石胶结充填技术在金川二矿区的应用前景*

郭慧高，辜大志，邹龙，曹思远

(金川集团有限公司，甘肃金昌市737100)

研究开发金川二矿区废石混凝土搅拌和输送技术，充分利用井下产生的废石、废水和地表产生的细颗粒物料等，将井下的废石破碎到一定的程度，与地表的细颗粒物料、水泥和井下的废水等进行混合，制成能够满足下向胶结充填人工假顶强度要求的废石混凝土，泵送到采空区进行充填，不仅是解决目前金川矿山生产与充填材料严重不足矛盾的有效途径，而且是金川二矿区向现代化无废矿山发展的必然选择，具有经济、环保意义。

无废开采;废石—全尾砂胶结充填;金川镍矿;应用前景

1 概述

矿山胶结充填工艺技术研究的总体目标是降低充填成本，提高充填质量。其发展方向是全尾砂、高浓度充填和膏体充填。这一方面是井下采矿工艺的要求;另一方面是矿山环境生态保护，实现无废害开采的需要，同时也是从根本上解决目前矿山充填中普通存在的技术难题的最有效途径［1］。一般讲，选择充填材料应遵循的原则首先是矿山废渣的利用，其次是就地取材，加工成符合质量指标的充填料(如金川戈壁集料棒磨砂)，第三是就近取材或就近外购。充分利用井下产生的废石和地表产生的细颗粒物料(尾砂)作为骨料、以普通硅酸盐水泥为胶结剂，与井下的废水等进行合理配制废石充填料，从材料选型上属于矿山废碴利用。由于粗粒级废石骨料的应用，可有效降低胶结剂用量，低降充填成本［2］。

目前，世界上已经出现了少数典型的无废料排弃的矿山。例如德国格隆德铅锌矿利用浮选后的全尾砂和重选碎石制备膏体充填料回填下向充填进路，不再有尾矿排弃到尾矿库。又如德国瓦尔什姆煤矿产出的煤炭送到地表洗煤厂，洗出的精煤运至旁边的坑口电站发电，而将电站的粉煤灰和洗煤厂的煤泥返回到井口充填制备站，混合拌成膏体后再泵送到井下采空区进行充填。又如在一些风景名胜区、自然保护区内采矿，例如奥地利的布莱堡铅锌矿，我国南京栖霞山铅锌银矿这样的风景名胜区等［1］。勿庸置疑，这类矿山开采的首先条件是能否将大量工业固体废物回填到地下。大量处理工业固体废料将是矿山今后设计优先考虑的重要任务，是解决矿区环境污染问题的最好方法。

但是，在采用下向进路式胶结充填采矿法的矿山，将井下废石就地破碎后，利用井下的工程废水，添加工业细颗粒废料和胶结剂配制成废石混凝土，远距离泵送到采空区进行充填的工艺研究［3］，国内外还未见报道。

2 金川二矿区废石胶结充填研究

2.1 金川二矿区井下废石的产能

目前，二矿区井下固体废料主要来自以下几个方面:矿山生产掘进、返修所产生的废石，采矿过程中采下的夹石、脉岩及上下盘围岩，充填接顶时产生的溢流砂浆，以及其他工业废弃物。井下废石组成随生产情况的不同会有所不同，其中以开拓和生产中产生的废石为主，且井下废石基本属于易破碎岩石。“十一五”期间是二矿区井下产生废石量的高峰期，期间产生废石总量超过1367800m3，年均273560m3/738600t。当“十一五”末850m中段开拓完成后，井下废石主要由采准工程和新中段的开拓工程产生。按目前的矿山矿石产量与废石产量(2004～2010年，每产出10万t矿石，产生约1万t废石)估计，废石产量约40万t/a，平均1212t/d。二矿区2004～2010年井下废石产量见表1。

此外，二矿区每天从井下排放到地表的泥水达到3800m3(每年的排放量达到1.3×105m3)。如果能够有效地利用井下的废水、废石，二次用于矿山再生产，不仅可以缓解因为井下废水废石的地表排放而造成的环境污染，而且可以大大减少井下废水、废石的地表排放费用，为矿山的生产建设创造效益。

表1 二矿区2004～2010年井下废石量单位:万t

2.2 金川二矿区废石充填方案

金川二矿区下向进路式采矿废石胶结充填工艺新模式的实质是希望能充分利用矿山井下产生的废水、废石和地表产生的细颗粒物料等，将井下废石破碎到一定粒度(－20mm)，与地表的细颗粒物料、水泥和井下的废水等进行混合制成可管道输送的充填料浆，泵送到采空进路进行充填，构成能够满足胶结充填体假顶强度要求的废石混凝土［4］。

