綠色開采與膏體充填

余南中

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

綠色開采與膏體充填

余南中

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

闡述了綠色開采與膏體充填的關(guān)系，介紹了國內(nèi)膏體充填的發(fā)展?fàn)顩r，提出了進一步推廣膏體充填的一些思考和建議。指出在新的形勢下，礦山企業(yè)要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須走綠色發(fā)展的道路。

膏體充填；采空區(qū)；綠色開采；可持續(xù)發(fā)展

0 引 言

礦業(yè)，是國民經(jīng)濟的支柱，是實現(xiàn)新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。改革開放以來，尤其是近10多年來，我國礦業(yè)發(fā)展迅猛，已成為世界上最大的金屬礦業(yè)國。但隨著礦業(yè)的迅猛發(fā)展，長期開采也帶來了許多遺留問題，如：環(huán)境和生態(tài)破壞，污染嚴(yán)重，占用和破壞大量土地，資源利用率低，資源損耗大，安全問題突出，付出的代價巨大。偏重數(shù)量擴張，片面強調(diào)做大做強，忽視品質(zhì)提升，追求短期效益，造成巨大的負(fù)面效應(yīng)，難以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，因此必須改變發(fā)展模式。

21世紀(jì)以來，黨中央提出了科學(xué)發(fā)展觀，要實現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型建設(shè)和發(fā)展。相應(yīng)地一系列法規(guī)和制度不斷出臺，綠色開采得到重視，在實際工作中也逐步開始實行。但總體來說，還存在嚴(yán)重不足，要想根本改變還需要長期堅持不懈的艱苦努力。

黨的十八屆五中全會指出實現(xiàn)“十三五”時期發(fā)展目標(biāo)，必須牢固樹立并切實貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，進一步提出，堅持綠色發(fā)展，必須堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，堅持可持續(xù)發(fā)展。在新的形勢下，礦山企業(yè)要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須按照基本國策的要求，走綠色發(fā)展的道路，降本增效、提高效益。

1 綠色開采的重點技術(shù)

1.1充填的作用

1)尾礦、廢石等回填采空區(qū)，可以減少和防止巖石、水體和地表的移動及破壞，從而保護地表生態(tài)；

2)產(chǎn)出的礦山固體廢物堆回采空區(qū)，極大地減少外排量，甚至實現(xiàn)無廢化開采，減緩了外排廢物對環(huán)境的影響；

3)極大地緩和采礦造成的安全危害；

4)減緩了對礦體開采條件的破壞，從而可提高礦石資源回收利用率、減少貧化率、提高采出礦石品位。

因此，充填是綠色開采最有效的手段。當(dāng)前人們對充填—膏體充填、大規(guī)模充填技術(shù)的關(guān)注越來越重視。

1.2充填類型

1)分級尾砂充填。使用廣泛，制備工藝較簡單，可自流輸送，充填能力大，充填成本較低。但充填使用分級后的粗尾砂，脫出的細(xì)粒級尾礦送尾礦庫，堆存難度大，與尾礦堆壩相矛盾，而且尾砂利用率低(一般50 %左右)，外排和堆存量大；

2)高濃度全尾砂膠結(jié)充填。全尾砂往往細(xì)泥含量高，沉降速度慢，采場脫水困難。膠結(jié)充填時，水泥消耗量高，初凝時間長，充填體強度不容易提高。膠固時隨著選礦技術(shù)的改進，磨礦細(xì)度越來越細(xì)，細(xì)泥比例越來越多，這些問題越來越突出，存在技術(shù)方面的不足；

3)水沙(磨砂)充填；

4)廢石干式充填；

5)廢石膠結(jié)充填；

6)其它。

1.3膏體充填

1)什么是膏體

當(dāng)濃縮尾礦屈服應(yīng)力約200±25 Pa，塌落度15～25 cm稱“膏體尾礦”。直觀來說，膏體不分層、不離析、不泌水(泌水率5 %以下)，無臨界流速，呈柱塞流輸送，輸送中顆粒不發(fā)生沉淀，同一斷面上不發(fā)生位移。組成膏體的尾礦應(yīng)含有一定的細(xì)粒級，一般認(rèn)為-20 μm不應(yīng)<15 %，以15 %～25 %為宜。

2)膏體充填的特點與綠色開采

(1)可以最大限度減少尾礦排放及影響。充分利用細(xì)粒級尾礦進行充填，固廢利用率高，可達50 %～100 %；充填料不泌水，固結(jié)好，既能防止充填料中重金屬對地下水的污染，又能阻隔開采區(qū)域廢水對地下水的滲流影響；地表堆存時，固結(jié)后結(jié)構(gòu)致密，重金屬離子不滲濾，防止對水體產(chǎn)生污染。

