劉芳芳（河北地質(zhì)職工大學(xué),石家莊 050081）

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全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在金屬礦山的應(yīng)用

劉芳芳
（河北地質(zhì)職工大學(xué),石家莊 050081）

摘 要：介紹了全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在金屬礦山應(yīng)用的現(xiàn)狀，指出了全尾砂膠結(jié)充填工藝參數(shù)的確定。通過全尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)，使尾礦進(jìn)入井下，減少礦山地質(zhì)災(zāi)害事故，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的二次利用，同時(shí)避免固體廢料對環(huán)境的污染。

關(guān)鍵詞：全尾砂；膠結(jié)充填；采空區(qū)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)工業(yè)社會以來，人類對能源的需求日益增大。礦山中蘊(yùn)含著大量能源物質(zhì)，我國未來的發(fā)展對其的依賴還很巨大。礦山開采在帶來礦產(chǎn)資源的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的采空區(qū)和尾礦，這些未處理的采空區(qū)和形成于地表的尾礦庫給礦山和社會帶來了大量的重大安全隱患，是礦山最主要的危險(xiǎn)源。

我國許多礦山都存在大量的采空區(qū)，致使礦山開采條件惡化，造成礦柱變形破壞，相鄰作業(yè)區(qū)采場和巷道維護(hù)困難等地壓現(xiàn)象。例如應(yīng)用空場法采礦作業(yè)方式，采空區(qū)則利用采礦時(shí)留下的礦柱對采空區(qū)的頂板實(shí)施支護(hù)，未從長遠(yuǎn)角度考慮采空區(qū)多年以后因礦柱崩塌、冒頂、透水、地震等因數(shù)造成地表沉陷、房屋陷落、農(nóng)田損毀的嚴(yán)重后果。

1 全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在金屬礦山的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國地下開采的金屬礦山，多采用崩落法、空場法、充填采礦法，只有10%左右的礦山企業(yè)在使用充填采礦技術(shù)利用尾礦充填采空區(qū)。隨著我國倡議建設(shè)綠色礦山，提高資源綜合利用率，節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，科學(xué)發(fā)展的模式得到人們的普遍認(rèn)同，全尾砂膠結(jié)充填在以上這些方面具有明顯的優(yōu)越性。全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)是一種新型高效的充填方式，隨著該技術(shù)在礦山的實(shí)施運(yùn)用，能最大限度的利用尾礦資源，以減少對環(huán)境的污染和土地、資源的浪費(fèi)。可以從根本上解決礦產(chǎn)資源開采帶來的環(huán)境和安全問題，同時(shí)還能充分地回收礦產(chǎn)資源，對于促進(jìn)采礦工業(yè)與資源、環(huán)境、安全的協(xié)調(diào)發(fā)展，避免或減輕對大氣、水體、土壤的污染，保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境，節(jié)能減排降耗、保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，提高礦山開采經(jīng)濟(jì)社會效益。同時(shí)，一些礦山開采將轉(zhuǎn)向深部礦體、“三下礦體”以及其它復(fù)雜難采礦體，地壓控制問題將日益突出，并成為深部高效、安全作業(yè)的主要障礙。膠結(jié)充填是深部及復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下地壓控制的有效途徑。

例如中礦集團(tuán)井下礦山原先采用上向分層分級尾砂充填采礦法，即在采出礦完成之后，用分級尾砂對采空區(qū)域進(jìn)行充填。為使充填尾砂具有較好的滲水性，約有60%的粗尾砂能夠用于井下充填，其余細(xì)尾砂被排入尾礦庫儲存。隨著開采深度的快速延伸，深部地壓應(yīng)力不斷增高，給安全管理和生產(chǎn)組織帶來較大的困難。為實(shí)現(xiàn)安全高效采礦，該礦對井下礦山的充填工藝進(jìn)行了全面改造，應(yīng)用了上向進(jìn)路式全尾砂膠結(jié)充填采礦法。將尾砂和水泥按照設(shè)定灰砂比造漿，再進(jìn)入高速活化攪拌機(jī)進(jìn)行活化攪拌，最后通過充填管路送入井下。整個(gè)流程通過電動控制系統(tǒng)對各閥門、開關(guān)，尤其是濃度、流量、灰砂比進(jìn)行控制。

與傳統(tǒng)分級尾砂充填工藝相比，全尾砂膠結(jié)充填采礦法實(shí)現(xiàn)了尾砂的全部利用，減少排入尾礦庫尾砂的運(yùn)輸量，降低了尾礦庫的管理成本，又保證了膠結(jié)充填材料的足夠供應(yīng)。由于膠結(jié)充填體的強(qiáng)度足夠大，它可以在回采中起到間柱的作用，可以有效回采礦柱，大幅降低損失率和貧化率。分級尾砂充填損失率約為15%，年損失礦柱礦量約2.64萬噸，而全尾砂膠結(jié)充填損失率約為8%，每年能夠回收價(jià)值千萬元的金屬量。此外，在控制地應(yīng)力顯現(xiàn)集中和控制巖層移動方面，全尾砂膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬、優(yōu)勢明顯，并且為深部中段的回采提供了安全的作業(yè)環(huán)境［1］。

2 全尾砂膠結(jié)充填工藝

全尾砂膠結(jié)充填工藝是以物理化學(xué)和膠體化學(xué)的理論為基礎(chǔ)，直接采用選廠尾砂漿，經(jīng)濃密機(jī)和砂倉沉降脫水，將全尾砂與一定比例的水泥和水通過雙軸葉片式攪拌機(jī)和高速活化攪拌機(jī)合成均質(zhì)的膠結(jié)充填料，利用管道將充填料充入采場。尾砂流量，水泥流量，加水量以及合成充填體料漿的濃度等參數(shù)由自動控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

