矿山充填采矿中胶凝材料的种类及应用

闫方宝 王尚祯

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.西藏玉龙铜业股份有限公司， 西藏 昌都 854000)

矿山充填采矿中胶凝材料的种类及应用

闫方宝1王尚祯2

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.西藏玉龙铜业股份有限公司， 西藏 昌都 854000)

新型尾砂胶结材料是国内充填材料的一次技术革新，促进了我国充填材料技术的进步与“三废”综合利用。多个矿山实践已证明这些材料能创造显著的经济效益和社会效益。本文对主要的几种矿山充填胶凝材料的制备、特点和使用效果进行了详细阐述。

胶结材料； 充填材料； 三废； 水泥

随着充填采矿技术，特别是胶结充填采矿技术的日益发展，使矿山许多复杂的技术问题得到了很好的解决，在深部开采、保护地表、“采富保贫”、“三下开采”、降低贫化率和损失率、防止因火灾、减缓岩爆发生、有效控制地压活动等方面发挥了巨大的作用。

充填采矿法具有损失率小、贫化率低、安全性高等优点，也是能有效控制矿山地压活动的采矿方法。随着采矿逐步向深部发展，以及对环境、资源保护的不断强化，越来越多的矿山采用充填采矿方法。胶结充填已发展成为深井、复杂、特殊条件矿床的一种行之有效的开采技术。胶结充填技术以其特殊的工艺、突出的优点、可喜的前景而日益广泛地被应用。它能更充分地满足保护资源、保护环境、提高效益、保证矿山可持续开发的要求。

胶结材料是充填采矿技术中最为重要的因素，胶结材料的变化有时会引起采矿方法的变革。胶凝剂作为胶凝材料的主要材料之一，在矿山充填采矿工艺中占有重要地位。胶凝材料将向缩短凝固时间、低成本、高强度、易输送、易生产、工艺简单等方向发展，具有广阔的研究、发展和应用前景。

1 胶凝材料作用机理

图1 “六因素”与“四目标”优化控制关系

国内外对胶凝材料的作用机理开展了大量的研究工作。如图1所示，胶凝材料的作用机理受多种因素和目标的影响，其中胶凝剂、惰性材料、细粒级、养护时间、料浆浓度、化学特性“六因素”与强度、流动度、脱水量、充填成本“四目标”的影响尤为显著。胶凝材料的细度、活性率、碱性率与充填体的强度也有有密切关系：细度愈细，强度愈高；活性率>0.25、碱性率>l，效果较佳[1]。

2 充填胶凝材料种类

2.1 高水速凝充填材料

2.1.1 制备

高水速凝充填材料由90%水+10%固体材料(体积百分比)配制而成，充填料浆充填至井下后，30 min后整体固化，不脱水，其制备及充填工艺流程如图2所示。

图2 高水速凝材料制备及充填工艺流程图

2.1.2 特点

(1)凝固速度快组成高水材料的A、B两种浆液混合后5～30 min内完成初凝。

(2)泵送性能好。A、B两种材料的浆液混合前24 h以内不凝固、不结底。

(3)高水速凝充填材料本身无毒、无害、腐蚀性小。

2.1.3 使用效果

(1)高水材料具有高水、速凝早强、良好的输送性等优点。

(2)高水充填料浆在采空区不脱水，充填体接顶率高，采充周期短，提高了采场生产能力，对井下环境基本无污染。

(3)高水充填料浆易制备，并具有良好的悬浮性和输送性。在中高浓度输送的情况下，甲、乙浆体混合前24 h不凝固，可长距离输送。

(4)高水材料与各类尾砂相容性好，可充分利用全尾砂做骨料，减少尾砂排放处理和对环境污染。

(5)铝钒土原料紧缺，成本偏高；两种料浆匹配操作易失控；耐久程度不高[2]。

2.2 凝石似膏体充填胶凝材料

2.2.1 制备

凝石似膏体充填胶凝材料的制备是以地学理论为基础，利用地壳中最丰富的硅铝质物料(包括固体废弃物，其用量可达95%以上)为主要原料配以少量由多种矿物复合成的成岩剂，模仿大地造岩过程，采用微晶二元清洁制备技术制备成的硅铝基胶凝材料。

