全尾砂膏体充填采矿技术现状及展望

孙京阁，邢其岭

（山东黄金矿业（玲珑）有限公司，山东 烟台 265400）

全尾砂膏体充填采矿技术主要是针对矿石开采和选别之后，会有大量尾砂产生，为了能够有效地应对这些尾砂的后续处理，并使矿区开采巷道稳固，不至于在开采之后造成地表塌陷或井下巷道冒顶等问题，采用全尾砂膏体充填采矿法可有效地解决这些问题。

1 全尾砂膏体充填采矿技术研究背景

在金属矿开采过程中，有价金属的回收过程会产生大量的尾矿废料。尾矿中的重金属离子对土壤和地下水的污染，已经导致了大量的农作物损失，鱼类等的死亡，或是“泥石流”的主要灾害来源。而开采导致的地下采空区容积高达12.8亿立方米，导致地表坍塌，井下巷道崩塌等安全事故时有发生。采用全尾砂膏体充填工艺，可以有效地解决以上两种类型的尾矿库与采空区的安全与环保问题。本工艺以废尾砂为原料，辅以水泥、废石、化学添加剂等，按需配制一种不分层、不离析、不脱水的新型环保填料。它既能消除地面尾矿的排放，又能有效地处理井下空区，起到一种“一废二害”的作用。目前，该技术已经在国内、国际、国内多个矿井中开展了示范工程，其中，全国约有200个项目，并迅速得到了广泛的应用。

贯彻《中华人民共和国节约能源法》，落实国务院及相关部门关于节能减排的文件精神，结合国家重点研发计划项目及技术标准体系，做好全尾砂充填技术在非金属矿山中的应用，可有效协调处理尾矿库与采空区的矛盾，实现矿产资源的综合利用与环保，安全经济发展，《全尾砂膏体充填技术规范》国家标准是国家黄金标准化技术委员会推荐的北京科技大学牵头起草的。国家标准化管理委员会于2018年发布了《全尾砂膏体充填技术规范》国家标准，并对其进行了修订。膏体充填技术在经济、安全、环保等方面都有特殊的优越性，与之相比，它的技术含量也更高。尤其是在黄金矿场中，尾矿要经过无害化处理，这是一个非常苛刻的技术，而对于其他矿种来说，完全可以通过脱水来获得膏体。但是，目前国内还没有关于膏体、膏体填充工艺的技术规范，有关人员常常依靠自己的经验和参考其他行业的标准来指导生产。这就导致了这项技术的应用偏离了最初的目标，并没有达到最大的利益。因此，《全尾砂膏体充填技术规范》是国家黄金标准化技术委员会提出并统一实施的，北京科技大学负责起草，目的是规范新型膏体材料的制备、膏体材料的技术指标和充填技术的要求。本论文的重点是确定膏体充填技术的关键技术指标，旨在推动国内矿山更广泛、更规范地使用膏体充填技术，为金属矿山的无废化、绿色开采提供有益的借鉴。

2 膏体充填技术概念

2.1 膏体定义

把一种或多种固态物质（尾沙，粉煤灰、胶结料、胶结料等）与水的最佳组合，制成无脱水、无临界流速的牙膏状泥浆，由重力或大型充填工业泵将其经管道送入采空区。尾矿渣充填后，可充分利用尾砂，不会产生风化、有毒气体的排放，降低了尾矿库的基建、运营和维护费用，降低了水泥的使用量，降低了充填成本，改善了矿井作业环境，节约了排污费。它的主要缺陷是工艺复杂，设备环节多，故障率高，维护管理复杂。

膏体的特性是稳定性、流动性、可塑性。稳定性是指膏体具有抗剥落的能力，离析能力强，在填充时不沉淀、不泌水、不离析，可在输送管道中滞留几个小时仍能平稳地进行输送。流动性是指在没有临界流速的情况下，由重力或外部的压力（泵压）使其在输油管或采空区内形成一个整体的塑性结构。可塑性是指膏体通过管接头、弯管等在管接头和管接头处的变形，但因膏体浓度高、压缩率低，所以其内部结构基本没有改变[1]。

