矿山胶结充填发展现状及展望

2015-02-24王玉凯

现代矿业 2015年11期

庞博程坤王玉凯

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院)

矿山充填开采技术历经了几十年的发展，已逐渐成为矿山绿色开采体系中不可替代的一部分。充填开采技术主要分为干式充填、水力充填和胶结充填。其中，胶结充填[1]是利用采集或加工而来的细砂或者砾石、块石以及碎矸石等惰性材料，按照一定的配比加入胶凝材料，在采空区内形成具有一定强度的胶结充填体，控制和改善上覆岩层的移动变形。

胶结充填技术作为矿山充填开采技术中最为重要的一部分，能够利用尾砂、废石等固体废弃物，有效控制深部及复杂应力环境下的地压，改善岩层控制状况、减少废石堆积，提高矿石回采率，解决开采沉陷的问题。一方面保护环境和生态平衡，另一方面开采出以前由于条件限制不能开采的矿产资源，且节约了充填成本。胶结充填技术水平的不断提高，对解决我国的环境问题和矿产资源的有效利用，都有着非常重要的意义。

1 矿山胶结充填技术发展现状

1.1 国外胶结充填技术发展现状

20世纪40年代末，国外开始研究采用尾砂作为充填骨料进行水力充填[2]。由于水力充填属于非胶结充填体，自立能力差，回采工作困难，难以满足采矿工艺高采出率和低贫化率的需要，因而在水砂充填工艺得以发展并推广应用后，便开始研发胶结充填技术。

20世纪50年代末到60年代初，围绕新型胶结充填材料和浆体输送特性的研究取得明显进展，50年代末加拿大鹰桥镍矿首次采用了胶结充填[3]，应用水泥尾砂浆取代充填料上铺板做工作面底板。1960年，加拿大国际镍矿公司开始试验波特兰水泥固结水砂充填技术，并于1962年在弗鲁德矿投入了生产应用。胶结充填工艺已经成为干式、水力充填工艺无法取代的充填工艺。

20世纪70年代，澳大利亚、苏联等国家结合干式充填和细砂胶结充填的特点，开始研究块(碎)石胶结充填工艺。1973年，在澳大利亚芒特艾萨矿[4]1100铜矿开始应用块石胶结充填工艺，取得了很好的效果，提高了胶结体强度和稳定性，并节约了水泥使用量。

在20世纪80年代，随着采矿工业的发展，原有的胶结充填工艺已经不能满足回采工艺及进一步降低采矿成本及环境保护的需要，因此发展了高浓度胶结充填技术[5]，如膏体充填、碎石砂浆胶结充填和全尾砂胶结充填。高浓度胶结充填将料浆质量浓度提高到70%以上，如加拿大基德克里克矿和洛维考特矿，德国格隆德矿和澳大利亚坎宁顿矿，以及美国、俄罗斯和南非的一部分井工矿，都采用了高浓度胶结充填技术。

20世纪90年代后，在美国、澳大利亚和加拿大等发达国家[6]，胶结充填开采已经在技术和装备上发展到新的阶段，大幅度提高了生产能力和劳动生产率，胶结充填技术正在向着高效率、低成本的方向积极转变。

1.2 国内胶结充填发展现状

我国矿山胶结充填技术起步较国外晚，但发展却相当迅速。20世纪60年代，我国主要采用传统的混凝土胶结充填，一些金属矿山开始进行尾砂胶结充填试验[7]。1964 年，凡口铅锌矿[8]开展了低浓度尾砂胶结充填工业试验，其后陆续有数十家矿山采用了尾砂胶结充填技术，取得了显著的经济效益。目前，以分级尾砂、天然砂和棒磨砂等作为集料的细砂胶结充填工艺与技术已日臻成熟，迄今我国仍有许多金属矿山应用细砂胶结充填技术进行开采。

20世纪80年代，中国矿业大学(北京)孙恒虎教授提出使用高水材料作为胶凝材料[9]，在低浓度料浆的条件下，利用改装后的充填设备把高水速凝充填料浆输送至井下采空区，使得采场多余的水固结，解决了充填废水的问题。与此同时，我国矿山陆续开展了块石胶结充填技术的试验研究，在一些金属矿山开始推广应用。

