礦山膠結充填發展現狀及展望

龐 博 程 坤 王玉凱

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院)

礦山充填開采技術歷經了幾十年的發展，已逐漸成為礦山綠色開采體系中不可替代的一部分。充填開采技術主要分為干式充填、水力充填和膠結充填。其中，膠結充填[1]是利用采集或加工而來的細砂或者礫石、塊石以及碎矸石等惰性材料，按照一定的配比加入膠凝材料，在采空區內形成具有一定強度的膠結充填體，控制和改善上覆巖層的移動變形。

膠結充填技術作為礦山充填開采技術中最為重要的一部分，能夠利用尾砂、廢石等固體廢棄物，有效控制深部及復雜應力環境下的地壓，改善巖層控制狀況、減少廢石堆積，提高礦石回采率，解決開采沉陷的問題。一方面保護環境和生態平衡，另一方面開采出以前由于條件限制不能開采的礦產資源，且節約了充填成本。膠結充填技術水平的不斷提高，對解決我國的環境問題和礦產資源的有效利用，都有著非常重要的意義。

1 礦山膠結充填技術發展現狀

1.1 國外膠結充填技術發展現狀

20世紀40年代末，國外開始研究采用尾砂作為充填骨料進行水力充填[2]。由于水力充填屬于非膠結充填體，自立能力差，回采工作困難，難以滿足采礦工藝高采出率和低貧化率的需要，因而在水砂充填工藝得以發展并推廣應用后，便開始研發膠結充填技術。

20世紀50年代末到60年代初，圍繞新型膠結充填材料和漿體輸送特性的研究取得明顯進展，50年代末加拿大鷹橋鎳礦首次采用了膠結充填[3]，應用水泥尾砂漿取代充填料上鋪板做工作面底板。1960年，加拿大國際鎳礦公司開始試驗波特蘭水泥固結水砂充填技術，并于1962年在弗魯德礦投入了生產應用。膠結充填工藝已經成為干式、水力充填工藝無法取代的充填工藝。

20世紀70年代，澳大利亞、蘇聯等國家結合干式充填和細砂膠結充填的特點，開始研究塊(碎)石膠結充填工藝。1973年，在澳大利亞芒特艾薩礦[4]1100銅礦開始應用塊石膠結充填工藝，取得了很好的效果，提高了膠結體強度和穩定性，并節約了水泥使用量。

在20世紀80年代，隨著采礦工業的發展，原有的膠結充填工藝已經不能滿足回采工藝及進一步降低采礦成本及環境保護的需要，因此發展了高濃度膠結充填技術[5]，如膏體充填、碎石砂漿膠結充填和全尾砂膠結充填。高濃度膠結充填將料漿質量濃度提高到70%以上，如加拿大基德克里克礦和洛維考特礦，德國格隆德礦和澳大利亞坎寧頓礦，以及美國、俄羅斯和南非的一部分井工礦，都采用了高濃度膠結充填技術。

20世紀90年代后，在美國、澳大利亞和加拿大等發達國家[6]，膠結充填開采已經在技術和裝備上發展到新的階段，大幅度提高了生產能力和勞動生產率，膠結充填技術正在向著高效率、低成本的方向積極轉變。

1.2 國內膠結充填發展現狀

我國礦山膠結充填技術起步較國外晚，但發展卻相當迅速。20世紀60年代，我國主要采用傳統的混凝土膠結充填，一些金屬礦山開始進行尾砂膠結充填試驗[7]。1964 年，凡口鉛鋅礦[8]開展了低濃度尾砂膠結充填工業試驗，其后陸續有數十家礦山采用了尾砂膠結充填技術，取得了顯著的經濟效益。目前，以分級尾砂、天然砂和棒磨砂等作為集料的細砂膠結充填工藝與技術已日臻成熟，迄今我國仍有許多金屬礦山應用細砂膠結充填技術進行開采。

20世紀80年代，中國礦業大學(北京)孫恒虎教授提出使用高水材料作為膠凝材料[9]，在低濃度料漿的條件下，利用改裝后的充填設備把高水速凝充填料漿輸送至井下采空區，使得采場多余的水固結，解決了充填廢水的問題。與此同時，我國礦山陸續開展了塊石膠結充填技術的試驗研究，在一些金屬礦山開始推廣應用。

