固体钾盐矿地下开采充填工艺研究

郭 雷，翟建波，施士虎，逄铭璋

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

应用研究·非金属矿山·

固体钾盐矿地下开采充填工艺研究

郭 雷，翟建波，施士虎，逄铭璋

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

基于国内外钾盐矿山的实地考察和研究，全面总结了固体钾盐矿地下开采充填工艺流程和特点，对比分析了干式充填、料浆充填、干式和料浆联合充填、膏体充填4种充填方式。对东南亚某钾盐矿充填工艺进行了详细研究，推荐采用料浆充填方式，并详细介绍了其采用的充填工艺流程，对类似矿山充填工艺选择具有一定的借鉴意义。

固体钾盐矿； 地下开采； 充填

1 概述

世界钾盐资源丰富，超过90%的钾盐资源集中在加拿大、俄罗斯、白俄罗斯和德国，国外钾盐矿床主要是光卤石和钾石盐构成的固体钾矿[1～3]。

中国钾盐资源短缺，98%为卤水钾盐，固体钾盐只占2%左右[4]，固体钾盐主要分布在我国云南思茅地区[5～6]。目前，中国每年钾肥需求量超过1 100万t，约50%以上依赖进口，中国已成为世界第二大钾肥消费国和进口国。随着中国对钾盐资源需求的不断增长，加上中国企业走出去的战略思想，开展境外固体钾盐资源的开采将会越来越受到关注。在亚洲，老挝固体钾盐资源丰富，近年来，中国多家企业已经进入老挝进行钾盐矿开发，目前已投产运行的有4家企业：中农集团、四川开元集团、中国水利电力集团、云南中寮矿业开发投资有限公司[7]。

总结国内外固体钾盐矿的开采方式，基本上为固相开采(也称为旱采)中的地下开采。笔者对德国的海尔布隆(Heilbronn)盐矿、西班牙的苏里亚(Suria)钾盐矿、老挝东泰钾盐矿、中国的云南思茅地区勐野井钾盐矿等矿山进行过实地考察，海尔布隆盐矿和苏里亚钾盐矿均采用竖井开拓，采矿方法为房柱法，海尔布隆盐矿品位高，尾矿少，全部回填采空区；苏里亚钾盐矿尾矿不充填，堆存于地表，形成“盐山”。老挝东泰钾盐矿由中国恩菲工程技术有限公司承担EPC工程总承包，该矿采用斜坡道开拓，房柱法开采，尾矿回填井下。中国勐野井钾盐矿采用斜井开拓，房柱法开采，尾矿堆存于地表。

钾盐矿的尾矿也称为尾盐，主要是固体氯化钠，很多矿山采用露天地表堆存。堆存场地需要做防渗处理，在雨水多的地方，必须要做好防雨，堆存投资大，成本高，处置不好会对生态环境造成严重影响。老挝地处热带雨林地区，对环保要求很高，尾盐无法长期堆存地面，尾盐回填井下问题是中国企业开发老挝钾盐矿目前所面临最大的共性问题。

2 充填方式

总结固体钾盐矿地下开采的充填方式，主要有4种：干式充填、料浆充填、干式和料浆联合充填、膏体充填。

2.1 干式充填

钾盐矿开采早期，干式充填是唯一的充填方式，在20世纪干式充填逐渐被料浆充填替代。干式充填主要包括气动充填、抛掷充填和装载充填。在德国该方法主要用于废弃钾盐矿山的嗣后回填作业。气动充填方式是通过一定压力的密闭管道把尾盐从地表输送到采空区充填。抛掷充填方式一般先通过竖直管道把尾盐输送至井下，然后通过皮带输送到采空区，利用快速运行的皮带抛掷固体尾盐进行充填。装载充填方式一般先通过竖直管道把尾盐输送至井下，然后通过皮带输送到采空区，利用装载设备(如铲运机)将尾盐堆放到采空区内充填，再利用滑动推移机械进行工作面和顶板的外围区域压实。

2.2 料浆充填

在混合池内将饱和卤水和尾盐混合，通过水力管线将混合料浆输送至采空区。尾盐与输送卤水分离，固体尾盐(含部分卤水)留在空区，而卤水穿过渗透挡墙流入卤水收集池，通过管线输送到地表，并再次循环利用，同时补充损失的部分卤水。

2.3 干式和料浆联合充填

采用料浆充填方式将混合充填料送至指定区域，通过特殊离心机脱水，将卤水与固体尾盐分离，固体尾盐含水率约4%，再通过皮带或装载设备将尾盐运输至采空区。卤水进入收集池并输送到地表，再次循环利用。

