于潤滄

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

我國充填工藝創(chuàng)新成就與尚需深入研究的課題

于潤滄

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

膠結(jié)充填技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用大幅度降低了極厚礦體礦柱回采的貧化率、損失率，可成功控制地下開采的地壓活動，有效防止礦山地表巖層移動，對“三下”采礦和優(yōu)先開采深部或下盤富礦，緩減深井開采巖爆威脅等具有特別重要的意義。概述了我國礦山充填工藝在高濃度充填、全尾砂膠結(jié)充填、膏體充填等方面的主要創(chuàng)新成就，并從膏體充填料漿流變性能的研究以及膏體充填技術(shù)的推廣應(yīng)用、深井充填剩余壓頭的處理、充填環(huán)管試驗的計算機仿真、全尾礦脫水技術(shù)和裝置的優(yōu)化、降低充填成本、將膏體充填技術(shù)推廣到尾礦干堆等6個方面提出了仍面臨的諸多需要深入研究的重要課題，為我國充填技術(shù)的研究發(fā)展指明了方向。

充填工藝;膠結(jié)充填;全尾礦脫水;膏體充填;尾礦干堆

0 前言

我國充填工藝技術(shù)起步雖然較晚，但發(fā)展迅速，從1970年代中期開始一直處于世界先進水平之列。

1950年代末，曾占相當比重的干式充填基本處于被淘汰狀態(tài)。1964年從瑞典為鳳凰山銅礦引進分級尾砂充填(未設(shè)砂倉)技術(shù)，為我國掀開了應(yīng)用尾砂充填的序幕，之后，在凡口鉛鋅礦試驗成功利用臥式砂倉的分級尾砂膠結(jié)充填。1970年代末，國內(nèi)先后出現(xiàn)了焦家金礦球型底立式砂倉、南京棲霞鉛鋅銀礦錐型底立式砂倉、銅綠山銅礦用虹吸方式的立式砂倉，這3種不同類型的分級尾砂膠結(jié)充填立式砂倉的工業(yè)試驗均取得了良好的效果，為膠結(jié)充填技術(shù)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并在凡口鉛鋅礦、金川鎳礦等礦山與大型無軌設(shè)備相結(jié)合，使充填采礦法發(fā)展進入高效率采礦方法的行列，為21世紀中無廢開采的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

膠結(jié)充填工藝的發(fā)展主要遵循3個方向:首先是經(jīng)濟因素，膠結(jié)充填帶來的綜合經(jīng)濟效益能平衡或超過其生產(chǎn)成本的增加;其次是料漿濃度因素，控制膠結(jié)充填質(zhì)量的膠凝材料的節(jié)約，對降低充填成本具有頭等重要的意義;最后是環(huán)境因素，對礦區(qū)環(huán)境保護的日益嚴格要求，成為拓展膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)用范圍的重要推動力。從主流工藝看，膠結(jié)充填主要經(jīng)歷了以料漿濃度及其流變性分界的水力充填、高濃度充填和膏體充填3個階段。

1 我國充填工藝創(chuàng)新成就

1973～1975年，金川鎳礦與設(shè)計、科研單位合作，按照工業(yè)生產(chǎn)所用管徑在實驗室利用棒磨砂進行了膠結(jié)充填料漿環(huán)管輸送試驗，積累了海量的試驗數(shù)據(jù)，并據(jù)此回歸出計算水平直管單位長度料漿水力坡度的金川經(jīng)驗公式:

其計算誤差遠低于國際上流行的杜蘭德公式。

1975年，金川鎳礦與北京有色冶金設(shè)計研究總院、長沙礦山研究院合作進行的充填試驗進入棒磨砂高濃度料漿試驗階段，試驗表明，高濃度并非相對的概念，而是有特定含義的物理概念，即超過“臨界流態(tài)濃度”的料漿濃度即為高濃度。試驗提出的“臨界流態(tài)濃度”的概念為:料漿基本不會發(fā)生離析，輸送時無需考慮臨界流速，可以在低流速下穩(wěn)定輸送的料漿濃度。輸送物料的礦物成分、粒級組成、乃至化學成分都會影響“臨界流態(tài)濃度”，這對于合理設(shè)計充填系統(tǒng)具有重要意義。也是在這個時期，國外同樣開始重視充填料漿濃度問題。

