閆方寶 王尚禎

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司， 西藏 昌都 854000)

礦山充填采礦中膠凝材料的種類及應(yīng)用

閆方寶1王尚禎2

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司， 西藏 昌都 854000)

新型尾砂膠結(jié)材料是國內(nèi)充填材料的一次技術(shù)革新，促進(jìn)了我國充填材料技術(shù)的進(jìn)步與“三廢”綜合利用。多個(gè)礦山實(shí)踐已證明這些材料能創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文對(duì)主要的幾種礦山充填膠凝材料的制備、特點(diǎn)和使用效果進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

膠結(jié)材料； 充填材料； 三廢； 水泥

隨著充填采礦技術(shù)，特別是膠結(jié)充填采礦技術(shù)的日益發(fā)展，使礦山許多復(fù)雜的技術(shù)問題得到了很好的解決，在深部開采、保護(hù)地表、“采富保貧”、“三下開采”、降低貧化率和損失率、防止因火災(zāi)、減緩巖爆發(fā)生、有效控制地壓活動(dòng)等方面發(fā)揮了巨大的作用。

充填采礦法具有損失率小、貧化率低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，也是能有效控制礦山地壓活動(dòng)的采礦方法。隨著采礦逐步向深部發(fā)展，以及對(duì)環(huán)境、資源保護(hù)的不斷強(qiáng)化，越來越多的礦山采用充填采礦方法。膠結(jié)充填已發(fā)展成為深井、復(fù)雜、特殊條件礦床的一種行之有效的開采技術(shù)。膠結(jié)充填技術(shù)以其特殊的工藝、突出的優(yōu)點(diǎn)、可喜的前景而日益廣泛地被應(yīng)用。它能更充分地滿足保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境、提高效益、保證礦山可持續(xù)開發(fā)的要求。

膠結(jié)材料是充填采礦技術(shù)中最為重要的因素，膠結(jié)材料的變化有時(shí)會(huì)引起采礦方法的變革。膠凝劑作為膠凝材料的主要材料之一，在礦山充填采礦工藝中占有重要地位。膠凝材料將向縮短凝固時(shí)間、低成本、高強(qiáng)度、易輸送、易生產(chǎn)、工藝簡單等方向發(fā)展，具有廣闊的研究、發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 膠凝材料作用機(jī)理

圖1 “六因素”與“四目標(biāo)”優(yōu)化控制關(guān)系

國內(nèi)外對(duì)膠凝材料的作用機(jī)理開展了大量的研究工作。如圖1所示，膠凝材料的作用機(jī)理受多種因素和目標(biāo)的影響，其中膠凝劑、惰性材料、細(xì)粒級(jí)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、料漿濃度、化學(xué)特性“六因素”與強(qiáng)度、流動(dòng)度、脫水量、充填成本“四目標(biāo)”的影響尤為顯著。膠凝材料的細(xì)度、活性率、堿性率與充填體的強(qiáng)度也有有密切關(guān)系：細(xì)度愈細(xì)，強(qiáng)度愈高；活性率>0.25、堿性率>l，效果較佳[1]。

2 充填膠凝材料種類

2.1 高水速凝充填材料

2.1.1 制備

高水速凝充填材料由90%水+10%固體材料(體積百分比)配制而成，充填料漿充填至井下后，30 min后整體固化，不脫水，其制備及充填工藝流程如圖2所示。

圖2 高水速凝材料制備及充填工藝流程圖

2.1.2 特點(diǎn)

