新型尾砂固結(jié)劑在礦山的應(yīng)用

閆方寶 王尚禎

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司， 昌都 854000)

新型尾砂固結(jié)劑在礦山的應(yīng)用

閆方寶1王尚禎2

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司， 昌都 854000)

高采礦充填成本是影響我國礦山采礦單耗的一大因素。本文介紹了新型尾砂固結(jié)材料替代水泥在礦山膠結(jié)充填的應(yīng)用。在充填體強度相同的條件下，尾砂固結(jié)劑的使用量只需普通水泥的1/2或更少。尾砂固結(jié)劑的充填工藝與礦山普遍使用的水泥膠結(jié)充填系統(tǒng)相同。在滿足礦山對充填體強度要求的情況下，可降低充填成本，具有明顯的經(jīng)濟效益。

尾砂固結(jié)劑； 充填體強度； 水泥

0 前言

尾砂固結(jié)劑作為膠結(jié)充填材料的主要材料之一，在礦山充填采礦工藝中占據(jù)了重要地位。充填體固化時間及強度是影響采礦周期及損失貧化的重要因素，充填成本的高低直接影響著礦山經(jīng)濟效益。故研究開發(fā)新的適于礦山充填的膠結(jié)材料是國內(nèi)外采礦界一直共同關(guān)注和研究的課題[1]。

高采礦充填成本(含電費、工人工資、水泥消耗)是影響我國采礦單耗的一大因素，為此本文以降低充填成本、確保兩率指標、提高回采工效為原則，介紹了用新型尾砂固結(jié)材料替代水泥進行膠結(jié)充填的方法。使用此固結(jié)劑可提高充填體的早期強度、較好控制貧損兩率指標、降低充填單耗、改善安全條件，其經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

1 新型尾砂固結(jié)劑簡介

新型尾砂固結(jié)劑是淄博某充填膠凝材料有限公司針對礦山井下充填工程需要，研制成功的一種新型膠凝材料，該材料與傳統(tǒng)充填膠結(jié)材料水泥相比具有流動性好、可泵性強、用量省、充填體早期強度高、充填采礦成本低等特點，可有效減少采場空頂時間，有利于礦山采礦安全、高效生產(chǎn)。

新型尾砂固結(jié)劑物理形態(tài)如同普通水泥，呈灰白色粉末狀，主要化學成份為：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3，無毒、無害。該固結(jié)劑基本采用工業(yè)廢碴進行生產(chǎn)，其原材料來源十分廣泛，其生產(chǎn)滿足“三廢” 利用要求，符合國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策。

尾砂固結(jié)劑的主要原材料為煉鐵爐渣及公司自主研發(fā)的膠凝材料。根據(jù)不同的尾砂情況，開展尾砂實驗，可適當調(diào)整煉鐵爐渣和膠凝材料的比例，無需大幅度調(diào)整。尾砂固結(jié)劑在出廠及充填至井下之前要進行嚴格的強度檢驗，其生產(chǎn)原料、成品如圖1所示。

圖1 尾砂固結(jié)劑原料及成品

尾砂固結(jié)劑的充填工藝與有色和黃金礦山普遍使用的水泥膠結(jié)充填系統(tǒng)相同，具有非常好的膠凝性，在有條件的膠結(jié)充填采礦法礦山完全可以替代現(xiàn)有的充填膠凝材料，同時根據(jù)充填采礦方法的工藝需要，在滿足礦山對充填體強度要求的情況下，可降低充填成本，具有明顯的經(jīng)濟效益[2]。

2 新型尾砂固結(jié)劑特點

(1)用量少，砂漿流動性好、易于輸送，形成的充填體早期強度高。可有效減少采場空頂時間，有利于礦山安全生產(chǎn)。

(2)在達到相同充填體強度條件下，新型尾砂固結(jié)劑的用量為標號32.5的普通水泥的1/2以下；在同樣配比條件下，新型尾砂固結(jié)劑的充填體強度比32.5的普通水泥高1倍以上。

