郭慧高，辜大志，鄒龍，曹思遠(yuǎn)

(金川集團(tuán)有限公司，甘肅金昌市737100)

淺析廢石膠結(jié)充填技術(shù)在金川二礦區(qū)的應(yīng)用前景*

郭慧高，辜大志，鄒龍，曹思遠(yuǎn)

(金川集團(tuán)有限公司，甘肅金昌市737100)

研究開(kāi)發(fā)金川二礦區(qū)廢石混凝土攪拌和輸送技術(shù)，充分利用井下產(chǎn)生的廢石、廢水和地表產(chǎn)生的細(xì)顆粒物料等，將井下的廢石破碎到一定的程度，與地表的細(xì)顆粒物料、水泥和井下的廢水等進(jìn)行混合，制成能夠滿(mǎn)足下向膠結(jié)充填人工假頂強(qiáng)度要求的廢石混凝土，泵送到采空區(qū)進(jìn)行充填，不僅是解決目前金川礦山生產(chǎn)與充填材料嚴(yán)重不足矛盾的有效途徑，而且是金川二礦區(qū)向現(xiàn)代化無(wú)廢礦山發(fā)展的必然選擇，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保意義。

無(wú)廢開(kāi)采;廢石—全尾砂膠結(jié)充填;金川鎳礦;應(yīng)用前景

1 概述

礦山膠結(jié)充填工藝技術(shù)研究的總體目標(biāo)是降低充填成本，提高充填質(zhì)量。其發(fā)展方向是全尾砂、高濃度充填和膏體充填。這一方面是井下采礦工藝的要求;另一方面是礦山環(huán)境生態(tài)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)廢害開(kāi)采的需要，同時(shí)也是從根本上解決目前礦山充填中普通存在的技術(shù)難題的最有效途徑［1］。一般講，選擇充填材料應(yīng)遵循的原則首先是礦山廢渣的利用，其次是就地取材，加工成符合質(zhì)量指標(biāo)的充填料(如金川戈壁集料棒磨砂)，第三是就近取材或就近外購(gòu)。充分利用井下產(chǎn)生的廢石和地表產(chǎn)生的細(xì)顆粒物料(尾砂)作為骨料、以普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)劑，與井下的廢水等進(jìn)行合理配制廢石充填料，從材料選型上屬于礦山廢碴利用。由于粗粒級(jí)廢石骨料的應(yīng)用，可有效降低膠結(jié)劑用量，低降充填成本［2］。

目前，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了少數(shù)典型的無(wú)廢料排棄的礦山。例如德國(guó)格隆德鉛鋅礦利用浮選后的全尾砂和重選碎石制備膏體充填料回填下向充填進(jìn)路，不再有尾礦排棄到尾礦庫(kù)。又如德國(guó)瓦爾什姆煤礦產(chǎn)出的煤炭送到地表洗煤廠，洗出的精煤運(yùn)至旁邊的坑口電站發(fā)電，而將電站的粉煤灰和洗煤廠的煤泥返回到井口充填制備站，混合拌成膏體后再泵送到井下采空區(qū)進(jìn)行充填。又如在一些風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)內(nèi)采礦，例如奧地利的布萊堡鉛鋅礦，我國(guó)南京棲霞山鉛鋅銀礦這樣的風(fēng)景名勝區(qū)等［1］。勿庸置疑，這類(lèi)礦山開(kāi)采的首先條件是能否將大量工業(yè)固體廢物回填到地下。大量處理工業(yè)固體廢料將是礦山今后設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮的重要任務(wù)，是解決礦區(qū)環(huán)境污染問(wèn)題的最好方法。

但是，在采用下向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法的礦山，將井下廢石就地破碎后，利用井下的工程廢水，添加工業(yè)細(xì)顆粒廢料和膠結(jié)劑配制成廢石混凝土，遠(yuǎn)距離泵送到采空區(qū)進(jìn)行充填的工藝研究［3］，國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)報(bào)道。

