礦山膠結(jié)充填發(fā)展現(xiàn)狀及展望

龐 博 程 坤 王玉凱

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院)

礦山充填開(kāi)采技術(shù)歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展，已逐漸成為礦山綠色開(kāi)采體系中不可替代的一部分。充填開(kāi)采技術(shù)主要分為干式充填、水力充填和膠結(jié)充填。其中，膠結(jié)充填[1]是利用采集或加工而來(lái)的細(xì)砂或者礫石、塊石以及碎矸石等惰性材料，按照一定的配比加入膠凝材料，在采空區(qū)內(nèi)形成具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)充填體，控制和改善上覆巖層的移動(dòng)變形。

膠結(jié)充填技術(shù)作為礦山充填開(kāi)采技術(shù)中最為重要的一部分，能夠利用尾砂、廢石等固體廢棄物，有效控制深部及復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的地壓，改善巖層控制狀況、減少?gòu)U石堆積，提高礦石回采率，解決開(kāi)采沉陷的問(wèn)題。一方面保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，另一方面開(kāi)采出以前由于條件限制不能開(kāi)采的礦產(chǎn)資源，且節(jié)約了充填成本。膠結(jié)充填技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)解決我國(guó)的環(huán)境問(wèn)題和礦產(chǎn)資源的有效利用，都有著非常重要的意義。

1 礦山膠結(jié)充填技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外膠結(jié)充填技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)40年代末，國(guó)外開(kāi)始研究采用尾砂作為充填骨料進(jìn)行水力充填[2]。由于水力充填屬于非膠結(jié)充填體，自立能力差，回采工作困難，難以滿(mǎn)足采礦工藝高采出率和低貧化率的需要，因而在水砂充填工藝得以發(fā)展并推廣應(yīng)用后，便開(kāi)始研發(fā)膠結(jié)充填技術(shù)。

20世紀(jì)50年代末到60年代初，圍繞新型膠結(jié)充填材料和漿體輸送特性的研究取得明顯進(jìn)展，50年代末加拿大鷹橋鎳礦首次采用了膠結(jié)充填[3]，應(yīng)用水泥尾砂漿取代充填料上鋪板做工作面底板。1960年，加拿大國(guó)際鎳礦公司開(kāi)始試驗(yàn)波特蘭水泥固結(jié)水砂充填技術(shù)，并于1962年在弗魯?shù)碌V投入了生產(chǎn)應(yīng)用。膠結(jié)充填工藝已經(jīng)成為干式、水力充填工藝無(wú)法取代的充填工藝。

20世紀(jì)70年代，澳大利亞、蘇聯(lián)等國(guó)家結(jié)合干式充填和細(xì)砂膠結(jié)充填的特點(diǎn)，開(kāi)始研究塊(碎)石膠結(jié)充填工藝。1973年，在澳大利亞芒特艾薩礦[4]1100銅礦開(kāi)始應(yīng)用塊石膠結(jié)充填工藝，取得了很好的效果，提高了膠結(jié)體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并節(jié)約了水泥使用量。

在20世紀(jì)80年代，隨著采礦工業(yè)的發(fā)展，原有的膠結(jié)充填工藝已經(jīng)不能滿(mǎn)足回采工藝及進(jìn)一步降低采礦成本及環(huán)境保護(hù)的需要，因此發(fā)展了高濃度膠結(jié)充填技術(shù)[5]，如膏體充填、碎石砂漿膠結(jié)充填和全尾砂膠結(jié)充填。高濃度膠結(jié)充填將料漿質(zhì)量濃度提高到70%以上，如加拿大基德克里克礦和洛維考特礦，德國(guó)格隆德礦和澳大利亞坎寧頓礦，以及美國(guó)、俄羅斯和南非的一部分井工礦，都采用了高濃度膠結(jié)充填技術(shù)。

20世紀(jì)90年代后，在美國(guó)、澳大利亞和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家[6]，膠結(jié)充填開(kāi)采已經(jīng)在技術(shù)和裝備上發(fā)展到新的階段，大幅度提高了生產(chǎn)能力和勞動(dòng)生產(chǎn)率，膠結(jié)充填技術(shù)正在向著高效率、低成本的方向積極轉(zhuǎn)變。

1.2 國(guó)內(nèi)膠結(jié)充填發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)礦山膠結(jié)充填技術(shù)起步較國(guó)外晚，但發(fā)展卻相當(dāng)迅速。20世紀(jì)60年代，我國(guó)主要采用傳統(tǒng)的混凝土膠結(jié)充填，一些金屬礦山開(kāi)始進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填試驗(yàn)[7]。1964 年，凡口鉛鋅礦[8]開(kāi)展了低濃度尾砂膠結(jié)充填工業(yè)試驗(yàn)，其后陸續(xù)有數(shù)十家礦山采用了尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，以分級(jí)尾砂、天然砂和棒磨砂等作為集料的細(xì)砂膠結(jié)充填工藝與技術(shù)已日臻成熟，迄今我國(guó)仍有許多金屬礦山應(yīng)用細(xì)砂膠結(jié)充填技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采。