进入20世纪90年代后，在我国矿山企业、高校和科研设计单位的共同努力下，胶结充填技术的发展已经日臻成熟，如块石胶结充填、高浓度尾砂胶结充填、全尾砂膏体泵送胶结充填及高水速凝固化胶结充填技术已在许多矿山推广应用，取得了显著的进展。其中如大厂铜坑锡矿、红透山铜矿和鱼儿山金矿[10]等，均采用了块石胶结充填技术进行开采;望儿山金矿、吴庄铁矿[11]等一些金属矿山采用高浓度尾砂胶结充填技术，为企业带来了可观的经济效益;金川有色金属公司二矿区[12]采用了全尾砂膏体泵送胶结充填技术，成功建成了具有代表性的膏体泵送充填系统，在理论与工艺两方面都取得了斐然成绩;凡口铅锌矿和招远金矿[13]等金属矿山，应用高水速凝胶结充填技术，取得了较为显著的经济和社会效益，同时为我国矿山建设高水速凝充填系统积累了丰富的经验。经过几十年的发展，我国胶结充填技术在工艺和装备上都已处于国际先进水平。

2 矿山胶结充填技术

目前矿山胶结充填技术种类很多，主要包括[14]:全尾砂高浓度胶结充填、似膏体胶结充填、高水速凝尾砂胶结充填、膏体泵送胶结充填、低浓度混凝土胶结充填、块石水泥浆胶结充填、碎石水泥浆胶结充填。目前在矿山企业应用广泛的有全尾砂高浓度胶结充填、膏体泵送胶结充填、高水速凝尾砂胶结充填和块石水泥浆胶结充填。

2.1 全尾砂高浓度胶结充填

将选矿厂排出的全部尾砂作为充填骨料[15-16]，无需进行尾砂分级处理，经尾砂浓密，添加胶结材料并进行活化搅拌，从而制备成高浓度的充填料浆，通过液压泵输送到井下采空区的充填工艺。

全尾砂高浓度胶结充填的技术特点:尾砂无需分级，利用率高，充填成本低;料浆的真实质量浓度高，采用强力活化搅拌技术，料浆的均匀性和流动性好，避免输送过程中发生沉淀和离析;充填体凝固时间短，强度高，能有效控制地面沉降;地面充填站采用浓密过滤两端脱水，工艺流程复杂，能耗大、投资多。

高浓度全尾砂胶结充填料浆进入采场后不离析，无需脱水，不会造成井下细泥污染，适用于矿体集中、尾砂和水泥来源方便的中、小型有色矿山和黄金矿山。对充填材料配比、料浆浓度和输送特性的研究，是全尾砂高浓度胶结充填技术发展的关键问题。

2.2 膏体泵送胶结充填

把尾砂等充填材料加工成牙膏状的料浆，采用充填泵或自流经管道送至井下采空区。膏体泵送充填工艺技术由德国于80年代末首次在格隆德铅锌矿试验成功。与此同时，国内的矿区与科研单位也开始进行相关的工业性试验。以金川二矿区为例[17-18]，从1988年开始试验该技术，1991年获得成功，先后进行了全尾砂胶结膏体充填、全尾砂加棒磨砂胶结膏体充填、全尾砂加－25 mm细石胶结膏体充填的试验。

全尾砂膏体泵送充填工艺技术具有以下技术特点:膏体稳定性好，不发生沉淀、离析，且可长时间停留在输送管道中，设备重新启动后可继续输送;保证充填体强度的同时节约了水泥用量;膏体料浆真实质量浓度可达80%左右，膏体输送至采场后，水泥不流失，无脱水环节，且无井下细泥污染;基建投资大，设备成本高且工艺复杂。

膏体泵送充填工艺适用于对充填体要求高，地压大，高阶复杂矿床的开采。实现膏体泵送充填的工业化应用，关键是要解决设备故障率高和工艺复杂等问题，以保证膏体充填系统可靠性，此外还需要矿山企业和科研单位对膏体料浆的流变和输送特性等进行研究。

2.3 高水速凝尾砂胶结充填

采用高水材料作为胶凝材料[19-21]，高水材料有甲、乙两种，分别与全尾砂或分级尾砂混合并制备成充填料浆，通过钻孔和管道输送到井下，在进入采空区前混合，无需脱水便可迅速凝结，成为具有一定强度的充填体。

高水速凝尾砂胶结充填工艺的技术特点有:高水材料由甲、乙两种材料组成，分别造浆并独立输送，可长时间存放不凝结，增加了充填系统的可靠性;混合后浆液迅速凝结为固态结晶体，早期强度高，有利于充填接顶和缩短作业循环周期;高水材料良好的悬浮性能改善了料浆的流动性，解决了长距离输送料浆的难题;采用双浆制备输送系统，利于保证设备正常作业和充填质量;增加了管道系统和高水材料仓的投资。