在采用高濃度膠結(jié)充填的同時，金川還在下向進路式充填采礦法中首次使用了雙機液壓鑿巖臺車、6 m3鏟運機等大型無軌設(shè)備，使盤區(qū)生產(chǎn)能力從50～60 t/d提高到800～1000 t/d，從而將傳統(tǒng)上低效率的下向進路式充填采礦法改造成為高效率的無軌機械化采礦法。

1980年代末，凡口鉛鋅礦試驗成功了全尾砂膠結(jié)充填工藝，并于1990年建成了我國第一個全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，尾砂利用率達90%以上。全尾砂的利用在膠結(jié)充填發(fā)展史上具有特殊重要的意義，一方面，全尾砂中有較多的微細粒級，脫水難度增加，對充填體強度產(chǎn)生負面影響，解決這些技術(shù)難題促進了膠結(jié)充填技術(shù)的進一步發(fā)展;另一方面，全尾砂的利用加上廢料資源化，為實現(xiàn)無廢開采開辟了有效的途徑。地處南京棲霞山風景區(qū)的南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司便是依靠全尾砂充填和廢料資源化實現(xiàn)無廢石場、無尾礦庫、無廢水外排的無廢礦山。

1994年，湖田鋁土礦利用氧化鋁生產(chǎn)中的廢料赤泥開發(fā)成功赤泥膠結(jié)充填技術(shù)，并實現(xiàn)了特定條件下的無水泥膠結(jié)充填。

1990年代初，借鑒英國煤礦沿空留巷巷旁支護的經(jīng)驗，我國研制成功高水速凝固化充填材料，并在一些礦山特別是煤礦試驗、使用，在充填領(lǐng)域獨樹一幟。由于材料價格偏高、后期強度有時不夠穩(wěn)定，大量推廣應(yīng)用尚有一定困難，但在某些特定情況下，如下向充填法接頂、局部快速維護等具有獨特的作用。

1994年，金川鎳礦試驗成功膏體充填并建成了我國第1套膏體充填系統(tǒng)，標志著我國膠結(jié)充填技術(shù)邁上了一個新的臺階。1999年，銅綠山銅礦建成了我國第2套全尾砂膏體充填系統(tǒng)。為了解決膏體充填時全尾砂傳統(tǒng)脫水工藝——帶式過濾機脫水占地面積大等問題，會澤鉛鋅礦在2006年引進了深錐濃縮機，建成了輸送管路長達4000 m的全尾砂膏體充填系統(tǒng)。該膏體充填系統(tǒng)相當先進，但深錐濃縮機價格昂貴，推廣難度較大。冬瓜山銅礦利用傳統(tǒng)錐形底立式砂倉，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)按照控壓助流原理進行適當改造，研發(fā)成功底流放砂濃度能滿足高濃度全尾砂充填和膏體充填要求的新型立式砂倉，并且做到了邊給料邊放砂，成本費用大為降低，為推廣膏體充填做出了重要貢獻。膏體充填已經(jīng)成為國外廣泛應(yīng)用的技術(shù)，目前在國內(nèi)也因其非常有利于降低膠凝材料用量、保證充填體質(zhì)量和改善坑內(nèi)環(huán)境而得到日益增強的關(guān)注。

2 我國充填工藝尚需深入研究的課題

目前為止，我國充填工藝的發(fā)展主要還是立足于經(jīng)驗技術(shù)，但建立能夠最高濃度自流輸送并在采場無需脫水的經(jīng)濟效果最優(yōu)、充填質(zhì)量最好、生產(chǎn)運轉(zhuǎn)最可靠的理想膏體充填系統(tǒng)，要求人們超越傳統(tǒng)經(jīng)驗技術(shù)，加強對若干理論性、關(guān)鍵性問題的研究?？v觀國外近幾年膏體充填技術(shù)的迅速發(fā)展和每年1次的國際膏體充填學術(shù)會議(International Seminar on Paste and Thickened Tailings)發(fā)表的研究論文，為了保持我國在該領(lǐng)域的先進地位，今后仍面臨諸多需要深入研究的重要課題。

