我國(guó)充填工藝創(chuàng)新成就與尚需深入研究的課題

于潤(rùn)滄

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

我國(guó)充填工藝創(chuàng)新成就與尚需深入研究的課題

于潤(rùn)滄

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

膠結(jié)充填技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用大幅度降低了極厚礦體礦柱回采的貧化率、損失率，可成功控制地下開(kāi)采的地壓活動(dòng)，有效防止礦山地表巖層移動(dòng)，對(duì)“三下”采礦和優(yōu)先開(kāi)采深部或下盤(pán)富礦，緩減深井開(kāi)采巖爆威脅等具有特別重要的意義。概述了我國(guó)礦山充填工藝在高濃度充填、全尾砂膠結(jié)充填、膏體充填等方面的主要?jiǎng)?chuàng)新成就，并從膏體充填料漿流變性能的研究以及膏體充填技術(shù)的推廣應(yīng)用、深井充填剩余壓頭的處理、充填環(huán)管試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真、全尾礦脫水技術(shù)和裝置的優(yōu)化、降低充填成本、將膏體充填技術(shù)推廣到尾礦干堆等6個(gè)方面提出了仍面臨的諸多需要深入研究的重要課題，為我國(guó)充填技術(shù)的研究發(fā)展指明了方向。

充填工藝;膠結(jié)充填;全尾礦脫水;膏體充填;尾礦干堆

0 前言

我國(guó)充填工藝技術(shù)起步雖然較晚，但發(fā)展迅速，從1970年代中期開(kāi)始一直處于世界先進(jìn)水平之列。

1950年代末，曾占相當(dāng)比重的干式充填基本處于被淘汰狀態(tài)。1964年從瑞典為鳳凰山銅礦引進(jìn)分級(jí)尾砂充填(未設(shè)砂倉(cāng))技術(shù)，為我國(guó)掀開(kāi)了應(yīng)用尾砂充填的序幕，之后，在凡口鉛鋅礦試驗(yàn)成功利用臥式砂倉(cāng)的分級(jí)尾砂膠結(jié)充填。1970年代末，國(guó)內(nèi)先后出現(xiàn)了焦家金礦球型底立式砂倉(cāng)、南京棲霞鉛鋅銀礦錐型底立式砂倉(cāng)、銅綠山銅礦用虹吸方式的立式砂倉(cāng)，這3種不同類(lèi)型的分級(jí)尾砂膠結(jié)充填立式砂倉(cāng)的工業(yè)試驗(yàn)均取得了良好的效果，為膠結(jié)充填技術(shù)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并在凡口鉛鋅礦、金川鎳礦等礦山與大型無(wú)軌設(shè)備相結(jié)合，使充填采礦法發(fā)展進(jìn)入高效率采礦方法的行列，為21世紀(jì)中無(wú)廢開(kāi)采的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

膠結(jié)充填工藝的發(fā)展主要遵循3個(gè)方向:首先是經(jīng)濟(jì)因素，膠結(jié)充填帶來(lái)的綜合經(jīng)濟(jì)效益能平衡或超過(guò)其生產(chǎn)成本的增加;其次是料漿濃度因素，控制膠結(jié)充填質(zhì)量的膠凝材料的節(jié)約，對(duì)降低充填成本具有頭等重要的意義;最后是環(huán)境因素，對(duì)礦區(qū)環(huán)境保護(hù)的日益嚴(yán)格要求，成為拓展膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)用范圍的重要推動(dòng)力。從主流工藝看，膠結(jié)充填主要經(jīng)歷了以料漿濃度及其流變性分界的水力充填、高濃度充填和膏體充填3個(gè)階段。

1 我國(guó)充填工藝創(chuàng)新成就

1973～1975年，金川鎳礦與設(shè)計(jì)、科研單位合作，按照工業(yè)生產(chǎn)所用管徑在實(shí)驗(yàn)室利用棒磨砂進(jìn)行了膠結(jié)充填料漿環(huán)管輸送試驗(yàn)，積累了海量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此回歸出計(jì)算水平直管單位長(zhǎng)度料漿水力坡度的金川經(jīng)驗(yàn)公式:

