井下废石胶结充填在深部矿山开采中的应用

颜秉超石伟丽

摘要：井下废石胶结充填是以矿山的掘进废石作为充填集料，以水泥或赤泥等作为胶结剂，经混合后充入采空区。此举不但大幅度降低充填成本，还可使矿山实现无废排放。

关键词：地下金属矿山 废石胶结充填 充填材料 充填输送工艺

Abstract: Underground waste stone cemented filling the void in mine excavating stone as filling aggregate to cement or red mud as cementing agent, by mixing filled with after mined-out area. It not only greatly reduce the cost of filling, still can make the mining waste discharge is realized.

Keywords: underground metal mine waste stone cemented filling filling materials filling conveying process

地下金属矿山开拓工程、采准切割工程及采场回采时势必会产生较多的废石。近年来，由于地表浅部资源即将开采完毕，很多矿山都已进入中深部开采。而随着矿山开采深度的增加，井下废石的提升运输费用也相应增加，提升难度也大幅度提高，而且废石提升至地表堆放，不仅需要废石堆场，而且耗费资金、占用大量土地，形成地表固体废弃物和粉尘，污染矿山生态资源。

矿山固体废弃物的处理是改善矿山环境的重要措施，它除用于工程建设外，经过一定工序后可用于井下采空区充填。考虑到提升费用及井上破碎产生大量粉尘污染空气环境等，对废石处理的最好方法莫过于在井下直接破碎后用于采场充填。

1、废石胶结充填工艺与技术特点

废石胶结充填以矿山的掘进废石或破碎废石作为充填集料，以水泥或赤泥等作为胶结剂，经自淋混合后充入采空区。其特点是在矿山内部充分利用矿山固体废物，通过破碎后的废石集料与胶结剂浆料分流输送和自淋混合工艺，以充填力学性能为目标实现最佳用水量充填，最大限度的降低能耗和胶结剂消耗。

废石胶结充填的充填料的成本低于细沙胶结充填料的成本，废石胶结充填体比砂浆胶结充填体的抗压性能好、收缩变形小。废石胶结充填充入采场后几乎不渗水，可避免对井下造成环境污染。

湖南宝山有色金属矿业有限责任公司开采西部2号砂岩复杂矿体时，在井下建立废石破碎系统，采用颚式和复合破碎机在井下对废石进行两级破碎，并开创性应用地下金属矿山废石破碎脱水网格振动筛，有效解决了高含水废石破碎堵塞复合破碎机的问题为实现井下废石不出坑，废石破碎骨料直接用于井下采场胶结充填创造了条件，并达到在破碎系统关键部位用密闭或半密闭方式抽出式通风除尘及收尘的目的。

废石胶结充填新技术是根据矿山充填的应用条件，为满足矿山充填的目标发展起来的。它既借鉴了混凝土学的基本原理，又在技术和工艺上具有其自身的鲜明特点。不但简化了工艺，而且拓宽了原料来源，大幅度降低了制造成本。因而使得废石胶结充填新技术充分显示了其新生命，在矿山具有广泛推广应用的前景。

废石胶结充填工艺的主题流程为：采集或制备废石集料，制备水泥浆或砂浆、废石集料与水泥砂浆分流输送到井下充填料混合点，水泥浆或砂浆在井下混合点通过自淋方式与废石集料初步混合制备成废石胶结充填混合料，通过机械输送或自重输送将胶结充填料充入采空区。

充填系统包括：废石集料制备站、水泥浆或砂浆制备站、料浆与废石充填系统以及井下充填系统。

废石胶结充填的综合特点包括：胶结充填料的配合要求和制造工艺简单，制造成本低；制造技术与工艺具有多样性；需要根据各矿山的具体条件进行试验研究后选用合理的充填方式与充填工艺。

废石胶结充填工艺与技术特征主要体现为：自然级配的废石集料；充填料自淋混合工艺；集料与胶结材料分流输送工艺和实现最佳用水量配合。

2、充填材料及制备

废石胶结充填材料包括废石集料和胶凝材料两部分。采用矿山废石作为充填集料，水泥作为胶凝材料。充填料制备包括废石集料加工、水泥浆或砂浆制备。废石胶结充填制备直接影响废石胶结充填成本、充填体质量和工业应用规模，是充填工艺的主要工序。

2.1、充填材料

废石集料是胶结充填的主要造成部分。为了获得最好的力学性能指标，要求废石集料的不同粒级能相互填充，即小粒径级的集料刚好能填充大粒径级的集料的孔隙。但因充填体集料消耗量大，受成本因素制约，一般是就地取材，充分利用矿山掘进废石或露天矿剥离废石和天然集料。

2.2、废石料制备

井下掘进废石一般不需要加工，可以直接取用。国内的丰山铜矿、金川镍矿和凡口铅锌矿均直接采用井下掘进废石作为充填集料。如采用露天剥离废石作为充填集料，往往需要进行破碎。