20世紀(jì)80年代，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)孫恒虎教授提出使用高水材料作為膠凝材料[9]，在低濃度料漿的條件下，利用改裝后的充填設(shè)備把高水速凝充填料漿輸送至井下采空區(qū)，使得采場(chǎng)多余的水固結(jié)，解決了充填廢水的問(wèn)題。與此同時(shí)，我國(guó)礦山陸續(xù)開(kāi)展了塊石膠結(jié)充填技術(shù)的試驗(yàn)研究，在一些金屬礦山開(kāi)始推廣應(yīng)用。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，在我國(guó)礦山企業(yè)、高校和科研設(shè)計(jì)單位的共同努力下，膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日臻成熟，如塊石膠結(jié)充填、高濃度尾砂膠結(jié)充填、全尾砂膏體泵送膠結(jié)充填及高水速凝固化膠結(jié)充填技術(shù)已在許多礦山推廣應(yīng)用，取得了顯著的進(jìn)展。其中如大廠銅坑錫礦、紅透山銅礦和魚(yú)兒山金礦[10]等，均采用了塊石膠結(jié)充填技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采;望兒山金礦、吳莊鐵礦[11]等一些金屬礦山采用高濃度尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益;金川有色金屬公司二礦區(qū)[12]采用了全尾砂膏體泵送膠結(jié)充填技術(shù)，成功建成了具有代表性的膏體泵送充填系統(tǒng)，在理論與工藝兩方面都取得了斐然成績(jī);凡口鉛鋅礦和招遠(yuǎn)金礦[13]等金屬礦山，應(yīng)用高水速凝膠結(jié)充填技術(shù)，取得了較為顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，同時(shí)為我國(guó)礦山建設(shè)高水速凝充填系統(tǒng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)膠結(jié)充填技術(shù)在工藝和裝備上都已處于國(guó)際先進(jìn)水平。

2 礦山膠結(jié)充填技術(shù)

目前礦山膠結(jié)充填技術(shù)種類(lèi)很多，主要包括[14]:全尾砂高濃度膠結(jié)充填、似膏體膠結(jié)充填、高水速凝尾砂膠結(jié)充填、膏體泵送膠結(jié)充填、低濃度混凝土膠結(jié)充填、塊石水泥漿膠結(jié)充填、碎石水泥漿膠結(jié)充填。目前在礦山企業(yè)應(yīng)用廣泛的有全尾砂高濃度膠結(jié)充填、膏體泵送膠結(jié)充填、高水速凝尾砂膠結(jié)充填和塊石水泥漿膠結(jié)充填。

2.1 全尾砂高濃度膠結(jié)充填

將選礦廠排出的全部尾砂作為充填骨料[15-16]，無(wú)需進(jìn)行尾砂分級(jí)處理，經(jīng)尾砂濃密，添加膠結(jié)材料并進(jìn)行活化攪拌，從而制備成高濃度的充填料漿，通過(guò)液壓泵輸送到井下采空區(qū)的充填工藝。

全尾砂高濃度膠結(jié)充填的技術(shù)特點(diǎn):尾砂無(wú)需分級(jí)，利用率高，充填成本低;料漿的真實(shí)質(zhì)量濃度高，采用強(qiáng)力活化攪拌技術(shù)，料漿的均勻性和流動(dòng)性好，避免輸送過(guò)程中發(fā)生沉淀和離析;充填體凝固時(shí)間短，強(qiáng)度高，能有效控制地面沉降;地面充填站采用濃密過(guò)濾兩端脫水，工藝流程復(fù)雜，能耗大、投資多。

高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿進(jìn)入采場(chǎng)后不離析，無(wú)需脫水，不會(huì)造成井下細(xì)泥污染，適用于礦體集中、尾砂和水泥來(lái)源方便的中、小型有色礦山和黃金礦山。對(duì)充填材料配比、料漿濃度和輸送特性的研究，是全尾砂高濃度膠結(jié)充填技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.2 膏體泵送膠結(jié)充填