其計(jì)算誤差遠(yuǎn)低于國(guó)際上流行的杜蘭德公式。

1975年，金川鎳礦與北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院、長(zhǎng)沙礦山研究院合作進(jìn)行的充填試驗(yàn)進(jìn)入棒磨砂高濃度料漿試驗(yàn)階段，試驗(yàn)表明，高濃度并非相對(duì)的概念，而是有特定含義的物理概念，即超過(guò)“臨界流態(tài)濃度”的料漿濃度即為高濃度。試驗(yàn)提出的“臨界流態(tài)濃度”的概念為:料漿基本不會(huì)發(fā)生離析，輸送時(shí)無(wú)需考慮臨界流速，可以在低流速下穩(wěn)定輸送的料漿濃度。輸送物料的礦物成分、粒級(jí)組成、乃至化學(xué)成分都會(huì)影響“臨界流態(tài)濃度”，這對(duì)于合理設(shè)計(jì)充填系統(tǒng)具有重要意義。也是在這個(gè)時(shí)期，國(guó)外同樣開(kāi)始重視充填料漿濃度問(wèn)題。

在采用高濃度膠結(jié)充填的同時(shí)，金川還在下向進(jìn)路式充填采礦法中首次使用了雙機(jī)液壓鑿巖臺(tái)車(chē)、6 m3鏟運(yùn)機(jī)等大型無(wú)軌設(shè)備，使盤(pán)區(qū)生產(chǎn)能力從50～60 t/d提高到800～1000 t/d，從而將傳統(tǒng)上低效率的下向進(jìn)路式充填采礦法改造成為高效率的無(wú)軌機(jī)械化采礦法。

1980年代末，凡口鉛鋅礦試驗(yàn)成功了全尾砂膠結(jié)充填工藝，并于1990年建成了我國(guó)第一個(gè)全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，尾砂利用率達(dá)90%以上。全尾砂的利用在膠結(jié)充填發(fā)展史上具有特殊重要的意義，一方面，全尾砂中有較多的微細(xì)粒級(jí)，脫水難度增加，對(duì)充填體強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，解決這些技術(shù)難題促進(jìn)了膠結(jié)充填技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展;另一方面，全尾砂的利用加上廢料資源化，為實(shí)現(xiàn)無(wú)廢開(kāi)采開(kāi)辟了有效的途徑。地處南京棲霞山風(fēng)景區(qū)的南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司便是依靠全尾砂充填和廢料資源化實(shí)現(xiàn)無(wú)廢石場(chǎng)、無(wú)尾礦庫(kù)、無(wú)廢水外排的無(wú)廢礦山。

1994年，湖田鋁土礦利用氧化鋁生產(chǎn)中的廢料赤泥開(kāi)發(fā)成功赤泥膠結(jié)充填技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了特定條件下的無(wú)水泥膠結(jié)充填。

1990年代初，借鑒英國(guó)煤礦沿空留巷巷旁支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)研制成功高水速凝固化充填材料，并在一些礦山特別是煤礦試驗(yàn)、使用，在充填領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟。由于材料價(jià)格偏高、后期強(qiáng)度有時(shí)不夠穩(wěn)定，大量推廣應(yīng)用尚有一定困難，但在某些特定情況下，如下向充填法接頂、局部快速維護(hù)等具有獨(dú)特的作用。

