膠結充填替代材料的研究與實踐

李 煒，周 旭，廖美權，林 強

(陜西煎茶嶺鎳業有限公司， 陜西略陽縣 724308)

膠結充填替代材料的研究與實踐

李 煒，周 旭，廖美權，林 強

(陜西煎茶嶺鎳業有限公司， 陜西略陽縣 724308)

在環保和資源利用率要求越來越高的戰略背景下，膠結充填采礦法以獨特的優勢逐步成為充填采礦的主流，但膠結充填費用約占采礦成本的25% ～40%，在滿足充填體強度的同時，要降低膠結充填成本，尋找適合礦山的充填材料無疑是最佳途徑。煎茶嶺鎳礦利用礦區周邊豐富的粉煤灰和冶煉爐渣部分替代充填料，不僅解決了粗骨料粒徑分布不均衡的問題，還大幅度地降低了充填成本，取得了較好的經濟效益和社會效益，為類似礦山在膠結充填采礦中降低成本和物料選擇提供了可借鑒的經驗。

膠結充填;替代材料;粉煤灰;爐渣;成本控制

1 膠結充填采礦的發展趨勢

充填采礦法在提高回采率、減低貧化率、控制地壓、減少工業固體廢棄物排放等方面，具有空場法和崩落法無法替代的優勢，隨著當今無軌采礦設備裝備水平、自動化控制水平、膠凝劑技術水平大幅度提高，膠結充填采礦法成為了高強度、高效率、高回收率的現代化采礦技術，在固體廢棄物治理、安全環保、礦產資源回收等方面極有研究和推廣意義。澳大利亞不許采用崩落法采礦，要求礦山必須將采空區進行回填;德國對采用膠結充填法的礦山進行政府補貼;加拿大立法強制礦山采用充填采礦法，使其達到開采礦山比例60%以上。世界范圍內采用膠結充填采礦法的比例迅速增長。

上向膠結充填采礦法為自下而上水平分層回采，隨著工作面向上逐層充填回采，充填體僅僅起到靜態支撐礦體上下盤圍巖的作用，因此充填體最終強度達到1.5 MPa即能滿足需要。下向膠結采礦法為自上而下分層回采，隨著工作面向下逐層充填回采，采礦活動完全在充填體下進行，充填體承受礦床動態結構應力，充填體最終強度至少要達到5 MPa以上才能滿足采礦需要。顯然，下向膠結充填需要增大膠結劑的使用量以保障充填體強度，高強度的充填體要求使得充填成本遠遠高于上向膠結充填。

據資料統計，我國采用膠結充填的有色金屬礦山比例僅為22%，而使用下向膠結充填采礦的礦山更不足1%，絕大部分礦山因充填成本高而被迫放棄采用。為緩解礦山開采產生的廢渣、工業固體廢棄物處理，消除礦區地質災害長期隱患，自流膠結充填以充填體強度高、輸送成本低、適應性廣等顯著特點必將成為充填采礦法的主流，必須盡快提高膠結充填采礦法在我國礦山采礦中的比重。

2 膠結充填采礦法成本

根據國內充填礦山生產資料統計，膠結充填成本一般占采礦總成本的25% ～40%，充填成本中膠結劑成本約占70%～80%。大型礦山年充填量往往達幾十萬甚至上百萬立方米，年消耗膠結劑達十萬至幾十萬噸，如生產能力750萬t/a的地下礦山，若采用上向膠結充填，年消耗充填用水泥為30～35萬t，費用達1.2億元以上，若采用下向膠結充填年水泥消耗將高達2.6億元。為此所有礦山都在尋找合適的替代材料來降低充填成本，以解決企業實際生產中成本居高不下的難題，但是膠結劑或者其他材料是否正確如何并確定最佳配比又直接決定著充填體強度，因此充填材料的選用對膠結充填采礦法廣泛應用具有重要的意義。