(1)膏體充填料漿流變性能的研究以及膏體充填技術(shù)的推廣應(yīng)用。從國外充填技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，膏體充填將逐漸成為充填的主流技術(shù)。膏體充填料漿流變性能的研究，對充填系統(tǒng)的優(yōu)化、充填作業(yè)經(jīng)濟效益的提高具有極重要的意義。相關(guān)行業(yè)對水泥漿和新拌混凝土的流變性能已有較多研究，其與全尾礦膏體的流變性雖有類似之處，但由于工藝要求的差異，不能等同視之。作為非牛頓流體的全尾礦膏體，特別是在添加不同比例的膠凝材料乃至部分爐渣等骨料時，其流變性能會有很大差異，而且受諸多不易估量的變量的影響，到目前為止，還缺乏對這種物料的流變性能的系統(tǒng)研究。對全尾礦膏體流變性能的研究應(yīng)當確立一套標準的研究方法，包括膏體屈服應(yīng)力、塑性黏度、觸變性的測定;剪切稀化對管道輸送的影響;選用或研制適合的測試儀器裝置;用流變參數(shù)計算管道輸送阻力的公式等。以便確定某礦特定物料滿足充填強度要求和最適合輸送的流變參數(shù)。

(2)深井充填剩余壓頭的處理。我國將面臨越來越多的深井開采，在深井開采中采用高濃度或膏體充填時，由于充填倍線小，會產(chǎn)生剩余壓頭問題。剩余壓頭將導(dǎo)致無法滿管輸送和管壁磨損加劇，使管道輸送處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，甚至出現(xiàn)嚴重的“井噴”現(xiàn)象，使充填無法正常進行。對這些現(xiàn)象的機理需要深入研究，在充填系統(tǒng)設(shè)計中如何消除剩余壓頭的影響，需要從技術(shù)經(jīng)濟上作深入的探討。

(3)充填環(huán)管試驗的計算機仿真。在充填系統(tǒng)設(shè)計中，往往需要依靠環(huán)管試驗獲取不同條件下的管路輸送參數(shù)，需要花費較長的時間，投入可觀的資金和大量的人力，這對很多礦山往往是難以實現(xiàn)的，于是設(shè)計中不得不采用類比的方法來處理，因而也就很難獲得最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計。以往，有些重點礦山在設(shè)計充填系統(tǒng)時在地面增加了一段環(huán)管段，供投產(chǎn)前試驗之用，作為一種彌補。然而這也不是任何一個礦山都能實現(xiàn)的。北京科技大學李國政的博士論文《全尾砂膏體充填環(huán)管試驗的虛擬現(xiàn)實計算機仿真技術(shù)研究與實現(xiàn)》對此作了初步的研究，但仍有值得提高之處。

(4)全尾礦脫水技術(shù)和裝置的優(yōu)化。高濃度和膏體充填工藝中，全尾礦脫水是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在深錐濃縮機誕生之前，國外多用帶式過濾機進行全尾礦脫水，金川的膏體充填也是采用這種脫水方式，它存在很多缺點。隨著一批千萬噸級以上年產(chǎn)能的鐵礦山采用充填采礦法，礦山年充填規(guī)模也越來越大，為了適應(yīng)這種發(fā)展，國外已生產(chǎn)出直徑達40 m的深錐濃縮機付諸使用，但深錐濃縮機的推廣應(yīng)用還有缺陷，仍有待對全尾礦的脫水技術(shù)和裝置進行優(yōu)化，以便獲得更令人滿意的技術(shù)成果。此外，過去的膏體充填系統(tǒng)，單系統(tǒng)對應(yīng)的礦山生產(chǎn)能力為2000～3000 t/d，現(xiàn)在面對年生產(chǎn)規(guī)模千萬噸級的膏體充填，無論系統(tǒng)設(shè)置還是配套設(shè)備研制都是全新的課題。

(5)降低成本是充填技術(shù)發(fā)展的永恒主題。在膠結(jié)充填成本中，膠凝材料占很大比重，所以國內(nèi)外很多同行均在尋找更廉價的膠凝材料，在調(diào)整回采工藝、降低膠凝材料消耗方面不斷鉆研，取得了大量高水平的成果，但這種研究應(yīng)是無止境的。另外值得注意的是，自從我國開始采用膠結(jié)充填技術(shù)以來，所用的灰砂比一般都比國外高，這是否正確呢?盡管目前國內(nèi)已有不少研究充填體性能的文章，但仍然缺少系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測資料，尤其是對不同條件的分層充填、不同條件的嗣后充填現(xiàn)場的長期系統(tǒng)監(jiān)測資料，因而很難有根據(jù)地去調(diào)整灰砂比，以顯著地降低充填成本，因此，應(yīng)該加強這方面的研究。