1994年，金川鎳礦試驗(yàn)成功膏體充填并建成了我國(guó)第1套膏體充填系統(tǒng)，標(biāo)志著我國(guó)膠結(jié)充填技術(shù)邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。1999年，銅綠山銅礦建成了我國(guó)第2套全尾砂膏體充填系統(tǒng)。為了解決膏體充填時(shí)全尾砂傳統(tǒng)脫水工藝——帶式過(guò)濾機(jī)脫水占地面積大等問(wèn)題，會(huì)澤鉛鋅礦在2006年引進(jìn)了深錐濃縮機(jī)，建成了輸送管路長(zhǎng)達(dá)4000 m的全尾砂膏體充填系統(tǒng)。該膏體充填系統(tǒng)相當(dāng)先進(jìn)，但深錐濃縮機(jī)價(jià)格昂貴，推廣難度較大。冬瓜山銅礦利用傳統(tǒng)錐形底立式砂倉(cāng)，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)按照控壓助流原理進(jìn)行適當(dāng)改造，研發(fā)成功底流放砂濃度能滿(mǎn)足高濃度全尾砂充填和膏體充填要求的新型立式砂倉(cāng)，并且做到了邊給料邊放砂，成本費(fèi)用大為降低，為推廣膏體充填做出了重要貢獻(xiàn)。膏體充填已經(jīng)成為國(guó)外廣泛應(yīng)用的技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)也因其非常有利于降低膠凝材料用量、保證充填體質(zhì)量和改善坑內(nèi)環(huán)境而得到日益增強(qiáng)的關(guān)注。

2 我國(guó)充填工藝尚需深入研究的課題

目前為止，我國(guó)充填工藝的發(fā)展主要還是立足于經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，但建立能夠最高濃度自流輸送并在采場(chǎng)無(wú)需脫水的經(jīng)濟(jì)效果最優(yōu)、充填質(zhì)量最好、生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)最可靠的理想膏體充填系統(tǒng)，要求人們超越傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)若干理論性、關(guān)鍵性問(wèn)題的研究。縱觀國(guó)外近幾年膏體充填技術(shù)的迅速發(fā)展和每年1次的國(guó)際膏體充填學(xué)術(shù)會(huì)議(International Seminar on Paste and Thickened Tailings)發(fā)表的研究論文，為了保持我國(guó)在該領(lǐng)域的先進(jìn)地位，今后仍面臨諸多需要深入研究的重要課題。

(1)膏體充填料漿流變性能的研究以及膏體充填技術(shù)的推廣應(yīng)用。從國(guó)外充填技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，膏體充填將逐漸成為充填的主流技術(shù)。膏體充填料漿流變性能的研究，對(duì)充填系統(tǒng)的優(yōu)化、充填作業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高具有極重要的意義。相關(guān)行業(yè)對(duì)水泥漿和新拌混凝土的流變性能已有較多研究，其與全尾礦膏體的流變性雖有類(lèi)似之處，但由于工藝要求的差異，不能等同視之。作為非牛頓流體的全尾礦膏體，特別是在添加不同比例的膠凝材料乃至部分爐渣等骨料時(shí)，其流變性能會(huì)有很大差異，而且受諸多不易估量的變量的影響，到目前為止，還缺乏對(duì)這種物料的流變性能的系統(tǒng)研究。對(duì)全尾礦膏體流變性能的研究應(yīng)當(dāng)確立一套標(biāo)準(zhǔn)的研究方法，包括膏體屈服應(yīng)力、塑性黏度、觸變性的測(cè)定;剪切稀化對(duì)管道輸送的影響;選用或研制適合的測(cè)試儀器裝置;用流變參數(shù)計(jì)算管道輸送阻力的公式等。以便確定某礦特定物料滿(mǎn)足充填強(qiáng)度要求和最適合輸送的流變參數(shù)。

(2)深井充填剩余壓頭的處理。我國(guó)將面臨越來(lái)越多的深井開(kāi)采，在深井開(kāi)采中采用高濃度或膏體充填時(shí)，由于充填倍線小，會(huì)產(chǎn)生剩余壓頭問(wèn)題。剩余壓頭將導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)管輸送和管壁磨損加劇，使管道輸送處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的“井噴”現(xiàn)象，使充填無(wú)法正常進(jìn)行。對(duì)這些現(xiàn)象的機(jī)理需要深入研究，在充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何消除剩余壓頭的影響，需要從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上作深入的探討。