(2)能有效保護地表。沉縮率小(僅1 %左右)，充填效果好，可以最大限度減小地表變形。

(3)對保護礦山安全性好。井下充填時，能迅速對圍巖和礦柱產(chǎn)生作用，有效控制頂板圍巖變形和采場地壓，有利于采場穩(wěn)定和采礦作業(yè)安全；地表堆存時，膏體壩內(nèi)不積水，潰壩風(fēng)險低，堆存密實度高，壩體上升速度慢，有利于堆壩穩(wěn)定。

(4)膏體強度高，充填效果好，能減少損失、貧化，有利于提高資源利用率和開采質(zhì)量。特別是在采場充填后不泌出水，對于遇水易軟化、泥化的礦巖幾乎是唯一的選擇，可解決這類礦體難以開采的問題。

(5)經(jīng)濟效果好：①井下充填時，能減少水泥用量，降低充填成本。達到相同充填體強度，膏體的水泥用量可減少20 %～50 %。相同水泥用量下，膏體強度提高50 %～200 %；②用于地表堆存時，膏體堆積角度加大(可由<1°加大到5°)，減少占地，降低了征地費用；壩高低，減小筑壩費用；上升慢，減少維護費用；③無論是井下充填還是地表堆存，膏體濃密脫水，提高了回水率和回水水質(zhì)，減少了水處理系統(tǒng)和費用。

因此，在各種充填類型中，膏體充填和堆存最適用于綠色開采。從環(huán)保、安全、資源利用、經(jīng)濟等方面來說，膏體充填的性價比高，是較為先進的綠色開采技術(shù)。

云南金沙礦業(yè)股份有限公司因民公司尾礦充填處理采空區(qū)的成功案例，真正做到了以“一廢除兩患”的作用，體現(xiàn)了膏體充填在實現(xiàn)綠色開采中的優(yōu)越性。

2 國內(nèi)膏體充填的發(fā)展

2.1膏體充填日愈受到關(guān)注，在國內(nèi)得到快速發(fā)展

膏體充填在國外于20世紀(jì)80年代就開始進行研究與應(yīng)用，發(fā)展較快。國內(nèi)于20世紀(jì)90年代先后在金川、銅錄山開始應(yīng)用，由于種種原因，未得到更多的推廣。至2006年，云南馳宏會澤建成一套以深錐膏體濃密機為核心的充填系統(tǒng)，取得成功，推動了膏體充填在國內(nèi)的快速發(fā)展。目前，在有色、黑色金屬礦山、煤礦、磷化礦山等系統(tǒng)，一大批礦山的膏體充填已投入在建和生產(chǎn)之中，并建成了一批示范性礦山。如：金川、云南馳宏會澤、新疆伽師銅礦、迪慶礦業(yè)羊拉銅礦、中色非洲謙比西、哈爾濱金大金礦、廣西華錫銅坑礦、焦家金礦、新城金礦等有色礦山；周油坊、萊蕪、司家營、張馬屯等鐵礦；蔣莊、太平、新汶孫村、邢臺、峰峰小屯、淄博許廠等煤礦；開陽磷礦、黃梅磷礦等。

昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司設(shè)計的滇西北衙金礦也采用膏體充填。

尾礦在地表采用膏體方式進行堆存也得到發(fā)展，如：內(nèi)蒙烏山銅鉬礦、包鋼白云鄂博鐵礦、山西魯能赤泥堆存等。

2.2已掌握膏體充填的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備

國內(nèi)外膏體充填的迅速發(fā)展，是由于細(xì)粒尾礦濃密脫水和膏體物料的長距離管道泵送技術(shù)得到突破，膏體濃密機及柱塞泵2個關(guān)鍵設(shè)備的成功應(yīng)用，起了很大作用。

1)微細(xì)顆粒材料濃縮脫水技術(shù)與設(shè)備—膏體濃密機

自稀釋給料、高效連續(xù)絮凝沉降、導(dǎo)水桿攪拌濃縮是主要技術(shù)，能將低濃度細(xì)尾礦直接濃縮成膏狀底流。提供了膏體充填最有效的濃縮脫水技術(shù)和設(shè)備。

