陳生凱，申 寧，李 帆

1 膠結充填采礦技術工藝的發(fā)展簡述

由于充填采礦法的作業(yè)安全性較高，可基本保證礦山金礦資源的較高采礦回收率，有效防止地表和井下采空區(qū)出現(xiàn)地質塌陷災害，進而保護礦山環(huán)境，所以越來越廣泛地應用在有色金屬礦山采礦活動中，現(xiàn)已成為眾多采礦工程技術人員研究和關注的前端性課題。尾砂膠結充填技術自上世紀60年代開始，起步應用于我國礦山化工企業(yè)井下采空區(qū)充填。對充填體強度影響較大的充填骨料的物理化學性質、充填料漿的制備輸送技術工藝、充填體的結構力學特性和地壓承受力、低成本的膠凝材料選用等方面是這一階段的主要研究方向。在這一時期傳統(tǒng)建筑領域的商砼施工要求，作為尾砂膠結充填的參照，受生產(chǎn)水平限制，以粗骨料制備充填膠結體的級配制作工藝難以達到實際充填要求，加之充填在我國礦山實際開采中一直未獲普遍使用，在此后10年間反被細砂膠結充填逐步取代。因為細砂膠結充填比較高的生產(chǎn)能力，可借助管道水力輸送充填料漿，80年代開始慢慢在國內(nèi)礦山逐步應用推廣，當時充填料漿用水泥作凝膠材料使得充填成本大大增加，高濃度輸送在當時因技術原因難以實現(xiàn)，進入采空區(qū)的低濃度充填料漿，由于高含水率還需專門進行過濾水工作，這樣既降低了充填體的強度，過濾水又污染了地下水。為降低整體的充填成本，實現(xiàn)就近取材，提高充填強度，滿足采空區(qū)充填要求，近年來在前人基礎上又研究發(fā)展了許多不同材料的新型膠結充填技術工藝，例如高濃度全尾砂膠結充填、分級尾砂和碎石水力充填、塊石膠結充填和膏體泵送充填等。近年來由于礦業(yè)大宗商品價格不斷走俏，水泥的替代品和來源廣、價格低廉的充填材料研究應用取得實質性突破，傳統(tǒng)上不宜采用充填采礦法的礦山企業(yè)也紛紛引進采用充填采礦技術。

2 研究分析充填采礦法的背景、目的及意義

五龍溝金礦自2006年至今，該金礦在生產(chǎn)大量黃金產(chǎn)品的同時，也存在如技術、經(jīng)濟、環(huán)保和安全難題，由此礦山的經(jīng)濟效益、服務年限和可持續(xù)發(fā)展的能力受到嚴重制約。

2.1 采區(qū)礦體賦存地質條件復雜、開采難度大

東昆中陸塊二級構造單元-東昆中巖漿弧帶三級構造單元是該礦區(qū)的大地構造位置大致所在范圍，該位置介于東昆中、東昆北兩深斷裂之間。五龍溝礦區(qū)四個采區(qū)的范圍全部位于螢石溝至紅旗溝韌性剪切帶中，巖層主要地質特征是復雜的地質構造結構，同時巖漿侵入活動強烈。礦體斷裂帶坍塌、垮滑現(xiàn)象較多，嚴格受破碎蝕變帶控制。礦體多由糜棱巖、碎裂巖、斷層泥等組成，構造破碎嚴重，遇水容易發(fā)生軟化，井下采礦作業(yè)容易發(fā)生頂板圍巖坍塌、掉塊，分層底板裂縫下沉等安全問題，在采準切割過程中礦山采區(qū)巷道需要用錨網(wǎng)噴工藝作長久支護，導致開采技術難度大，采礦成本增大。