2.4 膏体充填

膏体充填是料浆充填的特殊类型，利用卤水将尾盐和胶凝材料混合，然后通过管道泵送到采空区充填，充填料浆可自硬化，不需要排出卤水或者排出卤水量很少。

2009年，中国恩菲工程技术有限公司委托中南大学开展盐物料胶结充填实验研究[8]，试验原料主要为工业盐(NaCl)，胶凝材料为普通32.5#水泥。充填配比强度试验结果表明，从技术角度考虑，盐类物料胶结充填最优配比及相关技术指标为水泥∶盐=1∶5(质量比)，质量浓度为72%。该配比充填体主要技术经济指标为：7、14、28、60、90d抗压强度分别为0.32、0.51、0.64、1.07MPa和1.31MPa。但是该配比水泥耗量过大，经济上不可行，尾盐胶结充填胶凝材料不宜采用水泥。

2010年，中国恩菲工程技术有限公司李国政[9]等人利用镁水泥作为胶凝材料，在国内第一次对钾石盐矿尾矿进行了胶结材料强度试验研究，得出的主要结论为：镁水泥宜作为钾盐矿尾矿充填的胶凝材料，钾盐矿尾矿充填选用的镁水泥添加量，即灰砂比，根据实际矿山采矿方法的需要选择，灰砂比1∶16时，可以满足嗣后充填的强度要求；灰砂比1∶8～1∶4能满足上向胶结充填采矿法的要求。

2013年，云南省化工研究院徐翔[10]等人在老挝钾盐矿的充填工艺技术研究中，通过添加凝结剂混合制成“氯化镁母液+凝结剂+氯化钠尾盐”充填料，凝结剂采用镁凝结剂，如氯化镁轻烧粉或含有氧化镁的白云石轻烧粉等，而非传统充填所用的水泥。

膏体充填中，氯化钠尾盐为主要骨料，细粒级的尾盐使充填料呈似膏体状态，便于输送；凝结剂与氯化镁母液(卤水)通过化学反应可在常温下形成5相和3相等水化物，形成类似于镁水泥的胶凝材料，使得充填料浆硬化形成稳定的充填体。此外，为了提高充填料的和易性等特性，结合矿山实际情况可以添加少量的添加剂，从而提高充填效率，满足充填工艺要求。膏体充填流程见图1。

图1 膏体充填流程示意图

3 充填方式对比

尾盐井下充填可提高矿石回采率，减少地表沉降。充填效果由充填率、充填初始密度和充填体力学强度3个主要因素控制。充填率限制采空区顶板收敛程度。充填方式确定情况下，采空区的充填率还取决于采场倾角，采用料浆充填方式充填率最高可达95%，采用抛掷或气动干式充填方式充填率最大仅能达到90%。充填初始密度限制矿柱移动。采用料浆充填方式的充填体初始密度可达2t/m3。采用干式充填方式可通过添加卤水和机械压实等方法来提高充填体密度，充填体的初始密度可达到1.7t/m3。不同充填方式的充填率、充填初始密度及适用的矿床类型比较见表1。充填体力学强度由充填材料的压实性和固结性确定，因为岩体的收敛作用，附近的围岩稳定区阻止充填体膨胀。随着时间的推移，充填体在采空区内被自然岩体逐渐压实，充填体强度逐渐增大。

德国Fulda、Jaeger等人曾做过试验，比较了固化的料浆充填体与自然钾盐矿石的单轴和三轴强度随围压变化情况[11]，见图2。

表1 不同充填方式的技术比较

图2 固化的料浆充填体与钾盐矿石强度对比

4 案例研究

东南亚某钾盐矿上部为钾石盐矿层，下部为光卤石。考虑到采选工艺限制设计开采钾石盐矿，钾石盐矿体层呈层状产出，分布连续、范围广，平均厚度约4m。矿床埋藏较浅，矿区地表地势平坦，以水稻田和水塘为主，地表不允许较大沉降。采用盘区式房柱嗣后充填采矿法。

4.1 充填方式选择

充填方法的选择需考虑以下几个方面：实现较高的充填率及充填密度，减少地表沉降变形；工艺流程环节简单，充填作业效率高；基建投资及生产期运营成本低，经济效益好；较好的适应性，要适应水平或倾斜的采空区。