把尾砂等充填材料加工成牙膏狀的料漿，采用充填泵或自流經(jīng)管道送至井下采空區(qū)。膏體泵送充填工藝技術(shù)由德國(guó)于80年代末首次在格隆德鉛鋅礦試驗(yàn)成功。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的礦區(qū)與科研單位也開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)的工業(yè)性試驗(yàn)。以金川二礦區(qū)為例[17-18]，從1988年開(kāi)始試驗(yàn)該技術(shù)，1991年獲得成功，先后進(jìn)行了全尾砂膠結(jié)膏體充填、全尾砂加棒磨砂膠結(jié)膏體充填、全尾砂加－25 mm細(xì)石膠結(jié)膏體充填的試驗(yàn)。

全尾砂膏體泵送充填工藝技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn):膏體穩(wěn)定性好，不發(fā)生沉淀、離析，且可長(zhǎng)時(shí)間停留在輸送管道中，設(shè)備重新啟動(dòng)后可繼續(xù)輸送;保證充填體強(qiáng)度的同時(shí)節(jié)約了水泥用量;膏體料漿真實(shí)質(zhì)量濃度可達(dá)80%左右，膏體輸送至采場(chǎng)后，水泥不流失，無(wú)脫水環(huán)節(jié)，且無(wú)井下細(xì)泥污染;基建投資大，設(shè)備成本高且工藝復(fù)雜。

膏體泵送充填工藝適用于對(duì)充填體要求高，地壓大，高階復(fù)雜礦床的開(kāi)采。實(shí)現(xiàn)膏體泵送充填的工業(yè)化應(yīng)用，關(guān)鍵是要解決設(shè)備故障率高和工藝復(fù)雜等問(wèn)題，以保證膏體充填系統(tǒng)可靠性，此外還需要礦山企業(yè)和科研單位對(duì)膏體料漿的流變和輸送特性等進(jìn)行研究。

2.3 高水速凝尾砂膠結(jié)充填

采用高水材料作為膠凝材料[19-21]，高水材料有甲、乙兩種，分別與全尾砂或分級(jí)尾砂混合并制備成充填料漿，通過(guò)鉆孔和管道輸送到井下，在進(jìn)入采空區(qū)前混合，無(wú)需脫水便可迅速凝結(jié)，成為具有一定強(qiáng)度的充填體。

高水速凝尾砂膠結(jié)充填工藝的技術(shù)特點(diǎn)有:高水材料由甲、乙兩種材料組成，分別造漿并獨(dú)立輸送，可長(zhǎng)時(shí)間存放不凝結(jié)，增加了充填系統(tǒng)的可靠性;混合后漿液迅速凝結(jié)為固態(tài)結(jié)晶體，早期強(qiáng)度高，有利于充填接頂和縮短作業(yè)循環(huán)周期;高水材料良好的懸浮性能改善了料漿的流動(dòng)性，解決了長(zhǎng)距離輸送料漿的難題;采用雙漿制備輸送系統(tǒng)，利于保證設(shè)備正常作業(yè)和充填質(zhì)量;增加了管道系統(tǒng)和高水材料倉(cāng)的投資。

高水速凝尾砂膠結(jié)充填主要適用于對(duì)充填體強(qiáng)度要求不高、尾礦較多的礦山。在硬巖礦山的應(yīng)用仍然存在諸多問(wèn)題，解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于通過(guò)對(duì)高水材料的研究，提高充填體強(qiáng)度，降低充填成本。

2.4 塊石水泥漿膠結(jié)充填

根據(jù)混凝土理論，采用自然級(jí)配的塊石作為充填惰性材料[21-23]，把塊石和一定配比的水泥漿分別輸送至井下，進(jìn)行自淋混合或電耙攪拌，在采空區(qū)內(nèi)形成塊石包裹水泥漿的膠結(jié)充填體。上世紀(jì)70年代，澳大利亞芒特艾薩礦成功進(jìn)行了塊石膠結(jié)充填的大規(guī)模工業(yè)性試驗(yàn)，證明了塊石水泥漿膠結(jié)充填能夠較好地控制地面沉陷，順利回收礦柱。隨后我國(guó)開(kāi)展了此項(xiàng)膠結(jié)充填技術(shù)的研究，并在豐山銅礦、魚(yú)兒山金礦成功運(yùn)用。

塊石水泥漿膠結(jié)充填的技術(shù)特點(diǎn):充填工藝較其他膠結(jié)充填方法簡(jiǎn)單，機(jī)械化程度較高，充填能力大;基建投資較少，水泥用量低，可充分利用井下廢石;膠結(jié)充填體整體強(qiáng)度高，接頂率一般可達(dá)到90%以上，工序簡(jiǎn)單，效果好，但增加了運(yùn)輸環(huán)節(jié)的成本。

塊石水泥漿膠結(jié)充填適用于對(duì)充填體強(qiáng)度要求高，礦體中厚偏上，采用階段空?qǐng)龇?、分段空?qǐng)龇ā⒘舻V法等大空?qǐng)霾傻V法的嗣后充填。

