全尾砂膏體充填采礦技術(shù)現(xiàn)狀及展望

孫京閣，邢其嶺

（山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司，山東 煙臺 265400）

全尾砂膏體充填采礦技術(shù)主要是針對礦石開采和選別之后，會有大量尾砂產(chǎn)生，為了能夠有效地應(yīng)對這些尾砂的后續(xù)處理，并使礦區(qū)開采巷道穩(wěn)固，不至于在開采之后造成地表塌陷或井下巷道冒頂?shù)葐栴}，采用全尾砂膏體充填采礦法可有效地解決這些問題。

1 全尾砂膏體充填采礦技術(shù)研究背景

在金屬礦開采過程中，有價金屬的回收過程會產(chǎn)生大量的尾礦廢料。尾礦中的重金屬離子對土壤和地下水的污染，已經(jīng)導(dǎo)致了大量的農(nóng)作物損失，魚類等的死亡，或是“泥石流”的主要災(zāi)害來源。而開采導(dǎo)致的地下采空區(qū)容積高達(dá)12.8億立方米，導(dǎo)致地表坍塌，井下巷道崩塌等安全事故時有發(fā)生。采用全尾砂膏體充填工藝，可以有效地解決以上兩種類型的尾礦庫與采空區(qū)的安全與環(huán)保問題。本工藝以廢尾砂為原料，輔以水泥、廢石、化學(xué)添加劑等，按需配制一種不分層、不離析、不脫水的新型環(huán)保填料。它既能消除地面尾礦的排放，又能有效地處理井下空區(qū)，起到一種“一廢二害”的作用。目前，該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)、國際、國內(nèi)多個礦井中開展了示范工程，其中，全國約有200個項目，并迅速得到了廣泛的應(yīng)用。

貫徹《中華人民共和國節(jié)約能源法》，落實國務(wù)院及相關(guān)部門關(guān)于節(jié)能減排的文件精神，結(jié)合國家重點研發(fā)計劃項目及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，做好全尾砂充填技術(shù)在非金屬礦山中的應(yīng)用，可有效協(xié)調(diào)處理尾礦庫與采空區(qū)的矛盾，實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的綜合利用與環(huán)保，安全經(jīng)濟(jì)發(fā)展，《全尾砂膏體充填技術(shù)規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)是國家黃金標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會推薦的北京科技大學(xué)牽頭起草的。國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2018年發(fā)布了《全尾砂膏體充填技術(shù)規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)，并對其進(jìn)行了修訂。膏體充填技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等方面都有特殊的優(yōu)越性，與之相比，它的技術(shù)含量也更高。尤其是在黃金礦場中，尾礦要經(jīng)過無害化處理，這是一個非?？量痰募夹g(shù)，而對于其他礦種來說，完全可以通過脫水來獲得膏體。但是，目前國內(nèi)還沒有關(guān)于膏體、膏體填充工藝的技術(shù)規(guī)范，有關(guān)人員常常依靠自己的經(jīng)驗和參考其他行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)生產(chǎn)。這就導(dǎo)致了這項技術(shù)的應(yīng)用偏離了最初的目標(biāo)，并沒有達(dá)到最大的利益。因此，《全尾砂膏體充填技術(shù)規(guī)范》是國家黃金標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會提出并統(tǒng)一實施的，北京科技大學(xué)負(fù)責(zé)起草，目的是規(guī)范新型膏體材料的制備、膏體材料的技術(shù)指標(biāo)和充填技術(shù)的要求。本論文的重點是確定膏體充填技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，旨在推動國內(nèi)礦山更廣泛、更規(guī)范地使用膏體充填技術(shù)，為金屬礦山的無廢化、綠色開采提供有益的借鑒。