(1)凝固速度快組成高水材料的A、B兩種漿液混合后5～30 min內(nèi)完成初凝。

(2)泵送性能好。A、B兩種材料的漿液混合前24 h以內(nèi)不凝固、不結(jié)底。

(3)高水速凝充填材料本身無毒、無害、腐蝕性小。

2.1.3 使用效果

(1)高水材料具有高水、速凝早強(qiáng)、良好的輸送性等優(yōu)點(diǎn)。

(2)高水充填料漿在采空區(qū)不脫水，充填體接頂率高，采充周期短，提高了采場(chǎng)生產(chǎn)能力，對(duì)井下環(huán)境基本無污染。

(3)高水充填料漿易制備，并具有良好的懸浮性和輸送性。在中高濃度輸送的情況下，甲、乙漿體混合前24 h不凝固，可長距離輸送。

(4)高水材料與各類尾砂相容性好，可充分利用全尾砂做骨料，減少尾砂排放處理和對(duì)環(huán)境污染。

(5)鋁釩土原料緊缺，成本偏高；兩種料漿匹配操作易失控；耐久程度不高[2]。

2.2 凝石似膏體充填膠凝材料

2.2.1 制備

凝石似膏體充填膠凝材料的制備是以地學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用地殼中最豐富的硅鋁質(zhì)物料(包括固體廢棄物，其用量可達(dá)95%以上)為主要原料配以少量由多種礦物復(fù)合成的成巖劑，模仿大地造巖過程，采用微晶二元清潔制備技術(shù)制備成的硅鋁基膠凝材料。

2.2.2 特點(diǎn)

(1)膠凝材料的凝石用量3%～5%；泵送充填料漿濃度72%～78%；固廢(包括礦山尾礦，煤燃燒廢棄物等)占充填材料的95%～97%。

(2)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1～7 d，可控，無需井下脫水。

(3)充填體早期強(qiáng)度高，采充循環(huán)周期短。

2.2.3 使用效果

(1)充填體含水率高。用該膠凝材料進(jìn)行充填所形成的充填體體積含水率高達(dá)87%～90%。

(2)早期強(qiáng)度高，增長速度快。各齡期的強(qiáng)度為：2 h為1.5 MPa以上；24 h為3.0 MPa 以上；3 d為4.0 MPa 以上；7 d以后的最終強(qiáng)度為5.0 MPa以上。

(3)充填體具有較高的殘余強(qiáng)度和良好的“恒阻”特性。

其充填工藝流程如圖3所示。

圖3 凝石似膏體制備及充填工藝流程圖

2.3 凝泰克充填材料

2.3.1 制備

凝泰克由甲料和乙料組成。甲料與乙料分別加水進(jìn)行攪拌后，制成甲漿液與乙漿液，兩種漿液進(jìn)入混合器制成凝泰克成品。

其制備工藝流程如圖4所示。

圖4 凝泰克制備工藝流程圖

2.3.2 特點(diǎn)

(1)膨脹倍數(shù)高(可達(dá)5倍)、 充填用量小、經(jīng)濟(jì)適用性好。

(2)分為加固、充填、密閉和堵漏型。

(3)阻燃、無毒、無害、無腐蝕、泵送性能好。

2.3.3 使用效果

(1)凝泰克的料水比可高達(dá)2～10倍。

(2)甲、乙兩種漿液混合前可長達(dá)20多h不凝固、不結(jié)底，混合后很快發(fā)生反應(yīng)，1～30 min內(nèi)完成初凝。

(3)早期強(qiáng)度高，增長速度快。

2.4 山東安實(shí)綠色開采技術(shù)發(fā)展有限公司膠凝材料

2.4.1 粉煤灰膠結(jié)膠固劑

(1)制備

該材料以當(dāng)?shù)仉姀S粉煤灰為主料，以煤礦低濃度充填專用膠固料為輔料。該輔料既可用于礦山充填、地下注漿及道路建設(shè)等領(lǐng)域，又可作為巷道漏風(fēng)縫隙以及上山區(qū)域防滅火充填材料，同時(shí)也是礦山采空區(qū)堵露、滅火和阻燃的理想材料。

(2)特點(diǎn)