(3)充填所使用的主要原料是鋼鐵廠廢渣及礦山尾砂，屬“三廢” 利用項目，有利于環(huán)境保護和資源循環(huán)利用。

3 新型尾砂固結(jié)劑的成本控制

新型尾砂固結(jié)劑的生產(chǎn)成本略高于普通水泥，而在保證充填體強度的前提下，其使用量比普通水泥節(jié)省1/2以上，綜合經(jīng)濟成本顯著降低。該尾砂固結(jié)劑在焦家金礦、三鑫礦業(yè)等的應(yīng)用表明其具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢：

在焦家金礦實際應(yīng)用中，用灰砂比1∶10尾砂固結(jié)劑代替1∶4的水泥；用1∶20的尾砂固結(jié)劑代替1∶10的水泥，充填體的強度不會降低，在適用性上完全可行。

成本方面，普通水泥價格按225元/t計，尾砂固結(jié)劑價格按360元/t計，尾砂固結(jié)劑1∶10的材料直接成本比普通水泥1∶4的材料低28.44元/m3-充填體。尾砂固結(jié)1∶20的材料直接成本比普通水泥1∶10的材料低5.49元/m3-充填體。由此可見，使用該材料用于井下充填，降低成本的潛力是巨大的[3]。

焦家金礦用水泥及尾砂固結(jié)劑做充填膠結(jié)劑的費用支出情況對比如下：

(1)水泥：2.2萬t(目前焦家金礦年水泥總用量)×225元/t(水泥平均單價)=495萬元。

(2)尾砂固結(jié)劑：1萬t(目前焦家金礦年尾砂固結(jié)材料總用量)×360元/t(尾砂固結(jié)材料單價)=360萬元。

年節(jié)約成本為495-360=135萬元。

三鑫礦業(yè)采用此尾砂固結(jié)劑替代普通水泥用于井下充填，在保證充填體的強度不降低的情況下，新型尾砂固結(jié)劑的用量是水泥的1/2。以充填體灰砂比1∶10計算，每立方米充填體的尾砂固結(jié)劑成本較普通水泥節(jié)省15元/m3，按三鑫礦業(yè)每年充填18萬m3計算，每年可節(jié)省充填成本270萬元，詳見表1。

表1 普通水泥與新型尾砂固結(jié)劑成本對比

4 新型尾砂固結(jié)劑的強度控制

湖北三鑫礦業(yè)開展了此新型尾砂固結(jié)劑與普通32.5水泥的試驗室對比試驗，通過充填料漿懸浮性、流動度、沉降等試驗檢測，在同等條件下，新型尾砂固結(jié)劑的充填料漿流動性、懸浮性均好于普通水泥，而離析程度明顯小于普通水泥料漿。在充填體的濃度和灰砂比相同的情況下，使用此尾砂固結(jié)劑的充填體強度顯著提高，充填試件強度檢測對比結(jié)果如表2所示。

表2 三鑫礦業(yè)普通水泥與新型尾砂固結(jié)劑強度檢測對比

以上檢驗結(jié)果表明，新型尾砂膠結(jié)材料形成的充填體早期強度高，與用普通32.5水泥相比，在同樣配比條件下，新型尾砂固結(jié)劑的充填體強度高1倍以上；在達到相同充填體強度條件下，新型尾砂固結(jié)劑用量為普通32.5水泥的1/2以下，是一種具有“快凝、早強、多省”優(yōu)勢的新型尾砂膠結(jié)材料。如果使用普通32.5水泥的充填體早期強度達到尾砂固結(jié)劑同期強度，則需提高水泥單耗，這樣勢必增加充填成本。

以山東萊新鐵礦為例，該礦年設(shè)計采礦量50萬t，采礦方法為垂直走向布置分段鑿巖分段出礦充填法，設(shè)計尾礦全部用于井下充填。萊新鐵礦充填體設(shè)計抗壓強度為2.3 MPa。通過試驗，普通水泥很難在全尾砂充填條件下達到要求。進行了新型尾砂固結(jié)劑充填試驗，其與普通水泥充填體強度對比結(jié)果如表3所示。表3表明，在不同濃度及灰砂比條件下，同等條件下新型尾砂固結(jié)劑各齡期充填體強度是水泥充填體強度的3～5倍。

