李 煒，周 旭，廖美權(quán)，林 強(qiáng)

(陜西煎茶嶺鎳業(yè)有限公司， 陜西略陽(yáng)縣 724308)

膠結(jié)充填替代材料的研究與實(shí)踐

李 煒，周 旭，廖美權(quán)，林 強(qiáng)

(陜西煎茶嶺鎳業(yè)有限公司， 陜西略陽(yáng)縣 724308)

在環(huán)保和資源利用率要求越來(lái)越高的戰(zhàn)略背景下，膠結(jié)充填采礦法以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐步成為充填采礦的主流，但膠結(jié)充填費(fèi)用約占采礦成本的25% ～40%，在滿足充填體強(qiáng)度的同時(shí)，要降低膠結(jié)充填成本，尋找適合礦山的充填材料無(wú)疑是最佳途徑。煎茶嶺鎳礦利用礦區(qū)周邊豐富的粉煤灰和冶煉爐渣部分替代充填料，不僅解決了粗骨料粒徑分布不均衡的問題，還大幅度地降低了充填成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為類似礦山在膠結(jié)充填采礦中降低成本和物料選擇提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

膠結(jié)充填;替代材料;粉煤灰;爐渣;成本控制

1 膠結(jié)充填采礦的發(fā)展趨勢(shì)

充填采礦法在提高回采率、減低貧化率、控制地壓、減少工業(yè)固體廢棄物排放等方面，具有空?qǐng)龇ê捅缆浞o(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)，隨著當(dāng)今無(wú)軌采礦設(shè)備裝備水平、自動(dòng)化控制水平、膠凝劑技術(shù)水平大幅度提高，膠結(jié)充填采礦法成為了高強(qiáng)度、高效率、高回收率的現(xiàn)代化采礦技術(shù)，在固體廢棄物治理、安全環(huán)保、礦產(chǎn)資源回收等方面極有研究和推廣意義。澳大利亞不許采用崩落法采礦，要求礦山必須將采空區(qū)進(jìn)行回填;德國(guó)對(duì)采用膠結(jié)充填法的礦山進(jìn)行政府補(bǔ)貼;加拿大立法強(qiáng)制礦山采用充填采礦法，使其達(dá)到開采礦山比例60%以上。世界范圍內(nèi)采用膠結(jié)充填采礦法的比例迅速增長(zhǎng)。

上向膠結(jié)充填采礦法為自下而上水平分層回采，隨著工作面向上逐層充填回采，充填體僅僅起到靜態(tài)支撐礦體上下盤圍巖的作用，因此充填體最終強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa即能滿足需要。下向膠結(jié)采礦法為自上而下分層回采，隨著工作面向下逐層充填回采，采礦活動(dòng)完全在充填體下進(jìn)行，充填體承受礦床動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，充填體最終強(qiáng)度至少要達(dá)到5 MPa以上才能滿足采礦需要。顯然，下向膠結(jié)充填需要增大膠結(jié)劑的使用量以保障充填體強(qiáng)度，高強(qiáng)度的充填體要求使得充填成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上向膠結(jié)充填。

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)采用膠結(jié)充填的有色金屬礦山比例僅為22%，而使用下向膠結(jié)充填采礦的礦山更不足1%，絕大部分礦山因充填成本高而被迫放棄采用。為緩解礦山開采產(chǎn)生的廢渣、工業(yè)固體廢棄物處理，消除礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害長(zhǎng)期隱患，自流膠結(jié)充填以充填體強(qiáng)度高、輸送成本低、適應(yīng)性廣等顯著特點(diǎn)必將成為充填采礦法的主流，必須盡快提高膠結(jié)充填采礦法在我國(guó)礦山采礦中的比重。

2 膠結(jié)充填采礦法成本

根據(jù)國(guó)內(nèi)充填礦山生產(chǎn)資料統(tǒng)計(jì)，膠結(jié)充填成本一般占采礦總成本的25% ～40%，充填成本中膠結(jié)劑成本約占70%～80%。大型礦山年充填量往往達(dá)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)立方米，年消耗膠結(jié)劑達(dá)十萬(wàn)至幾十萬(wàn)噸，如生產(chǎn)能力750萬(wàn)t/a的地下礦山，若采用上向膠結(jié)充填，年消耗充填用水泥為30～35萬(wàn)t，費(fèi)用達(dá)1.2億元以上，若采用下向膠結(jié)充填年水泥消耗將高達(dá)2.6億元。為此所有礦山都在尋找合適的替代材料來(lái)降低充填成本，以解決企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中成本居高不下的難題，但是膠結(jié)劑或者其他材料是否正確如何并確定最佳配比又直接決定著充填體強(qiáng)度，因此充填材料的選用對(duì)膠結(jié)充填采礦法廣泛應(yīng)用具有重要的意義。