用于矿山井下充填的废石混凝土的配制材料包括井下的工业废石和井下产生的废水，其材料性能特征与地表建筑所选用的材料差别很大，而且具有不确定性。对于该种废石混凝土，不仅在强度上要考虑到所形成的充填体应满足矿山生产的要求，而且混凝土拌合物的流动性还要满足采场进路充填料浆流动性能的要求，同时混凝土拌合物的稳定性要满足远距离下向或上向泵压输送的要求［5］。

二矿区与多家科研院校合作，提出井下条件下废石的储备、破碎、供料、搅拌、泵送、检测与控制等系统的工艺方案。显然，废石充填料浆的流变特性是该工艺方案的核心，浆体的泵压管道输送是关键。通过分析，制定了井下条件下废石胶结充填工艺研究的技术路线(见图1)。

图1 研究技术路线

选择在二矿区采矿四工区、五工区和六工区采场的I、II期采空进路进行工业试验。工业试验以打底充填为主，要求一次充填高度达到2m以上。工业试验共进行了废石与全尾砂之比为5∶5和6∶4两组试验，完成充填量10080m3，其中废石用量7073 t，全尾砂用量5936t，水泥用量3143t。工业试验工程量及试验情况统计见表2。废石:全尾砂=5∶5的条件下，完成5组浓度试验，重量浓度分别为77%，78%，78.3%，78.7%，79.5%;废石:全尾砂=6∶4的条件下，完成了4组试验，重量浓度分别为76%，77.6%，78%，80.8%。从表2可以看出，废石尾砂胶结充填体的强度可满足现场生产的要求。

表2 废石—全尾砂胶结充填体强度

工业试验的充填管道输送水平距离最长为1858m、最短为1650m，垂直落差H=492m，充填倍线最大为4.78、最小为4.35。废石—全尾砂料浆流动状态见图2、图3。

图2 废石∶尾砂=5∶5的充填料浆在进路里的流动状态

图3 废石∶尾砂=6∶4的充填料浆在进路里的流动状态

3 废石—全尾砂充填系统投资与成本估算

金川矿山充填成本占到了采矿总成本的1/3，而充填成本中充填材料费用占85%以上，其中水泥占总充填材料费用的40%～50%［5］。高的充填成本越来越成为制约矿山经济效益及发展的重要因素。

根据充填废石破碎集料生产工艺，采掘废石的收集仍采用二矿区井下已有的废石运输系统，仅在1150m中段增加废石破碎生产线，因而废石破碎集料的成本仅有废石破碎成本。目前地表建筑、公路、水利等工程的石料生产线较普遍，其破碎成本一般在25元/m3左右，+15～－25mm碎石产品售价一般为45元/m3左右。+8～－15mm石子售价一般为40元/m3左右。由于二矿区井下废石破碎性较好且不需要多级筛分，级配连续，生产流程简单，但考虑井下作业环境因素，废石破碎成本取40元/m3或15.38元/t。显然，采用废石充填，骨料成本是矿山现用的棒磨砂成本的45%左右。

目前，金川公司二矿区充填骨料采用－3mm棒磨砂和分级尾砂，分为棒磨砂自流充填和分级尾砂－棒磨砂膏体充填两种方式，由于废石充填工艺中所用水泥等材料相同，其动力、工资组成等与膏体系统基本相同，因而通过类比，可得出废石充填工艺成本，见表3。

表3 金川镍矿几种胶结充填工艺成本比较

由表3得，废石充填工艺成本约为86.48元/m3，是矿山现用棒磨砂自流充填成本的66.25%，是膏体充填成本的88%，成本优势比较明显。

废石—全尾砂充填工艺可大量利用矿山的工业废弃物，建设“无废矿山”，实现“绿色矿业”具有重要意义。二矿区废石充填研究既符合金川矿山充填技术发展的趋势和需要，具有明确的针对性和目的性，又具有实际推广应用前景，属矿业工程中的前沿性研究课题，具有科技创新意义。

［1］周爱民.矿山废料胶结充填［M］.北京:冶金工业出版社，2007.

［2］于润沧.我国胶结充填工艺发展的技术创新［J］.中国矿山工程，2010，(5).

［3］王新民，肖卫国，张钦礼.深井矿山充填理论与技术［M］.长沙:中南大学出版社，2005.

［4］张宗生.金川矿山废石膏体配制与流变特性研究［D］.昆明:昆明理工大学，2007.

［5］韩斌，吴爱祥，邓建，等.基于可靠度理论的下向进路胶结充填技术分析［J］.中南大学学报(自然科学版)，2006，(3).

“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2008bab32b01).

2011－04－22)

郭慧高(1971－)，男，甘肃镇原人，高级工程师，工程硕士，从事矿山高效采矿技术管理与研究。