2 膏體充填技術(shù)概念

2.1 膏體定義

把一種或多種固態(tài)物質(zhì)（尾沙，粉煤灰、膠結(jié)料、膠結(jié)料等）與水的最佳組合，制成無脫水、無臨界流速的牙膏狀泥漿，由重力或大型充填工業(yè)泵將其經(jīng)管道送入采空區(qū)。尾礦渣充填后，可充分利用尾砂，不會產(chǎn)生風(fēng)化、有毒氣體的排放，降低了尾礦庫的基建、運(yùn)營和維護(hù)費(fèi)用，降低了水泥的使用量，降低了充填成本，改善了礦井作業(yè)環(huán)境，節(jié)約了排污費(fèi)。它的主要缺陷是工藝復(fù)雜，設(shè)備環(huán)節(jié)多，故障率高，維護(hù)管理復(fù)雜。

膏體的特性是穩(wěn)定性、流動性、可塑性。穩(wěn)定性是指膏體具有抗剝落的能力，離析能力強(qiáng)，在填充時不沉淀、不泌水、不離析，可在輸送管道中滯留幾個小時仍能平穩(wěn)地進(jìn)行輸送。流動性是指在沒有臨界流速的情況下，由重力或外部的壓力（泵壓）使其在輸油管或采空區(qū)內(nèi)形成一個整體的塑性結(jié)構(gòu)?？伤苄允侵父囿w通過管接頭、彎管等在管接頭和管接頭處的變形，但因膏體濃度高、壓縮率低，所以其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本沒有改變[1]。

2.2 膏體充填工藝流程

全尾膏體的充填工藝主要是采用全尾砂進(jìn)行脫水、濃縮、膏體混合、膏體輸送，傳統(tǒng)的全尾砂脫水工序是在深錐式濃縮機(jī)中進(jìn)行的，該設(shè)備在重力作用下沉淀，將低濃度的尾砂濃縮為高濃度的灰漿，為了加速細(xì)粒的沉降，往往在工作中添加絮凝劑。將高密度的礦漿泵入攪拌裝置，與水泥混合，攪拌后，可制成適宜于管道輸送的糊狀物，并通過充填泵或自流送到采空區(qū)。準(zhǔn)備工作包括隔離墻準(zhǔn)備，充填管線檢查，設(shè)備冷卻水閥檢查，排氣閥檢查。灌裝之前，用泵壓力或自流的方法輸送清水，并對管道進(jìn)行清潔，灌裝完畢后，應(yīng)用清水清洗管線，并將剩余的填料清理干凈。在裝料時，必須確保裝料管是滿的，以減小由于空載操作引起的管道振動及不安全因素。

2.3 充填采礦法的分類

根據(jù)充填物料的不同，充填采礦方法可分為干充填、水砂充填、膠結(jié)充填等，我國金屬礦山的充填開采技術(shù)也發(fā)生了很大的變化，它的發(fā)展過程可以分為四個時期：50年代，主要采用干填充，20世紀(jì)60年代、70年代，水沙充填、膠結(jié)充填技術(shù)逐步發(fā)展，并已被大量使用，20世紀(jì)80年代，主要采用的是膠結(jié)充填，20世紀(jì)90年代以后，國內(nèi)主要采用泥漿泵注充填工藝。

干式充填是利用礦車、風(fēng)能等方法將廢石運(yùn)送到采空區(qū)，如砂石等干物料，而采場填充物料的搬運(yùn)、堆放則使用電耙或刮刀。采用干填充填工藝，必須在采場中設(shè)置填料井、強(qiáng)化采場通風(fēng)，并按實際情況分層充填。干重填法是最早的一種充填開采技術(shù)，但由于其工作環(huán)節(jié)多、粉塵多、采場充填時間長、充填強(qiáng)度差，導(dǎo)致其在礦井中的使用率逐年降低。但是，由于干式充填技術(shù)的投入低、對礦體的適應(yīng)性較好，所以仍有一些礦井采用。水砂充填是將尾砂、河砂、礦渣等填料與水混合后，通過砂漿泵或自流輸送至地下充填點，以支撐圍巖，控制地壓。注漿和充填物進(jìn)入采空區(qū)后，由于重力作用而滯留在采空區(qū)，而上部的清水和與清水一起漏出的細(xì)泥則被排出地面。水砂充填具有充填容量大、投資少、可有效延緩地面沉降的優(yōu)點，但其存在的問題是，灌漿質(zhì)量濃度較低、耗水量較大、灌裝量較少等問題[2]。