2.2.2 特点

(1)胶凝材料的凝石用量3%～5%；泵送充填料浆浓度72%～78%；固废(包括矿山尾矿，煤燃烧废弃物等)占充填材料的95%～97%。

(2)养护时间为1～7 d，可控，无需井下脱水。

(3)充填体早期强度高，采充循环周期短。

2.2.3 使用效果

(1)充填体含水率高。用该胶凝材料进行充填所形成的充填体体积含水率高达87%～90%。

(2)早期强度高，增长速度快。各龄期的强度为：2 h为1.5 MPa以上；24 h为3.0 MPa 以上；3 d为4.0 MPa 以上；7 d以后的最终强度为5.0 MPa以上。

(3)充填体具有较高的残余强度和良好的“恒阻”特性。

其充填工艺流程如图3所示。

图3 凝石似膏体制备及充填工艺流程图

2.3 凝泰克充填材料

2.3.1 制备

凝泰克由甲料和乙料组成。甲料与乙料分别加水进行搅拌后，制成甲浆液与乙浆液，两种浆液进入混合器制成凝泰克成品。

其制备工艺流程如图4所示。

图4 凝泰克制备工艺流程图

2.3.2 特点

(1)膨胀倍数高(可达5倍)、 充填用量小、经济适用性好。

(2)分为加固、充填、密闭和堵漏型。

(3)阻燃、无毒、无害、无腐蚀、泵送性能好。

2.3.3 使用效果

(1)凝泰克的料水比可高达2～10倍。

(2)甲、乙两种浆液混合前可长达20多h不凝固、不结底，混合后很快发生反应，1～30 min内完成初凝。

(3)早期强度高，增长速度快。

2.4 山东安实绿色开采技术发展有限公司胶凝材料

2.4.1 粉煤灰胶结胶固剂

(1)制备

该材料以当地电厂粉煤灰为主料，以煤矿低浓度充填专用胶固料为辅料。该辅料既可用于矿山充填、地下注浆及道路建设等领域，又可作为巷道漏风缝隙以及上山区域防灭火充填材料，同时也是矿山采空区堵露、灭火和阻燃的理想材料。

(2)特点

①充填材料选材容易。以当地粉煤灰为主料、专用胶固剂为辅料，可就地取材。

②充填工艺简单，料浆无需泵送，经过充填管路可实现自流到充填工作面。

③充填料浆和易性较好，不沉淀、不离析、不泌水。

③充填固化时间短，抗压强度高。

(3)使用效果

该充填材料具有选材容易、成本低、充填工艺简单、接顶效果好、自动化程度高和适用范围广等特点。2011年在滕州市刘村煤矿进行了实践应用，取得了良好的经济效益和社会效益，其抗压强度试验数据如表1所示。

表1 粉煤灰充填体抗压强度试验数据

2.4.2 膏体充填胶凝材料

(1)制备

该胶凝材料的原料主要包括矿井的煤矸石、建筑垃圾、自备电厂的粉煤灰，以及胶结材料。膏体充填胶凝材料能够将煤矸石、泥沙、粉煤灰、劣质土以及城市垃圾等在地面加工成无需脱水处理的牙膏状浆体，给充填泵或重力加压，可将其通过管道输送到井下，适时充填采空区或离层区。

(2)特点

①能够与含泥量高的各种集料正常凝结固化，为最大限度应用各种固体废弃物创造了有利条件。

②极少用量(胶结料含量一般2%～5%)就能使膏体料浆形成所需强度的固化体，并且早期强度高，后期强度持续增长。

③生产成本低。

(3)使用效果

该材料可以形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系，有效控制地表沉陷在建筑物允许值范围内，实现了村庄不搬迁，安全开采建筑物下压煤，保护矿区生态环境和地下水资源。

