中國金屬礦山充填技術與裝備的現狀和未來

郭利杰，余 斌

(北京礦冶研究總院， 北京 100070)

中國金屬礦山充填技術與裝備的現狀和未來

郭利杰，余 斌

(北京礦冶研究總院， 北京 100070)

隨著國民經濟的快速發展，工業發展與環境保護之間的矛盾日益尖銳。礦產資源開發將面臨越來越嚴格的國家環保要求，創新采礦技術成為解決可持續采礦、生態環境及潛在災害等問題的重要途徑。礦山充填技術創新是實現綠色、安全、可持續開采的主要驅動力。介紹了近年來中國金屬礦山充填工藝技術、充填材料應用及充填裝備方面所取得的創新成果，展望了礦山充填技術及裝備的未來發展趨勢。

礦山充填;無廢開采;充填材料;充填工藝;充填裝備

1 礦山充填工藝技術發展概況

1.1 分級尾砂充填技術

分級尾砂充填技術工藝成熟，是目前應用最廣泛的充填工藝技術，包括分級尾砂膠結充填和分級尾砂非膠結充填，屬于水力充填，以自流輸送為主。尾砂分級界限一般為37 μm，充填料漿的滲透系數應達到10 cm/h，分級尾砂的利用率在50%左右。

分級尾砂充填主要采用旋流分級與立式/臥式砂倉水力聯合造漿技術，其輸送料漿質量濃度為65%～72%。隨著先進控制技術、自動檢測及智能通訊反饋技術的發展，分級尾砂充填實現了充填參數自動檢測與數據調整的智能協同控制。

1.2 高濃度全尾砂充填技術

高濃度全尾砂充填技術是1980年代末發展起來的新型礦山充填技術，在充填礦山日益得到廣泛應用。該技術的特點是以全尾砂作為充填骨料，通過活化攪拌，在高濃度狀態下輸送到采場。該工藝將全部尾砂作為充填料，無需建尾礦庫，為無廢開采奠定了基礎。

冬瓜山銅礦充填系統是目前國內較為先進的高濃度全尾砂膠結充填系統(見圖1)，首次采用立式砂倉噴咀全尾砂造漿技術，實現全尾高濃度連續放砂充填。通過特殊的立式砂倉、創新的噴咀活化造漿技術以及噴咀布置等，選廠全尾砂直接泵(注)入立式砂倉，經高效沉淀、澄清脫水，采用高壓水/氣活化尾砂，將極細粒級的全尾砂(－20 μm全尾砂約占40%)直接制備成高濃度(74%以上)砂漿，然后采用深井管道自流輸送降壓系統以及采場泄水技術，對深井冬瓜山采場進行了充填。突破了極細粒級高濃度全尾砂漿的立式砂倉制備技術和深井開采全尾砂高濃度充填料漿自流管輸降壓的關鍵技術，解決了全尾砂低成本脫水的國際性難題，克服了礦山無廢開采的技術瓶頸，形成了立式砂倉流態化全尾砂高濃度連續充填技術。

圖1 冬瓜山銅礦立式砂倉活化造漿系統

1.3 膏體充填技術

膏體充填料是一種不離析、不沉淀、不脫水、可流動的非牛頓塑性流體，通常由礦山尾砂和水泥構成。膏體由稀尾砂漿制備，依靠濃密或過濾方法使尾砂漿脫水而制成。目前國內建有3座膏體充填系統，分別為金川鎳礦膏體充填系統、大冶銅綠山銅礦充填系統及云南會澤鉛鋅礦膏體泵送系統。

會澤鉛鋅礦膏體充填系統是我國目前最先進的全尾砂充填系統。其膏體充填工藝是將選場的全尾砂漿用離心泵接力輸送到地表充填站的緩沖槽，然后自流到有效容積為1100 m3的深錐濃密機中，添加絮凝劑后，使全尾砂均勻沉降，濃縮成重量濃度達到74%～76%的漿體，然后再泵送至一段攪拌槽使尾砂漿與水泥、水淬渣及水混合后，再進入二段螺旋攪拌裝置后，制備成重量濃度在80% ～82%的合格膏體充填料，通過泵壓輸送，經充填鉆孔輸送到待充填采空區。

1.4 廢石膠結充填技術

近年來，廢石膠結充填技術以其可以處理消納井下礦坑廢石，進一步實現廢石不出坑膠結充填的技術優勢備受關注，同時能為企業節省提升廢石環節的費用，解決部分礦山充填尾砂不足。

廢石膠結充填的實質是以礦山的掘進廢石或分采廢石作為充填集料，以水泥漿或膠結尾砂漿作為膠結介質，經充分混合后充入采空區的工藝與技術，包括廢石水泥漿膠結充填技術和廢石尾砂漿膠結充填技術。中國規模應用廢石膠結充填的礦山有豐山銅礦、吉林鎳礦、新橋硫鐵礦和銅坑錫礦等，而部分應用廢石的礦山則較多，如凡口鉛鋅礦、金川二礦和安慶銅礦等。