3 現(xiàn)有膏體充填系統(tǒng)存在的問題

現(xiàn)有的礦山尾砂充填系統(tǒng)自八十年代后期開始，經(jīng)過多次改造，目前所采用的充填工藝，全尾砂經(jīng)300m3中轉(zhuǎn)儲砂槽，再通過4PNJ襯膠泵送至兩個體積為800m3、880m3的垂直沙倉，攪拌后加入垂直沙倉，砂倉內(nèi)的全尾砂經(jīng)過造漿后，將砂倒入攪拌桶進(jìn)行一級、二級攪拌。水泥通過雙管螺旋輸送到水泥罐底，進(jìn)入垂直攪拌桶。由于充填站位于選礦場地，與采掘工作面相隔很遠(yuǎn)，經(jīng)過兩個階段的充分混合后，用高揚(yáng)程離心渣漿泵對泥漿進(jìn)行壓力，流速55～60m/小時，揚(yáng)程110m，然后，用鋼絲編成的高強(qiáng)度塑料管道輸送至礦井。目前的充填工藝還可以滿足目前的生產(chǎn)需求，但是還存在以下問題：

第一，全尾砂膠結(jié)嚴(yán)重，必須定期清理豎井。全尾砂顆粒較細(xì)，在料倉中容易發(fā)生粘連，加入絮凝劑后，粘稠度增大，導(dǎo)致有效放砂空間減小，從而影響到正常的放砂。現(xiàn)在，每隔1～2個月就要進(jìn)行一次徹底的人工清掃。

第二，灌漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，對灌注液的強(qiáng)度有一定的影響。目前的灌漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在55%～65%之間，摻入水泥后容易發(fā)生離析，從而對固化時間和強(qiáng)度造成一定的影響。

第三，系統(tǒng)的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，給生產(chǎn)和管理帶來了困難。由于全尾砂具有較高的粘黏性采用高壓水法進(jìn)行造漿，其放砂速度、密度不穩(wěn)定，導(dǎo)致了井底漫水較多，由于跑砂多，充填料凝結(jié)時間延長，影響了正常的充填循環(huán)，增加了井下與地面充填作業(yè)的組織協(xié)調(diào)。

另外，目前礦井的充填體系最初是按照年采選10萬噸的礦石，經(jīng)過二次改造后，產(chǎn)能達(dá)到20萬噸，同時對充填系統(tǒng)進(jìn)行了改造，達(dá)到了25萬噸/年的生產(chǎn)能力。但是，目前該礦已經(jīng)完成了35萬噸/年的選礦能力的擴(kuò)建，現(xiàn)有的充填工藝已經(jīng)無法適應(yīng)改擴(kuò)建后的生產(chǎn)需求。針對以上問題，研究人員一直在對膏體充填工藝和工藝進(jìn)行實驗研究。

4 全尾膏體充填關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

膏體充填工藝的關(guān)鍵是工藝參數(shù)的控制，原料的顆粒成分、膏體的泌水量是影響灌漿效果的主要技術(shù)因素，試驗結(jié)果表明，固化膏體的沉縮性能、塌陷度、屈服應(yīng)力、固化膏體的機(jī)械性能均有顯著的提高。

4.1 粒級組成

膏體中要含有一定量的微粒，以保證膏體的保水能力，并保證膏體在運(yùn)輸時的穩(wěn)定性。另外，由于細(xì)粒對粗粒有一定的承載力，增加了膏體黏度，阻止了物料的沉淀和離析，從而改善了膏體的流動性。LANDRIAULT20對七十多種不同粒徑的尾砂進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)每20微米顆粒級含量必須大于15%，以確保膏體的流動性。STONE指出，為了確保膏體的抽吸能力，各企業(yè)一致認(rèn)為，膏體中20um的顆粒含量不低于15%。