该膏体充填胶凝材料与水泥的胶结性能对照见表2、表3、表4。

表2 胶结河砂

表3 胶结全尾砂

表4 胶结黄泥

2.4.3 膏体全尾砂充填胶凝材料

为降低矿山充填成本，该公司还研发出适用于金属矿山的膏体全尾砂充填胶凝材料。

(1)制备

膏体全尾砂充填胶凝材料由多种无机材料与少量外加剂均匀混合而成，没有复杂的高温煅烧工艺，呈灰白细粉末状，主要化学成份为SiO2、AI2O3、Fe2O3、CaO、MgO、CaSO4，无毒、无害。

(2)特点

该材料最大的特点是对尾砂等细骨料有特殊的固结效果。用该材料做充填胶结剂，能满足井下充填在泵送性、环保性、流动性和早强性等方面的需求，而且对金属回收率没有任何影响。

(3)使用效果

此材料用量省(不足水泥用量的50%)、充填体早期强度高、采矿周期短；井下作业环境好、综合充填成本低[3]。以刘家庙铁矿为例，原充填材料成本为76元/m3，而此充填材料成本为45.5元/m3。充填体单向抗压强度4 d为1.34 MPa；9 d为2.32 MPa；18 d为2.7 MPa。

2.5 SL胶结料

SL胶结料是由徐州中矿大贝克福尔科技有限公司研制的。该胶结料可在保证适当流动性的前提下提高膏体浓度，减少用水量，降低膏体中水泥用量。

2.5.1 制备

SL胶结料是一种以水淬渣、粉煤灰等为主要原料加工制成的复合材料，其亲泥特性好、强度高、成本低，特别适合矸石、风积砂、黄土等充填。

2.5.2 特点

(1)粉煤灰在膏体中起到明显的微细集料悬浮作用和活性增强作用。

(2)不同电厂粉煤灰对膏体流动性和强度影响大，导致膏体充填材料质量不稳定，难以调节控制。

(3)近年粉煤灰价格上涨，粉煤灰占膏体材料费用的比重越来越大。

2.5.3 使用效果

该胶结料的同龄期胶结强度明显高于普通水泥，如表5所示。

表5 SL胶结料与普通水泥胶结性能对照表

2.6 尾砂固结剂

尾砂固结剂是淄博海州充填胶凝材料有限公司针对矿山井下充填工程需要，研制成功的一种新型胶凝材料，该材料与传统充填胶凝材料水泥相比具有流动性好，可泵性强、用量省、充填体早期强度高、充填采矿成本低等特点。

2.6.1 制备

尾砂固结剂的主要原材料为炼铁炉渣及该公司自主研发的专利产品。根据不同的尾砂情况，通过尾砂实验，可小幅调整炼铁炉渣和专利产品的比例。水泥出厂之前要进行一系列的试验检测。

2.6.2 特点

(1)用量少，砂浆流动性好、易于输送，形成的充填体早期强度高。

(2)可有效减少采场空顶时间，有利于矿山安全生产。

(3)充填使用的主要原料是工业废弃物，钢铁厂废渣以及矿山尾砂，属“三废” 利用项目，符合国家相关产业政策。

2.6.3 使用效果

在达到相同充填体强度的条件下，尾砂固结剂用量为标号32.5的普通水泥的50%以下，降低了充填成本，具有良好的经济效益。与标号32.5的普通水泥相比，在同样配比条件下，尾砂固结剂的充填体强度提高1倍以上。尾砂固结剂与标号32.5的普通水泥的胶结强度对比结果如表6所示。

表6 充填试件强度检测对比

2.7 工业废渣固化剂

工业废渣固化剂是由中国建筑科学研究院研制的，可用于工业废渣及全尾砂胶结的新型胶凝材料。

2.7.1 制备

该固化剂是采用煤矸石、钢渣、粉煤灰、硅灰、脱硫石膏等工业废渣作为主要原料，按照“以废弃物治理废弃物”的指导原则，采用适当的激发技术，制备出的低成本尾矿胶结充填固化剂。