萊新鐵礦最早在井下-205 m及-255 m中段6#、9#礦房，應(yīng)用新型尾砂固結(jié)劑進行充填，目前已全部使用新型尾砂固結(jié)劑進行井下全尾砂膠結(jié)充填，效果良好。

表3 山東萊新鐵礦普通水泥與新型尾砂固結(jié)劑強度檢測對比

石頭嘴銅鐵礦將新型尾砂固結(jié)劑用于-320 m中段采場的充填生產(chǎn)，3 d后對采用1∶8灰砂比用于采場澆底部分充填體進行了揭露及相關(guān)檢測，結(jié)果表明未見充填體分層離析現(xiàn)象，充填體早期強度發(fā)展快，強度性能十分顯著。根據(jù)井下現(xiàn)場取樣檢測，充填體3 d極限抗壓強度即達1.69 MPa，28 d達到2.46 MPa。90 d達到了4.25 MPa，充填效果十分理想，完全可滿足二步礦柱安全高效回采的需要。充填質(zhì)量的提高，對減少礦柱損失及降低采場礦石損失貧化也有積極作用。

雞籠山金礦、冬瓜山銅礦、金川鎳礦及客拉通克鎳礦等通過相關(guān)試驗后，相繼選擇新型尾砂固結(jié)劑應(yīng)用于井下充填，均取得很好的效果。

5 新型尾砂固結(jié)劑對礦山的積極影響

5.1 解決礦山充填成本及強度等技術(shù)難題

普通水泥膠結(jié)充填技術(shù)主要存在成本高、效率低、水泥單耗高、充填體強度低和質(zhì)量差等嚴重缺陷。使用新型尾砂固結(jié)劑替代普通水泥充填，在相同濃度等充填條件下達到相同的充填體強度，用量只需普通水泥的1/2，而綜合效果仍好于普通水泥。新型尾砂固結(jié)劑具用量省、強度高、充填體分層離析不明顯等優(yōu)點，可很好保證充填質(zhì)量、縮短采礦作業(yè)周期、降低充填生產(chǎn)成本。

由于充填骨料粒級普遍較細、充填濃度較低，普通水泥很難達到滿意的充填效果，新型尾砂固結(jié)劑在含細泥質(zhì)尾砂的膠結(jié)充填較普通水泥更具優(yōu)勢，可很好解決全尾砂膠結(jié)充填充填體強度低等技術(shù)難題。

5.2 推動充填采礦工藝革新

充填采礦在我國占有重要的地位，在中國超過25%的有色金屬礦石采用充填采礦法生產(chǎn)，黃金礦石則約達到50%以上。充填采礦技術(shù)的不斷進步，為高效安全的采礦方法提供了基礎(chǔ)。

以三鑫礦業(yè)為例，新型尾砂固結(jié)劑在保證井下充填體強度與穩(wěn)定性能的條件下，為克服中深孔采場平底塹溝底部結(jié)構(gòu)的桃形(或三角形)礦柱損失太大問題，通過先回收中深孔采場的桃形(或三角形)礦柱，再用高強度充填體替代，以此消除了人工底柱三角礦柱或礦堆的損失，成功優(yōu)化了中深孔分段落礦嗣后階段充填采礦法。

另外，石頭嘴銅鐵礦在應(yīng)用新型尾砂固結(jié)劑后，為克服二步回采礦柱采用上向水平分尾采礦法生產(chǎn)效率與安全度低的問題，也對礦柱回采方案進行了改進。二步回采礦柱同一步回采礦房均采用效率與安全條件較高的淺孔留礦法，部分出礦進路布置在一步回采充填體之中，即直接在充填體開鑿人工假巷，并及時素噴砼厚10 cm進行簡單支護，從而大幅提高了采礦效率。

