绿色开采与膏体充填

余南中

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

绿色开采与膏体充填

余南中

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

阐述了绿色开采与膏体充填的关系，介绍了国内膏体充填的发展状况，提出了进一步推广膏体充填的一些思考和建议。指出在新的形势下，矿山企业要实现可持续发展，必须走绿色发展的道路。

膏体充填；采空区；绿色开采；可持续发展

0 引 言

矿业，是国民经济的支柱，是实现新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化的基础。改革开放以来，尤其是近10多年来，我国矿业发展迅猛，已成为世界上最大的金属矿业国。但随着矿业的迅猛发展，长期开采也带来了许多遗留问题，如：环境和生态破坏，污染严重，占用和破坏大量土地，资源利用率低，资源损耗大，安全问题突出，付出的代价巨大。偏重数量扩张，片面强调做大做强，忽视品质提升，追求短期效益，造成巨大的负面效应，难以实现可持续发展，因此必须改变发展模式。

21世纪以来，党中央提出了科学发展观，要实现资源节约型、环境友好型建设和发展。相应地一系列法规和制度不断出台，绿色开采得到重视，在实际工作中也逐步开始实行。但总体来说，还存在严重不足，要想根本改变还需要长期坚持不懈的艰苦努力。

党的十八届五中全会指出实现“十三五”时期发展目标，必须牢固树立并切实贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，进一步提出，坚持绿色发展，必须坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持可持续发展。在新的形势下，矿山企业要实现可持续发展，必须按照基本国策的要求，走绿色发展的道路，降本增效、提高效益。

1 绿色开采的重点技术

1.1充填的作用

1)尾矿、废石等回填采空区，可以减少和防止岩石、水体和地表的移动及破坏，从而保护地表生态；

2)产出的矿山固体废物堆回采空区，极大地减少外排量，甚至实现无废化开采，减缓了外排废物对环境的影响；

3)极大地缓和采矿造成的安全危害；

4)减缓了对矿体开采条件的破坏，从而可提高矿石资源回收利用率、减少贫化率、提高采出矿石品位。

因此，充填是绿色开采最有效的手段。当前人们对充填—膏体充填、大规模充填技术的关注越来越重视。

1.2充填类型

1)分级尾砂充填。使用广泛，制备工艺较简单，可自流输送，充填能力大，充填成本较低。但充填使用分级后的粗尾砂，脱出的细粒级尾矿送尾矿库，堆存难度大，与尾矿堆坝相矛盾，而且尾砂利用率低(一般50 %左右)，外排和堆存量大；

2)高浓度全尾砂胶结充填。全尾砂往往细泥含量高，沉降速度慢，采场脱水困难。胶结充填时，水泥消耗量高，初凝时间长，充填体强度不容易提高。胶固时随着选矿技术的改进，磨矿细度越来越细，细泥比例越来越多，这些问题越来越突出，存在技术方面的不足；

3)水沙(磨砂)充填；

4)废石干式充填；

5)废石胶结充填；

6)其它。

1.3膏体充填

1)什么是膏体

当浓缩尾矿屈服应力约200±25 Pa，塌落度15～25 cm称“膏体尾矿”。直观来说，膏体不分层、不离析、不泌水(泌水率5 %以下)，无临界流速，呈柱塞流输送，输送中颗粒不发生沉淀，同一断面上不发生位移。组成膏体的尾矿应含有一定的细粒级，一般认为-20 μm不应<15 %，以15 %～25 %为宜。

2)膏体充填的特点与绿色开采

(1)可以最大限度减少尾矿排放及影响。充分利用细粒级尾矿进行充填，固废利用率高，可达50 %～100 %；充填料不泌水，固结好，既能防止充填料中重金属对地下水的污染，又能阻隔开采区域废水对地下水的渗流影响；地表堆存时，固结后结构致密，重金属离子不渗滤，防止对水体产生污染。

(2)能有效保护地表。沉缩率小(仅1 %左右)，充填效果好，可以最大限度减小地表变形。

(3)对保护矿山安全性好。井下充填时，能迅速对围岩和矿柱产生作用，有效控制顶板围岩变形和采场地压，有利于采场稳定和采矿作业安全；地表堆存时，膏体坝内不积水，溃坝风险低，堆存密实度高，坝体上升速度慢，有利于堆坝稳定。

(4)膏体强度高，充填效果好，能减少损失、贫化，有利于提高资源利用率和开采质量。特别是在采场充填后不泌出水，对于遇水易软化、泥化的矿岩几乎是唯一的选择，可解决这类矿体难以开采的问题。

