地下金屬礦全尾砂膠結充填技術優勢分析

王嘉璐

（ 遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

礦產資源是人類生存、 經濟建設和社會發展不可或缺的重要物質基礎， 采礦是國民經濟中的重要基礎產業。 截至2016 年底，全國共有持證金屬礦山9 762 個，其中包括黑色金屬礦產4 584 個（ 其中鐵礦3 910 個），有色金屬礦產3 301 個，貴金屬礦產1 730 個，稀有、稀土和稀散元素礦產147 個。2016 年， 金屬礦山企業工業總產值2 332.25 億元，開采礦石總量94 995.56 萬t，從業人員74.7 萬人［1］。改革開放以來，我國采礦業發展迅猛，但礦山開采引發的環境污染和生態破壞問題也與日俱增， 主要表現為地表破壞、地面塌陷、水土流失以及采礦廢水對地下水的污染等。 為了有效減緩礦山開采帶來的生態環境影響，幾十年來，國內外學者對井下充填技術開展了大量研究， 其中全尾砂膠結充填技術已成為地下采礦充填的重要發展方向。

2 充填采礦方法

地下金屬礦的開采技術主要分為空場采礦法、崩落采礦法和充填采礦法， 其中充填采礦法是以充填材料為地下采空區提供有效的支撐， 防止采場圍巖冒落和巖石移動， 為采礦活動提供更加有效的安全保障，從而保護礦區及周邊區域的生態環境。 充填采礦法可分為三大類，分別為干式充填法、水砂充填法、膠結充填法。 干式充填法是通過井下運輸設施將廢石、廢渣等干充填料送至采空區。 水砂充填法是以水作為載體，與充填骨料制成質量濃度較低的砂漿，利用管道等方式自流輸送到采空區， 再將滲濾出的水排出地表。 膠結充填法是目前應用較廣泛的充填技術，通常使用水泥作為膠凝劑，與尾砂、碎石等骨料制成充填材料， 通過管道或重力將質量濃度較高的漿體或膏體材料輸送至采空區， 充填材料形成的膠結充填體的支撐能力較大，充填效果相對較好。

3 全尾砂膠結充填技術分析

全尾砂膠結充填井下采空區是屬于對尾礦資源的綜合利用，《 礦山生態環境保護與污染防治技術政策》鼓勵采用的采礦技術中提出了“ 推廣應用充填采礦工藝技術，提倡廢石不出井，利用尾砂、廢水充填采空區”，《 產業結構調整指導目錄（ 2019 年本）》也將尾礦資源綜合利用列入鼓勵類項目［2-3］。

20 世紀80 年代末期， 中國開始在主要鉛鋅產地之一的廣東凡口鉛鋅礦進行高濃度全尾砂膠結充填技術的攻關試驗研究， 將全粒級尾砂與水泥和水合成高濃度的均質膠結充填料， 通過管線輸送的方式將充填料送至采空區［4-5］。2008—2010 年，凡口鉛鋅礦每年約產生55 萬t 尾礦， 其中60%～75%的尾礦回填至井下采空區， 取得了明顯的經濟效益和環境效益［6］。經過多年來持續的技術改良和推廣，全尾砂膠結充填技術已成為國內礦山地下開采的主流充填技術。 全尾砂膠結充填系統工程主要包括充填站和充填站輔助工程，其中，充填站按工藝功能可劃分為4 個部分：濃密機及其配套設施、水泥倉及其配套設施、攪拌裝置、計量控制系統；充填站輔助工程主要包括尾砂輸送工程、溢流排放工程、泵送系統、暖通工程、配電工程、運輸道路工程等。 充填材料的選擇主要依據礦山具體情況而定， 同時需要遵循以下幾個原則：（ 1）環境保護的原則，避免充填對地下水污染，盡可能通過充填保護地表環境；（ 2）滿足工藝要求的原則， 充填材料需滿足輸送工藝的要求和充填采礦及采空區處理對充填體強度的要求；（ 3）成本最低的原則；（ 4）材料來源充足的原則。

全尾砂膠結充填可以直接使用附近選礦廠的尾砂漿，通過濃密機實現尾砂漿快速沉降濃密，將全粒級尾砂與適量的水泥和水合成高濃度的均質膠結充填料，再由管線輸送至地下采空區。這種方式可以保障充填料的充足供給， 減少尾礦庫筑壩和充填料運輸費用，同時大幅降低工人勞動強度。按照灰砂1∶10的比例，不考慮尾砂成本，將水泥、添加劑、水、電、人工等費用列入全尾砂膠結充填運營成本， 估算的充填料漿成本為46 元/m3。

4 全尾砂膠結充填潛在的環境影響

尾砂礦山充填存在的環境隱患主要是充填脫水滲入圍巖裂隙中造成地下水污染。 普通的尾砂膠結充填質量濃度不高，一般在70%以下，充填至采空區后，泌水量較大，而且填充體的強度也相對較低［5］。采用全尾砂膠結充填， 由于充填料質量濃度相對較高，泌水量也明顯減少。高濃度的充填料漿在充填過程中，固體顆粒也將充填堵塞采空區圍巖裂隙，在一定程度上可以隔離采空區與外界水源。 泌出的多余水分與填充管道沖洗廢水和井下涌水一同被排至地表，在此過程中，充填材料和充填體由于浸泡、淋濾等作用， 其部分有害元素可能對地下水造成二次污染，這種污染往往存在難以逆轉性、長期性、遷移性、隱蔽性等特點，對礦山的環境造成威脅。 此外，充填管道沖洗廢水和事故狀態下管道破裂也會對地下水造成威脅。 因此，在選擇充填料時，應著重對充填料漿泌水、礦井涌水、充填管道沖洗廢水的水質進行分析，就特征污染因子對地下水環境影響進行論證，確保地下水，尤其是附近飲用水水源的安全。

5 結論

在經濟效益方面， 雖然全尾砂膠結充填的直接成本較高，但可明顯提高開采回采率，降低貧化率，延長礦山服務年限，從整體上降低企業生產成本。在環境效益方面， 該技術可以有效保護地表地物和地下環境，還可以減少排往尾礦庫的尾礦，從而減少大氣、水、土壤、生態等方面的影響。 因此，全尾砂膠結充填技術的推廣和應用對于建設綠色礦山， 實現礦山企業可持續發展都具有重要的意義。