全尾砂膠結充填技術在金屬礦山的應用

劉芳芳（河北地質職工大學,石家莊 050081）

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全尾砂膠結充填技術在金屬礦山的應用

劉芳芳
（河北地質職工大學,石家莊 050081）

摘 要：介紹了全尾砂膠結充填技術在金屬礦山應用的現狀，指出了全尾砂膠結充填工藝參數的確定。通過全尾砂膠結充填采空區，使尾礦進入井下，減少礦山地質災害事故，實現礦產資源的二次利用，同時避免固體廢料對環境的污染。

關鍵詞：全尾砂；膠結充填；采空區

0 引言

進入21世紀工業社會以來，人類對能源的需求日益增大。礦山中蘊含著大量能源物質，我國未來的發展對其的依賴還很巨大。礦山開采在帶來礦產資源的同時，也產生了大量的采空區和尾礦，這些未處理的采空區和形成于地表的尾礦庫給礦山和社會帶來了大量的重大安全隱患，是礦山最主要的危險源。

我國許多礦山都存在大量的采空區，致使礦山開采條件惡化，造成礦柱變形破壞，相鄰作業區采場和巷道維護困難等地壓現象。例如應用空場法采礦作業方式，采空區則利用采礦時留下的礦柱對采空區的頂板實施支護，未從長遠角度考慮采空區多年以后因礦柱崩塌、冒頂、透水、地震等因數造成地表沉陷、房屋陷落、農田損毀的嚴重后果。

1 全尾砂膠結充填技術在金屬礦山的應用現狀

我國地下開采的金屬礦山，多采用崩落法、空場法、充填采礦法，只有10%左右的礦山企業在使用充填采礦技術利用尾礦充填采空區。隨著我國倡議建設綠色礦山，提高資源綜合利用率，節能減排，保護環境，科學發展的模式得到人們的普遍認同，全尾砂膠結充填在以上這些方面具有明顯的優越性。全尾砂膠結充填技術是一種新型高效的充填方式，隨著該技術在礦山的實施運用，能最大限度的利用尾礦資源，以減少對環境的污染和土地、資源的浪費。可以從根本上解決礦產資源開采帶來的環境和安全問題，同時還能充分地回收礦產資源，對于促進采礦工業與資源、環境、安全的協調發展，避免或減輕對大氣、水體、土壤的污染，保護地表生態環境，節能減排降耗、保護人民群眾的生命財產安全，提高礦山開采經濟社會效益。同時，一些礦山開采將轉向深部礦體、“三下礦體”以及其它復雜難采礦體，地壓控制問題將日益突出，并成為深部高效、安全作業的主要障礙。膠結充填是深部及復雜應力環境下地壓控制的有效途徑。

例如中礦集團井下礦山原先采用上向分層分級尾砂充填采礦法，即在采出礦完成之后，用分級尾砂對采空區域進行充填。為使充填尾砂具有較好的滲水性，約有60%的粗尾砂能夠用于井下充填，其余細尾砂被排入尾礦庫儲存。隨著開采深度的快速延伸，深部地壓應力不斷增高，給安全管理和生產組織帶來較大的困難。為實現安全高效采礦，該礦對井下礦山的充填工藝進行了全面改造，應用了上向進路式全尾砂膠結充填采礦法。將尾砂和水泥按照設定灰砂比造漿，再進入高速活化攪拌機進行活化攪拌，最后通過充填管路送入井下。整個流程通過電動控制系統對各閥門、開關，尤其是濃度、流量、灰砂比進行控制。

與傳統分級尾砂充填工藝相比，全尾砂膠結充填采礦法實現了尾砂的全部利用，減少排入尾礦庫尾砂的運輸量，降低了尾礦庫的管理成本，又保證了膠結充填材料的足夠供應。由于膠結充填體的強度足夠大，它可以在回采中起到間柱的作用，可以有效回采礦柱，大幅降低損失率和貧化率。分級尾砂充填損失率約為15%，年損失礦柱礦量約2.64萬噸，而全尾砂膠結充填損失率約為8%，每年能夠回收價值千萬元的金屬量。此外，在控制地應力顯現集中和控制巖層移動方面，全尾砂膠結充填體結構堅硬、優勢明顯，并且為深部中段的回采提供了安全的作業環境［1］。

2 全尾砂膠結充填工藝

全尾砂膠結充填工藝是以物理化學和膠體化學的理論為基礎，直接采用選廠尾砂漿，經濃密機和砂倉沉降脫水，將全尾砂與一定比例的水泥和水通過雙軸葉片式攪拌機和高速活化攪拌機合成均質的膠結充填料，利用管道將充填料充入采場。尾砂流量，水泥流量，加水量以及合成充填體料漿的濃度等參數由自動控制系統進行控制。