北京礦冶研究總院在安慶銅礦開展廢石尾砂膠結充填技術試驗研究，利用井下掘進的自然級配廢石與地表充填站制備的尾砂膠結料漿，采用多元化的混合方式充入采場(見圖2)。根據廢石料充填工藝不同，井下廢石尾砂膠結充填技術從以下2種方案中選擇:方案一，廢石料從充填溜井卸料充填方案，即在采場上方鉆鑿充填溜井，其位置應能使充填料均勻連續分布，廢石料通過充填溜井進入充填空區，而膠結料漿則通過充填管流進充填空區;方案二，廢石料通過小型變速皮帶拋擲機拋擲廢石料進入充填空區方案，即通過拋擲方式將廢石料充填入采空區，而膠結料漿通過充填管流進充填空區，根據拋擲方式不同，廢石料在采場中形成的廢石堆形狀不同，此方案可有效實現將廢石料拋擲至采空區中心，形成膠結料漿包裹廢石充填方案。這種充填方式較好的實現了廢石與膠結料漿在不同現場條件的協同充填。

圖2 廢石尾砂膠結充填系統

1.5 其他充填技術

干式充填工藝由于其勞動強度大、效率極低，目前很少應用，只在極個別礦山配合低效率的采礦工藝小規模應用。磨砂膠結充填已逐步減少，主要應用在金川二礦、龍首礦。高水固化膠結充填主要應用在三山島金礦、新城金礦及望兒山金礦等礦山。

泡沫砂漿充填是一種全新的膠結充填技術，利用泡沫技術將大量泡沫加入充填料漿中，減少水泥使用量，改善充填料漿流動性，提高充填料漿濃度，在保證充填強度質量的前提下可減少用水量和水泥用量，節約充填成本。目前泡沫砂漿充填技術已在凡口鉛鋅礦的井下采場充填成功應用。

2 礦山充填材料的應用

2.1 水泥

水泥目前仍是礦山膠結充填的主導膠凝材料。適用于礦山膠結充填的水泥品種一般為32.5級的普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥及火山灰質硅酸鹽水泥，其中應用普通硅酸鹽水泥最為廣泛。在膠結充填中，水泥材料費用一般占充填成本的60% ～70%以上，因此減小水泥用量或尋求廉價膠結劑是節約充填成本的主要途徑。

2.2 高水固化膠凝材料

高水固化材料是以鋁礬土為主料，配以多種無機原料和添加劑等經過破碎、烘干、配料、均化、燒制以及粉磨等工藝，制成甲乙2種固體粉料。主要包括高鋁水泥、石灰、石膏、速凝劑、解凝劑、懸浮劑等，一般加入全尾砂作為填料。

高水材料具有高水性能、速凝早強性能、懸浮性、流動性和可泵性，再生強度性能、材料無毒、無害、無腐蝕性能等優點，材料成本低于水泥成本，是替代水泥的礦山充填優勢膠結材料。

2.3 新型礦渣膠凝材料

北京礦冶研究總院與加拿大礦物能源技術中心(CANMET)合作研究，正在開發礦山充填新型膠結材料(可替代膠結劑)(見圖3)，這種膠結劑是利用礦山廢料和冶金廢渣制成，是完全可以替代水泥的膠結充填材料，且成本低廉，能減少廢料排放和環境破壞。新型礦渣膠凝材料屬于資源節約、環境友好型新材料，具有廣闊的應用前景。

圖3 新型礦渣膠凝材料

2.4 其他膠凝材料

粉煤灰在替代部分水泥時能有效改善充填料活性及流動性，同時也環保節約，正逐漸得到推廣應用。

冶煉爐渣已廣泛應用于水泥工業制造礦渣水泥，目前國內礦山用爐渣作為充填料主要是利用沒經過磨細的高爐爐渣和銅、鎳冶煉爐渣作為充填骨料的一部分，能有效改善充填料漿活性和提高充填料漿濃度，如大冶有色金屬公司銅綠山礦利用銅水淬渣作充填骨料，云南會澤鉛鋅礦利用全尾砂－水淬渣進行膏體充填。

地質聚合物是一類新型的膠凝材料，合成地質聚合物的原料以無機非金屬礦物和工業廢渣為主，主要有效成分為鋁－硅酸鹽，具有早期強度較高、耐酸堿腐蝕、耐熱耐高溫、吸收及固定重金屬離子等性能，可替代水泥廣泛應用于井下膠結充填。