進入20世紀90年代后，在我國礦山企業、高校和科研設計單位的共同努力下，膠結充填技術的發展已經日臻成熟，如塊石膠結充填、高濃度尾砂膠結充填、全尾砂膏體泵送膠結充填及高水速凝固化膠結充填技術已在許多礦山推廣應用，取得了顯著的進展。其中如大廠銅坑錫礦、紅透山銅礦和魚兒山金礦[10]等，均采用了塊石膠結充填技術進行開采;望兒山金礦、吳莊鐵礦[11]等一些金屬礦山采用高濃度尾砂膠結充填技術，為企業帶來了可觀的經濟效益;金川有色金屬公司二礦區[12]采用了全尾砂膏體泵送膠結充填技術，成功建成了具有代表性的膏體泵送充填系統，在理論與工藝兩方面都取得了斐然成績;凡口鉛鋅礦和招遠金礦[13]等金屬礦山，應用高水速凝膠結充填技術，取得了較為顯著的經濟和社會效益，同時為我國礦山建設高水速凝充填系統積累了豐富的經驗。經過幾十年的發展，我國膠結充填技術在工藝和裝備上都已處于國際先進水平。

2 礦山膠結充填技術

目前礦山膠結充填技術種類很多，主要包括[14]:全尾砂高濃度膠結充填、似膏體膠結充填、高水速凝尾砂膠結充填、膏體泵送膠結充填、低濃度混凝土膠結充填、塊石水泥漿膠結充填、碎石水泥漿膠結充填。目前在礦山企業應用廣泛的有全尾砂高濃度膠結充填、膏體泵送膠結充填、高水速凝尾砂膠結充填和塊石水泥漿膠結充填。

2.1 全尾砂高濃度膠結充填

將選礦廠排出的全部尾砂作為充填骨料[15-16]，無需進行尾砂分級處理，經尾砂濃密，添加膠結材料并進行活化攪拌，從而制備成高濃度的充填料漿，通過液壓泵輸送到井下采空區的充填工藝。

全尾砂高濃度膠結充填的技術特點:尾砂無需分級，利用率高，充填成本低;料漿的真實質量濃度高，采用強力活化攪拌技術，料漿的均勻性和流動性好，避免輸送過程中發生沉淀和離析;充填體凝固時間短，強度高，能有效控制地面沉降;地面充填站采用濃密過濾兩端脫水，工藝流程復雜，能耗大、投資多。

高濃度全尾砂膠結充填料漿進入采場后不離析，無需脫水，不會造成井下細泥污染，適用于礦體集中、尾砂和水泥來源方便的中、小型有色礦山和黃金礦山。對充填材料配比、料漿濃度和輸送特性的研究，是全尾砂高濃度膠結充填技術發展的關鍵問題。

2.2 膏體泵送膠結充填

把尾砂等充填材料加工成牙膏狀的料漿，采用充填泵或自流經管道送至井下采空區。膏體泵送充填工藝技術由德國于80年代末首次在格隆德鉛鋅礦試驗成功。與此同時，國內的礦區與科研單位也開始進行相關的工業性試驗。以金川二礦區為例[17-18]，從1988年開始試驗該技術，1991年獲得成功，先后進行了全尾砂膠結膏體充填、全尾砂加棒磨砂膠結膏體充填、全尾砂加－25 mm細石膠結膏體充填的試驗。

全尾砂膏體泵送充填工藝技術具有以下技術特點:膏體穩定性好，不發生沉淀、離析，且可長時間停留在輸送管道中，設備重新啟動后可繼續輸送;保證充填體強度的同時節約了水泥用量;膏體料漿真實質量濃度可達80%左右，膏體輸送至采場后，水泥不流失，無脫水環節，且無井下細泥污染;基建投資大，設備成本高且工藝復雜。

膏體泵送充填工藝適用于對充填體要求高，地壓大，高階復雜礦床的開采。實現膏體泵送充填的工業化應用，關鍵是要解決設備故障率高和工藝復雜等問題，以保證膏體充填系統可靠性，此外還需要礦山企業和科研單位對膏體料漿的流變和輸送特性等進行研究。

2.3 高水速凝尾砂膠結充填

采用高水材料作為膠凝材料[19-21]，高水材料有甲、乙兩種，分別與全尾砂或分級尾砂混合并制備成充填料漿，通過鉆孔和管道輸送到井下，在進入采空區前混合，無需脫水便可迅速凝結，成為具有一定強度的充填體。

高水速凝尾砂膠結充填工藝的技術特點有:高水材料由甲、乙兩種材料組成，分別造漿并獨立輸送，可長時間存放不凝結，增加了充填系統的可靠性;混合后漿液迅速凝結為固態結晶體，早期強度高，有利于充填接頂和縮短作業循環周期;高水材料良好的懸浮性能改善了料漿的流動性，解決了長距離輸送料漿的難題;采用雙漿制備輸送系統，利于保證設備正常作業和充填質量;增加了管道系統和高水材料倉的投資。