2.7.2 特点

采用该工业废渣固化剂将这些废弃物进行活性激发后用于处理尾矿并充填于井下，既可节约用地、节能减排、减少地质灾害，又可降低冶金矿山企业生产成本，经济及社会效益显著，在区域范围内可打造循环经济试点。

2.7.3 使用效果

矿山企业一般年排放尾矿量从几十万t到几百万t不等。以马鞍山南山铁矿为例，该矿年排放尾矿350万t。原先采用以水泥为主的固化剂，年需水泥约20万t，按水泥市场价350元/t计，则每年水泥固化剂投资约7 000万元，而工业废渣胶结充填固化剂年需求量为15万t，按固化剂价格约320元/t计，则每年工业废渣固化剂投资4 800万元，仅材料一项节约资金2 200万元，其经济效益及社会效益显著。其与普通水泥的指标对比如表7所示。

表7 水泥与工业废渣固化剂对比

3 充填胶凝材料的前景展望

传统观念认为胶结充填采矿技术的成本高、效率低，只适合于开采技术条件复杂的高价值矿产资源。然而事实上，随着充填技术和充填材料的发展，充填成本在开采总成本中所占的比例呈下降的趋势，即使中、低价值矿产资源往往也可以通过降低矿产资源的损失与贫化所获得的效益而得到补偿，甚至可以使企业获得更丰厚的、直接的或潜在的经济效益。可以这样比喻，用充填采矿法采矿减少了损失与贫化，就相当于没有经过探矿而用很少的费用(即充填费用)又找到了一个新的矿床，建立了一个不用进行基建的小矿山。如果经过详细的经济评价和分析，将充填技术应用于损失贫化较大的大型黑色金属矿山、有色金属矿山、非金属矿山(如煤矿)等，更能体现出合理利用资源的优越性。

充填法采矿已成为控制地质灾害、实现无废开采的重要途径。为此，开展了以钢渣、矿渣为主要原料的胶凝材料试验研究，包括充填骨料物理性能测定和新型胶结充填材料配比试验。开发的新型胶凝材料具有成本低、强度高，比尾砂胶结性能好等特点，可大幅度降低充填成本，具有良好的经济效益和社会效益。

4 结束语

近年来新型尾砂充填胶结材料在多个矿山的成功应用表明。这些材料具有优良的质量性能与经济优势，可为我国部分充填采矿法矿山解决诸多充填技术难题并作为其他矿山之借鉴。

新型尾砂胶结材料属“三废”利用项目，符合国家相关产业政策，而且对提高矿山尾砂利用率，减少或避免矿山尾矿排放，实现无害化矿山开采等有重要意义，在矿山充填领域中具有推广应用价值。

在绿色水泥和充填技术相结合的基础上，相关技术已不局限于矿山充填，还在道路工程、水利工程、市政建设、环境修复、荒漠化改造及其它重要工程上得到了广泛应用。

[1] 王坚．水硬性石膏胶凝材料性能影响因素研究[J]．非金属矿，2005(3)：21-23．

[2] 王培月．高水材料固结尾砂充填工艺在玲珑金矿的应用[J]．中国矿业,2004(9)：50-52．

[3] 祝丽萍．赤泥- 矿渣少熟料体系制备全尾砂胶结充填料试验研究[J]．中国金属通报,2009(11):175-178．

Kinds and Application of Cementing Material in Mine Filling Mining

YAN Fang-bao, WANG Shang-zhen

New cementing material of tailings is an innovation for domestic filling material, it promotes the technological progress of filling material and the comprehensive utilization of “three wastes” and have been proved to create significant economic and social benefits by multiple mining applications. This paper introduced the preparation, characteristic and using effects of several kinds of main cementing materials in mine filling mining.

cementing material; filling material; three wastes; cement

2013-12-02

闫方宝(1983—)，男，山东临沂人，博士，工程师，主要从事采矿工程咨询与设计工作。

TD853.34

A

1008-5122(2014)01-0033-05