全尾砂胶结充填技术在金属矿山的应用

刘芳芳（河北地质职工大学,石家庄 050081）



全尾砂胶结充填技术在金属矿山的应用

刘芳芳
（河北地质职工大学,石家庄 050081）

摘 要：介绍了全尾砂胶结充填技术在金属矿山应用的现状，指出了全尾砂胶结充填工艺参数的确定。通过全尾砂胶结充填采空区，使尾矿进入井下，减少矿山地质灾害事故，实现矿产资源的二次利用，同时避免固体废料对环境的污染。

关键词：全尾砂；胶结充填；采空区

0 引言

进入21世纪工业社会以来，人类对能源的需求日益增大。矿山中蕴含着大量能源物质，我国未来的发展对其的依赖还很巨大。矿山开采在带来矿产资源的同时，也产生了大量的采空区和尾矿，这些未处理的采空区和形成于地表的尾矿库给矿山和社会带来了大量的重大安全隐患，是矿山最主要的危险源。

我国许多矿山都存在大量的采空区，致使矿山开采条件恶化，造成矿柱变形破坏，相邻作业区采场和巷道维护困难等地压现象。例如应用空场法采矿作业方式，采空区则利用采矿时留下的矿柱对采空区的顶板实施支护，未从长远角度考虑采空区多年以后因矿柱崩塌、冒顶、透水、地震等因数造成地表沉陷、房屋陷落、农田损毁的严重后果。

1 全尾砂胶结充填技术在金属矿山的应用现状

我国地下开采的金属矿山，多采用崩落法、空场法、充填采矿法，只有10%左右的矿山企业在使用充填采矿技术利用尾矿充填采空区。随着我国倡议建设绿色矿山，提高资源综合利用率，节能减排，保护环境，科学发展的模式得到人们的普遍认同，全尾砂胶结充填在以上这些方面具有明显的优越性。全尾砂胶结充填技术是一种新型高效的充填方式，随着该技术在矿山的实施运用，能最大限度的利用尾矿资源，以减少对环境的污染和土地、资源的浪费。可以从根本上解决矿产资源开采带来的环境和安全问题，同时还能充分地回收矿产资源，对于促进采矿工业与资源、环境、安全的协调发展，避免或减轻对大气、水体、土壤的污染，保护地表生态环境，节能减排降耗、保护人民群众的生命财产安全，提高矿山开采经济社会效益。同时，一些矿山开采将转向深部矿体、“三下矿体”以及其它复杂难采矿体，地压控制问题将日益突出，并成为深部高效、安全作业的主要障碍。胶结充填是深部及复杂应力环境下地压控制的有效途径。

例如中矿集团井下矿山原先采用上向分层分级尾砂充填采矿法，即在采出矿完成之后，用分级尾砂对采空区域进行充填。为使充填尾砂具有较好的渗水性，约有60%的粗尾砂能够用于井下充填，其余细尾砂被排入尾矿库储存。随着开采深度的快速延伸，深部地压应力不断增高，给安全管理和生产组织带来较大的困难。为实现安全高效采矿，该矿对井下矿山的充填工艺进行了全面改造，应用了上向进路式全尾砂胶结充填采矿法。将尾砂和水泥按照设定灰砂比造浆，再进入高速活化搅拌机进行活化搅拌，最后通过充填管路送入井下。整个流程通过电动控制系统对各阀门、开关，尤其是浓度、流量、灰砂比进行控制。

与传统分级尾砂充填工艺相比，全尾砂胶结充填采矿法实现了尾砂的全部利用，减少排入尾矿库尾砂的运输量，降低了尾矿库的管理成本，又保证了胶结充填材料的足够供应。由于胶结充填体的强度足够大，它可以在回采中起到间柱的作用，可以有效回采矿柱，大幅降低损失率和贫化率。分级尾砂充填损失率约为15%，年损失矿柱矿量约2.64万吨，而全尾砂胶结充填损失率约为8%，每年能够回收价值千万元的金属量。此外，在控制地应力显现集中和控制岩层移动方面，全尾砂胶结充填体结构坚硬、优势明显，并且为深部中段的回采提供了安全的作业环境［1］。

2 全尾砂胶结充填工艺

全尾砂胶结充填工艺是以物理化学和胶体化学的理论为基础，直接采用选厂尾砂浆，经浓密机和砂仓沉降脱水，将全尾砂与一定比例的水泥和水通过双轴叶片式搅拌机和高速活化搅拌机合成均质的胶结充填料，利用管道将充填料充入采场。尾砂流量，水泥流量，加水量以及合成充填体料浆的浓度等参数由自动控制系统进行控制。