2.2 膏体充填工艺流程

全尾膏体的充填工艺主要是采用全尾砂进行脱水、浓缩、膏体混合、膏体输送，传统的全尾砂脱水工序是在深锥式浓缩机中进行的，该设备在重力作用下沉淀，将低浓度的尾砂浓缩为高浓度的灰浆，为了加速细粒的沉降，往往在工作中添加絮凝剂。将高密度的矿浆泵入搅拌装置，与水泥混合，搅拌后，可制成适宜于管道输送的糊状物，并通过充填泵或自流送到采空区。准备工作包括隔离墙准备，充填管线检查，设备冷却水阀检查，排气阀检查。灌装之前，用泵压力或自流的方法输送清水，并对管道进行清洁，灌装完毕后，应用清水清洗管线，并将剩余的填料清理干净。在装料时，必须确保装料管是满的，以减小由于空载操作引起的管道振动及不安全因素。

2.3 充填采矿法的分类

根据充填物料的不同，充填采矿方法可分为干充填、水砂充填、胶结充填等，我国金属矿山的充填开采技术也发生了很大的变化，它的发展过程可以分为四个时期：50年代，主要采用干填充，20世纪60年代、70年代，水沙充填、胶结充填技术逐步发展，并已被大量使用，20世纪80年代，主要采用的是胶结充填，20世纪90年代以后，国内主要采用泥浆泵注充填工艺。

干式充填是利用矿车、风能等方法将废石运送到采空区，如砂石等干物料，而采场填充物料的搬运、堆放则使用电耙或刮刀。采用干填充填工艺，必须在采场中设置填料井、强化采场通风，并按实际情况分层充填。干重填法是最早的一种充填开采技术，但由于其工作环节多、粉尘多、采场充填时间长、充填强度差，导致其在矿井中的使用率逐年降低。但是，由于干式充填技术的投入低、对矿体的适应性较好，所以仍有一些矿井采用。水砂充填是将尾砂、河砂、矿渣等填料与水混合后，通过砂浆泵或自流输送至地下充填点，以支撑围岩，控制地压。注浆和充填物进入采空区后，由于重力作用而滞留在采空区，而上部的清水和与清水一起漏出的细泥则被排出地面。水砂充填具有充填容量大、投资少、可有效延缓地面沉降的优点，但其存在的问题是，灌浆质量浓度较低、耗水量较大、灌装量较少等问题[2]。

3 现有膏体充填系统存在的问题

现有的矿山尾砂充填系统自八十年代后期开始，经过多次改造，目前所采用的充填工艺，全尾砂经300m3中转储砂槽，再通过4PNJ衬胶泵送至两个体积为800m3、880m3的垂直沙仓，搅拌后加入垂直沙仓，砂仓内的全尾砂经过造浆后，将砂倒入搅拌桶进行一级、二级搅拌。水泥通过双管螺旋输送到水泥罐底，进入垂直搅拌桶。由于充填站位于选矿场地，与采掘工作面相隔很远，经过两个阶段的充分混合后，用高扬程离心渣浆泵对泥浆进行压力，流速55～60m/小时，扬程110m，然后，用钢丝编成的高强度塑料管道输送至矿井。目前的充填工艺还可以满足目前的生产需求，但是还存在以下问题：

第一，全尾砂胶结严重，必须定期清理竖井。全尾砂颗粒较细，在料仓中容易发生粘连，加入絮凝剂后，粘稠度增大，导致有效放砂空间减小，从而影响到正常的放砂。现在，每隔1～2个月就要进行一次彻底的人工清扫。

