矿山胶结充填技术

◎ 应急管理部信息研究院 庞博

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，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。

目前矿山胶结充填技术种类很多，主要包括：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。

（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，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、小型有色矿山及黄金矿山。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）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，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-25mm 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。

（3）高水速凝尾砂胶结充填

采用高水材料作为胶凝材料，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。

（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，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。

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。