(5)经济效果好：①井下充填时，能减少水泥用量，降低充填成本。达到相同充填体强度，膏体的水泥用量可减少20 %～50 %。相同水泥用量下，膏体强度提高50 %～200 %；②用于地表堆存时，膏体堆积角度加大(可由<1°加大到5°)，减少占地，降低了征地费用；坝高低，减小筑坝费用；上升慢，减少维护费用；③无论是井下充填还是地表堆存，膏体浓密脱水，提高了回水率和回水水质，减少了水处理系统和费用。

因此，在各种充填类型中，膏体充填和堆存最适用于绿色开采。从环保、安全、资源利用、经济等方面来说，膏体充填的性价比高，是较为先进的绿色开采技术。

云南金沙矿业股份有限公司因民公司尾矿充填处理采空区的成功案例，真正做到了以“一废除两患”的作用，体现了膏体充填在实现绿色开采中的优越性。

2 国内膏体充填的发展

2.1膏体充填日愈受到关注，在国内得到快速发展

膏体充填在国外于20世纪80年代就开始进行研究与应用，发展较快。国内于20世纪90年代先后在金川、铜录山开始应用，由于种种原因，未得到更多的推广。至2006年，云南驰宏会泽建成一套以深锥膏体浓密机为核心的充填系统，取得成功，推动了膏体充填在国内的快速发展。目前，在有色、黑色金属矿山、煤矿、磷化矿山等系统，一大批矿山的膏体充填已投入在建和生产之中，并建成了一批示范性矿山。如：金川、云南驰宏会泽、新疆伽师铜矿、迪庆矿业羊拉铜矿、中色非洲谦比西、哈尔滨金大金矿、广西华锡铜坑矿、焦家金矿、新城金矿等有色矿山；周油坊、莱芜、司家营、张马屯等铁矿；蒋庄、太平、新汶孙村、邢台、峰峰小屯、淄博许厂等煤矿；开阳磷矿、黄梅磷矿等。

昆明有色冶金设计研究院股份公司设计的滇西北衙金矿也采用膏体充填。

尾矿在地表采用膏体方式进行堆存也得到发展，如：内蒙乌山铜钼矿、包钢白云鄂博铁矿、山西鲁能赤泥堆存等。

2.2已掌握膏体充填的关键技术及设备

国内外膏体充填的迅速发展，是由于细粒尾矿浓密脱水和膏体物料的长距离管道泵送技术得到突破，膏体浓密机及柱塞泵2个关键设备的成功应用，起了很大作用。

1)微细颗粒材料浓缩脱水技术与设备—膏体浓密机

自稀释给料、高效连续絮凝沉降、导水杆搅拌浓缩是主要技术，能将低浓度细尾矿直接浓缩成膏状底流。提供了膏体充填最有效的浓缩脱水技术和设备。

厂家：国外—Outotec、Westec、Delkor、FLsmidth；国内—飞翼股份、上海里浮、淮北矿机等。

国内已引进国外技术，进行了消化吸收，生产了Φ35 m的大型膏体深锥浓密机，正拟生产直径Φ45 m的。

2)活化搅拌技术与设备。通过搅拌使所有物料混合均匀，实现流态化，为管道输送提供条件。

搅拌混合技术是膏体制备工艺的核心，对粗骨料膏体多用两段搅拌(双轴叶片搅拌机与双轴螺旋搅拌机配合进行)，细物料膏体用强力活化搅拌。双轴卧式搅拌机是最常用的膏体搅拌机。

国内厂家较多—飞翼股份、宇泰重工、长沙和谐机电、山东汇发、山东恒远等。

3)高浓度浆体泵送技术与设备。要适应粗骨料、大阻力、高浓度物料的长距离输送。当没有条件实现自流输送时，就需要泵送，主要用柱塞泵、隔膜泵。

厂家： 国外—普茨迈斯特等；

国内—飞翼股份、宇泰重工、中国有色(沈阳)泵业等。

要解决大流量、高扬程的输送问题，国内已可生产流量400 m3/h或扬程15 MPa以上的泵。

4)计算机在线控制技术、DCS集散控制系统

包括对充填系统的集中控制、对工艺过程的实检时测、对加料精度的控制、事故报警及处理等，保证产出膏体的稳定和作业安全。国内有多家公司都能提供有关技术、产品和服务。

总的来说，对这些关键设备，除了可选择国外公司的产品外，目前国内一些厂家已掌握了这些关键设备的主要技术，并能按用户需要提供相应产品，为膏体充填的推广提供了技术和设备支持。当然，还需要进一步努力弥补与国际先进技术和设备存在的某些差距。