2.2 礦山面臨深部開采問題，作業(yè)安全性及采礦經(jīng)濟指標無法保障

目前采區(qū)最低已經(jīng)開拓采準到3160m中段，隨著整個礦山開采中段的不斷下降，井下深部礦體厚度在逐漸變薄，礦石品位持續(xù)變低，礦體受斷裂控制較為分散，頂板圍巖不穩(wěn)定，給礦山回采作業(yè)安全帶來嚴重影響。現(xiàn)使用的無底柱崩落法和空場采礦法無法滿足井下深部礦體開采需求，為有效提高金礦資源的回收率及井下采礦作業(yè)安全性，降低貧化、損失率，實現(xiàn)礦物質資源回收的最大化，改善礦山作業(yè)環(huán)境，持續(xù)推進“十佳礦山”礦山建設，對膠結充填采礦法可行性進行研究分析十分必要。

2.3 現(xiàn)有尾礦庫容將罄、尾礦面臨處置難題

目前礦山一號尾礦庫已閉庫，二號尾礦庫服務年限尚有6年左右，尾礦庫服務年限已經(jīng)無法滿足礦山發(fā)展需求。在政府層面新建尾礦庫的手續(xù)審批難度不斷增大，而且尾礦庫占用地、建設維護和閉庫治理的費用對企業(yè)來說是一筆不小的成本支出?，F(xiàn)礦山選廠尾砂產(chǎn)量約為3700t/d，根據(jù)《環(huán)境保護稅法》，又將使礦山每年增加1248萬元的排尾成本。

2.4 開拓掘進廢石面臨處置難題

礦山每年須外排開拓掘進廢石約7萬m3，地表廢石堆場庫容不足，且廢石地表堆存對地面環(huán)境、生態(tài)造成一定影響，同時還須安排人力物力對廢石地表堆存進行處置管理，提高了礦山日常生產(chǎn)運營成本。

3 充填采礦方法的適用條件簡括

對采礦方法的應用選擇起主要影響的因素是礦體地質賦存條件，充填采礦法的主要適用條件可基本概括為以下幾種情況：

（1）開采高品位、高價值的礦石時要求采用礦石資源回收率高、損失貧化低的采礦方法。

（2）礦體的地質條件復雜。①工程地質、水文地質情況復雜，可開采作業(yè)條件一般；②井下礦體埋藏較深且采區(qū)的地壓比較大，容易發(fā)生巖爆；③地表有重要的保護工程，不允許有大面積陷落。

（3）礦體與圍巖的堅固穩(wěn)定性、礦巖接觸情況、礦體分枝復合等因素，通常也會影響采礦方法的選擇。

（4）礦體的傾角和厚度較大，可減小充填料與采場頂板的接觸，增加有效充填面積，有利于向采場輸送充填料，通常采用充填法采礦。

4 關鍵性技術研究分析

4.1 具體充填方法的研究選擇

整個采區(qū)礦體主要賦存于糜棱巖化斜長花崗巖、碎裂巖、石英片巖、大理巖及黑云母斜長片麻巖等巖石，同時這些巖石又作為礦體的頂?shù)装搴蛢蓭?，有時甚至夾在礦體中間成為廢石。礦體的形態(tài)基本為條帶狀、脈狀和透鏡狀，礦體傾角范圍在4°～89°之間，礦體平均厚度為0.8m～11m。各采區(qū)圍巖及礦體的穩(wěn)固性差別大，礦體的頂?shù)装鍑鷰r以軟弱和半堅硬巖石為主。區(qū)內(nèi)礦體與圍巖接觸帶部位靡棱巖化強烈，該地段圍巖往往穩(wěn)固性差，易造成采場或巷道坍塌，對實際生產(chǎn)造成安全隱患。通過對比分析《改擴建初步設計》推薦的采礦方法實際效果，同時結合現(xiàn)采區(qū)實際情況，得到可采用的充填方法如下：

