固體鉀鹽礦地下開采充填工藝研究

郭 雷，翟建波，施士虎，逄銘璋

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

應(yīng)用研究·非金屬礦山·

固體鉀鹽礦地下開采充填工藝研究

郭 雷，翟建波，施士虎，逄銘璋

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

基于國內(nèi)外鉀鹽礦山的實(shí)地考察和研究，全面總結(jié)了固體鉀鹽礦地下開采充填工藝流程和特點(diǎn)，對比分析了干式充填、料漿充填、干式和料漿聯(lián)合充填、膏體充填4種充填方式。對東南亞某鉀鹽礦充填工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究，推薦采用料漿充填方式，并詳細(xì)介紹了其采用的充填工藝流程，對類似礦山充填工藝選擇具有一定的借鑒意義。

固體鉀鹽礦； 地下開采； 充填

1 概述

世界鉀鹽資源豐富，超過90%的鉀鹽資源集中在加拿大、俄羅斯、白俄羅斯和德國，國外鉀鹽礦床主要是光鹵石和鉀石鹽構(gòu)成的固體鉀礦[1～3]。

中國鉀鹽資源短缺，98%為鹵水鉀鹽，固體鉀鹽只占2%左右[4]，固體鉀鹽主要分布在我國云南思茅地區(qū)[5～6]。目前，中國每年鉀肥需求量超過1 100萬t，約50%以上依賴進(jìn)口，中國已成為世界第二大鉀肥消費(fèi)國和進(jìn)口國。隨著中國對鉀鹽資源需求的不斷增長，加上中國企業(yè)走出去的戰(zhàn)略思想，開展境外固體鉀鹽資源的開采將會越來越受到關(guān)注。在亞洲，老撾固體鉀鹽資源豐富，近年來，中國多家企業(yè)已經(jīng)進(jìn)入老撾進(jìn)行鉀鹽礦開發(fā)，目前已投產(chǎn)運(yùn)行的有4家企業(yè)：中農(nóng)集團(tuán)、四川開元集團(tuán)、中國水利電力集團(tuán)、云南中寮礦業(yè)開發(fā)投資有限公司[7]。

總結(jié)國內(nèi)外固體鉀鹽礦的開采方式，基本上為固相開采(也稱為旱采)中的地下開采。筆者對德國的海爾布隆(Heilbronn)鹽礦、西班牙的蘇里亞(Suria)鉀鹽礦、老撾東泰鉀鹽礦、中國的云南思茅地區(qū)勐野井鉀鹽礦等礦山進(jìn)行過實(shí)地考察，海爾布隆鹽礦和蘇里亞鉀鹽礦均采用豎井開拓，采礦方法為房柱法，海爾布隆鹽礦品位高，尾礦少，全部回填采空區(qū)；蘇里亞鉀鹽礦尾礦不充填，堆存于地表，形成“鹽山”。老撾東泰鉀鹽礦由中國恩菲工程技術(shù)有限公司承擔(dān)EPC工程總承包，該礦采用斜坡道開拓，房柱法開采，尾礦回填井下。中國勐野井鉀鹽礦采用斜井開拓，房柱法開采，尾礦堆存于地表。

鉀鹽礦的尾礦也稱為尾鹽，主要是固體氯化鈉，很多礦山采用露天地表堆存。堆存場地需要做防滲處理，在雨水多的地方，必須要做好防雨，堆存投資大，成本高，處置不好會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。老撾地處熱帶雨林地區(qū)，對環(huán)保要求很高，尾鹽無法長期堆存地面，尾鹽回填井下問題是中國企業(yè)開發(fā)老撾鉀鹽礦目前所面臨最大的共性問題。

2 充填方式

總結(jié)固體鉀鹽礦地下開采的充填方式，主要有4種：干式充填、料漿充填、干式和料漿聯(lián)合充填、膏體充填。

2.1 干式充填

鉀鹽礦開采早期，干式充填是唯一的充填方式，在20世紀(jì)干式充填逐漸被料漿充填替代。干式充填主要包括氣動充填、拋擲充填和裝載充填。在德國該方法主要用于廢棄鉀鹽礦山的嗣后回填作業(yè)。氣動充填方式是通過一定壓力的密閉管道把尾鹽從地表輸送到采空區(qū)充填。拋擲充填方式一般先通過豎直管道把尾鹽輸送至井下，然后通過皮帶輸送到采空區(qū)，利用快速運(yùn)行的皮帶拋擲固體尾鹽進(jìn)行充填。裝載充填方式一般先通過豎直管道把尾鹽輸送至井下，然后通過皮帶輸送到采空區(qū)，利用裝載設(shè)備(如鏟運(yùn)機(jī))將尾鹽堆放到采空區(qū)內(nèi)充填，再利用滑動推移機(jī)械進(jìn)行工作面和頂板的外圍區(qū)域壓實(shí)。