通常情況下，礦山根據自身內外部技術經濟條件，本著物料來源可靠、成本低廉、充填料漿制備輸送便利等原則，在確保充填體強度的條件下，選取合適的充填材料及配比。目前國內外所選用的充填集料主要有尾砂、重介質浮選尾礦、廢石、河砂、戈壁集料等，充填膠結劑主要有復合硅酸鹽水泥、礦渣水泥、鋼渣水泥等。為了在保證充填質量的前提下降低充填成本，國內外廣泛開展水泥代用品的研究與應用，如添加粉煤灰部分替代水泥、將礦渣及各種冶煉渣粉磨后添加活性激化劑從而部分或完全替代水泥。

煎茶嶺鎳礦受礦巖賦存條件的限制，選用下向膠結充填采礦法高濃度細砂管道自流膠結充填，灰沙比為1∶4，膠凝劑選用pc·32.5復合硅酸鹽水泥，粗骨料選用礦區周邊－3 mm人工砂，充填成本約占采礦成本的37%，接近膠結充填平均水平的上限，因此必須進行節約成本的系列研究，正確選定膠結劑和粗骨料的替代材料及合理配比。

3 充填替代材料選擇及對比

3.1 膠結劑替代材料選擇

(1)復合硅酸鹽水泥。復合硅酸鹽水泥是目前國內外運用最為廣泛、最為成熟的充填膠結劑。與各種充填集料混合均勻并充入采場，經養護后所形成的充填體是一種含有一定孔隙結構的完整的水泥結構物，充填料制備工藝相對簡單，灰砂比控制易于掌握，在井下溫度、濕度等環境條件下充填體強度可持續穩定增長，其安全可靠性好。

(2)高水速凝材料。高水速凝材料進入采場后雖可不脫水而在較短時間內凝結硬化，但充填體自身卻是一種高含水的物體，充填體中水所占的重量比例達60%～75%，體積比例更高達80%以上，充填體在較短時間內達到最高強度后，由于水化物的脫水使充填體強度逐步下降，充填體在力學上穩定性差，而且由于價格高、添加量不穩定、產地限制等，試驗中發現采用高水速凝材料替代部分水泥，成本最多降低4～6元/t，因此可以做為提高早期強度的替代材料，而不適宜做水泥的替代材料。

(3)礦渣水泥。礦渣水泥為硅酸鹽類膠結劑，參與料漿制備充入采場后，其水化產物為穩定的硅酸鈣凝膠，在井下環境條件下充填體具有同等的穩定性和可靠性，同時由于礦渣水泥經加工成干粉狀物料后，其產品粒度、容重等物理性能與水泥相同，可采用完全相同的運輸、存貯、給料、計量控制、充填料漿制備輸送等工藝設備，所以技術上僅對不同配比條件下充填強度進行比較。礦渣水泥等量替代20%復合硅酸鹽水泥，充填試塊較全水泥膠結劑試塊強度更高，表1為煎茶嶺復合硅酸鹽水泥試塊與礦渣水泥、復合硅酸鹽水泥混合試塊強度試驗對比。

表1 各類充填材料試塊強度試驗對比

由表1可見，礦渣水泥具有非常好的膠結效果，是理想的膠結材料，可以部分替代或者全部替代。但是煎茶嶺鎳礦礦區300 km范圍內無礦渣水泥，受產地和運費限制，測算成本高于全復合硅酸鹽水泥，無法選擇和替代。有礦渣水泥使用條件的礦山應盡可能選用，膠結劑消耗量可減少5% ～10%左右，充填成本可明顯降低。

(4)粉煤灰。粉煤灰是人工火山灰質混合材料，絕大部分來自熱電廠燃煤產生，是一種工業固體廢棄物，本身略有水硬膠結性，與水泥中的氫氧化鈣等堿性物質化學反應后具有明顯水硬膠凝性能。由于粉煤灰低廉的價格和化學反應后具有的膠凝性能，且在良好的輸送性、減少管道磨損、提高充填體早期強度方面有一定的優勢，膠結充填中部分替代水泥膠結劑是完全可行的。

