郭利杰，余 斌

(北京礦冶研究總院， 北京 100070)

中國(guó)金屬礦山充填技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀和未來(lái)

郭利杰，余 斌

(北京礦冶研究總院， 北京 100070)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益尖銳。礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)將面臨越來(lái)越嚴(yán)格的國(guó)家環(huán)保要求，創(chuàng)新采礦技術(shù)成為解決可持續(xù)采礦、生態(tài)環(huán)境及潛在災(zāi)害等問(wèn)題的重要途徑。礦山充填技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)綠色、安全、可持續(xù)開(kāi)采的主要驅(qū)動(dòng)力。介紹了近年來(lái)中國(guó)金屬礦山充填工藝技術(shù)、充填材料應(yīng)用及充填裝備方面所取得的創(chuàng)新成果，展望了礦山充填技術(shù)及裝備的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

礦山充填;無(wú)廢開(kāi)采;充填材料;充填工藝;充填裝備

1 礦山充填工藝技術(shù)發(fā)展概況

1.1 分級(jí)尾砂充填技術(shù)

分級(jí)尾砂充填技術(shù)工藝成熟，是目前應(yīng)用最廣泛的充填工藝技術(shù)，包括分級(jí)尾砂膠結(jié)充填和分級(jí)尾砂非膠結(jié)充填，屬于水力充填，以自流輸送為主。尾砂分級(jí)界限一般為37 μm，充填料漿的滲透系數(shù)應(yīng)達(dá)到10 cm/h，分級(jí)尾砂的利用率在50%左右。

分級(jí)尾砂充填主要采用旋流分級(jí)與立式/臥式砂倉(cāng)水力聯(lián)合造漿技術(shù)，其輸送料漿質(zhì)量濃度為65%～72%。隨著先進(jìn)控制技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)及智能通訊反饋技術(shù)的發(fā)展，分級(jí)尾砂充填實(shí)現(xiàn)了充填參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)與數(shù)據(jù)調(diào)整的智能協(xié)同控制。

1.2 高濃度全尾砂充填技術(shù)

高濃度全尾砂充填技術(shù)是1980年代末發(fā)展起來(lái)的新型礦山充填技術(shù)，在充填礦山日益得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的特點(diǎn)是以全尾砂作為充填骨料，通過(guò)活化攪拌，在高濃度狀態(tài)下輸送到采場(chǎng)。該工藝將全部尾砂作為充填料，無(wú)需建尾礦庫(kù)，為無(wú)廢開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。

冬瓜山銅礦充填系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的高濃度全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)，首次采用立式砂倉(cāng)噴咀全尾砂造漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全尾高濃度連續(xù)放砂充填。通過(guò)特殊的立式砂倉(cāng)、創(chuàng)新的噴咀活化造漿技術(shù)以及噴咀布置等，選廠全尾砂直接泵(注)入立式砂倉(cāng)，經(jīng)高效沉淀、澄清脫水，采用高壓水/氣活化尾砂，將極細(xì)粒級(jí)的全尾砂(－20 μm全尾砂約占40%)直接制備成高濃度(74%以上)砂漿，然后采用深井管道自流輸送降壓系統(tǒng)以及采場(chǎng)泄水技術(shù)，對(duì)深井冬瓜山采場(chǎng)進(jìn)行了充填。突破了極細(xì)粒級(jí)高濃度全尾砂漿的立式砂倉(cāng)制備技術(shù)和深井開(kāi)采全尾砂高濃度充填料漿自流管輸降壓的關(guān)鍵技術(shù)，解決了全尾砂低成本脫水的國(guó)際性難題，克服了礦山無(wú)廢開(kāi)采的技術(shù)瓶頸，形成了立式砂倉(cāng)流態(tài)化全尾砂高濃度連續(xù)充填技術(shù)。

圖1 冬瓜山銅礦立式砂倉(cāng)活化造漿系統(tǒng)

1.3 膏體充填技術(shù)

膏體充填料是一種不離析、不沉淀、不脫水、可流動(dòng)的非牛頓塑性流體，通常由礦山尾砂和水泥構(gòu)成。膏體由稀尾砂漿制備，依靠濃密或過(guò)濾方法使尾砂漿脫水而制成。目前國(guó)內(nèi)建有3座膏體充填系統(tǒng)，分別為金川鎳礦膏體充填系統(tǒng)、大冶銅綠山銅礦充填系統(tǒng)及云南會(huì)澤鉛鋅礦膏體泵送系統(tǒng)。