高水速凝尾砂膠結充填主要適用于對充填體強度要求不高、尾礦較多的礦山。在硬巖礦山的應用仍然存在諸多問題，解決這些問題的關鍵在于通過對高水材料的研究，提高充填體強度，降低充填成本。

2.4 塊石水泥漿膠結充填

根據混凝土理論，采用自然級配的塊石作為充填惰性材料[21-23]，把塊石和一定配比的水泥漿分別輸送至井下，進行自淋混合或電耙攪拌，在采空區內形成塊石包裹水泥漿的膠結充填體。上世紀70年代，澳大利亞芒特艾薩礦成功進行了塊石膠結充填的大規模工業性試驗，證明了塊石水泥漿膠結充填能夠較好地控制地面沉陷，順利回收礦柱。隨后我國開展了此項膠結充填技術的研究，并在豐山銅礦、魚兒山金礦成功運用。

塊石水泥漿膠結充填的技術特點:充填工藝較其他膠結充填方法簡單，機械化程度較高，充填能力大;基建投資較少，水泥用量低，可充分利用井下廢石;膠結充填體整體強度高，接頂率一般可達到90%以上，工序簡單，效果好，但增加了運輸環節的成本。

塊石水泥漿膠結充填適用于對充填體強度要求高，礦體中厚偏上，采用階段空場法、分段空場法、留礦法等大空場采礦法的嗣后充填。

3 礦山膠結充填技術研究展望

3.1 研究建筑垃圾作為充填骨料

充填骨料作為膠結充填材料的核心，對充填體的強度有著至關重要的影響，而目前充填骨料的種類還很有限，如果不尋找成本更加低廉的替代充填材料，將會極大地制約我國膠結充填技術的發展[23]。我國尾砂膠結充填存在的一個重要問題是充填尾砂量不足，據調查大多數尾砂充填礦山的尾砂不能滿足生產需要。而據不完全統計，城市中每平方米建筑施工過程中，產生建筑廢渣500～1 000 t，現在我國每年新竣工的面積達到了20億m3，接近全球年建筑總量的一半，按此估算僅施工建筑垃圾每年就產生上億噸，加上建筑、裝修、拆遷、建材工業所產生的建筑垃圾數量將達數億噸。如果發展研究建筑垃圾作為充填材料，不僅解決了建筑垃圾帶來的環保問題，也會極大地緩解礦山充填材料的匱乏情況，同時還會降低充填材料的成本，促進膠結充填技術在礦山的應用。

3.2 研發新型膠凝材料

目前，絕大部分礦山的膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥或者是礦渣水泥，少量礦山摻加粉煤灰、赤泥等材料。國內礦山企業關于膠結充填體強度的設計通常過于“保守”，水泥的添加量過大，造成浪費，也同時增加了充填成本。要解決這個問題，可考慮使用低成本、高強度的新型膠凝材料或添加效果良好的化學添加劑，改善充填材料的性質，節約充填成本?，F在市場上適用于礦山充填特點的專用膠凝材料還比較少見，而且新型的膠凝材料既要滿足膠結充填開采工藝的要求，又要達到控制頂板運動所需強度，同時還應該滿足來源廣泛、成本低廉的要求。因此新型膠凝材料和化學添加劑的研發是膠結充填技術發展的迫切任務，也是提高我國膠結充填開采技術水平的一個重要研究方向。

3.3 提高充填系統自動化水平

早在上個世紀80年代，國外的科研單位就已經開始研制和推行充填自動化系統，近年來，隨著我國礦山充填系統的監控和管理水平的逐漸提高，一些大型充填攪拌站也實現了充填系統配套的儀表監測和計算機自動控制，保證了充填料漿的各組優化配比和充填質量。但限于膠結充填工藝的特點，想完全實現充填系統的自動化，還需要科研單位和礦山企業的不斷努力。在未來很長一段時間內，充填系統自動化仍然是礦山膠結充填開采技術的一個重要研究方向。

4 結語

通過對目前在金屬礦山廣泛應用的4種主要膠結充填技術的分析，以及對膠結充填技術的研究展望，可以得出:礦山膠結充填技術在未來很長的一段時間內，需要把研究重心放在提高膠結充填系統自動化和降低膠結充填成本。加大力度研發廉價且來源廣泛的新型膠結材料或復合型膠結材料，并結合生產實際對膠結充填料漿組分進行優化配比，在保證充填體強度和質量的條件下，盡可能減少傳統膠凝材料的添加量，達到降低充填成本的目的。近年來，我國對礦產資源的采出率要求和生態環境的保護要求越來越嚴格，且隨著各種膠結充填工藝和充填設備的發展完善，膠結充填技術在礦山企業的應用前景十分廣闊。

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