礦山廢石全尾砂充填研究現狀與發展趨勢

王賢來，姚維信，王 虎，喬登攀，程偉華，張 磊

(1.中南大學,湖南 長沙 410083； 2.金川集團有限公司，甘肅 金昌 737100； 3.昆明理工大學，云南 昆明 650093)

1 我國采礦廢尾排放現狀

目前，世界礦業每年采掘出280億t以上的礦巖。我國現已有礦產地18000余處，其中大中型礦產地7000余處。我國礦山開發的總規模居世界第3位，年采掘量超過50億t。據不完全統計，1949～2005年，全國各類礦山產出各類礦廢石162.3 億t，其中煤矸石35.6 億t，鐵礦廢石94 億t，有色金屬礦廢石25 億t，金礦廢石4.6 億t，化工礦廢石3 億t。我國現有尾礦庫12718座，其中在建尾礦庫為1526座，占總數的12%，已經閉庫的尾礦庫1024座，占總數的8%，截止到2007年，全國尾礦堆積總量為80.46億t。僅2007年，全國尾礦排量近10億t。此外，全國堆存粉煤灰12 億t。煤矸石是煤炭生產和加工過程中產生的固體廢棄物，每年的排放量相當于當年煤炭產量的8%～20%。據有關部門統計，目前全國大中型煤礦有矸石山1500多座，煤矸石積存超過34億t，占地20萬畝，并以每年2億t的速度增長。礦產資源開發利用過程中產生的煤矸石、廢石、尾砂、粉煤灰和冶煉渣，已成為我國排放量最大的工業廢棄物，占固體廢棄物總量的85%左右。大量礦山固體廢料堆放地表，易誘發泥石流、尾礦潰壩事故。此外，礦床開采產生的地下大量采空區，易誘發礦區塌陷、礦震、崩塌、滑坡、礦井突水等地質災害，采空區失穩問題越來越成了影響礦山安全生產的最主要的危險源之一。

2 礦山充填工藝的研究與應用現狀

隨著現代采礦設備機械化和系列化程度的不斷提高，充填技術的發展以及相關采礦技術的不斷革新和完善，充填法逐步成為了安全、高效的采礦方法。目前，水平分層充填采礦法(上向和下向)在我國得到了較為廣泛的推廣使用。此外，為了進一步提高采場生產能力及工效，大空場嗣后充填法、分段充填法也在鐵礦山進行了試驗和推廣應用，它兼具空場法效率高及充填法貧損指標低的特點，也是我國今后若干年充填采礦法發展方向之一。眾所周知，充填采礦技術具有消除采動引起的地表下沉和改善采礦應力環境功能，具有低貧損開采、提高資源綜合利用率功能和“采富保貧”遠景資源保護功能，具有降低廢石尾砂等固體廢料排放、達到無廢開采的功能，以及具有適應各種復雜難采礦床開采的功能[1-2]。

2.1 低濃度分級尾砂膠結充填

20世紀50年代初，國外開始采用分級尾砂進行水力充填。進入60年代后，加拿大、澳大利亞、德國、美國、前蘇聯、中國等國家，圍繞著新型充填材料及其特性，多相流流體力學及充填流變學為基礎的漿體輸送理論的研究取得了新的進展，并研制了充填料漿新的制備、輸送設備，加上無軌采礦設備的應用，從而出現了膠結充填工藝。膠結充填工藝用于開采高品位富礦、礦巖不穩固的厚大礦體、深礦井及大面積區域性地壓支護體系、“三下”(水體、道路、建構筑物下)及自燃發火傾向礦床的開采，已成為干式和水力充填工藝根本無法取代的充填工藝。1962年，加拿大弗魯德(Frood)礦尾砂膠結充填工藝投入工業應用，使分層充填采礦和礦柱回采工作大為改善，并大大地提高了機械化程度，形成了一種新的較為高效的采礦方法[1，3]。以后，在美國猶他州的馬夫勞韋爾(Mayflower)等礦試驗成功，并在尾砂充填層上用波特蘭水泥∶尾砂為1∶7配比的砂漿鋪面，平均厚度0.15m。這就為分層充填采礦法提供了一個具有一定強度的分層平整表面[3]。在水力充填料漿中添加膠凝材料，對節省開支、改進品位控制，以及提高采礦方法回采效果和適應性等諸多方面，都顯示出了明顯的優越性。