2 金川二礦區(qū)廢石膠結(jié)充填研究

2.1 金川二礦區(qū)井下廢石的產(chǎn)能

目前，二礦區(qū)井下固體廢料主要來(lái)自以下幾個(gè)方面:礦山生產(chǎn)掘進(jìn)、返修所產(chǎn)生的廢石，采礦過(guò)程中采下的夾石、脈巖及上下盤(pán)圍巖，充填接頂時(shí)產(chǎn)生的溢流砂漿，以及其他工業(yè)廢棄物。井下廢石組成隨生產(chǎn)情況的不同會(huì)有所不同，其中以開(kāi)拓和生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢石為主，且井下廢石基本屬于易破碎巖石。“十一五”期間是二礦區(qū)井下產(chǎn)生廢石量的高峰期，期間產(chǎn)生廢石總量超過(guò)1367800m3，年均273560m3/738600t。當(dāng)“十一五”末850m中段開(kāi)拓完成后，井下廢石主要由采準(zhǔn)工程和新中段的開(kāi)拓工程產(chǎn)生。按目前的礦山礦石產(chǎn)量與廢石產(chǎn)量(2004～2010年，每產(chǎn)出10萬(wàn)t礦石，產(chǎn)生約1萬(wàn)t廢石)估計(jì)，廢石產(chǎn)量約40萬(wàn)t/a，平均1212t/d。二礦區(qū)2004～2010年井下廢石產(chǎn)量見(jiàn)表1。

此外，二礦區(qū)每天從井下排放到地表的泥水達(dá)到3800m3(每年的排放量達(dá)到1.3×105m3)。如果能夠有效地利用井下的廢水、廢石，二次用于礦山再生產(chǎn)，不僅可以緩解因?yàn)榫聫U水廢石的地表排放而造成的環(huán)境污染，而且可以大大減少井下廢水、廢石的地表排放費(fèi)用，為礦山的生產(chǎn)建設(shè)創(chuàng)造效益。

表1 二礦區(qū)2004～2010年井下廢石量單位:萬(wàn)t

2.2 金川二礦區(qū)廢石充填方案

金川二礦區(qū)下向進(jìn)路式采礦廢石膠結(jié)充填工藝新模式的實(shí)質(zhì)是希望能充分利用礦山井下產(chǎn)生的廢水、廢石和地表產(chǎn)生的細(xì)顆粒物料等，將井下廢石破碎到一定粒度(－20mm)，與地表的細(xì)顆粒物料、水泥和井下的廢水等進(jìn)行混合制成可管道輸送的充填料漿，泵送到采空進(jìn)路進(jìn)行充填，構(gòu)成能夠滿(mǎn)足膠結(jié)充填體假頂強(qiáng)度要求的廢石混凝土［4］。

用于礦山井下充填的廢石混凝土的配制材料包括井下的工業(yè)廢石和井下產(chǎn)生的廢水，其材料性能特征與地表建筑所選用的材料差別很大，而且具有不確定性。對(duì)于該種廢石混凝土，不僅在強(qiáng)度上要考慮到所形成的充填體應(yīng)滿(mǎn)足礦山生產(chǎn)的要求，而且混凝土拌合物的流動(dòng)性還要滿(mǎn)足采場(chǎng)進(jìn)路充填料漿流動(dòng)性能的要求，同時(shí)混凝土拌合物的穩(wěn)定性要滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離下向或上向泵壓輸送的要求［5］。

二礦區(qū)與多家科研院校合作，提出井下條件下廢石的儲(chǔ)備、破碎、供料、攪拌、泵送、檢測(cè)與控制等系統(tǒng)的工藝方案。顯然，廢石充填料漿的流變特性是該工藝方案的核心，漿體的泵壓管道輸送是關(guān)鍵。通過(guò)分析，制定了井下條件下廢石膠結(jié)充填工藝研究的技術(shù)路線(xiàn)(見(jiàn)圖1)。

圖1 研究技術(shù)路線(xiàn)

選擇在二礦區(qū)采礦四工區(qū)、五工區(qū)和六工區(qū)采場(chǎng)的I、II期采空進(jìn)路進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。工業(yè)試驗(yàn)以打底充填為主，要求一次充填高度達(dá)到2m以上。工業(yè)試驗(yàn)共進(jìn)行了廢石與全尾砂之比為5∶5和6∶4兩組試驗(yàn)，完成充填量10080m3，其中廢石用量7073 t，全尾砂用量5936t，水泥用量3143t。工業(yè)試驗(yàn)工程量及試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。廢石:全尾砂=5∶5的條件下，完成5組濃度試驗(yàn)，重量濃度分別為77%，78%，78.3%，78.7%，79.5%;廢石:全尾砂=6∶4的條件下，完成了4組試驗(yàn)，重量濃度分別為76%，77.6%，78%，80.8%。從表2可以看出，廢石尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的要求。