3 充填設備發展與革新

3.1 膏體濃縮設備

美國FLSmith礦業公司研制的道爾－愛姆科深錐膏體濃密機是目前世界上最先進的膏體制備濃縮設備，其制漿濃度可達到71% ～75%，脫水效率高，適用于制備膏體充填料及尾礦干堆。會澤鉛鋅礦的膏體充填系統已經成功應用該濃縮機制備井下充填料漿(見圖4)。

圖4 深錐膏體濃縮機結構

芬蘭奧圖泰公司制造的SUPAFLO?膏體濃密機采用創新的自動稀釋系統、科學的耙架結構設計、高效的驅動系統及精確的自動控制技術，解決了尾礦物料脫水采用普通濃密機難以解決的挑戰。這種濃縮機是根據不同物料特性及用戶要求進行量身定制，具有絮凝有效性高、高效的液壓驅動、低阻力耙臂及最少壓耙事故等優點，可以制備出最高濃度達70%的尾礦漿體(見圖5)。

圖5 SUPAFLO?膏體濃密機

3.2 過濾設備

陶瓷過濾機是目前國際上公認的細粒級礦物過濾的(固液分離)設備，是集機電、微過濾板、自動化控制、超聲波清洗等高新技術為一體的新型產品。芬蘭拉羅克斯公司新推出的過濾機服務產品—奧圖泰拉羅克斯過濾機，具有節約能源與水的消耗，過濾效率高、效果好等優點。目前這種過濾機用于尾礦脫水的實例，在國內尚未見諸報道，其生產能力可滿足充填量小的膏體料漿制備，具有較好的推廣前景。

3.3 膏體泵送設備

膏體充填泵是在建筑工程混凝土泵的基礎上發展起來的。目前用于礦山充填的膏體泵主要有德國的普茨邁斯特(Putzmeister)公司和施維因(Schwing)公司的雙缸活塞泵和維爾泵(Wirth)、荷蘭的奇好(Geho)的雙缸隔膜泵。我國金川鎳礦和銅綠山銅礦膏體充填分別選用的是施維因公司生產的KSP－140HDR液壓雙缸活塞泵和KSP80HD雙缸活塞泵，云南會澤鉛鋅礦膏體充填系統選用奇好泵。截止目前，尚未有國產泵能滿足泵送膏體料漿要求。

4 發展趨勢

隨著礦產資源供需結構的變化和節能環保的要求日益嚴格，無廢開采是一種理想的生態采礦模式，高濃度/膏體全尾砂充填技術及廢石膠結充填技術或將成為無廢開采的核心技術載體。未來，高濃度/膏體全尾砂充填技術與廢石膠結充填技術應不是互相孤立的，而是互相結合、協同處理地表尾礦與井下廢物的可持續性融合技術。它們將成為最大限度減少廢物、資源和能源極致利用、環境污染與破壞最小的可持續采礦范例。

未來，低成本、環保的新型膠結材料的創新研究與開發或將越來越受到重視。隨著新型膠凝材料制備技術研究的不斷深入，能更多消納礦業廢物、具備更低成本的新型復合膠結材料(爐渣膠結劑和地聚物膠凝劑)的強度性能將能得到顯著改善，從而推動高濃度/膏體全尾砂膠結充填技術在更廣范圍的礦山推廣應用。同時更有效、更具成本效率并能適應更極端環境的尾礦膏體濃縮設備、泵送設備的研究開發將不斷得到創新發展;更精準、更智能的充填參數自動檢測儀表與自控系統、通信系統將能達到同步協調。

[1] Jewell R J，Fourie A B.Paste and Thickened Tailings－ A Guide[M].Australian Centre For Geomechanics，2006.

[2] Yves Potvin，Ed Thomas，Andy Fourie.Handbook on Mine Fill[M].Australian Centre For Geomechanics，2005.

[3] 施士虎，李浩宇，陳慧泉.礦山充填技術的創新與發展[J].中國礦山工程，2010，39(5):10 －19.

[4] 于潤滄.采礦工程師手冊[M].北京:冶金工業出版社，2009.

[5] 周愛民.礦山廢料膠結充填(第二版)[M].北京:冶金工業出版社，2010.

[6] 古德生，李夕兵.現代金屬礦床開采科學技術[M].北京:冶金工業出版社，2009.

[7] 孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴.當代膠結充填技術[M].北京:冶金工業出版社，2002.

[8] 周愛民.中國充填技術概述[J].礦業研究與開發，2004，24(S1):1－7.

[9] 陳忠平，翟淑花，高 謙，等.泡沫砂漿充填體力學特性及其應用研究[J].金屬礦山，2010，(8):7 －10.

[10] 王洪江，吳愛祥，肖衛國，等.粗粒級膏體充填的技術進展及存在的問題[J].金屬礦山，2009，(9):1 －5.

2011－04－02)