新型尾砂固结剂在矿山的应用

闫方宝 王尚祯

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.西藏玉龙铜业股份有限公司， 昌都 854000)

新型尾砂固结剂在矿山的应用

闫方宝1王尚祯2

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.西藏玉龙铜业股份有限公司， 昌都 854000)

高采矿充填成本是影响我国矿山采矿单耗的一大因素。本文介绍了新型尾砂固结材料替代水泥在矿山胶结充填的应用。在充填体强度相同的条件下，尾砂固结剂的使用量只需普通水泥的1/2或更少。尾砂固结剂的充填工艺与矿山普遍使用的水泥胶结充填系统相同。在满足矿山对充填体强度要求的情况下，可降低充填成本，具有明显的经济效益。

尾砂固结剂； 充填体强度； 水泥

0 前言

尾砂固结剂作为胶结充填材料的主要材料之一，在矿山充填采矿工艺中占据了重要地位。充填体固化时间及强度是影响采矿周期及损失贫化的重要因素，充填成本的高低直接影响着矿山经济效益。故研究开发新的适于矿山充填的胶结材料是国内外采矿界一直共同关注和研究的课题[1]。

高采矿充填成本(含电费、工人工资、水泥消耗)是影响我国采矿单耗的一大因素，为此本文以降低充填成本、确保两率指标、提高回采工效为原则，介绍了用新型尾砂固结材料替代水泥进行胶结充填的方法。使用此固结剂可提高充填体的早期强度、较好控制贫损两率指标、降低充填单耗、改善安全条件，其经济效益和社会效益显著。

1 新型尾砂固结剂简介

新型尾砂固结剂是淄博某充填胶凝材料有限公司针对矿山井下充填工程需要，研制成功的一种新型胶凝材料，该材料与传统充填胶结材料水泥相比具有流动性好、可泵性强、用量省、充填体早期强度高、充填采矿成本低等特点，可有效减少采场空顶时间，有利于矿山采矿安全、高效生产。

新型尾砂固结剂物理形态如同普通水泥，呈灰白色粉末状，主要化学成份为：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3，无毒、无害。该固结剂基本采用工业废碴进行生产，其原材料来源十分广泛，其生产满足“三废” 利用要求，符合国家相关产业政策。

尾砂固结剂的主要原材料为炼铁炉渣及公司自主研发的胶凝材料。根据不同的尾砂情况，开展尾砂实验，可适当调整炼铁炉渣和胶凝材料的比例，无需大幅度调整。尾砂固结剂在出厂及充填至井下之前要进行严格的强度检验，其生产原料、成品如图1所示。

图1 尾砂固结剂原料及成品

尾砂固结剂的充填工艺与有色和黄金矿山普遍使用的水泥胶结充填系统相同，具有非常好的胶凝性，在有条件的胶结充填采矿法矿山完全可以替代现有的充填胶凝材料，同时根据充填采矿方法的工艺需要，在满足矿山对充填体强度要求的情况下，可降低充填成本，具有明显的经济效益[2]。

2 新型尾砂固结剂特点

(1)用量少，砂浆流动性好、易于输送，形成的充填体早期强度高。可有效减少采场空顶时间，有利于矿山安全生产。

(2)在达到相同充填体强度条件下，新型尾砂固结剂的用量为标号32.5的普通水泥的1/2以下；在同样配比条件下，新型尾砂固结剂的充填体强度比32.5的普通水泥高1倍以上。

(3)充填所使用的主要原料是钢铁厂废渣及矿山尾砂，属“三废” 利用项目，有利于环境保护和资源循环利用。

3 新型尾砂固结剂的成本控制

新型尾砂固结剂的生产成本略高于普通水泥，而在保证充填体强度的前提下，其使用量比普通水泥节省1/2以上，综合经济成本显著降低。该尾砂固结剂在焦家金矿、三鑫矿业等的应用表明其具有明显的经济优势：

在焦家金矿实际应用中，用灰砂比1∶10尾砂固结剂代替1∶4的水泥；用1∶20的尾砂固结剂代替1∶10的水泥，充填体的强度不会降低，在适用性上完全可行。

成本方面，普通水泥价格按225元/t计，尾砂固结剂价格按360元/t计，尾砂固结剂1∶10的材料直接成本比普通水泥1∶4的材料低28.44元/m3-充填体。尾砂固结1∶20的材料直接成本比普通水泥1∶10的材料低5.49元/m3-充填体。由此可见，使用该材料用于井下充填，降低成本的潜力是巨大的[3]。