廠家：國外—Outotec、Westec、Delkor、FLsmidth；國內(nèi)—飛翼股份、上海里浮、淮北礦機等。

國內(nèi)已引進國外技術(shù)，進行了消化吸收，生產(chǎn)了Φ35 m的大型膏體深錐濃密機，正擬生產(chǎn)直徑Φ45 m的。

2)活化攪拌技術(shù)與設(shè)備。通過攪拌使所有物料混合均勻，實現(xiàn)流態(tài)化，為管道輸送提供條件。

攪拌混合技術(shù)是膏體制備工藝的核心，對粗骨料膏體多用兩段攪拌(雙軸葉片攪拌機與雙軸螺旋攪拌機配合進行)，細(xì)物料膏體用強力活化攪拌。雙軸臥式攪拌機是最常用的膏體攪拌機。

國內(nèi)廠家較多—飛翼股份、宇泰重工、長沙和諧機電、山東匯發(fā)、山東恒遠等。

3)高濃度漿體泵送技術(shù)與設(shè)備。要適應(yīng)粗骨料、大阻力、高濃度物料的長距離輸送。當(dāng)沒有條件實現(xiàn)自流輸送時，就需要泵送，主要用柱塞泵、隔膜泵。

廠家： 國外—普茨邁斯特等；

國內(nèi)—飛翼股份、宇泰重工、中國有色(沈陽)泵業(yè)等。

要解決大流量、高揚程的輸送問題，國內(nèi)已可生產(chǎn)流量400 m3/h或揚程15 MPa以上的泵。

4)計算機在線控制技術(shù)、DCS集散控制系統(tǒng)

包括對充填系統(tǒng)的集中控制、對工藝過程的實檢時測、對加料精度的控制、事故報警及處理等，保證產(chǎn)出膏體的穩(wěn)定和作業(yè)安全。國內(nèi)有多家公司都能提供有關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)。

總的來說，對這些關(guān)鍵設(shè)備，除了可選擇國外公司的產(chǎn)品外，目前國內(nèi)一些廠家已掌握了這些關(guān)鍵設(shè)備的主要技術(shù)，并能按用戶需要提供相應(yīng)產(chǎn)品，為膏體充填的推廣提供了技術(shù)和設(shè)備支持。當(dāng)然，還需要進一步努力彌補與國際先進技術(shù)和設(shè)備存在的某些差距。

2.3對充填材料的開發(fā)成果頗豐

結(jié)合行業(yè)和地區(qū)的具體情況，廣泛使用尾砂、煤矸石、磷石膏、采掘廢石、棒磨砂、冶煉水淬渣等，作為充填集料。

膠結(jié)材料：普通硅酸鹽水泥，礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、鋼渣水泥、全砂土膠固材料、赤泥膠結(jié)料、粉煤灰等。

云南大紅山用低溫陶瓷固化劑效果很好。

改性材料：早強劑、減水劑、減阻劑、泵送劑等。

許多地方發(fā)掘的充填材料既充分利用廢料，變廢為寶，減輕了廢料的危害，又降低了充填費用，有的還提高了充填體強度。

2.4涌現(xiàn)出了一批有水平、有實力的試驗研究單位

如：長沙礦山研究院、北京科技大學(xué)、北京礦業(yè)大學(xué)、青島理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、徐州中礦大、飛翼股份、金誠信礦山技術(shù)研究院、湖南風(fēng)格科技等。

在充填物料級配理論、膏體流變特性、凝結(jié)性能、尾砂濃密脫水原理、膏體攪拌理論、膏體管道輸送理論、膏體充填自動控制等全尾膏體處置基礎(chǔ)理論研究、全尾膏體處置專用設(shè)備研究和開發(fā)、全尾膏體處置新技術(shù)、廉價高效膠凝材料機理研究和開發(fā)等方面，取得很大成績，許多方面達到國際先進水平，為推動國內(nèi)膏體充填的發(fā)展起到了很好的引領(lǐng)作用。

3 對推廣膏體充填的一些思考

膏體充填近年來在國內(nèi)雖然有較大進展，但目前仍處于起步階段，需要通過創(chuàng)新進一步擴大膏體充填的使用。

據(jù)有關(guān)資料，2010年我國礦企63 432家(不含油氣)，其中大型4 708家(占7.24 %)；中型5 477家(占8.63 %)；小型53 247家(占83.94 %)。