以礦渣、水泥、半水石膏、脫硫石膏與生石灰作為膠凝材料，并且加入少量萘系高效減水劑，制備全尾砂膠結(jié)充填材料。為了保證充填體的質(zhì)量，全尾砂充填料漿要求以高濃度狀態(tài)輸送。隨著礦山開采深度的不斷增加，管道輸送距離加長，相對高差增大，輸送系統(tǒng)更加復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性尤顯重要。由于管道輸送系統(tǒng)的復(fù)雜性，充填料漿管道輸送系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)僅僅依靠理論計(jì)算會產(chǎn)生較大的誤差，料漿濃度、流速和輸送阻力等各種參數(shù)主要受固體物料的物理性質(zhì)、漿體流動性和管徑等因素的影響，一般經(jīng)過管道輸送試驗(yàn)來確定［2］。從提高充填體強(qiáng)度來說，需提高充填料漿濃度。但濃度過高輸送困難，而濃度過低則容易引起充填料離析，所以必須將充填料濃度控制在合理的范圍內(nèi)［3］。根據(jù)現(xiàn)場L管試驗(yàn)，將充填料漿配制成80%～60%的濃度進(jìn)行塌落度試驗(yàn)，灰砂比按照1：4，1：6，1：8，1：12進(jìn)行試驗(yàn)，確定充填料濃度為70%時(shí)，塌落度在20cm左右，灰砂比為1：8，基本符合礦山對充填體強(qiáng)度的要求。同時(shí)，也可以根據(jù)采礦要求調(diào)節(jié)不同的充填料濃度和灰砂比，在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)對比，優(yōu)選膠結(jié)充填材料及灰砂配合比。以便滿足不同礦山對充填體強(qiáng)度要求不同。確定充填體的穩(wěn)定模型，進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填開采的現(xiàn)場工程實(shí)踐與應(yīng)用推廣。

3 全尾砂膠結(jié)充填金屬礦山采空區(qū)

地下開采過后留下的空區(qū)，是地質(zhì)災(zāi)害一大隱患，選廠排出的尾礦砂存放地表又不利于環(huán)保。由于尾礦排放不規(guī)范，導(dǎo)致庫容利用率降低，阻礙了尾礦正常排放。。采空區(qū)充填尾礦是直接利用尾礦的最有效途徑之一，將尾砂充填采空區(qū)，既可支撐采空區(qū)，避免地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，又可減少地表污染，緩解了庫容不足的矛盾，確保尾礦庫繼續(xù)使用。用尾礦作充填料，其充填費(fèi)用較低。有的礦山由于地形的原因，不能設(shè)置尾礦庫，將尾礦填入采空區(qū)就更有意義。

金屬礦山一般采用管路充填，關(guān)鍵是高濃度尾礦的制備和膠結(jié)材料的選擇。采空區(qū)充填一般在封堵墻砌完24h以后進(jìn)行，以充分保證封堵墻達(dá)到工藝設(shè)計(jì)的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)采空區(qū)的實(shí)際情況，決定分幾次充填，一般礦房充填分3次，即一次試充、預(yù)接頂充填、接頂充填。接頂充填工序必須在上次充填24h以后進(jìn)行［4］。張馬屯鐵礦采用全尾膠結(jié)充填采空區(qū)的方法，將尾礦全部用于充填地下采空區(qū)。選礦尾礦濃縮采用濃縮--壓濾的方法，獲得濃度為75 %～80 %左右的濾餅，然后，采用雙軸攪拌機(jī)和高速攪拌機(jī)將濾餅與水、水泥混勻，制成重量濃度約為60 % ～65 % 的膏體充填料漿［5］。

4 結(jié)語

全尾砂膠結(jié)充填在金屬礦山作為一項(xiàng)新技術(shù)，須朝著改進(jìn)充填工藝、改善充填體質(zhì)量、降低充填成本、減少環(huán)境污染和生態(tài)破壞等方向努力，全尾砂膠結(jié)充填在深部回采和采空區(qū)充填與傳統(tǒng)的回填相比都有非常明顯的優(yōu)勢，因此進(jìn)一步推廣全尾砂膠結(jié)充填的應(yīng)用，減少礦山地質(zhì)災(zāi)害事故，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的二次利用，提高礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會效益，實(shí)現(xiàn)固體廢料的減量排放或零排放，避免固體廢料對環(huán)境的污染。

參考文獻(xiàn)：

［1］煙臺日報(bào),2014-11-21［J］.

［2］劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社,2001.

［3］蘆世俊.全尾砂高濃度充填料漿自流輸送系統(tǒng)特性分析及設(shè)計(jì)［J］.有色金屬（礦山部分）,2010,62（02）.

［4］王鳳波，蘇紅蕊.全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在馬莊鐵礦的應(yīng)用［J］.生產(chǎn)技術(shù),2010 .

［5］謝開維，何哲祥.張家屯鐵礦全尾砂膠結(jié)充填的試驗(yàn)研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā),1998,18（04）：8-10.

項(xiàng)目：本文受河北教育廳項(xiàng)目z2015152資助

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.197

作者簡介：劉芳芳（1980-），女，講師，主要從事工程地質(zhì)、地質(zhì)礦產(chǎn)方面教學(xué)工作。