全尾砂膏體充填采礦技術現狀及展望

孫京閣，邢其嶺

（山東黃金礦業（玲瓏）有限公司，山東 煙臺 265400）

全尾砂膏體充填采礦技術主要是針對礦石開采和選別之后，會有大量尾砂產生，為了能夠有效地應對這些尾砂的后續處理，并使礦區開采巷道穩固，不至于在開采之后造成地表塌陷或井下巷道冒頂等問題，采用全尾砂膏體充填采礦法可有效地解決這些問題。

1 全尾砂膏體充填采礦技術研究背景

在金屬礦開采過程中，有價金屬的回收過程會產生大量的尾礦廢料。尾礦中的重金屬離子對土壤和地下水的污染，已經導致了大量的農作物損失，魚類等的死亡，或是“泥石流”的主要災害來源。而開采導致的地下采空區容積高達12.8億立方米，導致地表坍塌，井下巷道崩塌等安全事故時有發生。采用全尾砂膏體充填工藝，可以有效地解決以上兩種類型的尾礦庫與采空區的安全與環保問題。本工藝以廢尾砂為原料，輔以水泥、廢石、化學添加劑等，按需配制一種不分層、不離析、不脫水的新型環保填料。它既能消除地面尾礦的排放，又能有效地處理井下空區，起到一種“一廢二害”的作用。目前，該技術已經在國內、國際、國內多個礦井中開展了示范工程，其中，全國約有200個項目，并迅速得到了廣泛的應用。

貫徹《中華人民共和國節約能源法》，落實國務院及相關部門關于節能減排的文件精神，結合國家重點研發計劃項目及技術標準體系，做好全尾砂充填技術在非金屬礦山中的應用，可有效協調處理尾礦庫與采空區的矛盾，實現礦產資源的綜合利用與環保，安全經濟發展，《全尾砂膏體充填技術規范》國家標準是國家黃金標準化技術委員會推薦的北京科技大學牽頭起草的。國家標準化管理委員會于2018年發布了《全尾砂膏體充填技術規范》國家標準，并對其進行了修訂。膏體充填技術在經濟、安全、環保等方面都有特殊的優越性，與之相比，它的技術含量也更高。尤其是在黃金礦場中，尾礦要經過無害化處理，這是一個非常苛刻的技術，而對于其他礦種來說，完全可以通過脫水來獲得膏體。但是，目前國內還沒有關于膏體、膏體填充工藝的技術規范，有關人員常常依靠自己的經驗和參考其他行業的標準來指導生產。這就導致了這項技術的應用偏離了最初的目標，并沒有達到最大的利益。因此，《全尾砂膏體充填技術規范》是國家黃金標準化技術委員會提出并統一實施的，北京科技大學負責起草，目的是規范新型膏體材料的制備、膏體材料的技術指標和充填技術的要求。本論文的重點是確定膏體充填技術的關鍵技術指標，旨在推動國內礦山更廣泛、更規范地使用膏體充填技術，為金屬礦山的無廢化、綠色開采提供有益的借鑒。

2 膏體充填技術概念

2.1 膏體定義

把一種或多種固態物質（尾沙，粉煤灰、膠結料、膠結料等）與水的最佳組合，制成無脫水、無臨界流速的牙膏狀泥漿，由重力或大型充填工業泵將其經管道送入采空區。尾礦渣充填后，可充分利用尾砂，不會產生風化、有毒氣體的排放，降低了尾礦庫的基建、運營和維護費用，降低了水泥的使用量，降低了充填成本，改善了礦井作業環境，節約了排污費。它的主要缺陷是工藝復雜，設備環節多，故障率高，維護管理復雜。

膏體的特性是穩定性、流動性、可塑性。穩定性是指膏體具有抗剝落的能力，離析能力強，在填充時不沉淀、不泌水、不離析，可在輸送管道中滯留幾個小時仍能平穩地進行輸送。流動性是指在沒有臨界流速的情況下，由重力或外部的壓力（泵壓）使其在輸油管或采空區內形成一個整體的塑性結構。可塑性是指膏體通過管接頭、彎管等在管接頭和管接頭處的變形，但因膏體濃度高、壓縮率低，所以其內部結構基本沒有改變[1]。