通常情況下，礦山根據(jù)自身內(nèi)外部技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，本著物料來(lái)源可靠、成本低廉、充填料漿制備輸送便利等原則，在確保充填體強(qiáng)度的條件下，選取合適的充填材料及配比。目前國(guó)內(nèi)外所選用的充填集料主要有尾砂、重介質(zhì)浮選尾礦、廢石、河砂、戈壁集料等，充填膠結(jié)劑主要有復(fù)合硅酸鹽水泥、礦渣水泥、鋼渣水泥等。為了在保證充填質(zhì)量的前提下降低充填成本，國(guó)內(nèi)外廣泛開展水泥代用品的研究與應(yīng)用，如添加粉煤灰部分替代水泥、將礦渣及各種冶煉渣粉磨后添加活性激化劑從而部分或完全替代水泥。

煎茶嶺鎳礦受礦巖賦存條件的限制，選用下向膠結(jié)充填采礦法高濃度細(xì)砂管道自流膠結(jié)充填，灰沙比為1∶4，膠凝劑選用pc·32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，粗骨料選用礦區(qū)周邊－3 mm人工砂，充填成本約占采礦成本的37%，接近膠結(jié)充填平均水平的上限，因此必須進(jìn)行節(jié)約成本的系列研究，正確選定膠結(jié)劑和粗骨料的替代材料及合理配比。

3 充填替代材料選擇及對(duì)比

3.1 膠結(jié)劑替代材料選擇

(1)復(fù)合硅酸鹽水泥。復(fù)合硅酸鹽水泥是目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)用最為廣泛、最為成熟的充填膠結(jié)劑。與各種充填集料混合均勻并充入采場(chǎng)，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后所形成的充填體是一種含有一定孔隙結(jié)構(gòu)的完整的水泥結(jié)構(gòu)物，充填料制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，灰砂比控制易于掌握，在井下溫度、濕度等環(huán)境條件下充填體強(qiáng)度可持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，其安全可靠性好。

(2)高水速凝材料。高水速凝材料進(jìn)入采場(chǎng)后雖可不脫水而在較短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)硬化，但充填體自身卻是一種高含水的物體，充填體中水所占的重量比例達(dá)60%～75%，體積比例更高達(dá)80%以上，充填體在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高強(qiáng)度后，由于水化物的脫水使充填體強(qiáng)度逐步下降，充填體在力學(xué)上穩(wěn)定性差，而且由于價(jià)格高、添加量不穩(wěn)定、產(chǎn)地限制等，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用高水速凝材料替代部分水泥，成本最多降低4～6元/t，因此可以做為提高早期強(qiáng)度的替代材料，而不適宜做水泥的替代材料。

(3)礦渣水泥。礦渣水泥為硅酸鹽類膠結(jié)劑，參與料漿制備充入采場(chǎng)后，其水化產(chǎn)物為穩(wěn)定的硅酸鈣凝膠，在井下環(huán)境條件下充填體具有同等的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)由于礦渣水泥經(jīng)加工成干粉狀物料后，其產(chǎn)品粒度、容重等物理性能與水泥相同，可采用完全相同的運(yùn)輸、存貯、給料、計(jì)量控制、充填料漿制備輸送等工藝設(shè)備，所以技術(shù)上僅對(duì)不同配比條件下充填強(qiáng)度進(jìn)行比較。礦渣水泥等量替代20%復(fù)合硅酸鹽水泥，充填試塊較全水泥膠結(jié)劑試塊強(qiáng)度更高，表1為煎茶嶺復(fù)合硅酸鹽水泥試塊與礦渣水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥混合試塊強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比。

表1 各類充填材料試塊強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比

由表1可見，礦渣水泥具有非常好的膠結(jié)效果，是理想的膠結(jié)材料，可以部分替代或者全部替代。但是煎茶嶺鎳礦礦區(qū)300 km范圍內(nèi)無(wú)礦渣水泥，受產(chǎn)地和運(yùn)費(fèi)限制，測(cè)算成本高于全復(fù)合硅酸鹽水泥，無(wú)法選擇和替代。有礦渣水泥使用條件的礦山應(yīng)盡可能選用，膠結(jié)劑消耗量可減少5% ～10%左右，充填成本可明顯降低。

(4)粉煤灰。粉煤灰是人工火山灰質(zhì)混合材料，絕大部分來(lái)自熱電廠燃煤產(chǎn)生，是一種工業(yè)固體廢棄物，本身略有水硬膠結(jié)性，與水泥中的氫氧化鈣等堿性物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)后具有明顯水硬膠凝性能。由于粉煤灰低廉的價(jià)格和化學(xué)反應(yīng)后具有的膠凝性能，且在良好的輸送性、減少管道磨損、提高充填體早期強(qiáng)度方面有一定的優(yōu)勢(shì)，膠結(jié)充填中部分替代水泥膠結(jié)劑是完全可行的。

由于粉煤灰只是略呈膠結(jié)性能，滲透率較低，國(guó)家規(guī)范規(guī)定粉煤灰添加總量不得超過(guò)30%。煎茶嶺鎳礦在下向膠結(jié)充填中粉煤灰采用超量替代法，即減少10%水泥使用量需用20%粉煤灰來(lái)替代，充填體強(qiáng)度完全滿足要求。