我國凡口鉛鋅礦于1964年首先開始進行低濃度尾砂膠結充填的試驗，以后陸續在全國數十個礦山采用尾砂膠結充填技術，都取得了顯著的技術經濟效果。目前,分級尾砂充填可分為水力非膠結充填和膠結充填兩種。膠結劑一般為水泥、石膏、磨細的爐渣等。分級尾砂充填工藝的尾砂利用率，一般只有50%～60%。該工藝在使用中存在料漿凝固慢、離析分層、強度低且不均勻等現象；井下脫水時，膠凝材料及細粒級尾砂流失；井下廢水、細泥污染環境；排水、排泥費用高；采場回采周期長；生產能力低等問題，需進一步改進和提高。

2.2 全尾砂高濃度膠結充填

由于傳統的水泥膠結充填采用分級尾砂，而含泥及細粒級尾砂被排放到尾砂庫，一方面增加了庫壩的維護費用，另一方面造成環境污染。現代充填技術，不僅考慮采礦工藝的需要，還要考慮礦山開采廢棄物的綜合利用與處理、環境保護、減少污染等社會要求，實現無廢害開采。因此，應完全、徹底地將全部尾砂用于井下充填。但由于傳統的分級尾砂充填的濃度較低，料漿充入采場后的脫水過程中會發生離析、分層現象，導致充填體的整體性不好、強度不高，同時采場內脫水也難免會帶走部分水泥和細粒級尾砂，污染井下作業環境，水泥的流失也會降低充填體的強度。此外，由于充填體的沉縮率較大，常造成充填體難以接頂。為了改變這些問題，到了20世紀70年代，人們著手研究和探索實現料漿高濃度充填的有效途徑。不少礦山采取措施，將料漿質量濃度提高到大于70%以上，即所謂高濃度或濃砂漿膠結充填。與此同時，還研究了利用不分級脫泥(-20～-37μm)的細粒級物料的全尾砂料漿作惰性充填材料的膠結充填工藝。中國、德國、南非、美國、加拿大、哈薩克斯坦、奧地利等國，采用不同的工藝，先后實現了全尾砂高濃度膠結充填[3-8]。目前，高濃度充填在礦山充填中仍然占主要的地位，應用最為廣泛。高濃度充填料漿管輸時，高濃度料漿固體顆粒在橫斷面上呈均勻分布狀態，在流動過程中很少有固體顆粒之間的相對位移，不易發生離析和沉淀，并具有充填體力學性能良好、強度高、采場脫水量少、膠結材料的用量大幅度降低等優點。

2.3 膏體、似膏體充填

膏體充填在近年來發展極為迅速，世界上一些礦業發達的國家投入了大量的人力、物力研究和開發應用膏體充填技術。以德國普魯塞格金屬公司(Preussage AG Metal)為代表的全尾砂膏體泵送膠結充填工藝。這種工藝可提供在低水泥耗量下的高強度充填體，且充填材料選用范圍廣，既可以采用全尾砂或分級尾砂，也可以添加不同比例的30mm以下的碎石、戈壁集料、天然砂或爐渣，以及粉煤灰、煤泥等工業廢料，使膠結充填邁入了一個新的階段。目前，膏體充填料漿采用粗骨料(分級尾砂、河砂等)與細骨料(溢流尾砂、黏土、淤泥等)按一定的比例混合攪拌而成。由于一定量的細粒級存在，料漿外觀象牙膏，故稱之為膏體。膏體具有良好的均質性、懸浮性和穩定性。膏體充填的特點是料漿濃度大，其重量濃度可達75%～85%。由于膏體的塑性粘度和屈服切應力大，必須采用加壓輸送。膏體料漿象塑性結構體一樣，在管道中作整體運動，膏體中的固體顆粒一般不發生沉淀，層間也不出現交流，膏體在管路中呈柱塞狀流動。膏體充填料的內摩擦角較大，凝固時間短，能迅速對圍巖和礦柱產生作用，減緩空區閉合。膏體充填工藝充填料漿濃度高，減少了水泥用量，降低了充填成本；充填體沉縮率小，接頂率高，充填質量好，強度高；采場無溢流水，改善了井下作業環境節省了排水及清理污泥的費用。全尾砂膏體泵送充填一次性投資大，尾砂脫水濃縮、儲存和膏體泵壓輸送技術難度大。由于膏體充填綜合運用了現代工業的多項高新技術，如微細顆粒材料濃縮脫水技術與設備、高濃度漿體泵送技術與設備、活化攪拌設備、計算機在線控制技術等，是現時采礦工業中一項技術含量很高的新技術之一。從世界范圍以及長遠發展來看，膏體充填技術是充填采礦技術發展的主力方向[2，4-8]。