2.2 膏體充填工藝流程

全尾膏體的充填工藝主要是采用全尾砂進行脫水、濃縮、膏體混合、膏體輸送，傳統的全尾砂脫水工序是在深錐式濃縮機中進行的，該設備在重力作用下沉淀，將低濃度的尾砂濃縮為高濃度的灰漿，為了加速細粒的沉降，往往在工作中添加絮凝劑。將高密度的礦漿泵入攪拌裝置，與水泥混合，攪拌后，可制成適宜于管道輸送的糊狀物，并通過充填泵或自流送到采空區。準備工作包括隔離墻準備，充填管線檢查，設備冷卻水閥檢查，排氣閥檢查。灌裝之前，用泵壓力或自流的方法輸送清水，并對管道進行清潔，灌裝完畢后，應用清水清洗管線，并將剩余的填料清理干凈。在裝料時，必須確保裝料管是滿的，以減小由于空載操作引起的管道振動及不安全因素。

2.3 充填采礦法的分類

根據充填物料的不同，充填采礦方法可分為干充填、水砂充填、膠結充填等，我國金屬礦山的充填開采技術也發生了很大的變化，它的發展過程可以分為四個時期：50年代，主要采用干填充，20世紀60年代、70年代，水沙充填、膠結充填技術逐步發展，并已被大量使用，20世紀80年代，主要采用的是膠結充填，20世紀90年代以后，國內主要采用泥漿泵注充填工藝。

干式充填是利用礦車、風能等方法將廢石運送到采空區，如砂石等干物料，而采場填充物料的搬運、堆放則使用電耙或刮刀。采用干填充填工藝，必須在采場中設置填料井、強化采場通風，并按實際情況分層充填。干重填法是最早的一種充填開采技術，但由于其工作環節多、粉塵多、采場充填時間長、充填強度差，導致其在礦井中的使用率逐年降低。但是，由于干式充填技術的投入低、對礦體的適應性較好，所以仍有一些礦井采用。水砂充填是將尾砂、河砂、礦渣等填料與水混合后，通過砂漿泵或自流輸送至地下充填點，以支撐圍巖，控制地壓。注漿和充填物進入采空區后，由于重力作用而滯留在采空區，而上部的清水和與清水一起漏出的細泥則被排出地面。水砂充填具有充填容量大、投資少、可有效延緩地面沉降的優點，但其存在的問題是，灌漿質量濃度較低、耗水量較大、灌裝量較少等問題[2]。

3 現有膏體充填系統存在的問題

現有的礦山尾砂充填系統自八十年代后期開始，經過多次改造，目前所采用的充填工藝，全尾砂經300m3中轉儲砂槽，再通過4PNJ襯膠泵送至兩個體積為800m3、880m3的垂直沙倉，攪拌后加入垂直沙倉，砂倉內的全尾砂經過造漿后，將砂倒入攪拌桶進行一級、二級攪拌。水泥通過雙管螺旋輸送到水泥罐底，進入垂直攪拌桶。由于充填站位于選礦場地，與采掘工作面相隔很遠，經過兩個階段的充分混合后，用高揚程離心渣漿泵對泥漿進行壓力，流速55～60m/小時，揚程110m，然后，用鋼絲編成的高強度塑料管道輸送至礦井。目前的充填工藝還可以滿足目前的生產需求，但是還存在以下問題：

第一，全尾砂膠結嚴重，必須定期清理豎井。全尾砂顆粒較細，在料倉中容易發生粘連，加入絮凝劑后，粘稠度增大，導致有效放砂空間減小，從而影響到正常的放砂。現在，每隔1～2個月就要進行一次徹底的人工清掃。