3.2 粗骨料替代材料選擇

國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)研究及生產(chǎn)實(shí)踐表明，高爐水淬渣、冶煉渣、分級(jí)尾砂等工業(yè)固體廢棄料經(jīng)簡(jiǎn)單加工后均可作為粗骨料膠結(jié)充填。這些替代材料可平衡和改善粗骨料粒級(jí)分布，使粗骨料可以達(dá)到最佳級(jí)配，滿足細(xì)度模數(shù)要求的技術(shù)條件并能穩(wěn)定充填體質(zhì)量。

3.3 國(guó)內(nèi)外部分礦山膠結(jié)劑及粗骨料應(yīng)用

礦山在充填膠結(jié)劑和骨料選擇中，根據(jù)礦區(qū)可用材料利用條件，選擇最佳物料組合和配比，使膠結(jié)充填成本能合理控制。應(yīng)當(dāng)特別注充填方式對(duì)充填體有不同的要求，下向膠結(jié)充填由于對(duì)強(qiáng)度有嚴(yán)格的要求，不可為節(jié)約成本而降低灰砂比或者隨意選取膠結(jié)劑和粗骨料。國(guó)內(nèi)外部分礦山膠結(jié)劑及粗骨料應(yīng)用對(duì)比見表2。

表2 國(guó)內(nèi)外部分礦山膠結(jié)劑及粗骨料應(yīng)用對(duì)比

4 煎茶嶺鎳礦選擇充填替代材料

煎茶嶺鎳礦下向膠結(jié)充填工藝設(shè)計(jì)中，僅選擇了人工砂和復(fù)合硅酸鹽水泥2種充填材料，本著降低充填成本和環(huán)保的目標(biāo)，為消除人工砂粒徑級(jí)配波動(dòng)，利用礦區(qū)周邊電廠粉煤灰和冶煉爐渣充足的有利條件，對(duì)粉煤灰和冶煉爐渣替代部分充填料做了系統(tǒng)研究，取得較好的效果。需要提示的是，所有參與充填的物料對(duì)SO3都必須嚴(yán)格限制，SO3超標(biāo)會(huì)造成充填體遠(yuǎn)期大幅下降。一般規(guī)定物料總SO3不得超過(guò)5%為宜。

(1)粉煤灰替代水泥。經(jīng)分析粉煤灰價(jià)格盈虧平衡點(diǎn)為水泥的47%，實(shí)際粉煤灰價(jià)格僅為水泥的29%，經(jīng)濟(jì)上完全具備使用條件。煎茶嶺鎳礦按照10%梯度遞減水泥，同時(shí)選用F類Ⅰ級(jí)粉煤灰超量替代膠結(jié)劑，目前已經(jīng)將水泥消耗量由300 kg/m3減少到270 kg/m3，使用證明完全成功。正在工業(yè)試驗(yàn)將水泥消耗降低到240 kg/m3，最終實(shí)現(xiàn)水泥消耗量為210 kg/m3。

礦山利用粉煤灰替代水泥后，充填成本下降8%。使用粉煤灰后輸送管道磨損減輕，變徑及彎頭的服務(wù)期限延長(zhǎng)了約38%。同時(shí)在添加粉煤灰后，充填體早期強(qiáng)度有所提高，由原來(lái)的7.1 MPa提高到 8.9 MPa。

(2)冶煉爐渣替代。礦山充填用粗骨料設(shè)計(jì)要求細(xì)度模數(shù)為2.6 ～2.9，但人工砂一直在2.9 ～3.4波動(dòng)，造成臨界流速紊亂，輸送過(guò)程總多次造成淤積堵管，造成充填體離析脫層。經(jīng)過(guò)配比試驗(yàn)，使用80%人工砂、20%冶煉爐渣，粗骨料細(xì)度模數(shù)穩(wěn)定在2.8±0.1范圍，完全達(dá)到了粗骨料最佳級(jí)配，見表3。冶煉爐渣的成本僅為人工砂的78%，因此使充填成本下降了約4%。

表3 冶煉爐渣與人工砂配合細(xì)度模數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

膠結(jié)充填礦山充填料來(lái)源和成本條件各不相同，膠結(jié)充填材料以適合礦山供應(yīng)條件，達(dá)到充填體強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，選擇成本最低的材料來(lái)進(jìn)行膠結(jié)充填，是降低膠結(jié)充填成本的關(guān)鍵。

煎茶嶺鎳礦在下向膠結(jié)充填中，利用礦區(qū)物料條件，合理選擇充填材料和部分替代材料，不僅解決了粗骨料粒級(jí)分布不均衡的問題，在膠結(jié)劑和骨料中添加粉煤灰和冶煉爐渣替代材料，在達(dá)到充填體強(qiáng)度的情況下，充填成本降低了12%左右，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為類似礦山提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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2011－03－22)

李 煒(1960－)，男，陜西戶縣人，高級(jí)工程師，碩士，從事礦山采礦技術(shù)研究。