四個采區(qū)中紅旗溝、黑石溝圍巖穩(wěn)固性相對較好，黃龍溝次之，水閘東溝最差；礦區(qū)內(nèi)礦體中等穩(wěn)固；水閘東溝、黃龍溝下盤圍巖穩(wěn)固性優(yōu)于上盤，黃龍溝上盤圍巖穩(wěn)固性優(yōu)于水閘東溝。水閘東溝采區(qū)礦體厚度一般在1.81m～7.55m，礦體傾角一般為50°～83°；黃龍溝采區(qū)礦體厚度一般在4m～9.04m，礦體傾角一般為53°～85°；黑石溝采區(qū)礦體厚度一般在2m～6m，礦體傾角一般為55°～68°。研究對比可采用的充填方法為：分段空場嗣后充填法適用于礦巖穩(wěn)定性高，硬度大且礦體平均厚度大于5m的地段，下向水平分層進路充填法用于礦巖破碎性強，頂?shù)装宀环€(wěn)固厚度大于5m的地段；厚度小于5m且礦巖整體穩(wěn)固好的地段，采用上向進路充填法進行充填。

紅旗溝采區(qū)的礦體厚度一般在0.8m～11.9m，礦體傾角一般為30°～74°，QM7號礦體局部在6°左右，研究對比可采用的充填方法為：礦體厚度大于5m且礦巖穩(wěn)固的緩傾斜礦體，采用上向水平分層充填采礦法；礦巖穩(wěn)固的傾斜、緩傾斜且厚度小于5m的礦體，采用上向進路充填法；厚度大于5m且礦巖穩(wěn)固急傾斜礦體，采用分段空場嗣后充填法充填；反之礦巖不穩(wěn)固傾斜礦體，用下向水平分層進路充填法。

4.2 膠結充填的充填骨料和配比研究

充填骨料是充填材料的重要組成部分，在礦山選擇合適的充填材料，可以保障充填系統(tǒng)的經(jīng)濟平穩(wěn)運行，有利于礦山確保經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展。采區(qū)每年產(chǎn)生空區(qū)量約為34.62萬m3，需要的充填骨料用量大，所以充填骨料來源和成本是選擇充填骨料的第一考慮因素。礦山全尾砂年產(chǎn)出量為82.8萬t，其來源方便、成本低廉，還能降低尾礦壩的容積壓力，所以可用全尾砂作為充填材料。根據(jù)充填材料試驗結果，采用膠固粉作為膠凝材料的配比試驗結果優(yōu)于采用水泥作為膠凝材料的配比試驗結果，膠固粉價格低廉，作為凝膠材料成本遠低于水泥，故可采用膠固粉取代傳統(tǒng)水泥充填方式，作為礦山井下充填膠凝材料。

通過測定充填材料物理性能，選擇不同充填配比參數(shù)，制作充填體試塊，再對充填體單軸抗壓強度與抗拉強度進行測試，最后加以分析得到膠結充填的最優(yōu)配比參數(shù)。根據(jù)采區(qū)各個位置對充填體強度要求不同，試驗分析得到可采用的具體充填配比參數(shù)（以膠固粉作為膠凝材料）如下：

（1）分段空場嗣后全尾砂+廢石充填采礦法：采場礦房的料漿充填采用灰砂比1：8，質量濃度為72%～74%的充填料漿；采場礦柱充填灰砂比采用1：20，質量濃度為72%～74%的充填料漿，或廢石+低強度全尾砂膠結充填與上個分層底板完全接觸。

（2）下向進路充填法，采場空區(qū)底部澆筑灰砂比采用1：4，充填料漿濃度74%，采用1：15的灰砂比進行采空區(qū)頂部充填，質量濃度為72%～74%的充填料漿，使用這類充填法時采場整體的綜合灰砂配比可為1：8。

（3）上向進路（分層）充填法，澆筑巷道面時，為保證回采速度及設備行走，采用灰砂比1：8，質量濃度72%～74%的料漿；進路或分層其余部分，采用灰砂比1：20，質量濃度72%～74%的料漿；整個采場最下面分層灰砂比采用1：4，質量濃度74%，可有效保障回收底柱作業(yè)時的安全。

4.3 尾砂長距離輸送方案研究

采用管道輸送方式可以實現(xiàn)尾礦的大宗量、遠距離、長期穩(wěn)定輸送，輸送過程封閉，安全性、可靠性高，環(huán)境影響小。參考國內(nèi)外尾砂輸送經(jīng)驗，可初步確定2種尾礦管道輸送方案，具體如下：