第二，灌浆质量分数较低，对灌注液的强度有一定的影响。目前的灌浆质量分数在55%～65%之间，掺入水泥后容易发生离析，从而对固化时间和强度造成一定的影响。

第三，系统的工作状态不稳定，给生产和管理带来了困难。由于全尾砂具有较高的粘黏性采用高压水法进行造浆，其放砂速度、密度不稳定，导致了井底漫水较多，由于跑砂多，充填料凝结时间延长，影响了正常的充填循环，增加了井下与地面充填作业的组织协调。

另外，目前矿井的充填体系最初是按照年采选10万吨的矿石，经过二次改造后，产能达到20万吨，同时对充填系统进行了改造，达到了25万吨/年的生产能力。但是，目前该矿已经完成了35万吨/年的选矿能力的扩建，现有的充填工艺已经无法适应改扩建后的生产需求。针对以上问题，研究人员一直在对膏体充填工艺和工艺进行实验研究。

4 全尾膏体充填关键技术指标

膏体充填工艺的关键是工艺参数的控制，原料的颗粒成分、膏体的泌水量是影响灌浆效果的主要技术因素，试验结果表明，固化膏体的沉缩性能、塌陷度、屈服应力、固化膏体的机械性能均有显著的提高。

4.1 粒级组成

膏体中要含有一定量的微粒，以保证膏体的保水能力，并保证膏体在运输时的稳定性。另外，由于细粒对粗粒有一定的承载力，增加了膏体黏度，阻止了物料的沉淀和离析，从而改善了膏体的流动性。LANDRIAULT20对七十多种不同粒径的尾砂进行了实验研究，发现每20微米颗粒级含量必须大于15%，以确保膏体的流动性。STONE指出，为了确保膏体的抽吸能力，各企业一致认为，膏体中20um的颗粒含量不低于15%。

4.2 泌水率

泌水率是指在输送时，体积一定，抽水时会产生水汽，粗集料沉降是由于颗粒的孔隙和表面没有完全吸收到搅拌水，少量的水分沉淀形成了润滑层。泌水率是指膏体中的泌水量和膏体的含水率。泌水率指数的高低直接影响到采场是否有离析和是否需要脱水。膏体在灌装泵的压力下输送时，有一部分湿气被挤出来，形成一层油膜，这样膏体就能以活塞式流动的方式进行整体的平推式移动，这是泥浆泵送的必要条件。低泌水率会使膏体保持较高的含水量，使膏体达到饱和状态，而高泌水量则容易造成堵塞，从而影响灌浆的强度。泌水量与灰砂比、膏体浓度成反比关系，并与细度关系密切，工作人员通过详细地计算和探讨，认为泌水率在1.5%～5.0%之间[3]。

4.3 单轴抗压强度

单轴抗压强度是指材料在单向受压状态下可承受的最大压力，以防止充填、填充墙坍塌，其初期强度必须达到0.15MPa，而在需要支撑顶板的情况下，28天的强度应大于4MPa。

4.4 全尾砂膏体充填技术指标及其检测方法

全尾砂膏体充填技术指标是评价膏体充填质量的重要依据，根据规范充填技术要求，其最终目标是指导矿山企业进行膏体充填，使其在技术上达到更好的经济效益。

一般的单轴抗压强度、泌水率等指标可以参考现行的标准来进行，而屈服强度指数则用规范附录的形式提供了具体的测试步骤和计算方法，并在规范的编写过程中加以论证和分析。

5 全尾膏体浓缩设备

5.1 倾斜浓缩机

倾斜式浓缩器是利用重力沉降原理，对矿浆进行固液分离的一种浓缩装置，其特点是具有特殊的倾斜，表面光滑，间隙小。在倾斜与倾斜间的孔隙中，固体粒子仅下沉一段距离即可落到倾斜面上，从而缩短了沉降时间，倾斜分层堆叠，提高了浓缩机的自然沉降范围。倾斜浓缩器的最大优势在于节省了土地，降低了基建投资，而且采用了浅层沉淀法，可以缩短沉淀时间，提高了浓缩效果。其不足之处是，设备的倾斜易脱落、老化，板面上的泥沙难以清洗，一旦发生故障，维修和运行均十分烦琐。振动式倾斜浓缩机是在倾斜浓缩机的基础上进行改良的，近几年发展迅速。相对于倾斜浓缩机，振荡式倾斜浓缩机倾斜组件采用间歇式高频振动，对其进行周期性的自动清洁，确保了倾斜上的材料不会积聚，提高了生产效率。另外，在浓缩机上还增加了一个物料清除器，以使其能够顺利地进行高密度的底部排出。