鑒于全尾砂高濃度膠結充填工藝與膏體充填工藝的優點與不足，人們試圖尋求一種既具有水力膠結充填料漿那樣的流動性好、輸送方便，又具有膏體充填強度高、井下不脫水、保護環境等優點的充填工藝?；谝陨媳尘?，中國礦業大學孫恒虎教授于20世紀末提出了似膏體充填新模式，發明了似膏體充填專用膠凝材料，初步建立了似膏體充填理論體系，并提出了似膏體充填工藝過程。似膏體充填模式的實質可以概述為：利用似膏體充填膠凝材料(全鋁土膠凝料)做膠結劑，碎煤矸石、礦山尾砂或河砂等作骨料，骨料中配以15%～30%的細粒級物料(-37μm，如粉煤灰、溢流尾砂等)，制成重量濃度72%～78%，外觀近似膏體一樣的漿體，故稱之為“似膏體”。采用重力自流或泵送的方式經管路輸送至井下充填空區，充填料漿在井下不需脫水或微量脫水即可固結成充填體。由于似膏體充填技術具有膠凝材料成本低、設備投資小、充填效果好等優點，似膏體充填技術具有良好的發展前景[9]。

2.4 粗骨料-塊(碎)石膠結充填

在細砂膠結充填技術迅速發展的同時，自20世紀70年代以來，澳大利亞、前蘇聯等國家，在用空場法采完的空區內，先倒入塊石充填，再向塊石中壓注水泥凈漿或水泥砂漿，形成塊(碎)石膠結充填體；或者在塊(碎)石倒入采空區的同時，將用管路輸送的水泥砂漿也注入空區自淋混合；也有在待充空區的上口處，用電耙、鏟運機或帶折返板的溜槽混合拌制，而后充填入采空區的膠結充填工藝[3，10]。塊石膠結充填在國內外進行了大量的試驗研究工作，其成功的典范當屬芒特艾薩(Mount Isa)礦、基得克里克(Kidd Creek)礦。1973年，芒特艾薩礦便開始應用塊石膠結充填。我國紅透山銅礦建立了一套井下塊石充填系統并形成較大的充填能力，實現了廢石不出坑。大廠錫礦、銅錄山銅礦等試驗成功了塊石膠結充填工藝—塊石水泥砂漿自淋混合充填工藝，充填強度高、成本低。塊石膠結充填體在試塊強度3 MPa條件下使水泥含量降至100 kg/m3,是傳統膠結充填水泥用量的30%～50%，成本大幅度降低。生產實踐表明，在相同水泥用量的條件下，與其他膠結充填工藝相比較，這種充填工藝所形成的膠結充填體，能夠達到更大的強度，可以起到人工礦柱的作用，其強度和穩定性都比細砂膠結充填為好，能保證第二步驟回采時的安全[1,3]。該工藝還可以明顯地收到礦石貧化小、生產能力大、廢石提運少，并能夠緩解地表廢石堆對環境污染的效果。塊石膠結充填，可以看成是干式充填和細砂膠結充填工藝的結合，是當代膠結充填工藝的發展方向之一。