推廣膏體充填，對其中部分進行改造和新建，其數(shù)量眾多，任重而道遠，有大量工作要做。

3.1解決“應(yīng)不應(yīng)該用”的問題

1)做好交流和介紹，在觀念上要進一步解決好這一問題，充分了解膏體充填是綠色開采的必然選擇。

2)正確認(rèn)識綠色開采與經(jīng)濟效益的關(guān)系

有的認(rèn)為實行綠色開采會影響效益，這是一種片面的認(rèn)識。礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵是資源高效回收、經(jīng)濟效益上升、生態(tài)環(huán)境友好。三者是個整體。十八屆五中全會指出，要以提高發(fā)展質(zhì)量和效益為中心，經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展是統(tǒng)一的，要正確認(rèn)識和處理綠色開采與效益的關(guān)系：直接效益與間接效益；短期效益與長遠效益；局部效益與總體效益。在進行礦床開采評價時，應(yīng)將資源總量效益和環(huán)境負(fù)荷因素納入評價體系。按照資源效益與環(huán)境效益損失的觀點建立評價模型，進行最小損益率評價。

完善經(jīng)濟評價方法。應(yīng)建立礦產(chǎn)資源綜合利用評價指標(biāo)體系，設(shè)定各指標(biāo)權(quán)重，建立評價計算公式，進行綜合分析和評價。

3.2在“用得起”方面下功夫

膏體濃縮、攪拌制備、泵送、控制等主要設(shè)備采用國外公司產(chǎn)品價格貴，一次性投資大，是人們往往望而卻步的主要原因。

要推廣膏體充填，關(guān)鍵是項目投入要少，成本要低，能得實在的效益，不但條件好的礦山能用得起，還要讓價值低、品位低的貧礦、眾多的小礦山也能用得起。

1)結(jié)合我國實施2025制造強國的規(guī)劃，應(yīng)大力發(fā)展可靠、價廉的國產(chǎn)設(shè)備，重點扶持一批有實力、有發(fā)展前途的廠家，進一步攻克關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵部件，實現(xiàn)國產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)，降低制造費用。在技術(shù)和質(zhì)量方面使用戶能放心選擇國產(chǎn)設(shè)備。

2)進一步研究和開發(fā)成本低、效果好的膠凝材料、改性材料。膠凝材料占膏體充填成本的50 %～80 %(尤其是水泥)，因地制宜尋求成本更低、效果更好的膠凝材料是能否實現(xiàn)低成本充填的關(guān)鍵因素。

這方面山東地區(qū)的成果頗豐，經(jīng)驗值得推廣，各地應(yīng)該結(jié)合自身的實際情況，大力研發(fā)價廉的膠凝材料、改性材料。研究進一步提高強度和降低膠凝劑用量的途徑和辦法。

3)改進工藝。利用勢能，能自流的盡量用自流輸送，添加輸送劑，改善輸送性能，創(chuàng)造條件盡量自流輸送。

4)通過試驗成果，仿真模擬，進一步研究減小灰砂比，確定合理強度的理論依據(jù)，指導(dǎo)確定設(shè)計配比。

5)進一步提高非膠結(jié)膏體充填的使用比例(采場第二步驟充填、地表堆存)。

6)發(fā)展靈活多樣的濃縮脫水技術(shù)。

3.3要“方便用”

1)試驗方法應(yīng)方便設(shè)計部門使用

采用膏體充填，無論是新建項目還是改造項目，都需要進行設(shè)計。設(shè)計是推廣使用的必備平臺，不同設(shè)計階段深度不一。

可研階段如何正確確定配比與強度的關(guān)系，主要靠參考、類比，不夠可靠；濃密設(shè)備選型找廠家，慢；初設(shè)階段用試驗作依據(jù)，試驗規(guī)模，內(nèi)容，物理試驗，數(shù)值模擬，沒有標(biāo)準(zhǔn)；在設(shè)計中碰到的問題可參考的實例有限。

進行設(shè)計需要通過研究單位和有能力的廠家進行試驗，提供設(shè)計使用和供設(shè)備選型的尾礦和充填參數(shù)。分小型試驗、擴大試驗、工業(yè)試驗，分別對待。

在新項目選礦廠未建成之前，可研階段和初設(shè)段往往沒有大量的尾礦可供試驗，需要研究快捷的試驗方法：新項目用選礦試驗產(chǎn)出的尾礦測定基本參數(shù)+數(shù)值模擬+項目類比，代替小型試驗及擴大試驗，作為可研及初步設(shè)計的依據(jù)。前提是要有充分的經(jīng)驗及類比數(shù)據(jù)，大紅山鐵礦精礦輸送管道即用此方法。大型復(fù)雜項目必要時進行半工業(yè)和工業(yè)試驗，用選礦廠大量產(chǎn)出的尾礦。