针对某钾盐矿床赋存状态、开采技术条件、环境保护限制等条件，参照实际生产矿山的经验，推荐使用料浆充填。料浆充填可以达到(85～95)%相对较高充填率和平均(1.6～1.9)t/m3的密度，能取得更好的充填效果。

4.2 充填材料

充填材料主要是尾盐和高镁卤水。尾盐来自选厂，高镁卤水由选厂排出的低镁卤水和光卤石混合溶解形成。

钾石盐矿床底板为光卤石层，在回采过程中不可避免地会揭露光卤石，由于光卤石比钾石盐具有更强的溶解特性，如果充填期间暂留在采空区的剩余卤水中的氯化镁不饱和或者含量低，下层光卤石会部分或全部不可控地溶解，可导致以下结果：大量的输送卤水损失；形成新的光卤石采空区；更高的地表沉陷率。为了避免矿床底层光卤石溶解带来的危害，推荐高浓度氯化镁卤水作为输送介质。高镁卤水中氯化钠和氯化钾是饱和的，矿柱及顶板不会溶解，也可以有效阻止光卤石的溶解，把不可控的溶解底板光卤石层的风险降到最低。

4.3 充填工艺

在充填混和车间将尾盐和高镁卤水混合形成充填料浆，通过加压泵将充填料浆由充填管道输送至采空区。部分高镁卤水会附着在固体尾盐上而留在采空区，逐渐固结形成密实充填体。作为输送介质的大部分高镁卤水进入卤水收集池，通过卤水回收管道输送到地表，并再次循环利用，损失的卤水需要通过回采光卤石来补充。

5 结语

(1)固体钾盐矿地下开采中采取有效的充填方式可以减少地表沉降、变形，选厂排出的尾盐和卤水充填到井下，大大减少对地表环境的影响和破坏。

(2)总结了固体钾盐矿地下开采4种充填方式：干式充填、料浆充填、干式和料浆联合充填、膏体充填的工艺流程和特点。

(3)料浆充填比其他充填方式具有的优势有对矿体的适应性强，投资和运营成本低，充填体初始密度高，采空区充填率高和固结充填体力学强度大。

(4)根据东南亚某钾盐矿开采技术条件，研究了其地下开采充填工艺，确定采用料浆充填方式，推荐采用高镁卤水作为充填输送介质。

[1] 崔晓寰，杨云松，李 正.世界钾盐资源分布及特点[J].科技创新导报，2014，(1).

[2] 刘小力，吴国平.充填采矿技术在井采钾盐矿应用的探讨[J].采矿技术，2013,(3)：1-2.

[3] 王春宁，余俊清，陈 良，等.钾盐资源全球分布和我国找钾实践及方法探究[J].盐湖研究，2007，(3)：56-72.

[4] 李 强.我国钾盐矿资源综合评价与区划布局建议[J].国土与自然资源研究，2016，(3)：44-46.

[5] 王学买.浅谈青海卤水钾资源的开发[J].化工矿物与加工，2000，(9)：13-15.

[6] 肖章程，黄和旺.云南省思茅盆地固体钾盐矿成矿物质来源[J].中国西部科技，2009，(23)：13-15.

[7] 朱明松.老挝钾盐矿资源规模化开发的总体思路[J].云南化工，2013，40(6)：1-4.

[8] 中南大学，中国恩菲工程技术有限公司.盐物料充填试验报告[R].长沙：中南大学，2009.

[9] 李国政，李雨峰，丁 鹏，等.镁水泥与钾石盐尾矿胶结充填材料试验研究[J].中国矿山工程，2010，39(5)：23-25.

[10] 徐 翔，曾 波.老挝钾盐矿尾盐回填工程技术研究[J].云南化工，2013，40(6)：41-43.

[11] Joerg Bodenstein，Henry A.M.Rauche，Wolfgang Schreiner，et al.Reduction of surface subsidence and brine inflow prevention in potash mines by subsequent backfilling[J].Tailings and Mine Waste，2001:171-176.

Research on filling technology of underground mining of solid potash mine

Based on site investigation and research of potash mines at home and abroad, the filling process and its characteristics of solid potash underground mining were summarized, and four kinds of filling process, which were dry filling, slurry filling, dry and slurry combined filling and paste filling, were compared and analyzed. The filling process of a solid potash mine in Southeast Asia was studied in detail, and slurry filling was recommended. It has reference value for the filling process selection of similar mines.

solid potash mine; underground mining; backfilling

TD871+.1

A

2017-03-16

郭 雷(1979-)，男，河南通许人，高级工程师，从事矿山工程设计和研究工作。

1672-609X(2017)03-0046-03