2.3对充填材料的开发成果颇丰

结合行业和地区的具体情况，广泛使用尾砂、煤矸石、磷石膏、采掘废石、棒磨砂、冶炼水淬渣等，作为充填集料。

胶结材料：普通硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、钢渣水泥、全砂土胶固材料、赤泥胶结料、粉煤灰等。

云南大红山用低温陶瓷固化剂效果很好。

改性材料：早强剂、减水剂、减阻剂、泵送剂等。

许多地方发掘的充填材料既充分利用废料，变废为宝，减轻了废料的危害，又降低了充填费用，有的还提高了充填体强度。

2.4涌现出了一批有水平、有实力的试验研究单位

如：长沙矿山研究院、北京科技大学、北京矿业大学、青岛理工大学、华南理工大学、徐州中矿大、飞翼股份、金诚信矿山技术研究院、湖南风格科技等。

在充填物料级配理论、膏体流变特性、凝结性能、尾砂浓密脱水原理、膏体搅拌理论、膏体管道输送理论、膏体充填自动控制等全尾膏体处置基础理论研究、全尾膏体处置专用设备研究和开发、全尾膏体处置新技术、廉价高效胶凝材料机理研究和开发等方面，取得很大成绩，许多方面达到国际先进水平，为推动国内膏体充填的发展起到了很好的引领作用。

3 对推广膏体充填的一些思考

膏体充填近年来在国内虽然有较大进展，但目前仍处于起步阶段，需要通过创新进一步扩大膏体充填的使用。

据有关资料，2010年我国矿企63 432家(不含油气)，其中大型4 708家(占7.24 %)；中型5 477家(占8.63 %)；小型53 247家(占83.94 %)。

推广膏体充填，对其中部分进行改造和新建，其数量众多，任重而道远，有大量工作要做。

3.1解决“应不应该用”的问题

1)做好交流和介绍，在观念上要进一步解决好这一问题，充分了解膏体充填是绿色开采的必然选择。

2)正确认识绿色开采与经济效益的关系

有的认为实行绿色开采会影响效益，这是一种片面的认识。矿业可持续发展的内涵是资源高效回收、经济效益上升、生态环境友好。三者是个整体。十八届五中全会指出，要以提高发展质量和效益为中心，经济效益和可持续发展是统一的，要正确认识和处理绿色开采与效益的关系：直接效益与间接效益；短期效益与长远效益；局部效益与总体效益。在进行矿床开采评价时，应将资源总量效益和环境负荷因素纳入评价体系。按照资源效益与环境效益损失的观点建立评价模型，进行最小损益率评价。

完善经济评价方法。应建立矿产资源综合利用评价指标体系，设定各指标权重，建立评价计算公式，进行综合分析和评价。

3.2在“用得起”方面下功夫

膏体浓缩、搅拌制备、泵送、控制等主要设备采用国外公司产品价格贵，一次性投资大，是人们往往望而却步的主要原因。

要推广膏体充填，关键是项目投入要少，成本要低，能得实在的效益，不但条件好的矿山能用得起，还要让价值低、品位低的贫矿、众多的小矿山也能用得起。

1)结合我国实施2025制造强国的规划，应大力发展可靠、价廉的国产设备，重点扶持一批有实力、有发展前途的厂家，进一步攻克关键技术和关键部件，实现国产化、批量化生产，降低制造费用。在技术和质量方面使用户能放心选择国产设备。

2)进一步研究和开发成本低、效果好的胶凝材料、改性材料。胶凝材料占膏体充填成本的50 %～80 %(尤其是水泥)，因地制宜寻求成本更低、效果更好的胶凝材料是能否实现低成本充填的关键因素。

这方面山东地区的成果颇丰，经验值得推广，各地应该结合自身的实际情况，大力研发价廉的胶凝材料、改性材料。研究进一步提高强度和降低胶凝剂用量的途径和办法。

3)改进工艺。利用势能，能自流的尽量用自流输送，添加输送剂，改善输送性能，创造条件尽量自流输送。

4)通过试验成果，仿真模拟，进一步研究减小灰砂比，确定合理强度的理论依据，指导确定设计配比。

5)进一步提高非胶结膏体充填的使用比例(采场第二步骤充填、地表堆存)。

6)发展灵活多样的浓缩脱水技术。

3.3要“方便用”