會(huì)澤鉛鋅礦膏體充填系統(tǒng)是我國(guó)目前最先進(jìn)的全尾砂充填系統(tǒng)。其膏體充填工藝是將選場(chǎng)的全尾砂漿用離心泵接力輸送到地表充填站的緩沖槽，然后自流到有效容積為1100 m3的深錐濃密機(jī)中，添加絮凝劑后，使全尾砂均勻沉降，濃縮成重量濃度達(dá)到74%～76%的漿體，然后再泵送至一段攪拌槽使尾砂漿與水泥、水淬渣及水混合后，再進(jìn)入二段螺旋攪拌裝置后，制備成重量濃度在80% ～82%的合格膏體充填料，通過(guò)泵壓輸送，經(jīng)充填鉆孔輸送到待充填采空區(qū)。

1.4 廢石膠結(jié)充填技術(shù)

近年來(lái)，廢石膠結(jié)充填技術(shù)以其可以處理消納井下礦坑廢石，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)廢石不出坑膠結(jié)充填的技術(shù)優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注，同時(shí)能為企業(yè)節(jié)省提升廢石環(huán)節(jié)的費(fèi)用，解決部分礦山充填尾砂不足。

廢石膠結(jié)充填的實(shí)質(zhì)是以礦山的掘進(jìn)廢石或分采廢石作為充填集料，以水泥漿或膠結(jié)尾砂漿作為膠結(jié)介質(zhì)，經(jīng)充分混合后充入采空區(qū)的工藝與技術(shù)，包括廢石水泥漿膠結(jié)充填技術(shù)和廢石尾砂漿膠結(jié)充填技術(shù)。中國(guó)規(guī)模應(yīng)用廢石膠結(jié)充填的礦山有豐山銅礦、吉林鎳礦、新橋硫鐵礦和銅坑錫礦等，而部分應(yīng)用廢石的礦山則較多，如凡口鉛鋅礦、金川二礦和安慶銅礦等。

北京礦冶研究總院在安慶銅礦開(kāi)展廢石尾砂膠結(jié)充填技術(shù)試驗(yàn)研究，利用井下掘進(jìn)的自然級(jí)配廢石與地表充填站制備的尾砂膠結(jié)料漿，采用多元化的混合方式充入采場(chǎng)(見(jiàn)圖2)。根據(jù)廢石料充填工藝不同，井下廢石尾砂膠結(jié)充填技術(shù)從以下2種方案中選擇:方案一，廢石料從充填溜井卸料充填方案，即在采場(chǎng)上方鉆鑿充填溜井，其位置應(yīng)能使充填料均勻連續(xù)分布，廢石料通過(guò)充填溜井進(jìn)入充填空區(qū)，而膠結(jié)料漿則通過(guò)充填管流進(jìn)充填空區(qū);方案二，廢石料通過(guò)小型變速皮帶拋擲機(jī)拋擲廢石料進(jìn)入充填空區(qū)方案，即通過(guò)拋擲方式將廢石料充填入采空區(qū)，而膠結(jié)料漿通過(guò)充填管流進(jìn)充填空區(qū)，根據(jù)拋擲方式不同，廢石料在采場(chǎng)中形成的廢石堆形狀不同，此方案可有效實(shí)現(xiàn)將廢石料拋擲至采空區(qū)中心，形成膠結(jié)料漿包裹廢石充填方案。這種充填方式較好的實(shí)現(xiàn)了廢石與膠結(jié)料漿在不同現(xiàn)場(chǎng)條件的協(xié)同充填。

圖2 廢石尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)

1.5 其他充填技術(shù)

干式充填工藝由于其勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率極低，目前很少應(yīng)用，只在極個(gè)別礦山配合低效率的采礦工藝小規(guī)模應(yīng)用。磨砂膠結(jié)充填已逐步減少，主要應(yīng)用在金川二礦、龍首礦。高水固化膠結(jié)充填主要應(yīng)用在三山島金礦、新城金礦及望兒山金礦等礦山。