(6)將膏體充填技術(shù)推廣到尾礦干堆。從流變學角度，膏體充填和尾礦干堆技術(shù)有共同之處，現(xiàn)在每年舉行1次的“國際膏體充填學術(shù)會議”都把這2項技術(shù)視為一項綜合技術(shù)。礦山需要充填時，將尾礦膏體料漿送入井下，不需要充填時，將尾礦膏體送往尾礦庫，雖然它們要求的濃度有些許差別，因為尾礦排出必須考慮排出速度、灘流坡度和距離，以及盡量減少脫水。目前尾礦干堆在國外獲得了迅速發(fā)展，尤其是在干旱缺水的地區(qū)。尾礦干堆技術(shù)的發(fā)展反過來也促進膏體充填，大直徑深錐濃縮機開始就是為尾礦干堆設(shè)計的，將其用于膏體充填將奠定系統(tǒng)充填能力提高的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

中國充填工藝技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了廢石干式充填、碎石混凝土膠結(jié)充填、分級尾砂水力充填和膠結(jié)充填、高濃度棒磨砂或分級尾砂膠結(jié)充填、全尾砂膏體膠結(jié)(包括替代水泥的各種固化劑)充填的發(fā)展過程。如前所述，充填工藝基本上是沿著經(jīng)濟因素、料漿參數(shù)因索和環(huán)境因素這3條主線發(fā)展的。

從經(jīng)濟因素看，膠結(jié)充填技術(shù)雖然能給礦山帶來諸多利益，但也存在不少問題，主要是投資增加、生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜、生產(chǎn)成本增加，在充填料漿濃度低的情況下，井下環(huán)境污染嚴重。因此，只有當膠結(jié)充填帶來的經(jīng)濟效益足以平衡這些問題造成的影響時，充填才有可能得到推廣應(yīng)用。所以，降低成本便成為充填技術(shù)發(fā)展的永恒主題。

料漿參數(shù)因索中，料漿濃度對于膠結(jié)充填具有頭等重要的意義，高濃度不僅是提高充填體強度的有效途徑，而且也是降低水泥單耗，節(jié)約充填費用的最佳措施。從低濃度的分級尾砂水力充填到高濃度充填，是膠結(jié)充填技術(shù)發(fā)展的第一次飛躍。充填料在采場內(nèi)不脫水，是充填法一種更高的技術(shù)追求，標志著膠結(jié)充填技術(shù)發(fā)展的第二次飛躍;膏體充填和高水速凝充填都可以實現(xiàn)充填過程不脫水，膏體充填在國外已進人快速發(fā)展階段，在國內(nèi)也開始應(yīng)用于生產(chǎn);高水速凝充填由于成本和充填體后期強度問題尚處于試驗階段。

環(huán)境因素緣于環(huán)保要求的日益嚴格，礦山產(chǎn)出的大量廢石和尾礦除綜合利用外，如能最大限度地用于充填，對減少占地、減輕采礦對生態(tài)環(huán)境的影響、構(gòu)建生態(tài)采礦工程顯然具有重要意義。膏體充填可以采用全尾砂，與利用分級尾砂的水力充填比較，不僅有利于剩余尾砂的堆壩，而且膏體充填技術(shù)還催生了尾砂的干式、半干式儲存以及和廢石一起處理，這種技術(shù)正在逐步得到廣泛應(yīng)用。

總之，隨著深井開采的增加和生態(tài)環(huán)境保護要求的日益嚴格，膏體充填技術(shù)將備受青睞，其研究和推廣應(yīng)用空間是非常廣闊的，希望在廣大同行們的共同努力下，使我國在該項技術(shù)領(lǐng)域始終保持國際先進水平，為我國從礦業(yè)大國發(fā)展為礦業(yè)強國提供這一方面的技術(shù)支撐。

2011－04－02)

于潤滄(1930－)，男，中國工程院院士，教授級高級工程師。長期從事礦山工程設(shè)計和科研工作，創(chuàng)造性地解決了許多關(guān)鍵性技術(shù)難題和參與開發(fā)高濃度膠結(jié)充填和試驗推廣全尾礦膏體充填。榮獲國家科技進步獎特等獎、一等獎各1項、二等獎2項，全國最佳工程設(shè)計特等獎1項。