低濃度輸送方案：選廠產(chǎn)出的全部尾礦漿采用隔膜泵輸送至黃龍溝采區(qū)3450m東口充填制備站，借助尾砂沉降設施將濃度稀釋至10%左右后再添加絮凝劑進行濃縮沉降，底流進入攪拌系統(tǒng)，與膠固粉混合加入水之后攪拌形成滿足質量要求的充填料漿，工業(yè)泵送至采空區(qū)進行充填。

高濃度輸送方案：在選廠附近將尾礦漿濃密至質量濃度72%左右，通過充填工業(yè)泵遠程輸送至黃龍溝采區(qū)3450m東口充填制備站，直接進入攪拌系統(tǒng)，與膠凝材料加水攪拌形成滿足質量要求的充填料漿，泵送至采空區(qū)進行充填。

通過比較可以得出：方案I因輸送料漿濃度低，尾礦輸送流量大，需大流量隔膜泵輸送，而且回水量大，系統(tǒng)投資及運行成本高；方案Ⅱ輸送膏體料漿，雖然無需回水，但由于回填制漿濃度要求高，輸送膏體流變性復雜，泵輸壓力高。更重要的是，高濃度料漿遠距離輸送容易離析，泵送可靠性低。故尾砂漿輸送可采用低濃度輸送方案，即選廠產(chǎn)出的尾礦漿直接通過隔膜泵管道輸送至黃龍溝采區(qū)3450水平東口充填制備站。相關參數(shù)可確定如下。

4.3.1 輸送流量

管道設計輸送礦漿量92t/h，質量濃度28%，尾礦漿體密度1.22t/m3，考慮到尾砂漿輸送時的不穩(wěn)定性，取不均勻系數(shù)，計算實際輸送流量為297.49m3/h。

4.3.2 輸送管道

全尾砂漿輸送管道的主要參數(shù)包括臨界流速和臨界管徑?？捎糜嬎惴ù_定臨界流速。用杜拉德公式估算得全尾砂漿的臨界流速為0.73m/s，用凱夫公式計算可得臨界流速為1.81m/s。取最大值，即臨界流速為1.81m/s。

輸砂管道直徑：依據(jù)計算結果，充填管道內(nèi)徑應該略小于241.83mm。

4.3.3 管道型號選擇

根據(jù)管道直徑計算結果，考慮管道在輸送尾砂和料漿時受到摩擦磨損等情況因素，結合國內(nèi)有關礦山尾礦漿輸送經(jīng)驗，供砂管道實際的內(nèi)徑可選定為214mm。

4.3.4 輸送泵

根據(jù)輸送料漿濃度和臨界流速，參考其他礦山類似條件礦漿輸送經(jīng)驗，計算其漿體輸送壓力為5.66MPa。鑒于管線中間有部分峰點，考慮管線高差因素，主泵輸送壓力不小于6MPa。

4.4 對比選擇全尾砂濃縮方式

全尾砂充填系統(tǒng)的關鍵是全尾砂的濃縮和放砂技術，縱觀國內(nèi)外全尾砂充填系統(tǒng)應用現(xiàn)狀，礦山兩個選廠排出的低濃度全尾砂通過泵送系統(tǒng)輸送至充填制備站砂倉系統(tǒng)進行濃縮和儲存。全尾砂砂倉分為立式砂倉和深錐濃密機兩種形式。

我國立式砂倉的應用研究起步早，在實際應用和市場上屬于較成熟的分級尾砂濃縮與沉降設施。其優(yōu)點是自動化應用強，設備工藝成熟度高，有利于工人實際操作；缺點是向管道輸送放砂的濃度時高時低不穩(wěn)定，溢出充填料漿中的固體含量偏高，跑渾現(xiàn)象明顯，導致沉降效果差，一般要2座交替使用，增加了充填基建成本。目前而言國產(chǎn)深錐濃密機的發(fā)展大概經(jīng)歷了4個階段，日趨成熟。具有運行成本低，設備放砂濃度高且穩(wěn)定，臨時土地占用面積小，基建時間短，可快速投入生產(chǎn)，損壞維修時較方便的優(yōu)點。