第二，灌漿質量分數較低，對灌注液的強度有一定的影響。目前的灌漿質量分數在55%～65%之間，摻入水泥后容易發生離析，從而對固化時間和強度造成一定的影響。

第三，系統的工作狀態不穩定，給生產和管理帶來了困難。由于全尾砂具有較高的粘黏性采用高壓水法進行造漿，其放砂速度、密度不穩定，導致了井底漫水較多，由于跑砂多，充填料凝結時間延長，影響了正常的充填循環，增加了井下與地面充填作業的組織協調。

另外，目前礦井的充填體系最初是按照年采選10萬噸的礦石，經過二次改造后，產能達到20萬噸，同時對充填系統進行了改造，達到了25萬噸/年的生產能力。但是，目前該礦已經完成了35萬噸/年的選礦能力的擴建，現有的充填工藝已經無法適應改擴建后的生產需求。針對以上問題，研究人員一直在對膏體充填工藝和工藝進行實驗研究。

4 全尾膏體充填關鍵技術指標

膏體充填工藝的關鍵是工藝參數的控制，原料的顆粒成分、膏體的泌水量是影響灌漿效果的主要技術因素，試驗結果表明，固化膏體的沉縮性能、塌陷度、屈服應力、固化膏體的機械性能均有顯著的提高。

4.1 粒級組成

膏體中要含有一定量的微粒，以保證膏體的保水能力，并保證膏體在運輸時的穩定性。另外，由于細粒對粗粒有一定的承載力，增加了膏體黏度，阻止了物料的沉淀和離析，從而改善了膏體的流動性。LANDRIAULT20對七十多種不同粒徑的尾砂進行了實驗研究，發現每20微米顆粒級含量必須大于15%，以確保膏體的流動性。STONE指出，為了確保膏體的抽吸能力，各企業一致認為，膏體中20um的顆粒含量不低于15%。

4.2 泌水率

泌水率是指在輸送時，體積一定，抽水時會產生水汽，粗集料沉降是由于顆粒的孔隙和表面沒有完全吸收到攪拌水，少量的水分沉淀形成了潤滑層。泌水率是指膏體中的泌水量和膏體的含水率。泌水率指數的高低直接影響到采場是否有離析和是否需要脫水。膏體在灌裝泵的壓力下輸送時，有一部分濕氣被擠出來，形成一層油膜，這樣膏體就能以活塞式流動的方式進行整體的平推式移動，這是泥漿泵送的必要條件。低泌水率會使膏體保持較高的含水量，使膏體達到飽和狀態，而高泌水量則容易造成堵塞，從而影響灌漿的強度。泌水量與灰砂比、膏體濃度成反比關系，并與細度關系密切，工作人員通過詳細地計算和探討，認為泌水率在1.5%～5.0%之間[3]。

4.3 單軸抗壓強度

單軸抗壓強度是指材料在單向受壓狀態下可承受的最大壓力，以防止充填、填充墻坍塌，其初期強度必須達到0.15MPa，而在需要支撐頂板的情況下，28天的強度應大于4MPa。

4.4 全尾砂膏體充填技術指標及其檢測方法

全尾砂膏體充填技術指標是評價膏體充填質量的重要依據，根據規范充填技術要求，其最終目標是指導礦山企業進行膏體充填，使其在技術上達到更好的經濟效益。

一般的單軸抗壓強度、泌水率等指標可以參考現行的標準來進行，而屈服強度指數則用規范附錄的形式提供了具體的測試步驟和計算方法，并在規范的編寫過程中加以論證和分析。

5 全尾膏體濃縮設備

5.1 傾斜濃縮機

傾斜式濃縮器是利用重力沉降原理，對礦漿進行固液分離的一種濃縮裝置，其特點是具有特殊的傾斜，表面光滑，間隙小。在傾斜與傾斜間的孔隙中，固體粒子僅下沉一段距離即可落到傾斜面上，從而縮短了沉降時間，傾斜分層堆疊，提高了濃縮機的自然沉降范圍。傾斜濃縮器的最大優勢在于節省了土地，降低了基建投資，而且采用了淺層沉淀法，可以縮短沉淀時間，提高了濃縮效果。其不足之處是，設備的傾斜易脫落、老化，板面上的泥沙難以清洗，一旦發生故障，維修和運行均十分煩瑣。振動式傾斜濃縮機是在傾斜濃縮機的基礎上進行改良的，近幾年發展迅速。相對于傾斜濃縮機，振蕩式傾斜濃縮機傾斜組件采用間歇式高頻振動，對其進行周期性的自動清潔，確保了傾斜上的材料不會積聚，提高了生產效率。另外，在濃縮機上還增加了一個物料清除器，以使其能夠順利地進行高密度的底部排出。