①充填材料選材容易。以當(dāng)?shù)胤勖夯覟橹髁稀Ｓ媚z固劑為輔料，可就地取材。

②充填工藝簡單，料漿無需泵送，經(jīng)過充填管路可實(shí)現(xiàn)自流到充填工作面。

③充填料漿和易性較好，不沉淀、不離析、不泌水。

③充填固化時(shí)間短，抗壓強(qiáng)度高。

(3)使用效果

該充填材料具有選材容易、成本低、充填工藝簡單、接頂效果好、自動(dòng)化程度高和適用范圍廣等特點(diǎn)。2011年在滕州市劉村煤礦進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 粉煤灰充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4.2 膏體充填膠凝材料

(1)制備

該膠凝材料的原料主要包括礦井的煤矸石、建筑垃圾、自備電廠的粉煤灰，以及膠結(jié)材料。膏體充填膠凝材料能夠?qū)⒚喉肥?、泥沙、粉煤灰、劣質(zhì)土以及城市垃圾等在地面加工成無需脫水處理的牙膏狀漿體，給充填泵或重力加壓，可將其通過管道輸送到井下，適時(shí)充填采空區(qū)或離層區(qū)。

(2)特點(diǎn)

①能夠與含泥量高的各種集料正常凝結(jié)固化，為最大限度應(yīng)用各種固體廢棄物創(chuàng)造了有利條件。

②極少用量(膠結(jié)料含量一般2%～5%)就能使膏體料漿形成所需強(qiáng)度的固化體，并且早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度持續(xù)增長。

③生產(chǎn)成本低。

(3)使用效果

該材料可以形成以膏體充填體為主的上覆巖層支撐體系，有效控制地表沉陷在建筑物允許值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了村莊不搬遷，安全開采建筑物下壓煤，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和地下水資源。

該膏體充填膠凝材料與水泥的膠結(jié)性能對(duì)照見表2、表3、表4。

表2 膠結(jié)河砂

表3 膠結(jié)全尾砂

表4 膠結(jié)黃泥

2.4.3 膏體全尾砂充填膠凝材料

為降低礦山充填成本，該公司還研發(fā)出適用于金屬礦山的膏體全尾砂充填膠凝材料。

(1)制備

膏體全尾砂充填膠凝材料由多種無機(jī)材料與少量外加劑均勻混合而成，沒有復(fù)雜的高溫煅燒工藝，呈灰白細(xì)粉末狀，主要化學(xué)成份為SiO2、AI2O3、Fe2O3、CaO、MgO、CaSO4，無毒、無害。

(2)特點(diǎn)

該材料最大的特點(diǎn)是對(duì)尾砂等細(xì)骨料有特殊的固結(jié)效果。用該材料做充填膠結(jié)劑，能滿足井下充填在泵送性、環(huán)保性、流動(dòng)性和早強(qiáng)性等方面的需求，而且對(duì)金屬回收率沒有任何影響。

(3)使用效果

此材料用量省(不足水泥用量的50%)、充填體早期強(qiáng)度高、采礦周期短；井下作業(yè)環(huán)境好、綜合充填成本低[3]。以劉家廟鐵礦為例，原充填材料成本為76元/m3，而此充填材料成本為45.5元/m3。充填體單向抗壓強(qiáng)度4 d為1.34 MPa；9 d為2.32 MPa；18 d為2.7 MPa。

2.5 SL膠結(jié)料

SL膠結(jié)料是由徐州中礦大貝克福爾科技有限公司研制的。該膠結(jié)料可在保證適當(dāng)流動(dòng)性的前提下提高膏體濃度，減少用水量，降低膏體中水泥用量。

2.5.1 制備

SL膠結(jié)料是一種以水淬渣、粉煤灰等為主要原料加工制成的復(fù)合材料，其親泥特性好、強(qiáng)度高、成本低，特別適合矸石、風(fēng)積砂、黃土等充填。

2.5.2 特點(diǎn)

(1)粉煤灰在膏體中起到明顯的微細(xì)集料懸浮作用和活性增強(qiáng)作用。

(2)不同電廠粉煤灰對(duì)膏體流動(dòng)性和強(qiáng)度影響大，導(dǎo)致膏體充填材料質(zhì)量不穩(wěn)定，難以調(diào)節(jié)控制。