2.2 料漿充填

在混合池內(nèi)將飽和鹵水和尾鹽混合，通過水力管線將混合料漿輸送至采空區(qū)。尾鹽與輸送鹵水分離，固體尾鹽(含部分鹵水)留在空區(qū)，而鹵水穿過滲透擋墻流入鹵水收集池，通過管線輸送到地表，并再次循環(huán)利用，同時補(bǔ)充損失的部分鹵水。

2.3 干式和料漿聯(lián)合充填

采用料漿充填方式將混合充填料送至指定區(qū)域，通過特殊離心機(jī)脫水，將鹵水與固體尾鹽分離，固體尾鹽含水率約4%，再通過皮帶或裝載設(shè)備將尾鹽運(yùn)輸至采空區(qū)。鹵水進(jìn)入收集池并輸送到地表，再次循環(huán)利用。

2.4 膏體充填

膏體充填是料漿充填的特殊類型，利用鹵水將尾鹽和膠凝材料混合，然后通過管道泵送到采空區(qū)充填，充填料漿可自硬化，不需要排出鹵水或者排出鹵水量很少。

2009年，中國恩菲工程技術(shù)有限公司委托中南大學(xué)開展鹽物料膠結(jié)充填實(shí)驗(yàn)研究[8]，試驗(yàn)原料主要為工業(yè)鹽(NaCl)，膠凝材料為普通32.5#水泥。充填配比強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，從技術(shù)角度考慮，鹽類物料膠結(jié)充填最優(yōu)配比及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為水泥∶鹽=1∶5(質(zhì)量比)，質(zhì)量濃度為72%。該配比充填體主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：7、14、28、60、90d抗壓強(qiáng)度分別為0.32、0.51、0.64、1.07MPa和1.31MPa。但是該配比水泥耗量過大，經(jīng)濟(jì)上不可行，尾鹽膠結(jié)充填膠凝材料不宜采用水泥。

2010年，中國恩菲工程技術(shù)有限公司李國政[9]等人利用鎂水泥作為膠凝材料，在國內(nèi)第一次對鉀石鹽礦尾礦進(jìn)行了膠結(jié)材料強(qiáng)度試驗(yàn)研究，得出的主要結(jié)論為：鎂水泥宜作為鉀鹽礦尾礦充填的膠凝材料，鉀鹽礦尾礦充填選用的鎂水泥添加量，即灰砂比，根據(jù)實(shí)際礦山采礦方法的需要選擇，灰砂比1∶16時，可以滿足嗣后充填的強(qiáng)度要求；灰砂比1∶8～1∶4能滿足上向膠結(jié)充填采礦法的要求。

2013年，云南省化工研究院徐翔[10]等人在老撾鉀鹽礦的充填工藝技術(shù)研究中，通過添加凝結(jié)劑混合制成“氯化鎂母液+凝結(jié)劑+氯化鈉尾鹽”充填料，凝結(jié)劑采用鎂凝結(jié)劑，如氯化鎂輕燒粉或含有氧化鎂的白云石輕燒粉等，而非傳統(tǒng)充填所用的水泥。

膏體充填中，氯化鈉尾鹽為主要骨料，細(xì)粒級的尾鹽使充填料呈似膏體狀態(tài)，便于輸送；凝結(jié)劑與氯化鎂母液(鹵水)通過化學(xué)反應(yīng)可在常溫下形成5相和3相等水化物，形成類似于鎂水泥的膠凝材料，使得充填料漿硬化形成穩(wěn)定的充填體。此外，為了提高充填料的和易性等特性，結(jié)合礦山實(shí)際情況可以添加少量的添加劑，從而提高充填效率，滿足充填工藝要求。膏體充填流程見圖1。

圖1 膏體充填流程示意圖

3 充填方式對比

尾鹽井下充填可提高礦石回采率，減少地表沉降。充填效果由充填率、充填初始密度和充填體力學(xué)強(qiáng)度3個主要因素控制。充填率限制采空區(qū)頂板收斂程度。充填方式確定情況下，采空區(qū)的充填率還取決于采場傾角，采用料漿充填方式充填率最高可達(dá)95%，采用拋擲或氣動干式充填方式充填率最大僅能達(dá)到90%。充填初始密度限制礦柱移動。采用料漿充填方式的充填體初始密度可達(dá)2t/m3。采用干式充填方式可通過添加鹵水和機(jī)械壓實(shí)等方法來提高充填體密度，充填體的初始密度可達(dá)到1.7t/m3。不同充填方式的充填率、充填初始密度及適用的礦床類型比較見表1。充填體力學(xué)強(qiáng)度由充填材料的壓實(shí)性和固結(jié)性確定，因?yàn)閹r體的收斂作用，附近的圍巖穩(wěn)定區(qū)阻止充填體膨脹。隨著時間的推移，充填體在采空區(qū)內(nèi)被自然巖體逐漸壓實(shí)，充填體強(qiáng)度逐漸增大。