泡沫砂漿充填是一種全新的膠結(jié)充填技術(shù)，利用泡沫技術(shù)將大量泡沫加入充填料漿中，減少水泥使用量，改善充填料漿流動(dòng)性，提高充填料漿濃度，在保證充填強(qiáng)度質(zhì)量的前提下可減少用水量和水泥用量，節(jié)約充填成本。目前泡沫砂漿充填技術(shù)已在凡口鉛鋅礦的井下采場(chǎng)充填成功應(yīng)用。

2 礦山充填材料的應(yīng)用

2.1 水泥

水泥目前仍是礦山膠結(jié)充填的主導(dǎo)膠凝材料。適用于礦山膠結(jié)充填的水泥品種一般為32.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥及火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥，其中應(yīng)用普通硅酸鹽水泥最為廣泛。在膠結(jié)充填中，水泥材料費(fèi)用一般占充填成本的60% ～70%以上，因此減小水泥用量或?qū)で罅畠r(jià)膠結(jié)劑是節(jié)約充填成本的主要途徑。

2.2 高水固化膠凝材料

高水固化材料是以鋁礬土為主料，配以多種無(wú)機(jī)原料和添加劑等經(jīng)過(guò)破碎、烘干、配料、均化、燒制以及粉磨等工藝，制成甲乙2種固體粉料。主要包括高鋁水泥、石灰、石膏、速凝劑、解凝劑、懸浮劑等，一般加入全尾砂作為填料。

高水材料具有高水性能、速凝早強(qiáng)性能、懸浮性、流動(dòng)性和可泵性，再生強(qiáng)度性能、材料無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，材料成本低于水泥成本，是替代水泥的礦山充填優(yōu)勢(shì)膠結(jié)材料。

2.3 新型礦渣膠凝材料

北京礦冶研究總院與加拿大礦物能源技術(shù)中心(CANMET)合作研究，正在開(kāi)發(fā)礦山充填新型膠結(jié)材料(可替代膠結(jié)劑)(見(jiàn)圖3)，這種膠結(jié)劑是利用礦山廢料和冶金廢渣制成，是完全可以替代水泥的膠結(jié)充填材料，且成本低廉，能減少?gòu)U料排放和環(huán)境破壞。新型礦渣膠凝材料屬于資源節(jié)約、環(huán)境友好型新材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 新型礦渣膠凝材料

2.4 其他膠凝材料

粉煤灰在替代部分水泥時(shí)能有效改善充填料活性及流動(dòng)性，同時(shí)也環(huán)保節(jié)約，正逐漸得到推廣應(yīng)用。

冶煉爐渣已廣泛應(yīng)用于水泥工業(yè)制造礦渣水泥，目前國(guó)內(nèi)礦山用爐渣作為充填料主要是利用沒(méi)經(jīng)過(guò)磨細(xì)的高爐爐渣和銅、鎳冶煉爐渣作為充填骨料的一部分，能有效改善充填料漿活性和提高充填料漿濃度，如大冶有色金屬公司銅綠山礦利用銅水淬渣作充填骨料，云南會(huì)澤鉛鋅礦利用全尾砂－水淬渣進(jìn)行膏體充填。

地質(zhì)聚合物是一類新型的膠凝材料，合成地質(zhì)聚合物的原料以無(wú)機(jī)非金屬礦物和工業(yè)廢渣為主，主要有效成分為鋁－硅酸鹽，具有早期強(qiáng)度較高、耐酸堿腐蝕、耐熱耐高溫、吸收及固定重金屬離子等性能，可替代水泥廣泛應(yīng)用于井下膠結(jié)充填。

3 充填設(shè)備發(fā)展與革新

3.1 膏體濃縮設(shè)備

美國(guó)FLSmith礦業(yè)公司研制的道爾－愛(ài)姆科深錐膏體濃密機(jī)是目前世界上最先進(jìn)的膏體制備濃縮設(shè)備，其制漿濃度可達(dá)到71% ～75%，脫水效率高，適用于制備膏體充填料及尾礦干堆。會(huì)澤鉛鋅礦的膏體充填系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用該濃縮機(jī)制備井下充填料漿(見(jiàn)圖4)。

