礦山膠結充填技術

◎ 應急管理部信息研究院 龐博

礦山充填開采技術歷經了幾十年的發展，已逐漸成為礦山綠色開采體系中不可替代的一部分。充填開采技術主要分為干式充填、水力充填和膠結充填。其中，膠結充填是利用采集或加工而來的細砂或者礫石、塊石以及碎矸石等惰性材料，按照一定的配比加入膠凝材料，在采空區內形成具有一定強度的膠結充填體，控制和改善上覆巖層的移動變形。

膠結充填技術作為礦山充填開采技術中最為重要的一部分，能夠利用尾砂、廢石等固體廢棄物，有效控制深部及復雜應力環境下的地壓，改善巖層控制狀況，減少廢石堆積，提高礦石回采率，解決開采沉陷的問題，一方面保護環境和生態，另一方面開采出以前由于條件限制不能開采的礦產資源，且節約了充填成本。膠結充填技術水平的不斷提高，對解決我國的環境問題和礦產資源的有效利用，都有著非常重要的意義。

目前礦山膠結充填技術種類很多，主要包括：全尾砂高濃度膠結充填、似膏體膠結充填、高水速凝尾砂膠結充填、膏體泵送膠結充填、低濃度混凝土膠結充填、塊石水泥漿膠結充填、碎石水泥漿膠結充填。目前在礦山企業應用廣泛的有全尾砂高濃度膠結充填、膏體泵送膠結充填、高水速凝尾砂膠結充填和塊石水泥漿膠結充填。

（1）全尾砂高濃度膠結充填

將選礦廠排出的全部尾砂作為充填骨料，無需進行尾砂分級處理，經尾砂濃密，添加膠結材料并進行活化攪拌，從而制備成高濃度的充填料漿，通過液壓泵輸送到井下采空區的充填工藝。

全尾砂高濃度膠結充填的技術特點：尾砂無需分級，利用率高，充填成本低；料漿的真實質量濃度高，采用強力活化攪拌技術，料漿的均勻性和流動性好，避免輸送過程中發生沉淀和離析；充填體凝固時間短，強度高，能有效控制地面沉降；地面充填站采用濃密過濾兩端脫水，工藝流程復雜，能耗大，投資多。

高濃度全尾砂膠結充填料漿進入采場后不離析，無需脫水，不會造成井下細泥污染，適用于礦體集中、尾砂和水泥來源方便的中、小型有色礦山及黃金礦山。對充填材料配比、料漿濃度和輸送特性的研究，是全尾砂高濃度膠結充填技術發展的關鍵問題。

（2）膏體泵送膠結充填

把尾砂等充填材料加工成牙膏狀的料漿，采用充填泵或自流經管道送至井下采空區。膏體泵送充填工藝技術由德國于80 年代末首次在格隆德鉛鋅礦試驗成功。與此同時，國內的礦區與科研單位也開始進行相關的工業性試驗。以金川二礦區為例，從1988 年開始試驗該技術，1991 年獲得成功，先后進行了全尾砂膠結膏體充填、全尾砂加棒磨砂膠結膏體充填、全尾砂加-25mm 細石膠結膏體充填的試驗。

全尾砂膏體泵送充填工藝技術具有以下技術特點：膏體穩定性好，不發生沉淀、離析，且可長時間停留在輸送管道中，設備重新啟動后可繼續輸送；保證充填體強度的同時節約了水泥用量；膏體料漿真實質量濃度可達80%左右，膏體輸送至采場后，水泥不流失，無脫水環節，且無井下細泥污染；基建投資大，設備成本高且工藝復雜。

膏體泵送充填工藝適用于對充填體要求高、地壓大、高階復雜礦床的開采。實現膏體泵送充填的工業化應用，關鍵是要解決設備故障率高和工藝復雜等問題，以保證膏體充填系統可靠性，此外還需要礦山企業和科研單位對膏體料漿的流變和輸送特性等進行研究。

（3）高水速凝尾砂膠結充填

采用高水材料作為膠凝材料，高水材料有甲、乙兩種，分別與全尾砂或分級尾砂混合并制備成充填料漿，通過鉆孔和管道輸送到井下，在進入采空區前混合，無需脫水便可迅速凝結，成為具有一定強度的充填體。

高水速凝尾砂膠結充填工藝的技術特點有：高水材料由甲、乙兩種材料組成，分別造漿并獨立輸送，可長時間存放不凝結，增加了充填系統的可靠性；混合后漿液迅速凝結為固態結晶體，早期強度高，有利于充填接頂和縮短作業循環周期；高水材料良好的懸浮性能改善了料漿的流動性，解決了長距離輸送料漿的難題；采用雙漿制備輸送系統，利于保證設備正常作業和充填質量；增加了管道系統和高水材料倉的投資。

高水速凝尾砂膠結充填主要適用于對充填體強度要求不高、尾礦較多的礦山。在硬巖礦山的應用仍然存在諸多問題，解決這些問題的關鍵在于通過對高水材料的研究，提高充填體強度，降低充填成本。

（4）塊石水泥漿膠結充填

根據混凝土理論，采用自然級配的塊石作為充填惰性材料，把塊石和一定配比的水泥漿分別輸送至井下，進行自淋混合或電耙攪拌，在采空區內形成塊石包裹水泥漿的膠結充填體。上世紀70 年代，澳大利亞芒特艾薩礦成功進行了塊石膠結充填的大規模工業性試驗，證明了塊石水泥漿膠結充填能夠較好地控制地面沉陷，順利回收礦柱。隨后我國開展了此項膠結充填技術的研究，并在豐山銅礦、魚兒山金礦成功運用。

塊石水泥漿膠結充填的技術特點：充填工藝較其他膠結充填方法簡單，機械化程度較高，充填能力大；基建投資較少，水泥用量低，可充分利用井下廢石；膠結充填體整體強度高，接頂率一般可達到90%以上，工序簡單，效果好，但增加了運輸環節的成本。

塊石水泥漿膠結充填適用于對充填體強度要求高，礦體中厚偏上，采用階段空場法、分段空場法、留礦法等大空場采礦法的嗣后充填。

近年來，我國對礦產資源的采出率要求和生態環境的保護要求越來越嚴格，且隨著各種膠結充填工藝和充填設備的發展完善，膠結充填技術在礦山企業的應用前景十分廣闊。