5.2 高壓濃縮機

隨著礦井開采的增加，新型開采技術的發展，目前已逐步發展出一種高效率的高壓濃縮機工藝，該工藝與常規濃縮機比較，具有較大的側壁高度和較小的耙式阻力。在高壓濃縮機上，礦漿黏度大，輸送機械力矩大，高壓濃縮器通常采用體積泵，因為它的底部濃度較高。

在高濃度下，絮凝劑的作用會受到很大的影響，而在高壓濃縮器中，還配備了一個自動進料系統，高壓濃縮器具有較大的處理量、較好的絮凝劑、底部流體排礦穩定、底流濃度高等優點[4]。

5.3 膏體濃縮機

膏體濃縮設備又稱為深錐式稠化機，主要包括起重設備，該設備的主要特征是無提升機、側壁高度接近于直徑，并在排礦泵室內增加了循環泵。膏體濃縮機的圓柱體分成一個溢流槽，圓錐和圓筒三部分，在耙齒的正上方，脫水棒的作用是給懸浮液提供一個上升的通道，固體粒子在重力的作用下會不斷下降，從而改善脫水效果，而底部的錐角較大，有利于增大壓氣比，提高底流濃度。膏體濃縮器還配有剪力泵，可根據排礦末端的物料濃度，進行中、高、高的就地循環，避免因泥漿濃度過高而造成的堵塞。膏體濃縮設備具有濃縮效率高，溢流澄清度高，占地面積小，自動化程度高，適用于粒度較細，濃度較低的物料。

6 膏體充填技術發展趨勢

膏體充填技術是二十世紀八十年代出現的一種新技術，它在流變特性理論、膏體制備、輸送工藝等方面都有了長足的發展，但仍存在著許多理論和技術問題。完善基本原理、改進工藝、加速開發具有自主知識產權的專用設備是國內膏體充填技術發展的方向。

6.1 基礎理論的發展

尾砂干擾沉降原理，攪拌棒-絮團耦合機制等是目前國內外研究的一個重要課題，而流變學方面則是開發高精度流量計、黏度計等流變試驗設備，建立適合不同膏體特性的實用流變學模型，并對膏體的流動特性、充填后的內應力進行了數值模擬和模擬，是今后膏體充填工藝的一個重要課題。

6.2 工藝技術的發展趨勢

研制低成本、穩定的黏合劑、改進膏體輸送條件、研制高效絮凝劑，采用泵送藥劑、提高設備處理能力、改進設備改造、創新、提高尾砂濃度、利用運行管理和自動化技術等技術手段來減少充填費用，并針對膏體流量監測設備壽命短、檢測失準等問題，應加強對檢測儀器的開發[5]。

6.3 專業設備的發展趨勢

一方面，國內尾砂濃縮設備設備投入少，但其絮凝劑用量比進口設備多、維護工作量大、維護成本高，需要加大研發力度，完成關鍵設備消化、吸收，打破國外對高性能膏體濃縮設備的壟斷。另外，由于各大礦山的原料處理能力不斷提高，因此，膏體的大型化將成為未來的發展趨勢。

7 結論

綜上所述，在現有的開采工藝中，全為尾砂膏體充填技術的發展，無疑是具備理論和實踐基礎的，有關單位積極探討和思考應用膏體充填器械進行開采過程中的工藝實驗，加快研制具有自主產權的專用設備，并有望在未來促進各大礦山原礦處理量的增長，提升礦區開采和后續處理的質量。