3 礦山膠結(jié)充填技術(shù)研究展望

3.1 研究建筑垃圾作為充填骨料

充填骨料作為膠結(jié)充填材料的核心，對(duì)充填體的強(qiáng)度有著至關(guān)重要的影響，而目前充填骨料的種類(lèi)還很有限，如果不尋找成本更加低廉的替代充填材料，將會(huì)極大地制約我國(guó)膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展[23]。我國(guó)尾砂膠結(jié)充填存在的一個(gè)重要問(wèn)題是充填尾砂量不足，據(jù)調(diào)查大多數(shù)尾砂充填礦山的尾砂不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。而據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，城市中每平方米建筑施工過(guò)程中，產(chǎn)生建筑廢渣500～1 000 t，現(xiàn)在我國(guó)每年新竣工的面積達(dá)到了20億m3，接近全球年建筑總量的一半，按此估算僅施工建筑垃圾每年就產(chǎn)生上億噸，加上建筑、裝修、拆遷、建材工業(yè)所產(chǎn)生的建筑垃圾數(shù)量將達(dá)數(shù)億噸。如果發(fā)展研究建筑垃圾作為充填材料，不僅解決了建筑垃圾帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題，也會(huì)極大地緩解礦山充填材料的匱乏情況，同時(shí)還會(huì)降低充填材料的成本，促進(jìn)膠結(jié)充填技術(shù)在礦山的應(yīng)用。

3.2 研發(fā)新型膠凝材料

目前，絕大部分礦山的膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥或者是礦渣水泥，少量礦山摻加粉煤灰、赤泥等材料。國(guó)內(nèi)礦山企業(yè)關(guān)于膠結(jié)充填體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)通常過(guò)于“保守”，水泥的添加量過(guò)大，造成浪費(fèi)，也同時(shí)增加了充填成本。要解決這個(gè)問(wèn)題，可考慮使用低成本、高強(qiáng)度的新型膠凝材料或添加效果良好的化學(xué)添加劑，改善充填材料的性質(zhì)，節(jié)約充填成本。現(xiàn)在市場(chǎng)上適用于礦山充填特點(diǎn)的專(zhuān)用膠凝材料還比較少見(jiàn)，而且新型的膠凝材料既要滿(mǎn)足膠結(jié)充填開(kāi)采工藝的要求，又要達(dá)到控制頂板運(yùn)動(dòng)所需強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)該滿(mǎn)足來(lái)源廣泛、成本低廉的要求。因此新型膠凝材料和化學(xué)添加劑的研發(fā)是膠結(jié)充填技術(shù)發(fā)展的迫切任務(wù)，也是提高我國(guó)膠結(jié)充填開(kāi)采技術(shù)水平的一個(gè)重要研究方向。

3.3 提高充填系統(tǒng)自動(dòng)化水平

早在上個(gè)世紀(jì)80年代，國(guó)外的科研單位就已經(jīng)開(kāi)始研制和推行充填自動(dòng)化系統(tǒng)，近年來(lái)，隨著我國(guó)礦山充填系統(tǒng)的監(jiān)控和管理水平的逐漸提高，一些大型充填攪拌站也實(shí)現(xiàn)了充填系統(tǒng)配套的儀表監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，保證了充填料漿的各組優(yōu)化配比和充填質(zhì)量。但限于膠結(jié)充填工藝的特點(diǎn)，想完全實(shí)現(xiàn)充填系統(tǒng)的自動(dòng)化，還需要科研單位和礦山企業(yè)的不斷努力。在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，充填系統(tǒng)自動(dòng)化仍然是礦山膠結(jié)充填開(kāi)采技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目前在金屬礦山廣泛應(yīng)用的4種主要膠結(jié)充填技術(shù)的分析，以及對(duì)膠結(jié)充填技術(shù)的研究展望，可以得出:礦山膠結(jié)充填技術(shù)在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，需要把研究重心放在提高膠結(jié)充填系統(tǒng)自動(dòng)化和降低膠結(jié)充填成本。加大力度研發(fā)廉價(jià)且來(lái)源廣泛的新型膠結(jié)材料或復(fù)合型膠結(jié)材料，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)膠結(jié)充填料漿組分進(jìn)行優(yōu)化配比，在保證充填體強(qiáng)度和質(zhì)量的條件下，盡可能減少傳統(tǒng)膠凝材料的添加量，達(dá)到降低充填成本的目的。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的采出率要求和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格，且隨著各種膠結(jié)充填工藝和充填設(shè)備的發(fā)展完善，膠結(jié)充填技術(shù)在礦山企業(yè)的應(yīng)用前景十分廣闊。

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