淺析廢石膠結充填技術在金川二礦區的應用前景*

郭慧高，辜大志，鄒龍，曹思遠

(金川集團有限公司，甘肅金昌市737100)

淺析廢石膠結充填技術在金川二礦區的應用前景*

郭慧高，辜大志，鄒龍，曹思遠

(金川集團有限公司，甘肅金昌市737100)

研究開發金川二礦區廢石混凝土攪拌和輸送技術，充分利用井下產生的廢石、廢水和地表產生的細顆粒物料等，將井下的廢石破碎到一定的程度，與地表的細顆粒物料、水泥和井下的廢水等進行混合，制成能夠滿足下向膠結充填人工假頂強度要求的廢石混凝土，泵送到采空區進行充填，不僅是解決目前金川礦山生產與充填材料嚴重不足矛盾的有效途徑，而且是金川二礦區向現代化無廢礦山發展的必然選擇，具有經濟、環保意義。

無廢開采;廢石—全尾砂膠結充填;金川鎳礦;應用前景

1 概述

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

目前，世界上已經出現了少數典型的無廢料排棄的礦山。例如德國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路，不再有尾礦排棄到尾礦庫。又如德國瓦爾什姆煤礦產出的煤炭送到地表洗煤廠，洗出的精煤運至旁邊的坑口電站發電，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進行充填。又如在一些風景名勝區、自然保護區內采礦，例如奧地利的布萊堡鉛鋅礦，我國南京棲霞山鉛鋅銀礦這樣的風景名勝區等［1］。勿庸置疑，這類礦山開采的首先條件是能否將大量工業固體廢物回填到地下。大量處理工業固體廢料將是礦山今后設計優先考慮的重要任務，是解決礦區環境污染問題的最好方法。

但是，在采用下向進路式膠結充填采礦法的礦山，將井下廢石就地破碎后，利用井下的工程廢水，添加工業細顆粒廢料和膠結劑配制成廢石混凝土，遠距離泵送到采空區進行充填的工藝研究［3］，國內外還未見報道。

2 金川二礦區廢石膠結充填研究

2.1 金川二礦區井下廢石的產能

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

此外，二礦區每天從井下排放到地表的泥水達到3800m3(每年的排放量達到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，不僅可以緩解因為井下廢水廢石的地表排放而造成的環境污染，而且可以大大減少井下廢水、廢石的地表排放費用，為礦山的生產建設創造效益。

表1 二礦區2004～2010年井下廢石量單位:萬t

2.2 金川二礦區廢石充填方案

金川二礦區下向進路式采礦廢石膠結充填工藝新模式的實質是希望能充分利用礦山井下產生的廢水、廢石和地表產生的細顆粒物料等，將井下廢石破碎到一定粒度(－20mm)，與地表的細顆粒物料、水泥和井下的廢水等進行混合制成可管道輸送的充填料漿，泵送到采空進路進行充填，構成能夠滿足膠結充填體假頂強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廢石和井下產生的廢水，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。對于該種廢石混凝土，不僅在強度上要考慮到所形成的充填體應滿足礦山生產的要求，而且混凝土拌合物的流動性還要滿足采場進路充填料漿流動性能的要求，同時混凝土拌合物的穩定性要滿足遠距離下向或上向泵壓輸送的要求［5］。

二礦區與多家科研院校合作，提出井下條件下廢石的儲備、破碎、供料、攪拌、泵送、檢測與控制等系統的工藝方案。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鍵。通過分析，制定了井下條件下廢石膠結充填工藝研究的技術路線(見圖1)。

圖1 研究技術路線

選擇在二礦區采礦四工區、五工區和六工區采場的I、II期采空進路進行工業試驗。工業試驗以打底充填為主，要求一次充填高度達到2m以上。工業試驗共進行了廢石與全尾砂之比為5∶5和6∶4兩組試驗，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。工業試驗工程量及試驗情況統計見表2。廢石:全尾砂=5∶5的條件下，完成5組濃度試驗，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，重量濃度分別為76%，77.6%，78%，80.8%。從表2可以看出，廢石尾砂膠結充填體的強度可滿足現場生產的要求。

表2 廢石—全尾砂膠結充填體強度

工業試驗的充填管道輸送水平距離最長為1858m、最短為1650m，垂直落差H=492m，充填倍線最大為4.78、最小為4.35。廢石—全尾砂料漿流動狀態見圖2、圖3。

圖2 廢石∶尾砂=5∶5的充填料漿在進路里的流動狀態

圖3 廢石∶尾砂=6∶4的充填料漿在進路里的流動狀態

3 廢石—全尾砂充填系統投資與成本估算

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用占85%以上，其中水泥占總充填材料費用的40%～50%［5］。高的充填成本越來越成為制約礦山經濟效益及發展的重要因素。

根據充填廢石破碎集料生產工藝，采掘廢石的收集仍采用二礦區井下已有的廢石運輸系統，僅在1150m中段增加廢石破碎生產線，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線較普遍，其破碎成本一般在25元/m3左右，+15～－25mm碎石產品售價一般為45元/m3左右。+8～－15mm石子售價一般為40元/m3左右。由于二礦區井下廢石破碎性較好且不需要多級篩分，級配連續，生產流程簡單，但考慮井下作業環境因素，廢石破碎成本取40元/m3或15.38元/t。顯然，采用廢石充填，骨料成本是礦山現用的棒磨砂成本的45%左右。

目前，金川公司二礦區充填骨料采用－3mm棒磨砂和分級尾砂，分為棒磨砂自流充填和分級尾砂－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，其動力、工資組成等與膏體系統基本相同，因而通過類比，可得出廢石充填工藝成本，見表3。

表3 金川鎳礦幾種膠結充填工藝成本比較

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%，成本優勢比較明顯。

廢石—全尾砂充填工藝可大量利用礦山的工業廢棄物，建設“無廢礦山”，實現“綠色礦業”具有重要意義。二礦區廢石充填研究既符合金川礦山充填技術發展的趨勢和需要，具有明確的針對性和目的性，又具有實際推廣應用前景，屬礦業工程中的前沿性研究課題，具有科技創新意義。

［1］周愛民.礦山廢料膠結充填［M］.北京:冶金工業出版社，2007.

［2］于潤滄.我國膠結充填工藝發展的技術創新［J］.中國礦山工程，2010，(5).

［3］王新民，肖衛國，張欽禮.深井礦山充填理論與技術［M］.長沙:中南大學出版社，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，2007.

［5］韓斌，吳愛祥，鄧建，等.基于可靠度理論的下向進路膠結充填技術分析［J］.中南大學學報(自然科學版)，2006，(3).

“十一五”國家科技支撐計劃重大項目(2008bab32b01).

2011－04－22)

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