2)建立試驗—設(shè)計—設(shè)備供應(yīng)

試驗—設(shè)計—設(shè)備供應(yīng)—工程承包，一體化的聯(lián)合體，可方便地推進膏體充填的應(yīng)用。

3)膏體制備的原則流程基本相似，可開發(fā)大、中、小不同規(guī)模的膏體充填成套技術(shù)和設(shè)備，方便用戶選擇。

3.4“怎么用”

1)理論指導(dǎo)實踐。加強理論研究，如：有關(guān)膏體濃密的絮凝沉降、壓縮沉降理論研究，膏體流變理論和模型研究，管道輸送數(shù)值模擬，影響膏體配比和強度的有關(guān)因素研究等等，以指導(dǎo)設(shè)計和生產(chǎn)實際的應(yīng)用，取得最佳效果。

如：進一步研究無動力深錐膏體濃密機的濃密機理，是否有推廣價值。

通過理論研究，指導(dǎo)進一步提高充填體強度和降低膠凝劑用量的途徑和辦法，具有十分現(xiàn)實的意義。

2)規(guī)范使用。國家應(yīng)在適當(dāng)時機制定法規(guī)，將建設(shè)綠色礦山作為開發(fā)礦山項目必須遵循的方針，將膏體充填作為實現(xiàn)綠色開采的先進技術(shù)優(yōu)先考慮采用。

3)適時制定發(fā)展規(guī)劃，逐步擬定推廣膏體充填使用的指導(dǎo)意見、政策、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等。編寫實用手冊。

4)解決在實際應(yīng)用中碰到的一些問題。

(1)多用尾礦。進一步研究在難設(shè)置尾礦庫的地區(qū)，多用尾礦、少加碎石等骨料的方式，爭取做到既能保證全尾礦膠結(jié)膏體強度，又能解決尾礦庫問題。實現(xiàn)尾礦少外排或無外排。

(2)充填與選廠工作制度差異的協(xié)調(diào)。開發(fā)有儲漿容積、能儲漿的膏體濃密機等。

(3)大規(guī)模充填系統(tǒng)及配套設(shè)備，深井充填技術(shù)等的開發(fā)和應(yīng)用。

(4)進一步推廣似膏體膠結(jié)充填。似膏體充填技術(shù)具有膠凝材料成本低、設(shè)備投資小、充填效果好等優(yōu)點，既改善了流動性、輸送方便，又具有膏體充填強度高、井下不脫水、保護環(huán)境等優(yōu)點。似膏體充填技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。

(5)尾礦膏體堆存。進一步研究在南方雨水多的地方如何使用，加少量膠凝劑固化的堆存方式。

4 結(jié) 語

膏體充填有著廣闊的發(fā)展前景，在綠色開采中必將發(fā)揮越來越重要的作用，但需要說明的是膏體不是唯一。

礦山和礦體條件千差萬別，應(yīng)因地制宜(礦巖穩(wěn)固性，礦體產(chǎn)狀，充填材料類別、來源、尾礦性質(zhì)、參數(shù)、粒度，規(guī)模，地形等等)，確定最佳充填方式。采用何種充填方式，膏體、似膏體、還是高濃度，取決于經(jīng)濟、實用和實際效果。

后記：該文系筆者根據(jù)其在2015年11月17日于昆明召開的“全國全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)交流會”上的報告整理而成。

[1] 吳愛祥，王洪江.金屬礦膏體充填理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

[2] 余南中.綠色 創(chuàng)新 提效，應(yīng)對礦業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)[J].有色金屬設(shè)計，2015，42(4)：1-7.

Green Mining and Paste Filling

YU Nanzhong

(Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd, Kunming 650051, China )

The relation between green mining and paste filling was explaned and the development of domestic and foreign paste filling was introduced. Somethinking and advice concerning further popularizing paste filling was put forward. To achieve sustainable development, minming enterprises must embark on green path of development in new situation.

paste filling;goaf;green mining;sustainable development

2016-02-22.

余南中(1942-)，男，云南人，教授級高級工程師、享受國務(wù)院政府津貼專家、云南省設(shè)計大師、全國有色金屬行業(yè)優(yōu)秀總設(shè)計師、中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會專家、云南黃金礦業(yè)集團顧問.主要研究方向：礦山設(shè)計及研究，工程項目設(shè)計組織及管理.

F407.1

A

1004-2660(2016)01-0001-05