(3)充填環(huán)管試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真。在充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往需要依靠環(huán)管試驗(yàn)獲取不同條件下的管路輸送參數(shù)，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，投入可觀的資金和大量的人力，這對(duì)很多礦山往往是難以實(shí)現(xiàn)的，于是設(shè)計(jì)中不得不采用類(lèi)比的方法來(lái)處理，因而也就很難獲得最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以往，有些重點(diǎn)礦山在設(shè)計(jì)充填系統(tǒng)時(shí)在地面增加了一段環(huán)管段，供投產(chǎn)前試驗(yàn)之用，作為一種彌補(bǔ)。然而這也不是任何一個(gè)礦山都能實(shí)現(xiàn)的。北京科技大學(xué)李國(guó)政的博士論文《全尾砂膏體充填環(huán)管試驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)》對(duì)此作了初步的研究，但仍有值得提高之處。

(4)全尾礦脫水技術(shù)和裝置的優(yōu)化。高濃度和膏體充填工藝中，全尾礦脫水是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在深錐濃縮機(jī)誕生之前，國(guó)外多用帶式過(guò)濾機(jī)進(jìn)行全尾礦脫水，金川的膏體充填也是采用這種脫水方式，它存在很多缺點(diǎn)。隨著一批千萬(wàn)噸級(jí)以上年產(chǎn)能的鐵礦山采用充填采礦法，礦山年充填規(guī)模也越來(lái)越大，為了適應(yīng)這種發(fā)展，國(guó)外已生產(chǎn)出直徑達(dá)40 m的深錐濃縮機(jī)付諸使用，但深錐濃縮機(jī)的推廣應(yīng)用還有缺陷，仍有待對(duì)全尾礦的脫水技術(shù)和裝置進(jìn)行優(yōu)化，以便獲得更令人滿(mǎn)意的技術(shù)成果。此外，過(guò)去的膏體充填系統(tǒng)，單系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的礦山生產(chǎn)能力為2000～3000 t/d，現(xiàn)在面對(duì)年生產(chǎn)規(guī)模千萬(wàn)噸級(jí)的膏體充填，無(wú)論系統(tǒng)設(shè)置還是配套設(shè)備研制都是全新的課題。

(5)降低成本是充填技術(shù)發(fā)展的永恒主題。在膠結(jié)充填成本中，膠凝材料占很大比重，所以國(guó)內(nèi)外很多同行均在尋找更廉價(jià)的膠凝材料，在調(diào)整回采工藝、降低膠凝材料消耗方面不斷鉆研，取得了大量高水平的成果，但這種研究應(yīng)是無(wú)止境的。另外值得注意的是，自從我國(guó)開(kāi)始采用膠結(jié)充填技術(shù)以來(lái)，所用的灰砂比一般都比國(guó)外高，這是否正確呢?盡管目前國(guó)內(nèi)已有不少研究充填體性能的文章，但仍然缺少系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，尤其是對(duì)不同條件的分層充填、不同條件的嗣后充填現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期系統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料，因而很難有根據(jù)地去調(diào)整灰砂比，以顯著地降低充填成本，因此，應(yīng)該加強(qiáng)這方面的研究。