以礦渣、水泥、半水石膏、脫硫石膏與生石灰作為膠凝材料，并且加入少量萘系高效減水劑，制備全尾砂膠結充填材料。為了保證充填體的質量，全尾砂充填料漿要求以高濃度狀態輸送。隨著礦山開采深度的不斷增加，管道輸送距離加長，相對高差增大，輸送系統更加復雜，系統的可靠性尤顯重要。由于管道輸送系統的復雜性，充填料漿管道輸送系統在設計時僅僅依靠理論計算會產生較大的誤差，料漿濃度、流速和輸送阻力等各種參數主要受固體物料的物理性質、漿體流動性和管徑等因素的影響，一般經過管道輸送試驗來確定［2］。從提高充填體強度來說，需提高充填料漿濃度。但濃度過高輸送困難，而濃度過低則容易引起充填料離析，所以必須將充填料濃度控制在合理的范圍內［3］。根據現場L管試驗，將充填料漿配制成80%～60%的濃度進行塌落度試驗，灰砂比按照1：4，1：6，1：8，1：12進行試驗，確定充填料濃度為70%時，塌落度在20cm左右，灰砂比為1：8，基本符合礦山對充填體強度的要求。同時，也可以根據采礦要求調節不同的充填料濃度和灰砂比，在現場進行試驗對比，優選膠結充填材料及灰砂配合比。以便滿足不同礦山對充填體強度要求不同。確定充填體的穩定模型，進行全尾砂膠結充填開采的現場工程實踐與應用推廣。

3 全尾砂膠結充填金屬礦山采空區

地下開采過后留下的空區，是地質災害一大隱患，選廠排出的尾礦砂存放地表又不利于環保。由于尾礦排放不規范，導致庫容利用率降低，阻礙了尾礦正常排放。。采空區充填尾礦是直接利用尾礦的最有效途徑之一，將尾砂充填采空區，既可支撐采空區，避免地質災害發生，又可減少地表污染，緩解了庫容不足的矛盾，確保尾礦庫繼續使用。用尾礦作充填料，其充填費用較低。有的礦山由于地形的原因，不能設置尾礦庫，將尾礦填入采空區就更有意義。

金屬礦山一般采用管路充填，關鍵是高濃度尾礦的制備和膠結材料的選擇。采空區充填一般在封堵墻砌完24h以后進行，以充分保證封堵墻達到工藝設計的抗壓強度。根據采空區的實際情況，決定分幾次充填，一般礦房充填分3次，即一次試充、預接頂充填、接頂充填。接頂充填工序必須在上次充填24h以后進行［4］。張馬屯鐵礦采用全尾膠結充填采空區的方法，將尾礦全部用于充填地下采空區。選礦尾礦濃縮采用濃縮--壓濾的方法，獲得濃度為75 %～80 %左右的濾餅，然后，采用雙軸攪拌機和高速攪拌機將濾餅與水、水泥混勻，制成重量濃度約為60 % ～65 % 的膏體充填料漿［5］。

4 結語

全尾砂膠結充填在金屬礦山作為一項新技術，須朝著改進充填工藝、改善充填體質量、降低充填成本、減少環境污染和生態破壞等方向努力，全尾砂膠結充填在深部回采和采空區充填與傳統的回填相比都有非常明顯的優勢，因此進一步推廣全尾砂膠結充填的應用，減少礦山地質災害事故，實現礦產資源的二次利用，提高礦山企業的經濟和社會效益，實現固體廢料的減量排放或零排放，避免固體廢料對環境的污染。

參考文獻：

［1］煙臺日報,2014-11-21［J］.

［2］劉同有.充填采礦技術與應用［M］.北京：冶金工業出版社,2001.

［3］蘆世俊.全尾砂高濃度充填料漿自流輸送系統特性分析及設計［J］.有色金屬（礦山部分）,2010,62（02）.

［4］王鳳波，蘇紅蕊.全尾砂膠結充填技術在馬莊鐵礦的應用［J］.生產技術,2010 .

［5］謝開維，何哲祥.張家屯鐵礦全尾砂膠結充填的試驗研究［J］.礦業研究與開發,1998,18（04）：8-10.

項目：本文受河北教育廳項目z2015152資助

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.197

作者簡介：劉芳芳（1980-），女，講師，主要從事工程地質、地質礦產方面教學工作。