(3)近年粉煤灰價(jià)格上漲，粉煤灰占膏體材料費(fèi)用的比重越來越大。

2.5.3 使用效果

該膠結(jié)料的同齡期膠結(jié)強(qiáng)度明顯高于普通水泥，如表5所示。

表5 SL膠結(jié)料與普通水泥膠結(jié)性能對(duì)照表

2.6 尾砂固結(jié)劑

尾砂固結(jié)劑是淄博海州充填膠凝材料有限公司針對(duì)礦山井下充填工程需要，研制成功的一種新型膠凝材料，該材料與傳統(tǒng)充填膠凝材料水泥相比具有流動(dòng)性好，可泵性強(qiáng)、用量省、充填體早期強(qiáng)度高、充填采礦成本低等特點(diǎn)。

2.6.1 制備

尾砂固結(jié)劑的主要原材料為煉鐵爐渣及該公司自主研發(fā)的專利產(chǎn)品。根據(jù)不同的尾砂情況，通過尾砂實(shí)驗(yàn)，可小幅調(diào)整煉鐵爐渣和專利產(chǎn)品的比例。水泥出廠之前要進(jìn)行一系列的試驗(yàn)檢測(cè)。

2.6.2 特點(diǎn)

(1)用量少，砂漿流動(dòng)性好、易于輸送，形成的充填體早期強(qiáng)度高。

(2)可有效減少采場(chǎng)空頂時(shí)間，有利于礦山安全生產(chǎn)。

(3)充填使用的主要原料是工業(yè)廢棄物，鋼鐵廠廢渣以及礦山尾砂，屬“三廢” 利用項(xiàng)目，符合國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策。

2.6.3 使用效果

在達(dá)到相同充填體強(qiáng)度的條件下，尾砂固結(jié)劑用量為標(biāo)號(hào)32.5的普通水泥的50%以下，降低了充填成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。與標(biāo)號(hào)32.5的普通水泥相比，在同樣配比條件下，尾砂固結(jié)劑的充填體強(qiáng)度提高1倍以上。尾砂固結(jié)劑與標(biāo)號(hào)32.5的普通水泥的膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果如表6所示。

表6 充填試件強(qiáng)度檢測(cè)對(duì)比

2.7 工業(yè)廢渣固化劑

工業(yè)廢渣固化劑是由中國建筑科學(xué)研究院研制的，可用于工業(yè)廢渣及全尾砂膠結(jié)的新型膠凝材料。

2.7.1 制備

該固化劑是采用煤矸石、鋼渣、粉煤灰、硅灰、脫硫石膏等工業(yè)廢渣作為主要原料，按照“以廢棄物治理廢棄物”的指導(dǎo)原則，采用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)技術(shù)，制備出的低成本尾礦膠結(jié)充填固化劑。

2.7.2 特點(diǎn)

采用該工業(yè)廢渣固化劑將這些廢棄物進(jìn)行活性激發(fā)后用于處理尾礦并充填于井下，既可節(jié)約用地、節(jié)能減排、減少地質(zhì)災(zāi)害，又可降低冶金礦山企業(yè)生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著，在區(qū)域范圍內(nèi)可打造循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)。

2.7.3 使用效果

礦山企業(yè)一般年排放尾礦量從幾十萬t到幾百萬t不等。以馬鞍山南山鐵礦為例，該礦年排放尾礦350萬t。原先采用以水泥為主的固化劑，年需水泥約20萬t，按水泥市場(chǎng)價(jià)350元/t計(jì)，則每年水泥固化劑投資約7 000萬元，而工業(yè)廢渣膠結(jié)充填固化劑年需求量為15萬t，按固化劑價(jià)格約320元/t計(jì)，則每年工業(yè)廢渣固化劑投資4 800萬元，僅材料一項(xiàng)節(jié)約資金2 200萬元，其經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著。其與普通水泥的指標(biāo)對(duì)比如表7所示。