高水速凝尾砂胶结充填主要适用于对充填体强度要求不高、尾矿较多的矿山。在硬岩矿山的应用仍然存在诸多问题，解决这些问题的关键在于通过对高水材料的研究，提高充填体强度，降低充填成本。

2.4 块石水泥浆胶结充填

根据混凝土理论，采用自然级配的块石作为充填惰性材料[21-23]，把块石和一定配比的水泥浆分别输送至井下，进行自淋混合或电耙搅拌，在采空区内形成块石包裹水泥浆的胶结充填体。上世纪70年代，澳大利亚芒特艾萨矿成功进行了块石胶结充填的大规模工业性试验，证明了块石水泥浆胶结充填能够较好地控制地面沉陷，顺利回收矿柱。随后我国开展了此项胶结充填技术的研究，并在丰山铜矿、鱼儿山金矿成功运用。

块石水泥浆胶结充填的技术特点:充填工艺较其他胶结充填方法简单，机械化程度较高，充填能力大;基建投资较少，水泥用量低，可充分利用井下废石;胶结充填体整体强度高，接顶率一般可达到90%以上，工序简单，效果好，但增加了运输环节的成本。

块石水泥浆胶结充填适用于对充填体强度要求高，矿体中厚偏上，采用阶段空场法、分段空场法、留矿法等大空场采矿法的嗣后充填。

3 矿山胶结充填技术研究展望

3.1 研究建筑垃圾作为充填骨料

充填骨料作为胶结充填材料的核心，对充填体的强度有着至关重要的影响，而目前充填骨料的种类还很有限，如果不寻找成本更加低廉的替代充填材料，将会极大地制约我国胶结充填技术的发展[23]。我国尾砂胶结充填存在的一个重要问题是充填尾砂量不足，据调查大多数尾砂充填矿山的尾砂不能满足生产需要。而据不完全统计，城市中每平方米建筑施工过程中，产生建筑废渣500～1 000 t，现在我国每年新竣工的面积达到了20亿m3，接近全球年建筑总量的一半，按此估算仅施工建筑垃圾每年就产生上亿吨，加上建筑、装修、拆迁、建材工业所产生的建筑垃圾数量将达数亿吨。如果发展研究建筑垃圾作为充填材料，不仅解决了建筑垃圾带来的环保问题，也会极大地缓解矿山充填材料的匮乏情况，同时还会降低充填材料的成本，促进胶结充填技术在矿山的应用。

3.2 研发新型胶凝材料

目前，绝大部分矿山的胶凝材料采用普通硅酸盐水泥或者是矿渣水泥，少量矿山掺加粉煤灰、赤泥等材料。国内矿山企业关于胶结充填体强度的设计通常过于“保守”，水泥的添加量过大，造成浪费，也同时增加了充填成本。要解决这个问题，可考虑使用低成本、高强度的新型胶凝材料或添加效果良好的化学添加剂，改善充填材料的性质，节约充填成本。现在市场上适用于矿山充填特点的专用胶凝材料还比较少见，而且新型的胶凝材料既要满足胶结充填开采工艺的要求，又要达到控制顶板运动所需强度，同时还应该满足来源广泛、成本低廉的要求。因此新型胶凝材料和化学添加剂的研发是胶结充填技术发展的迫切任务，也是提高我国胶结充填开采技术水平的一个重要研究方向。

3.3 提高充填系统自动化水平

早在上个世纪80年代，国外的科研单位就已经开始研制和推行充填自动化系统，近年来，随着我国矿山充填系统的监控和管理水平的逐渐提高，一些大型充填搅拌站也实现了充填系统配套的仪表监测和计算机自动控制，保证了充填料浆的各组优化配比和充填质量。但限于胶结充填工艺的特点，想完全实现充填系统的自动化，还需要科研单位和矿山企业的不断努力。在未来很长一段时间内，充填系统自动化仍然是矿山胶结充填开采技术的一个重要研究方向。

4 结语

通过对目前在金属矿山广泛应用的4种主要胶结充填技术的分析，以及对胶结充填技术的研究展望，可以得出:矿山胶结充填技术在未来很长的一段时间内，需要把研究重心放在提高胶结充填系统自动化和降低胶结充填成本。加大力度研发廉价且来源广泛的新型胶结材料或复合型胶结材料，并结合生产实际对胶结充填料浆组分进行优化配比，在保证充填体强度和质量的条件下，尽可能减少传统胶凝材料的添加量，达到降低充填成本的目的。近年来，我国对矿产资源的采出率要求和生态环境的保护要求越来越严格，且随着各种胶结充填工艺和充填设备的发展完善，胶结充填技术在矿山企业的应用前景十分广阔。

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