1)试验方法应方便设计部门使用

采用膏体充填，无论是新建项目还是改造项目，都需要进行设计。设计是推广使用的必备平台，不同设计阶段深度不一。

可研阶段如何正确确定配比与强度的关系，主要靠参考、类比，不够可靠；浓密设备选型找厂家，慢；初设阶段用试验作依据，试验规模，内容，物理试验，数值模拟，没有标准；在设计中碰到的问题可参考的实例有限。

进行设计需要通过研究单位和有能力的厂家进行试验，提供设计使用和供设备选型的尾矿和充填参数。分小型试验、扩大试验、工业试验，分别对待。

在新项目选矿厂未建成之前，可研阶段和初设段往往没有大量的尾矿可供试验，需要研究快捷的试验方法：新项目用选矿试验产出的尾矿测定基本参数+数值模拟+项目类比，代替小型试验及扩大试验，作为可研及初步设计的依据。前提是要有充分的经验及类比数据，大红山铁矿精矿输送管道即用此方法。大型复杂项目必要时进行半工业和工业试验，用选矿厂大量产出的尾矿。

2)建立试验—设计—设备供应

试验—设计—设备供应—工程承包，一体化的联合体，可方便地推进膏体充填的应用。

3)膏体制备的原则流程基本相似，可开发大、中、小不同规模的膏体充填成套技术和设备，方便用户选择。

3.4“怎么用”

1)理论指导实践。加强理论研究，如：有关膏体浓密的絮凝沉降、压缩沉降理论研究，膏体流变理论和模型研究，管道输送数值模拟，影响膏体配比和强度的有关因素研究等等，以指导设计和生产实际的应用，取得最佳效果。

如：进一步研究无动力深锥膏体浓密机的浓密机理，是否有推广价值。

通过理论研究，指导进一步提高充填体强度和降低胶凝剂用量的途径和办法，具有十分现实的意义。

2)规范使用。国家应在适当时机制定法规，将建设绿色矿山作为开发矿山项目必须遵循的方针，将膏体充填作为实现绿色开采的先进技术优先考虑采用。

3)适时制定发展规划，逐步拟定推广膏体充填使用的指导意见、政策、规范、标准等。编写实用手册。

4)解决在实际应用中碰到的一些问题。

(1)多用尾矿。进一步研究在难设置尾矿库的地区，多用尾矿、少加碎石等骨料的方式，争取做到既能保证全尾矿胶结膏体强度，又能解决尾矿库问题。实现尾矿少外排或无外排。

(2)充填与选厂工作制度差异的协调。开发有储浆容积、能储浆的膏体浓密机等。

(3)大规模充填系统及配套设备，深井充填技术等的开发和应用。

(4)进一步推广似膏体胶结充填。似膏体充填技术具有胶凝材料成本低、设备投资小、充填效果好等优点，既改善了流动性、输送方便，又具有膏体充填强度高、井下不脱水、保护环境等优点。似膏体充填技术具有良好的发展前景。

(5)尾矿膏体堆存。进一步研究在南方雨水多的地方如何使用，加少量胶凝剂固化的堆存方式。

4 结 语

膏体充填有着广阔的发展前景，在绿色开采中必将发挥越来越重要的作用，但需要说明的是膏体不是唯一。

矿山和矿体条件千差万别，应因地制宜(矿岩稳固性，矿体产状，充填材料类别、来源、尾矿性质、参数、粒度，规模，地形等等)，确定最佳充填方式。采用何种充填方式，膏体、似膏体、还是高浓度，取决于经济、实用和实际效果。

后记：该文系笔者根据其在2015年11月17日于昆明召开的“全国全尾砂胶结充填技术交流会”上的报告整理而成。

[1] 吴爱祥，王洪江.金属矿膏体充填理论与技术[M].北京：科学出版社，2015.

[2] 余南中.绿色 创新 提效，应对矿业面临的新挑战[J].有色金属设计，2015，42(4)：1-7.

Green Mining and Paste Filling

YU Nanzhong

(Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd, Kunming 650051, China )

The relation between green mining and paste filling was explaned and the development of domestic and foreign paste filling was introduced. Somethinking and advice concerning further popularizing paste filling was put forward. To achieve sustainable development, minming enterprises must embark on green path of development in new situation.

paste filling;goaf;green mining;sustainable development

2016-02-22.

余南中(1942-)，男，云南人，教授级高级工程师、享受国务院政府津贴专家、云南省设计大师、全国有色金属行业优秀总设计师、中国冶金矿山企业协会专家、云南黄金矿业集团顾问.主要研究方向：矿山设计及研究，工程项目设计组织及管理.

F407.1

A

1004-2660(2016)01-0001-05