圖4 深錐膏體濃縮機(jī)結(jié)構(gòu)

芬蘭奧圖泰公司制造的SUPAFLO?膏體濃密機(jī)采用創(chuàng)新的自動(dòng)稀釋系統(tǒng)、科學(xué)的耙架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及精確的自動(dòng)控制技術(shù)，解決了尾礦物料脫水采用普通濃密機(jī)難以解決的挑戰(zhàn)。這種濃縮機(jī)是根據(jù)不同物料特性及用戶要求進(jìn)行量身定制，具有絮凝有效性高、高效的液壓驅(qū)動(dòng)、低阻力耙臂及最少壓耙事故等優(yōu)點(diǎn)，可以制備出最高濃度達(dá)70%的尾礦漿體(見(jiàn)圖5)。

圖5 SUPAFLO?膏體濃密機(jī)

3.2 過(guò)濾設(shè)備

陶瓷過(guò)濾機(jī)是目前國(guó)際上公認(rèn)的細(xì)粒級(jí)礦物過(guò)濾的(固液分離)設(shè)備，是集機(jī)電、微過(guò)濾板、自動(dòng)化控制、超聲波清洗等高新技術(shù)為一體的新型產(chǎn)品。芬蘭拉羅克斯公司新推出的過(guò)濾機(jī)服務(wù)產(chǎn)品—奧圖泰拉羅克斯過(guò)濾機(jī)，具有節(jié)約能源與水的消耗，過(guò)濾效率高、效果好等優(yōu)點(diǎn)。目前這種過(guò)濾機(jī)用于尾礦脫水的實(shí)例，在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)諸報(bào)道，其生產(chǎn)能力可滿足充填量小的膏體料漿制備，具有較好的推廣前景。

3.3 膏體泵送設(shè)備

膏體充填泵是在建筑工程混凝土泵的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。目前用于礦山充填的膏體泵主要有德國(guó)的普茨邁斯特(Putzmeister)公司和施維因(Schwing)公司的雙缸活塞泵和維爾泵(Wirth)、荷蘭的奇好(Geho)的雙缸隔膜泵。我國(guó)金川鎳礦和銅綠山銅礦膏體充填分別選用的是施維因公司生產(chǎn)的KSP－140HDR液壓雙缸活塞泵和KSP80HD雙缸活塞泵，云南會(huì)澤鉛鋅礦膏體充填系統(tǒng)選用奇好泵。截止目前，尚未有國(guó)產(chǎn)泵能滿足泵送膏體料漿要求。

4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著礦產(chǎn)資源供需結(jié)構(gòu)的變化和節(jié)能環(huán)保的要求日益嚴(yán)格，無(wú)廢開(kāi)采是一種理想的生態(tài)采礦模式，高濃度/膏體全尾砂充填技術(shù)及廢石膠結(jié)充填技術(shù)或?qū)⒊蔀闊o(wú)廢開(kāi)采的核心技術(shù)載體。未來(lái)，高濃度/膏體全尾砂充填技術(shù)與廢石膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)不是互相孤立的，而是互相結(jié)合、協(xié)同處理地表尾礦與井下廢物的可持續(xù)性融合技術(shù)。它們將成為最大限度減少?gòu)U物、資源和能源極致利用、環(huán)境污染與破壞最小的可持續(xù)采礦范例。

未來(lái)，低成本、環(huán)保的新型膠結(jié)材料的創(chuàng)新研究與開(kāi)發(fā)或?qū)⒃絹?lái)越受到重視。隨著新型膠凝材料制備技術(shù)研究的不斷深入，能更多消納礦業(yè)廢物、具備更低成本的新型復(fù)合膠結(jié)材料(爐渣膠結(jié)劑和地聚物膠凝劑)的強(qiáng)度性能將能得到顯著改善，從而推動(dòng)高濃度/膏體全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在更廣范圍的礦山推廣應(yīng)用。同時(shí)更有效、更具成本效率并能適應(yīng)更極端環(huán)境的尾礦膏體濃縮設(shè)備、泵送設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)將不斷得到創(chuàng)新發(fā)展;更精準(zhǔn)、更智能的充填參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀表與自控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)將能達(dá)到同步協(xié)調(diào)。

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2011－04－02)