废石制备站主要包括废石装运、废石料仓和破碎工艺。

2.3、水泥浆制备

水泥浆制备主要有水泥仓、搅拌桶、稳压水池和输浆管组成。散装水泥一般要求配备破拱架，并在散装水泥仓出口安装给料机，给料机通过软袋管与高效搅拌桶相连接。水泥浆的浓度以满足充填料的混合要求为原则，其搅拌工艺用满足水泥浆制备工程中不发生沉淀。

根据规模不同，水泥浆的制备可以采用间断方式或连续方式。当充填规模不大时，一般采用间断废石制浆，其工艺和系统较简单，可靠性高。充填规模较大时，要求采用连续方式制浆。

3、充填输送工艺

废石胶结充填料的输送一直是制约传统充填工艺的主要环节。新工艺通过分流输送彻底解决了这一难题。其中胶结充填料浆体可通过管道输送到任何采场，而废石散体则可采用多种输送方式，如井下采用矿用汽车或铲运机。分流输送工艺对充填料的输送特性没有特殊要求。因而，分流输送的意义不仅仅在于解决了充填料的输送问题，而且为实现最佳用水量配合和简化物料的配合要求奠定了工艺基础。

大中型矿山掘进废石不出坑时，掘进废石可通过井下矿用汽车或无轨车运输，分送到充填料混合点与水泥浆混合，再由铲运机或其它方式运送到采空区充填。

掘进废石不出坑的充填工艺需要解决充填料的缓存及废石的产出与充填的平衡问题。废石在井下直接利用，可以降低废石的提升成本，并且在地表不建设废石场，是一种井下掘进废石短流程充填工艺。随着无废矿山的逐步推广，这种短流程将是一种具有发展前景的充填工艺。

4、充填料自淋混合

废石集料与胶凝材料的混合是胶结充填必不可少的一道工序，是废石胶结充填料制备的核心工艺。也是决定能否大规模降低成本地应用废石胶结充填工艺的关键因素。通过试验和研究发现，采用自淋混合方式可以满足采矿工艺的要求。这一混合方式不需要任何混合设备，具有工艺简单、技术可靠和能耗低等优点。而且大幅度降低了制造成本，可实现大规模连续充填。如丰山铜矿采用水泥浆自淋混合工艺，铜坑锡矿采用废石和砂浆同时向采场下淋的混合工艺，均取得了很好的效果。

自淋混合可以实现充填料分流输送，对充填料的流动特性五特殊要求。满足充填体力学性能是唯一的配合目标。因而可按照最高充填体强度进行最佳水量配合。因此，不但可以在一定的水泥用量条件下获得最高的陈天逸强度指标，或在一定强度值条件下使水泥用量最少，而且解决了充填料在井下脱水带来的问题。

目前采用的自淋混合方式主要有水泥浆直接自淋混合、水泥浆溜槽自淋混合和废石砂浆同时下料混合等方式。

5、采场充填

5.1、充填体隔墙

采空区充填之前均需在出矿水平构筑隔墙，以防止充填料外泄。废石胶结充填混合料的浓度高，废石所占比例高，因而比纯砂浆充填时构筑隔墙简单。一般可以采用砖料砌筑或散体料堆筑，当然也可以采用木料构筑。

5.2、充填方式

阶段采场进行充填时，从采场上部开掘采场充填井，将充填水平与采空区连通。充填料的充入方式则取决与充填井的倾角，有垂直充填井和斜充填井两张充填方式。采用垂直充填井时，充填料垂直落入采空区，浆料与废石料分布均匀，不会在充填料下落到采空区的工程中造成很明显的充填料分级。当采用斜充填井时，充填井的倾角一般大于55度，尤其要考虑到由于斜井的抛物作用二造成的粗细物料的分级效应。

5.3充填接顶

阶段采场的充填接顶量较小，接顶次数也较少。当矿山建设有砂浆充填系统时一般可采用砂浆进行充填接顶。当采用废石水泥浆充填工艺时，若采用水泥砂浆充填接顶，则需要建设一套砂浆充填系统。因此，一般不采用砂浆接顶方式，而往往采用无轨铲运机或无轨推卸式铲运机进行接顶。

6、充填体质量保证措施

为了获得满意的废石胶结充填体质量，要求对每道工序严格把关。在工业应用中累积的保障措施值得重视：

（1） 选用含泥量低的废石原料；

（2） 控制充填混合料的含水率，根据废石集料的含水率大小来调节水泥浆的实际浓度，使充填混合料的含水率满足设计要求，

（3） 工业生产期间每个季度取样检测废石料级配，每个工作班进行废石集料的含水率测定，每半个小时进行一次水泥浆浓度检测。当取样检验结果与规定指标不符合时及时调整有关参数。

（4） 定期测定充填混合料试块的单轴抗压强度，发现不符合设计要求时，及时分析原因。

（5） 及时观测废石胶结充填料的混合质量。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。