5.2 高压浓缩机

随着矿井开采的增加，新型开采技术的发展，目前已逐步发展出一种高效率的高压浓缩机工艺，该工艺与常规浓缩机比较，具有较大的侧壁高度和较小的耙式阻力。在高压浓缩机上，矿浆黏度大，输送机械力矩大，高压浓缩器通常采用体积泵，因为它的底部浓度较高。

在高浓度下，絮凝剂的作用会受到很大的影响，而在高压浓缩器中，还配备了一个自动进料系统，高压浓缩器具有较大的处理量、较好的絮凝剂、底部流体排矿稳定、底流浓度高等优点[4]。

5.3 膏体浓缩机

膏体浓缩设备又称为深锥式稠化机，主要包括起重设备，该设备的主要特征是无提升机、侧壁高度接近于直径，并在排矿泵室内增加了循环泵。膏体浓缩机的圆柱体分成一个溢流槽，圆锥和圆筒三部分，在耙齿的正上方，脱水棒的作用是给悬浮液提供一个上升的通道，固体粒子在重力的作用下会不断下降，从而改善脱水效果，而底部的锥角较大，有利于增大压气比，提高底流浓度。膏体浓缩器还配有剪力泵，可根据排矿末端的物料浓度，进行中、高、高的就地循环，避免因泥浆浓度过高而造成的堵塞。膏体浓缩设备具有浓缩效率高，溢流澄清度高，占地面积小，自动化程度高，适用于粒度较细，浓度较低的物料。

6 膏体充填技术发展趋势

膏体充填技术是二十世纪八十年代出现的一种新技术，它在流变特性理论、膏体制备、输送工艺等方面都有了长足的发展，但仍存在着许多理论和技术问题。完善基本原理、改进工艺、加速开发具有自主知识产权的专用设备是国内膏体充填技术发展的方向。

6.1 基础理论的发展

尾砂干扰沉降原理，搅拌棒-絮团耦合机制等是目前国内外研究的一个重要课题，而流变学方面则是开发高精度流量计、黏度计等流变试验设备，建立适合不同膏体特性的实用流变学模型，并对膏体的流动特性、充填后的内应力进行了数值模拟和模拟，是今后膏体充填工艺的一个重要课题。

6.2 工艺技术的发展趋势

研制低成本、稳定的黏合剂、改进膏体输送条件、研制高效絮凝剂，采用泵送药剂、提高设备处理能力、改进设备改造、创新、提高尾砂浓度、利用运行管理和自动化技术等技术手段来减少充填费用，并针对膏体流量监测设备寿命短、检测失准等问题，应加强对检测仪器的开发[5]。

6.3 专业设备的发展趋势

一方面，国内尾砂浓缩设备设备投入少，但其絮凝剂用量比进口设备多、维护工作量大、维护成本高，需要加大研发力度，完成关键设备消化、吸收，打破国外对高性能膏体浓缩设备的垄断。另外，由于各大矿山的原料处理能力不断提高，因此，膏体的大型化将成为未来的发展趋势。

7 结论

综上所述，在现有的开采工艺中，全为尾砂膏体充填技术的发展，无疑是具备理论和实践基础的，有关单位积极探讨和思考应用膏体充填器械进行开采过程中的工艺实验，加快研制具有自主产权的专用设备，并有望在未来促进各大矿山原矿处理量的增长，提升矿区开采和后续处理的质量。