表2 廢石—全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度

工業(yè)試驗(yàn)的充填管道輸送水平距離最長(zhǎng)為1858m、最短為1650m，垂直落差H=492m，充填倍線(xiàn)最大為4.78、最小為4.35。廢石—全尾砂料漿流動(dòng)狀態(tài)見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 廢石∶尾砂=5∶5的充填料漿在進(jìn)路里的流動(dòng)狀態(tài)

圖3 廢石∶尾砂=6∶4的充填料漿在進(jìn)路里的流動(dòng)狀態(tài)

3 廢石—全尾砂充填系統(tǒng)投資與成本估算

金川礦山充填成本占到了采礦總成本的1/3，而充填成本中充填材料費(fèi)用占85%以上，其中水泥占總充填材料費(fèi)用的40%～50%［5］。高的充填成本越來(lái)越成為制約礦山經(jīng)濟(jì)效益及發(fā)展的重要因素。

根據(jù)充填廢石破碎集料生產(chǎn)工藝，采掘廢石的收集仍采用二礦區(qū)井下已有的廢石運(yùn)輸系統(tǒng)，僅在1150m中段增加廢石破碎生產(chǎn)線(xiàn)，因而廢石破碎集料的成本僅有廢石破碎成本。目前地表建筑、公路、水利等工程的石料生產(chǎn)線(xiàn)較普遍，其破碎成本一般在25元/m3左右，+15～－25mm碎石產(chǎn)品售價(jià)一般為45元/m3左右。+8～－15mm石子售價(jià)一般為40元/m3左右。由于二礦區(qū)井下廢石破碎性較好且不需要多級(jí)篩分，級(jí)配連續(xù)，生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，但考慮井下作業(yè)環(huán)境因素，廢石破碎成本取40元/m3或15.38元/t。顯然，采用廢石充填，骨料成本是礦山現(xiàn)用的棒磨砂成本的45%左右。

目前，金川公司二礦區(qū)充填骨料采用－3mm棒磨砂和分級(jí)尾砂，分為棒磨砂自流充填和分級(jí)尾砂－棒磨砂膏體充填兩種方式，由于廢石充填工藝中所用水泥等材料相同，其動(dòng)力、工資組成等與膏體系統(tǒng)基本相同，因而通過(guò)類(lèi)比，可得出廢石充填工藝成本，見(jiàn)表3。

表3 金川鎳礦幾種膠結(jié)充填工藝成本比較

由表3得，廢石充填工藝成本約為86.48元/m3，是礦山現(xiàn)用棒磨砂自流充填成本的66.25%，是膏體充填成本的88%，成本優(yōu)勢(shì)比較明顯。

廢石—全尾砂充填工藝可大量利用礦山的工業(yè)廢棄物，建設(shè)“無(wú)廢礦山”，實(shí)現(xiàn)“綠色礦業(yè)”具有重要意義。二礦區(qū)廢石充填研究既符合金川礦山充填技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)和需要，具有明確的針對(duì)性和目的性，又具有實(shí)際推廣應(yīng)用前景，屬礦業(yè)工程中的前沿性研究課題，具有科技創(chuàng)新意義。

［1］周愛(ài)民.礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］于潤(rùn)滄.我國(guó)膠結(jié)充填工藝發(fā)展的技術(shù)創(chuàng)新［J］.中國(guó)礦山工程，2010，(5).

［3］王新民，肖衛(wèi)國(guó)，張欽禮.深井礦山充填理論與技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005.

［4］張宗生.金川礦山廢石膏體配制與流變特性研究［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2007.

［5］韓斌，吳愛(ài)祥，鄧建，等.基于可靠度理論的下向進(jìn)路膠結(jié)充填技術(shù)分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，(3).

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目(2008bab32b01).

2011－04－22)

郭慧高(1971－)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，高級(jí)工程師，工程碩士，從事礦山高效采礦技術(shù)管理與研究。