焦家金矿用水泥及尾砂固结剂做充填胶结剂的费用支出情况对比如下：

(1)水泥：2.2万t(目前焦家金矿年水泥总用量)×225元/t(水泥平均单价)=495万元。

(2)尾砂固结剂：1万t(目前焦家金矿年尾砂固结材料总用量)×360元/t(尾砂固结材料单价)=360万元。

年节约成本为495-360=135万元。

三鑫矿业采用此尾砂固结剂替代普通水泥用于井下充填，在保证充填体的强度不降低的情况下，新型尾砂固结剂的用量是水泥的1/2。以充填体灰砂比1∶10计算，每立方米充填体的尾砂固结剂成本较普通水泥节省15元/m3，按三鑫矿业每年充填18万m3计算，每年可节省充填成本270万元，详见表1。

表1 普通水泥与新型尾砂固结剂成本对比

4 新型尾砂固结剂的强度控制

湖北三鑫矿业开展了此新型尾砂固结剂与普通32.5水泥的试验室对比试验，通过充填料浆悬浮性、流动度、沉降等试验检测，在同等条件下，新型尾砂固结剂的充填料浆流动性、悬浮性均好于普通水泥，而离析程度明显小于普通水泥料浆。在充填体的浓度和灰砂比相同的情况下，使用此尾砂固结剂的充填体强度显著提高，充填试件强度检测对比结果如表2所示。

表2 三鑫矿业普通水泥与新型尾砂固结剂强度检测对比

以上检验结果表明，新型尾砂胶结材料形成的充填体早期强度高，与用普通32.5水泥相比，在同样配比条件下，新型尾砂固结剂的充填体强度高1倍以上；在达到相同充填体强度条件下，新型尾砂固结剂用量为普通32.5水泥的1/2以下，是一种具有“快凝、早强、多省”优势的新型尾砂胶结材料。如果使用普通32.5水泥的充填体早期强度达到尾砂固结剂同期强度，则需提高水泥单耗，这样势必增加充填成本。

以山东莱新铁矿为例，该矿年设计采矿量50万t，采矿方法为垂直走向布置分段凿岩分段出矿充填法，设计尾矿全部用于井下充填。莱新铁矿充填体设计抗压强度为2.3 MPa。通过试验，普通水泥很难在全尾砂充填条件下达到要求。进行了新型尾砂固结剂充填试验，其与普通水泥充填体强度对比结果如表3所示。表3表明，在不同浓度及灰砂比条件下，同等条件下新型尾砂固结剂各龄期充填体强度是水泥充填体强度的3～5倍。

莱新铁矿最早在井下-205 m及-255 m中段6#、9#矿房，应用新型尾砂固结剂进行充填，目前已全部使用新型尾砂固结剂进行井下全尾砂胶结充填，效果良好。

表3 山东莱新铁矿普通水泥与新型尾砂固结剂强度检测对比

石头嘴铜铁矿将新型尾砂固结剂用于-320 m中段采场的充填生产，3 d后对采用1∶8灰砂比用于采场浇底部分充填体进行了揭露及相关检测，结果表明未见充填体分层离析现象，充填体早期强度发展快，强度性能十分显著。根据井下现场取样检测，充填体3 d极限抗压强度即达1.69 MPa，28 d达到2.46 MPa。90 d达到了4.25 MPa，充填效果十分理想，完全可满足二步矿柱安全高效回采的需要。充填质量的提高，对减少矿柱损失及降低采场矿石损失贫化也有积极作用。

鸡笼山金矿、冬瓜山铜矿、金川镍矿及客拉通克镍矿等通过相关试验后，相继选择新型尾砂固结剂应用于井下充填，均取得很好的效果。

5 新型尾砂固结剂对矿山的积极影响

5.1 解决矿山充填成本及强度等技术难题

普通水泥胶结充填技术主要存在成本高、效率低、水泥单耗高、充填体强度低和质量差等严重缺陷。使用新型尾砂固结剂替代普通水泥充填，在相同浓度等充填条件下达到相同的充填体强度，用量只需普通水泥的1/2，而综合效果仍好于普通水泥。新型尾砂固结剂具用量省、强度高、充填体分层离析不明显等优点，可很好保证充填质量、缩短采矿作业周期、降低充填生产成本。

由于充填骨料粒级普遍较细、充填浓度较低，普通水泥很难达到满意的充填效果，新型尾砂固结剂在含细泥质尾砂的胶结充填较普通水泥更具优势，可很好解决全尾砂胶结充填充填体强度低等技术难题。

5.2 推动充填采矿工艺革新

充填采矿在我国占有重要的地位，在中国超过25%的有色金属矿石采用充填采矿法生产，黄金矿石则约达到50%以上。充填采矿技术的不断进步，为高效安全的采矿方法提供了基础。