4.2 泌水率

泌水率是指在輸送時，體積一定，抽水時會產(chǎn)生水汽，粗集料沉降是由于顆粒的孔隙和表面沒有完全吸收到攪拌水，少量的水分沉淀形成了潤滑層。泌水率是指膏體中的泌水量和膏體的含水率。泌水率指數(shù)的高低直接影響到采場是否有離析和是否需要脫水。膏體在灌裝泵的壓力下輸送時，有一部分濕氣被擠出來，形成一層油膜，這樣膏體就能以活塞式流動的方式進(jìn)行整體的平推式移動，這是泥漿泵送的必要條件。低泌水率會使膏體保持較高的含水量，使膏體達(dá)到飽和狀態(tài)，而高泌水量則容易造成堵塞，從而影響灌漿的強(qiáng)度。泌水量與灰砂比、膏體濃度成反比關(guān)系，并與細(xì)度關(guān)系密切，工作人員通過詳細(xì)地計算和探討，認(rèn)為泌水率在1.5%～5.0%之間[3]。

4.3 單軸抗壓強(qiáng)度

單軸抗壓強(qiáng)度是指材料在單向受壓狀態(tài)下可承受的最大壓力，以防止充填、填充墻坍塌，其初期強(qiáng)度必須達(dá)到0.15MPa，而在需要支撐頂板的情況下，28天的強(qiáng)度應(yīng)大于4MPa。

4.4 全尾砂膏體充填技術(shù)指標(biāo)及其檢測方法

全尾砂膏體充填技術(shù)指標(biāo)是評價膏體充填質(zhì)量的重要依據(jù)，根據(jù)規(guī)范充填技術(shù)要求，其最終目標(biāo)是指導(dǎo)礦山企業(yè)進(jìn)行膏體充填，使其在技術(shù)上達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。

一般的單軸抗壓強(qiáng)度、泌水率等指標(biāo)可以參考現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，而屈服強(qiáng)度指數(shù)則用規(guī)范附錄的形式提供了具體的測試步驟和計算方法，并在規(guī)范的編寫過程中加以論證和分析。

5 全尾膏體濃縮設(shè)備

5.1 傾斜濃縮機(jī)

傾斜式濃縮器是利用重力沉降原理，對礦漿進(jìn)行固液分離的一種濃縮裝置，其特點是具有特殊的傾斜，表面光滑，間隙小。在傾斜與傾斜間的孔隙中，固體粒子僅下沉一段距離即可落到傾斜面上，從而縮短了沉降時間，傾斜分層堆疊，提高了濃縮機(jī)的自然沉降范圍。傾斜濃縮器的最大優(yōu)勢在于節(jié)省了土地，降低了基建投資，而且采用了淺層沉淀法，可以縮短沉淀時間，提高了濃縮效果。其不足之處是，設(shè)備的傾斜易脫落、老化，板面上的泥沙難以清洗，一旦發(fā)生故障，維修和運(yùn)行均十分煩瑣。振動式傾斜濃縮機(jī)是在傾斜濃縮機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良的，近幾年發(fā)展迅速。相對于傾斜濃縮機(jī)，振蕩式傾斜濃縮機(jī)傾斜組件采用間歇式高頻振動，對其進(jìn)行周期性的自動清潔，確保了傾斜上的材料不會積聚，提高了生產(chǎn)效率。另外，在濃縮機(jī)上還增加了一個物料清除器，以使其能夠順利地進(jìn)行高密度的底部排出。

5.2 高壓濃縮機(jī)

隨著礦井開采的增加，新型開采技術(shù)的發(fā)展，目前已逐步發(fā)展出一種高效率的高壓濃縮機(jī)工藝，該工藝與常規(guī)濃縮機(jī)比較，具有較大的側(cè)壁高度和較小的耙式阻力。在高壓濃縮機(jī)上，礦漿黏度大，輸送機(jī)械力矩大，高壓濃縮器通常采用體積泵，因為它的底部濃度較高。