綜合考慮各方面因素，礦山采用深錐濃密機濃縮沉降全尾砂是比較合適的。

4.5 充填制備站主要工藝系統(tǒng)研究

（1）深錐濃密機。根據(jù)全尾砂靜態(tài)與動態(tài)沉降試驗成果，在最佳絮凝參數(shù)下，濃密機需要處理的全尾砂最大量為92t/h，算得濃密機面積不小于153.33m2，其直徑不小于13.97m，同時還要考慮到供砂的波動性，結合市場可選用直徑為16m的深錐濃密機。

（2）膠凝材料儲存與輸送系統(tǒng)。按水泥用量最大的灰砂比1：4，最大連續(xù)充填作業(yè)10h計算，最大充填膠凝材料消耗量為421.5t，充填制備站的膠凝材料倉容積應不小于367.32m3。按照20%的用灰量計算，給料輸送機向料倉添加膠固粉時給料能力應大于36.48t/h。

（3）攪拌系統(tǒng)。目前國內(nèi)的充填攪拌系統(tǒng)主要分為臥式攪拌機和立式攪拌桶。臥式攪拌機對于粗骨料、多骨料混合漿體或膠結性能較差的骨料攪拌效果較好；立式攪拌桶適合于細骨料或骨料單一且不易分層離析的漿體攪拌。由于礦山尾礦庫全尾砂的粒徑適中，骨料單一，以礦山全尾砂作為充填骨料時采用立式攪拌桶對料漿進行攪拌制備比較合適。

（4）泵送系統(tǒng)。以輸送最困難區(qū)域為基準（最高輸送高度+3810m，充填站的實際標高為+3450m），最遠輸送距離約為3km，高差相差約360m，參考國內(nèi)外充填礦山經(jīng)驗，全尾砂充填料漿的單位沿程阻力損失取3MPa，得到充填管路最大的阻力損失16.54MPa。參照市場設備采用最大輸送方量160m3/h，最大出口壓力17MPa的工業(yè)泵可滿足需求。在生產(chǎn)應用過程中為了減小充填工業(yè)泵的工作負荷，延長使用年限，改善料漿流動性能，可以適當添加泵送劑。

（5）充填管路系統(tǒng)。充填系統(tǒng)按年生產(chǎn)能力90萬t/a計劃，產(chǎn)生空區(qū)量約為34.62萬m3/a，采礦工作制度為225d/a，礦山掘進過程中產(chǎn)生7萬m3/a廢石，通過具體計算得到充填料漿制備能力為144.58m3/h。所以為了滿足充填所需，采區(qū)充填站的料漿制備能力應略大于145m3/h。參考國內(nèi)外充填礦山經(jīng)驗，結合礦山實際情況，可選用Φ219mm×11mm無縫鋼管作為充填管路。

5 結論

通過試驗研究分析表明該金礦以尾礦庫尾砂作為充填骨料，以添加膠固粉作為凝膠材料的充填料漿在采空區(qū)充填的強度基本滿足目前礦山井下礦體回采作業(yè)的安全技術要求。采用膠固粉作為膠凝材料可使充填成本大大降低，遠低于用水泥作凝膠材料進行充填采礦的礦山。全尾砂膠結充填采礦方法，其低濃度輸送工藝和膏體膠結充填技術方案在國內(nèi)礦山的應用有不少成功案例，該充填采礦方法實施應用基本上是成熟可靠的。同時隨著國家要求行業(yè)建設綠色礦山，提升礦產(chǎn)資源利用率，可持續(xù)發(fā)展模式得到了社會的廣泛認同，在上述方面全尾砂膠結充填采礦法具有比較明顯的技術優(yōu)勢，應用性較強。