礦山膠結(jié)充填技術(shù)

◎ 應(yīng)急管理部信息研究院 龐博

礦山充填開采技術(shù)歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展，已逐漸成為礦山綠色開采體系中不可替代的一部分。充填開采技術(shù)主要分為干式充填、水力充填和膠結(jié)充填。其中，膠結(jié)充填是利用采集或加工而來的細(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變形。

膠結(jié)充填技術(shù)作為礦山充填開采技術(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，減少廢石堆積，提高礦石回采率，解決開采沉陷的問題，一方面保護(hù)環(huán)境和生態(tài)，另一方面開采出以前由于條件限制不能開采的礦產(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，對解決我國的環(huán)境問題和礦產(chǎn)資源的有效利用，都有著非常重要的意義。

目前礦山膠結(jié)充填技術(shù)種類很多，主要包括：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。

（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，無需進(jìn)行尾砂分級處理，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)：尾砂無需分級，利用率高，充填成本低；料漿的真實質(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性好，避免輸送過程中發(fā)生沉淀和離析；充填體凝固時間短，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)入采場后不離析，無需脫水，不會造成井下細(xì)泥污染，適用于礦體集中、尾砂和水泥來源方便的中、小型有色礦山及黃金礦山。對充填材料配比、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)鍵問題。

（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)由德國于80 年代末首次在格隆德鉛鋅礦試驗成功。與此同時，國內(nèi)的礦區(qū)與科研單位也開始進(jìn)行相關(guān)的工業(yè)性試驗。以金川二礦區(qū)為例，從1988 年開始試驗該技術(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-25mm 細(xì)石膠結(jié)膏體充填的試驗。

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，且可長時間停留在輸送管道中，設(shè)備重新啟動后可繼續(xù)輸送；保證充填體強(qiáng)度的同時節(jié)約了水泥用量；膏體料漿真實質(zhì)量濃度可達(dá)80%左右，膏體輸送至采場后，水泥不流失，無脫水環(huán)節(jié)，且無井下細(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充填體要求高、地壓大、高階復(fù)雜礦床的開采。實現(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)和科研單位對膏體料漿的流變和輸送特性等進(jìn)行研究。

（3）高水速凝尾砂膠結(jié)充填

采用高水材料作為膠凝材料，高水材料有甲、乙兩種，分別與全尾砂或分級尾砂混合并制備成充填料漿，通過鉆孔和管道輸送到井下，在進(jìn)入采空區(qū)前混合，無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，可長時間存放不凝結(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性，解決了長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)和高水材料倉的投資。

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

（4）塊石水泥漿膠結(jié)充填

根據(jù)混凝土理論，采用自然級配的塊石作為充填惰性材料，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，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。隨后我國開展了此項膠結(jié)充填技術(shù)的研究，并在豐山銅礦、魚兒山金礦成功運(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)充填適用于對充填體強(qiáng)度要求高，礦體中厚偏上，采用階段空場法、分段空場法、留礦法等大空場采礦法的嗣后充填。

近年來，我國對礦產(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。