表7 水泥與工業(yè)廢渣固化劑對(duì)比

3 充填膠凝材料的前景展望

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為膠結(jié)充填采礦技術(shù)的成本高、效率低，只適合于開采技術(shù)條件復(fù)雜的高價(jià)值礦產(chǎn)資源。然而事實(shí)上，隨著充填技術(shù)和充填材料的發(fā)展，充填成本在開采總成本中所占的比例呈下降的趨勢(shì)，即使中、低價(jià)值礦產(chǎn)資源往往也可以通過降低礦產(chǎn)資源的損失與貧化所獲得的效益而得到補(bǔ)償，甚至可以使企業(yè)獲得更豐厚的、直接的或潛在的經(jīng)濟(jì)效益?？梢赃@樣比喻，用充填采礦法采礦減少了損失與貧化，就相當(dāng)于沒有經(jīng)過探礦而用很少的費(fèi)用(即充填費(fèi)用)又找到了一個(gè)新的礦床，建立了一個(gè)不用進(jìn)行基建的小礦山。如果經(jīng)過詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和分析，將充填技術(shù)應(yīng)用于損失貧化較大的大型黑色金屬礦山、有色金屬礦山、非金屬礦山(如煤礦)等，更能體現(xiàn)出合理利用資源的優(yōu)越性。

充填法采礦已成為控制地質(zhì)災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)無廢開采的重要途徑。為此，開展了以鋼渣、礦渣為主要原料的膠凝材料試驗(yàn)研究，包括充填骨料物理性能測(cè)定和新型膠結(jié)充填材料配比試驗(yàn)。開發(fā)的新型膠凝材料具有成本低、強(qiáng)度高，比尾砂膠結(jié)性能好等特點(diǎn)，可大幅度降低充填成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語

近年來新型尾砂充填膠結(jié)材料在多個(gè)礦山的成功應(yīng)用表明。這些材料具有優(yōu)良的質(zhì)量性能與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可為我國部分充填采礦法礦山解決諸多充填技術(shù)難題并作為其他礦山之借鑒。

新型尾砂膠結(jié)材料屬“三廢”利用項(xiàng)目，符合國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，而且對(duì)提高礦山尾砂利用率，減少或避免礦山尾礦排放，實(shí)現(xiàn)無害化礦山開采等有重要意義，在礦山充填領(lǐng)域中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

在綠色水泥和充填技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，相關(guān)技術(shù)已不局限于礦山充填，還在道路工程、水利工程、市政建設(shè)、環(huán)境修復(fù)、荒漠化改造及其它重要工程上得到了廣泛應(yīng)用。

[1] 王堅(jiān)．水硬性石膏膠凝材料性能影響因素研究[J]．非金屬礦，2005(3)：21-23．

[2] 王培月．高水材料固結(jié)尾砂充填工藝在玲瓏金礦的應(yīng)用[J]．中國礦業(yè),2004(9)：50-52．

[3] 祝麗萍．赤泥- 礦渣少熟料體系制備全尾砂膠結(jié)充填料試驗(yàn)研究[J]．中國金屬通報(bào),2009(11):175-178．

Kinds and Application of Cementing Material in Mine Filling Mining

YAN Fang-bao, WANG Shang-zhen

New cementing material of tailings is an innovation for domestic filling material, it promotes the technological progress of filling material and the comprehensive utilization of “three wastes” and have been proved to create significant economic and social benefits by multiple mining applications. This paper introduced the preparation, characteristic and using effects of several kinds of main cementing materials in mine filling mining.

cementing material; filling material; three wastes; cement

2013-12-02

閆方寶(1983—)，男，山東臨沂人，博士，工程師，主要從事采礦工程咨詢與設(shè)計(jì)工作。

TD853.34

A

1008-5122(2014)01-0033-05