以矿渣、水泥、半水石膏、脱硫石膏与生石灰作为胶凝材料，并且加入少量萘系高效减水剂，制备全尾砂胶结充填材料。为了保证充填体的质量，全尾砂充填料浆要求以高浓度状态输送。随着矿山开采深度的不断增加，管道输送距离加长，相对高差增大，输送系统更加复杂，系统的可靠性尤显重要。由于管道输送系统的复杂性，充填料浆管道输送系统在设计时仅仅依靠理论计算会产生较大的误差，料浆浓度、流速和输送阻力等各种参数主要受固体物料的物理性质、浆体流动性和管径等因素的影响，一般经过管道输送试验来确定［2］。从提高充填体强度来说，需提高充填料浆浓度。但浓度过高输送困难，而浓度过低则容易引起充填料离析，所以必须将充填料浓度控制在合理的范围内［3］。根据现场L管试验，将充填料浆配制成80%～60%的浓度进行塌落度试验，灰砂比按照1：4，1：6，1：8，1：12进行试验，确定充填料浓度为70%时，塌落度在20cm左右，灰砂比为1：8，基本符合矿山对充填体强度的要求。同时，也可以根据采矿要求调节不同的充填料浓度和灰砂比，在现场进行试验对比，优选胶结充填材料及灰砂配合比。以便满足不同矿山对充填体强度要求不同。确定充填体的稳定模型，进行全尾砂胶结充填开采的现场工程实践与应用推广。

3 全尾砂胶结充填金属矿山采空区

地下开采过后留下的空区，是地质灾害一大隐患，选厂排出的尾矿砂存放地表又不利于环保。由于尾矿排放不规范，导致库容利用率降低，阻碍了尾矿正常排放。。采空区充填尾矿是直接利用尾矿的最有效途径之一，将尾砂充填采空区，既可支撑采空区，避免地质灾害发生，又可减少地表污染，缓解了库容不足的矛盾，确保尾矿库继续使用。用尾矿作充填料，其充填费用较低。有的矿山由于地形的原因，不能设置尾矿库，将尾矿填入采空区就更有意义。

金属矿山一般采用管路充填，关键是高浓度尾矿的制备和胶结材料的选择。采空区充填一般在封堵墙砌完24h以后进行，以充分保证封堵墙达到工艺设计的抗压强度。根据采空区的实际情况，决定分几次充填，一般矿房充填分3次，即一次试充、预接顶充填、接顶充填。接顶充填工序必须在上次充填24h以后进行［4］。张马屯铁矿采用全尾胶结充填采空区的方法，将尾矿全部用于充填地下采空区。选矿尾矿浓缩采用浓缩--压滤的方法，获得浓度为75 %～80 %左右的滤饼，然后，采用双轴搅拌机和高速搅拌机将滤饼与水、水泥混匀，制成重量浓度约为60 % ～65 % 的膏体充填料浆［5］。

4 结语

全尾砂胶结充填在金属矿山作为一项新技术，须朝着改进充填工艺、改善充填体质量、降低充填成本、减少环境污染和生态破坏等方向努力，全尾砂胶结充填在深部回采和采空区充填与传统的回填相比都有非常明显的优势，因此进一步推广全尾砂胶结充填的应用，减少矿山地质灾害事故，实现矿产资源的二次利用，提高矿山企业的经济和社会效益，实现固体废料的减量排放或零排放，避免固体废料对环境的污染。

参考文献：

［1］烟台日报,2014-11-21［J］.

［2］刘同有.充填采矿技术与应用［M］.北京：冶金工业出版社,2001.

［3］芦世俊.全尾砂高浓度充填料浆自流输送系统特性分析及设计［J］.有色金属（矿山部分）,2010,62（02）.

［4］王凤波，苏红蕊.全尾砂胶结充填技术在马庄铁矿的应用［J］.生产技术,2010 .

［5］谢开维，何哲祥.张家屯铁矿全尾砂胶结充填的试验研究［J］.矿业研究与开发,1998,18（04）：8-10.

项目：本文受河北教育厅项目z2015152资助

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

作者简介：刘芳芳（1980-），女，讲师，主要从事工程地质、地质矿产方面教学工作。