以三鑫矿业为例，新型尾砂固结剂在保证井下充填体强度与稳定性能的条件下，为克服中深孔采场平底堑沟底部结构的桃形(或三角形)矿柱损失太大问题，通过先回收中深孔采场的桃形(或三角形)矿柱，再用高强度充填体替代，以此消除了人工底柱三角矿柱或矿堆的损失，成功优化了中深孔分段落矿嗣后阶段充填采矿法。

另外，石头嘴铜铁矿在应用新型尾砂固结剂后，为克服二步回采矿柱采用上向水平分尾采矿法生产效率与安全度低的问题，也对矿柱回采方案进行了改进。二步回采矿柱同一步回采矿房均采用效率与安全条件较高的浅孔留矿法，部分出矿进路布置在一步回采充填体之中，即直接在充填体开凿人工假巷，并及时素喷砼厚10 cm进行简单支护，从而大幅提高了采矿效率。

5.3 促进矿山循环经济发展

新型尾砂固结剂生产原料主要是“工业废渣”，本身属“三废”利用循环经济项目，不仅大量节省废渣排放场地又有效保护了环境。同时，用于充填时胶结强度高，对细尾砂有很强的固结效果，可更好地提高尾砂利用率和提高全尾砂胶结充填质量，对分级尾砂产量不足或尾砂利用率低的充填采矿法矿山减少尾矿排放推动循环经济发展有重要意义。

6 充填胶凝材料的前景展望

新型尾砂固结剂不但降低了充填成本、提高了充填体强度，而且拓展了全尾砂的适应范围。促进了全尾砂的推广应用，如铁渣胶结剂和赤泥胶结剂使全尾砂充填料的性能显著改善。同时研究超细、高强、价廉、速凝的充填新材料及高压泵送方法，可以确保三下(井下、建筑物下及铁路运输线下)的开采安全，使许多不稳定的岩层预先固结形成薄壳结构，实现江、河、湖水下开采并可能扩大到沿海大陆架地区水下矿产资源的开采。因此新型胶结材料(包括化学添加剂)的研究开发与推广应用将越来越受到重视，并且具有广阔的发展前景。

根据工艺设备条件和现场技术要求，采用新型尾砂固结剂作为胶结剂和输送载体，使用全尾砂作为充填骨料，将是将来充填的研究方向，新型尾砂固结剂与常规胶结充填相比，具有浆料浓度范围大、凝固速度快、不脱水、接顶效果好等特点，解决了井下的环境污染、降低了工人的劳动强度，在应用上有明显的优越性。

7 结论

由于高水速凝充填材料存在成本高，材料稳定性差，原料来源受限制等因素难以推广应用，普通水泥充填胶结材料也存在强度底，水泥单耗高与充填体质量差等不可克服的技术问题。新型尾砂固结剂可很好地克服这两种材料存在的缺点，应用证明是一种适宜的充填材料。

新型尾砂固结剂是国内充填材料的一次技术革新，促进了我国充填材料技术的进步与“三废”循环利用，多个矿山应用已证明均能给矿山创造显著的经济效益和社会效益。

新型尾砂固结剂属“三废”利用项目，符合国家相关产业政策，对提高矿山尾砂利用率，减少或避免矿山尾矿排放，实现无害化矿山开采等有重要意义，在矿山充填领域中具有推广应用价值。

[1] 赵传卿．充填胶凝材料的发展与应用[J]．黄金,2008(1):25-29．

[2] 王喜兵．新型全尾砂胶结充填采矿工艺技术研究与应用[J]．采矿技术,2010(5)：1-5．

[3] 韩克峰．高炉水渣细磨产品在全尾砂胶结充填中的应用[J]．金属矿山,2001(7)：45-47．

Application of New Tailings Consolidation Agent in Mine

YAN Fang-bao, WANG Shang-zhen

The high cost of filling mining has a major influence on the unit consumption of mining. The application of consolidation agent of new tailings instead of cement in the cemented backfill of mine was introduced. Under the same conditions of filling body strength, the consumption of the consolidation agent of tailings is only half or less than ordinary cement. The filling system of consolidation agent of tailings is the same to the commonly used cemented backfill system of cement. On the premise that meeting the requirements of the filling body strength, the application of filling technology of consolidation agent of tailings can reduce the filling cost, and has obvious economic benefits.

sand consolidation agents; strength of filling body; cement

2013-11-27

闫方宝(1983—)，男，山东临沂人，博士，工程师，主要从事采矿工程咨询与设计工作。

X758

B

1008-5122(2014)02-0046-04