在高濃度下，絮凝劑的作用會受到很大的影響，而在高壓濃縮器中，還配備了一個自動進(jìn)料系統(tǒng)，高壓濃縮器具有較大的處理量、較好的絮凝劑、底部流體排礦穩(wěn)定、底流濃度高等優(yōu)點[4]。

5.3 膏體濃縮機(jī)

膏體濃縮設(shè)備又稱為深錐式稠化機(jī)，主要包括起重設(shè)備，該設(shè)備的主要特征是無提升機(jī)、側(cè)壁高度接近于直徑，并在排礦泵室內(nèi)增加了循環(huán)泵。膏體濃縮機(jī)的圓柱體分成一個溢流槽，圓錐和圓筒三部分，在耙齒的正上方，脫水棒的作用是給懸浮液提供一個上升的通道，固體粒子在重力的作用下會不斷下降，從而改善脫水效果，而底部的錐角較大，有利于增大壓氣比，提高底流濃度。膏體濃縮器還配有剪力泵，可根據(jù)排礦末端的物料濃度，進(jìn)行中、高、高的就地循環(huán)，避免因泥漿濃度過高而造成的堵塞。膏體濃縮設(shè)備具有濃縮效率高，溢流澄清度高，占地面積小，自動化程度高，適用于粒度較細(xì)，濃度較低的物料。

6 膏體充填技術(shù)發(fā)展趨勢

膏體充填技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的一種新技術(shù)，它在流變特性理論、膏體制備、輸送工藝等方面都有了長足的發(fā)展，但仍存在著許多理論和技術(shù)問題。完善基本原理、改進(jìn)工藝、加速開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用設(shè)備是國內(nèi)膏體充填技術(shù)發(fā)展的方向。

6.1 基礎(chǔ)理論的發(fā)展

尾砂干擾沉降原理，攪拌棒-絮團(tuán)耦合機(jī)制等是目前國內(nèi)外研究的一個重要課題，而流變學(xué)方面則是開發(fā)高精度流量計、黏度計等流變試驗設(shè)備，建立適合不同膏體特性的實用流變學(xué)模型，并對膏體的流動特性、充填后的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬和模擬，是今后膏體充填工藝的一個重要課題。

6.2 工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢

研制低成本、穩(wěn)定的黏合劑、改進(jìn)膏體輸送條件、研制高效絮凝劑，采用泵送藥劑、提高設(shè)備處理能力、改進(jìn)設(shè)備改造、創(chuàng)新、提高尾砂濃度、利用運(yùn)行管理和自動化技術(shù)等技術(shù)手段來減少充填費(fèi)用，并針對膏體流量監(jiān)測設(shè)備壽命短、檢測失準(zhǔn)等問題，應(yīng)加強(qiáng)對檢測儀器的開發(fā)[5]。

6.3 專業(yè)設(shè)備的發(fā)展趨勢

一方面，國內(nèi)尾砂濃縮設(shè)備設(shè)備投入少，但其絮凝劑用量比進(jìn)口設(shè)備多、維護(hù)工作量大、維護(hù)成本高，需要加大研發(fā)力度，完成關(guān)鍵設(shè)備消化、吸收，打破國外對高性能膏體濃縮設(shè)備的壟斷。另外，由于各大礦山的原料處理能力不斷提高，因此，膏體的大型化將成為未來的發(fā)展趨勢。

7 結(jié)論

綜上所述，在現(xiàn)有的開采工藝中，全為尾砂膏體充填技術(shù)的發(fā)展，無疑是具備理論和實踐基礎(chǔ)的，有關(guān)單位積極探討和思考應(yīng)用膏體充填器械進(jìn)行開采過程中的工藝實驗，加快研制具有自主產(chǎn)權(quán)的專用設(shè)備，并有望在未來促進(jìn)各大礦山原礦處理量的增長，提升礦區(qū)開采和后續(xù)處理的質(zhì)量。