德國Fulda、Jaeger等人曾做過試驗(yàn)，比較了固化的料漿充填體與自然鉀鹽礦石的單軸和三軸強(qiáng)度隨圍壓變化情況[11]，見圖2。

表1 不同充填方式的技術(shù)比較

圖2 固化的料漿充填體與鉀鹽礦石強(qiáng)度對比

4 案例研究

東南亞某鉀鹽礦上部為鉀石鹽礦層，下部為光鹵石?？紤]到采選工藝限制設(shè)計(jì)開采鉀石鹽礦，鉀石鹽礦體層呈層狀產(chǎn)出，分布連續(xù)、范圍廣，平均厚度約4m。礦床埋藏較淺，礦區(qū)地表地勢平坦，以水稻田和水塘為主，地表不允許較大沉降。采用盤區(qū)式房柱嗣后充填采礦法。

4.1 充填方式選擇

充填方法的選擇需考慮以下幾個方面：實(shí)現(xiàn)較高的充填率及充填密度，減少地表沉降變形；工藝流程環(huán)節(jié)簡單，充填作業(yè)效率高；基建投資及生產(chǎn)期運(yùn)營成本低，經(jīng)濟(jì)效益好；較好的適應(yīng)性，要適應(yīng)水平或傾斜的采空區(qū)。

針對某鉀鹽礦床賦存狀態(tài)、開采技術(shù)條件、環(huán)境保護(hù)限制等條件，參照實(shí)際生產(chǎn)礦山的經(jīng)驗(yàn)，推薦使用料漿充填。料漿充填可以達(dá)到(85～95)%相對較高充填率和平均(1.6～1.9)t/m3的密度，能取得更好的充填效果。

4.2 充填材料

充填材料主要是尾鹽和高鎂鹵水。尾鹽來自選廠，高鎂鹵水由選廠排出的低鎂鹵水和光鹵石混合溶解形成。

鉀石鹽礦床底板為光鹵石層，在回采過程中不可避免地會揭露光鹵石，由于光鹵石比鉀石鹽具有更強(qiáng)的溶解特性，如果充填期間暫留在采空區(qū)的剩余鹵水中的氯化鎂不飽和或者含量低，下層光鹵石會部分或全部不可控地溶解，可導(dǎo)致以下結(jié)果：大量的輸送鹵水損失；形成新的光鹵石采空區(qū)；更高的地表沉陷率。為了避免礦床底層光鹵石溶解帶來的危害，推薦高濃度氯化鎂鹵水作為輸送介質(zhì)。高鎂鹵水中氯化鈉和氯化鉀是飽和的，礦柱及頂板不會溶解，也可以有效阻止光鹵石的溶解，把不可控的溶解底板光鹵石層的風(fēng)險降到最低。

4.3 充填工藝

在充填混和車間將尾鹽和高鎂鹵水混合形成充填料漿，通過加壓泵將充填料漿由充填管道輸送至采空區(qū)。部分高鎂鹵水會附著在固體尾鹽上而留在采空區(qū)，逐漸固結(jié)形成密實(shí)充填體。作為輸送介質(zhì)的大部分高鎂鹵水進(jìn)入鹵水收集池，通過鹵水回收管道輸送到地表，并再次循環(huán)利用，損失的鹵水需要通過回采光鹵石來補(bǔ)充。

5 結(jié)語

(1)固體鉀鹽礦地下開采中采取有效的充填方式可以減少地表沉降、變形，選廠排出的尾鹽和鹵水充填到井下，大大減少對地表環(huán)境的影響和破壞。

(2)總結(jié)了固體鉀鹽礦地下開采4種充填方式：干式充填、料漿充填、干式和料漿聯(lián)合充填、膏體充填的工藝流程和特點(diǎn)。

(3)料漿充填比其他充填方式具有的優(yōu)勢有對礦體的適應(yīng)性強(qiáng)，投資和運(yùn)營成本低，充填體初始密度高，采空區(qū)充填率高和固結(jié)充填體力學(xué)強(qiáng)度大。

(4)根據(jù)東南亞某鉀鹽礦開采技術(shù)條件，研究了其地下開采充填工藝，確定采用料漿充填方式，推薦采用高鎂鹵水作為充填輸送介質(zhì)。

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Research on filling technology of underground mining of solid potash mine

Based on site investigation and research of potash mines at home and abroad, the filling process and its characteristics of solid potash underground mining were summarized, and four kinds of filling process, which were dry filling, slurry filling, dry and slurry combined filling and paste filling, were compared and analyzed. The filling process of a solid potash mine in Southeast Asia was studied in detail, and slurry filling was recommended. It has reference value for the filling process selection of similar mines.

solid potash mine; underground mining; backfilling

TD871+.1

A

2017-03-16

郭 雷(1979-)，男，河南通許人，高級工程師，從事礦山工程設(shè)計(jì)和研究工作。

1672-609X(2017)03-0046-03