5.3 促進礦山循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展

新型尾砂固結(jié)劑生產(chǎn)原料主要是“工業(yè)廢渣”，本身屬“三廢”利用循環(huán)經(jīng)濟項目，不僅大量節(jié)省廢渣排放場地又有效保護了環(huán)境。同時，用于充填時膠結(jié)強度高，對細尾砂有很強的固結(jié)效果，可更好地提高尾砂利用率和提高全尾砂膠結(jié)充填質(zhì)量，對分級尾砂產(chǎn)量不足或尾砂利用率低的充填采礦法礦山減少尾礦排放推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。

6 充填膠凝材料的前景展望

新型尾砂固結(jié)劑不但降低了充填成本、提高了充填體強度，而且拓展了全尾砂的適應(yīng)范圍。促進了全尾砂的推廣應(yīng)用，如鐵渣膠結(jié)劑和赤泥膠結(jié)劑使全尾砂充填料的性能顯著改善。同時研究超細、高強、價廉、速凝的充填新材料及高壓泵送方法，可以確保三下(井下、建筑物下及鐵路運輸線下)的開采安全，使許多不穩(wěn)定的巖層預(yù)先固結(jié)形成薄殼結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)江、河、湖水下開采并可能擴大到沿海大陸架地區(qū)水下礦產(chǎn)資源的開采。因此新型膠結(jié)材料(包括化學添加劑)的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用將越來越受到重視，并且具有廣闊的發(fā)展前景。

根據(jù)工藝設(shè)備條件和現(xiàn)場技術(shù)要求，采用新型尾砂固結(jié)劑作為膠結(jié)劑和輸送載體，使用全尾砂作為充填骨料，將是將來充填的研究方向，新型尾砂固結(jié)劑與常規(guī)膠結(jié)充填相比，具有漿料濃度范圍大、凝固速度快、不脫水、接頂效果好等特點，解決了井下的環(huán)境污染、降低了工人的勞動強度，在應(yīng)用上有明顯的優(yōu)越性。

7 結(jié)論

由于高水速凝充填材料存在成本高，材料穩(wěn)定性差，原料來源受限制等因素難以推廣應(yīng)用，普通水泥充填膠結(jié)材料也存在強度底，水泥單耗高與充填體質(zhì)量差等不可克服的技術(shù)問題。新型尾砂固結(jié)劑可很好地克服這兩種材料存在的缺點，應(yīng)用證明是一種適宜的充填材料。

新型尾砂固結(jié)劑是國內(nèi)充填材料的一次技術(shù)革新，促進了我國充填材料技術(shù)的進步與“三廢”循環(huán)利用，多個礦山應(yīng)用已證明均能給礦山創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

新型尾砂固結(jié)劑屬“三廢”利用項目，符合國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，對提高礦山尾砂利用率，減少或避免礦山尾礦排放，實現(xiàn)無害化礦山開采等有重要意義，在礦山充填領(lǐng)域中具有推廣應(yīng)用價值。

[1] 趙傳卿．充填膠凝材料的發(fā)展與應(yīng)用[J]．黃金,2008(1):25-29．

[2] 王喜兵．新型全尾砂膠結(jié)充填采礦工藝技術(shù)研究與應(yīng)用[J]．采礦技術(shù),2010(5)：1-5．

[3] 韓克峰．高爐水渣細磨產(chǎn)品在全尾砂膠結(jié)充填中的應(yīng)用[J]．金屬礦山,2001(7)：45-47．

Application of New Tailings Consolidation Agent in Mine

YAN Fang-bao, WANG Shang-zhen

The high cost of filling mining has a major influence on the unit consumption of mining. The application of consolidation agent of new tailings instead of cement in the cemented backfill of mine was introduced. Under the same conditions of filling body strength, the consumption of the consolidation agent of tailings is only half or less than ordinary cement. The filling system of consolidation agent of tailings is the same to the commonly used cemented backfill system of cement. On the premise that meeting the requirements of the filling body strength, the application of filling technology of consolidation agent of tailings can reduce the filling cost, and has obvious economic benefits.

sand consolidation agents; strength of filling body; cement

2013-11-27

閆方寶(1983—)，男，山東臨沂人，博士，工程師，主要從事采礦工程咨詢與設(shè)計工作。

X758

B

1008-5122(2014)02-0046-04