由于粉煤灰只是略呈膠結性能，滲透率較低，國家規范規定粉煤灰添加總量不得超過30%。煎茶嶺鎳礦在下向膠結充填中粉煤灰采用超量替代法，即減少10%水泥使用量需用20%粉煤灰來替代，充填體強度完全滿足要求。

3.2 粗骨料替代材料選擇

國內外大量試驗研究及生產實踐表明，高爐水淬渣、冶煉渣、分級尾砂等工業固體廢棄料經簡單加工后均可作為粗骨料膠結充填。這些替代材料可平衡和改善粗骨料粒級分布，使粗骨料可以達到最佳級配，滿足細度模數要求的技術條件并能穩定充填體質量。

3.3 國內外部分礦山膠結劑及粗骨料應用

礦山在充填膠結劑和骨料選擇中，根據礦區可用材料利用條件，選擇最佳物料組合和配比，使膠結充填成本能合理控制。應當特別注充填方式對充填體有不同的要求，下向膠結充填由于對強度有嚴格的要求，不可為節約成本而降低灰砂比或者隨意選取膠結劑和粗骨料。國內外部分礦山膠結劑及粗骨料應用對比見表2。

表2 國內外部分礦山膠結劑及粗骨料應用對比

4 煎茶嶺鎳礦選擇充填替代材料

煎茶嶺鎳礦下向膠結充填工藝設計中，僅選擇了人工砂和復合硅酸鹽水泥2種充填材料，本著降低充填成本和環保的目標，為消除人工砂粒徑級配波動，利用礦區周邊電廠粉煤灰和冶煉爐渣充足的有利條件，對粉煤灰和冶煉爐渣替代部分充填料做了系統研究，取得較好的效果。需要提示的是，所有參與充填的物料對SO3都必須嚴格限制，SO3超標會造成充填體遠期大幅下降。一般規定物料總SO3不得超過5%為宜。

(1)粉煤灰替代水泥。經分析粉煤灰價格盈虧平衡點為水泥的47%，實際粉煤灰價格僅為水泥的29%，經濟上完全具備使用條件。煎茶嶺鎳礦按照10%梯度遞減水泥，同時選用F類Ⅰ級粉煤灰超量替代膠結劑，目前已經將水泥消耗量由300 kg/m3減少到270 kg/m3，使用證明完全成功。正在工業試驗將水泥消耗降低到240 kg/m3，最終實現水泥消耗量為210 kg/m3。

礦山利用粉煤灰替代水泥后，充填成本下降8%。使用粉煤灰后輸送管道磨損減輕，變徑及彎頭的服務期限延長了約38%。同時在添加粉煤灰后，充填體早期強度有所提高，由原來的7.1 MPa提高到 8.9 MPa。

(2)冶煉爐渣替代。礦山充填用粗骨料設計要求細度模數為2.6 ～2.9，但人工砂一直在2.9 ～3.4波動，造成臨界流速紊亂，輸送過程總多次造成淤積堵管，造成充填體離析脫層。經過配比試驗，使用80%人工砂、20%冶煉爐渣，粗骨料細度模數穩定在2.8±0.1范圍，完全達到了粗骨料最佳級配，見表3。冶煉爐渣的成本僅為人工砂的78%，因此使充填成本下降了約4%。

表3 冶煉爐渣與人工砂配合細度模數對比

5 結論

膠結充填礦山充填料來源和成本條件各不相同，膠結充填材料以適合礦山供應條件，達到充填體強度為標準，選擇成本最低的材料來進行膠結充填，是降低膠結充填成本的關鍵。

煎茶嶺鎳礦在下向膠結充填中，利用礦區物料條件，合理選擇充填材料和部分替代材料，不僅解決了粗骨料粒級分布不均衡的問題，在膠結劑和骨料中添加粉煤灰和冶煉爐渣替代材料，在達到充填體強度的情況下，充填成本降低了12%左右，獲得良好的經濟效益和社會效益，為類似礦山提供了可借鑒經驗。

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2011－03－22)

李 煒(1960－)，男，陜西戶縣人，高級工程師，碩士，從事礦山采礦技術研究。