(6)將膏體充填技術(shù)推廣到尾礦干堆。從流變學(xué)角度，膏體充填和尾礦干堆技術(shù)有共同之處，現(xiàn)在每年舉行1次的“國(guó)際膏體充填學(xué)術(shù)會(huì)議”都把這2項(xiàng)技術(shù)視為一項(xiàng)綜合技術(shù)。礦山需要充填時(shí)，將尾礦膏體料漿送入井下，不需要充填時(shí)，將尾礦膏體送往尾礦庫(kù)，雖然它們要求的濃度有些許差別，因?yàn)槲驳V排出必須考慮排出速度、灘流坡度和距離，以及盡量減少脫水。目前尾礦干堆在國(guó)外獲得了迅速發(fā)展，尤其是在干旱缺水的地區(qū)。尾礦干堆技術(shù)的發(fā)展反過(guò)來(lái)也促進(jìn)膏體充填，大直徑深錐濃縮機(jī)開(kāi)始就是為尾礦干堆設(shè)計(jì)的，將其用于膏體充填將奠定系統(tǒng)充填能力提高的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)充填工藝技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了廢石干式充填、碎石混凝土膠結(jié)充填、分級(jí)尾砂水力充填和膠結(jié)充填、高濃度棒磨砂或分級(jí)尾砂膠結(jié)充填、全尾砂膏體膠結(jié)(包括替代水泥的各種固化劑)充填的發(fā)展過(guò)程。如前所述，充填工藝基本上是沿著經(jīng)濟(jì)因素、料漿參數(shù)因索和環(huán)境因素這3條主線發(fā)展的。

從經(jīng)濟(jì)因素看，膠結(jié)充填技術(shù)雖然能給礦山帶來(lái)諸多利益，但也存在不少問(wèn)題，主要是投資增加、生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜、生產(chǎn)成本增加，在充填料漿濃度低的情況下，井下環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，只有當(dāng)膠結(jié)充填帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益足以平衡這些問(wèn)題造成的影響時(shí)，充填才有可能得到推廣應(yīng)用。所以，降低成本便成為充填技術(shù)發(fā)展的永恒主題。

料漿參數(shù)因索中，料漿濃度對(duì)于膠結(jié)充填具有頭等重要的意義，高濃度不僅是提高充填體強(qiáng)度的有效途徑，而且也是降低水泥單耗，節(jié)約充填費(fèi)用的最佳措施。從低濃度的分級(jí)尾砂水力充填到高濃度充填，是膠結(jié)充填技術(shù)發(fā)展的第一次飛躍。充填料在采場(chǎng)內(nèi)不脫水，是充填法一種更高的技術(shù)追求，標(biāo)志著膠結(jié)充填技術(shù)發(fā)展的第二次飛躍;膏體充填和高水速凝充填都可以實(shí)現(xiàn)充填過(guò)程不脫水，膏體充填在國(guó)外已進(jìn)人快速發(fā)展階段，在國(guó)內(nèi)也開(kāi)始應(yīng)用于生產(chǎn);高水速凝充填由于成本和充填體后期強(qiáng)度問(wèn)題尚處于試驗(yàn)階段。

環(huán)境因素緣于環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，礦山產(chǎn)出的大量廢石和尾礦除綜合利用外，如能最大限度地用于充填，對(duì)減少占地、減輕采礦對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響、構(gòu)建生態(tài)采礦工程顯然具有重要意義。膏體充填可以采用全尾砂，與利用分級(jí)尾砂的水力充填比較，不僅有利于剩余尾砂的堆壩，而且膏體充填技術(shù)還催生了尾砂的干式、半干式儲(chǔ)存以及和廢石一起處理，這種技術(shù)正在逐步得到廣泛應(yīng)用。

總之，隨著深井開(kāi)采的增加和生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的日益嚴(yán)格，膏體充填技術(shù)將備受青睞，其研究和推廣應(yīng)用空間是非常廣闊的，希望在廣大同行們的共同努力下，使我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域始終保持國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)從礦業(yè)大國(guó)發(fā)展為礦業(yè)強(qiáng)國(guó)提供這一方面的技術(shù)支撐。

2011－04－02)

于潤(rùn)滄(1930－)，男，中國(guó)工程院院士，教授級(jí)高級(jí)工程師。長(zhǎng)期從事礦山工程設(shè)計(jì)和科研工作，創(chuàng)造性地解決了許多關(guān)鍵性技術(shù)難題和參與開(kāi)發(fā)高濃度膠結(jié)充填和試驗(yàn)推廣全尾礦膏體充填。榮獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，全國(guó)最佳工程設(shè)計(jì)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)。