3 廢石-全尾砂高濃度管輸充填技術研究

廢石-全尾砂高濃度管輸充填工藝，實質是以水泥為膠凝材料，以礦山廢石破碎集料為骨料(-20～-25mm),與全尾砂按一定的比例混合、攪拌并制成非牛頓(似)均質充填漿體，管輸(泵送)至井下采空區進行充填。本項試驗是在金川公司完成的,旨在開發利用金川礦山的大宗廢石和全尾砂，實現高濃度廢石-全尾砂泵壓管輸充填以解決棒磨砂嚴重不足的問題。金川礦山是采用下向膠結充填采礦法的礦山，每年的充填量超過180×104m3，僅二礦區每年的充填量就達到(120～130)×104m3。是金川公司的攻關課題之一。根據前期室內強度試驗結果，料漿重量濃度范圍在77%～80%之間，水泥耗量為260kg/m3，廢石和尾砂配比為5.0∶5.0～6.0∶4.0條件下，料漿的可泵性滿足管輸要求和下向進路式采礦充填體假頂強度要求(R3≥1.5MPa,R7≥2.5MPa,R28≥5.0MPa)。工業試驗共進行了廢石全尾砂比5∶5和6∶4兩組試驗。其中廢石全尾砂比5∶5條件下，完成3組濃度試驗，重量濃度為77%、78%、79.5%；廢石全尾砂比6∶4條件下，完成了3組試驗，重量濃度分別為76%、78%、80.8%。工業試驗共完成充填量總計11955m3，水泥單耗262.9 kg/m3。工業試驗在二礦四區、五區、六區進路進行充填,充填管道Lmax=1858m，Lmin=1650m，垂直落差H=492m，充填倍線Nmax=4.78, Nmin=4.35。結果表明,高濃度廢石-全尾砂充填料漿屬屈服粘塑性體，可用Hershel-Bulkley模型表征，其流變方程為：料漿濃度對和很敏感，隨料漿重量濃度增大，屈服應力和粘度系數均增大。相同濃度情況下，隨廢石尾砂比增大，料漿屈服應力總體呈增大趨勢。試驗測得水平直管阻力計算模型為：管徑對料漿輸送阻力的影響非常明顯，相同濃度條件下管徑越小，沿程阻力越大。相同管徑條件下，濃度越高，輸送阻力越大；流量越大，輸送阻力越大。從降低管輸阻力、減少管道磨損的角度出發，工業應用中在滿足料漿的最小輸送速度的前提下，盡可能采用大直徑管道輸送。總體上料漿流動性好，滿足長距離采空進路自流密實充填要求；料漿穩定性好，在泵壓管輸過程中不失水、不離析、不沉積，滿足長距離泵壓管輸充填工藝要求。由此可見,廢石-全尾砂高濃度料漿泵壓管輸充填工藝，是一種集高濃度和膏體充填工藝的優勢于一體，而成本低的礦山廢石充填新工藝。充填料漿具有良好的穩定性、流動性和可輸送性，并且形成的充填體的強度滿足采礦工藝要求，成本低。由于粗粒級廢石骨料的應用，可有效降低膠結劑用量，成本低。經類比估算，廢石-全尾砂充填成本約為86.48元/m3，是金川礦山現用棒磨砂自流充填成本的66.25%，二礦區膏體充填成本的88%，成本優勢比較明顯,值得推廣。

4 坑采礦山廢石全尾砂管輸充填發展方向

基于現時期下充填工藝技術的應用與研究現狀，尾砂與廢石仍然是礦山充填的主體骨料，而且尾砂排放量更大。按照提高濃度和利用全尾砂的要求，需要解決全尾砂料漿的濃密、過濾、強力活化攪拌、料漿管道輸送、采場脫水及充填體強度等一系列復雜的技術問題。實際上，盡管全尾砂膏體膠結充填工藝具有料漿濃度輸送高、水泥用量少、充填成本低、充填強度高等突出優點，但由于其工藝技術復雜、管理技術水平要求高、一次性基建投資大等主要缺點。因此，礦山應主力研究并推廣尾礦干排技術。重點研究全尾砂高效回填采空區大規模工程化過程中，尾砂低成本濃縮技術、尾礦高濃度大泵量井下輸送技術、采空區快速充填關鍵技術和井下充填污染控制技術；研究解決復雜采空區高效密閉技術、尾礦膠結充填料在采空區快速充填及快速固化技術。

廢石是礦山企業的又一大宗工業廢料且不存在來源不足問題，而現有礦山廢石充填工藝技術還遠不能滿足礦山環境保護的要求。目前，仍然以自然級配采掘廢石作為充填集料、水泥漿為膠結介質，并且只能利用采空區落差條件，通過充填料分流輸送和自淋混合方式實現膠結充填。因而，廢石的利用率有限，只能在少數礦山推廣，而采用分層充填法的礦山(如金川公司所屬礦山、凡口鉛鋅礦等)還不能有效利用廢石進行充填。因而需要研究礦山廢石充填新模式，須重點研究廢石破碎集料長距離管輸充填工藝技術，以降低充填成本和減少礦山廢料向地表的排放。

另外，目前針對礦山廢石與全尾砂的充填工藝技術仍然是分而用之，因而絕大多數礦山未能有效利用廢石與全尾砂進行充填，因而需要進一步研究礦山廢石-全尾砂充填新模式，以降低充填成本和減少礦山廢料的排放。

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