矿山充填技术

矿山充填技术

进入工业社会以来，人类对能源的需求日益增大。矿山中蕴含着大量能源物质，特别是煤炭，我国未来的发展对其的依赖还很巨大。矿山开采在带来矿产资源的同时，也是诱发地质灾害和污染环境的直接因素。其中最为突出的就是地表沉陷。

矿山充填是治理开采沉陷的有效手段，国内外学者对其进行了大量研究，提出了许多行之有效的方法。自20世纪50年代以来，我国矿山充填技术的发展大致经历了四个阶段：50年代为废石干式充填的全盛时期；60年代发展应用分级尾砂水力充填、碎石水力充填和混凝土胶结充填；70～80年代广泛应用以分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充填技术；90年代全面发展了全尾砂胶结充填、块石砂浆胶结充填、碎石水泥浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填等新技术，促进了我国采矿技术的进步和采矿工业的发展。进入21世纪，矿山开采将转向深部矿体、“三下矿体”以及其它复杂难采矿体。地压控制问题将日益突出，并成为深部高效、安全作业的主要障碍。胶结充填是深部及复杂应力环境下地压控制的有效途径之一，因此，充填采矿法和充填工艺技术越来越受到人们的重视，且在充填采矿法不断改造与发展的过程中得到创新与进步。一方面通过对充填材料和充填体物理力学性质的认识，研究开发来源广泛、成本低廉、便于制浆和输送、充填体强度高的新型充填材料；另一方面，通过对充填体力学作用机理的探讨，结合采矿作业要求，研究新的充填工艺和方式。在此基础上，结合现代矿山充填技术发展的趋势，逐渐形成了似膏体充填新思想，研究了一种新的充填技术—似膏体充填新技术。

1矿山充填技术的应用概况

目前在中国应用的充填工艺主要有分级尾砂充填、全尾砂胶结充填、废石胶结充填、膏体泵送胶结充填、磨砂胶结充填、赤泥胶结充填、高水固化胶结充填、少量的天然砂胶结充填和干式充填。

1.1分级尾砂充填

分级尾砂充填工艺是我国应用最为广泛的充填工艺，绝大部分充填矿山均建有分级尾砂充填系统，包括分级尾砂胶结充填和非胶结充填。这一充填工艺和技术已相当成熟，其输送浓度为65％～70％。分级尾砂的利用粒径一般为+37μm，利用率一般在50％，而对有些多金属矿山，其产率仅30％左右，如凡口铅锌矿、西林铅锌矿、安庆铜矿等矿山。

1.2高浓度全尾砂胶结充填

高浓度全尾砂胶结充填工艺的特点是以全尾砂作为充填骨料，通过活化搅拌，在高浓度状态下输送到采场。该工艺全部尾砂作为充填料，因而适用于充填料来源不足、在地表不能建尾砂库、尾砂中含有害物质需要处理或尾砂中含有将来可以利用的有用物质而需要保存在井下的矿山。该法不能用常规方法搅拌，必须用活化搅拌技术，才能制备出高质量的全尾砂胶结充填料。

上世纪90年代初开始，长沙矿山研究院进行了全尾砂活化搅拌机的研究，第二代全尾砂活化搅拌机在济南钢铁公司张马屯铁矿投入用，该系统的尾砂利用率为100％。因而使张马屯铁矿成为一座无尾砂库、不外排尾砂的金属矿山。该技术现已相继在柿竹园多金属矿和湘西金矿等矿山得到推广应用。为了大面积推广应用全尾砂充填工艺，有必要进一步研究开发全尾砂脱水新技术。由加拿大莫吉尔大学提出的一种脱水流程将会很有发展前途。该流程装备有水力旋流器、沉淀漏斗和浓密机。其最终产品是浓密机的溢流和沉淀漏斗的底流，底流的固体浓度可达78％。

1.3块石砂浆胶结充填

块石砂浆胶结充填的基本特点是以砂浆包裹块石形成胶结充填体。所谓包裹包含两层意义：①为砂浆包裹单个块石，形成坚固的胶结充填体；②块石位于采场中央而四周被砂浆包裹，形成一种“外强中干”的具有整体支撑能力和自立能力的胶结整体。块石粒径一般小于300mm。砂浆一般为细砂浆或尾砂浆。

由于充填体中的部分砂浆被块石替代，不但提高了充填体的整体强度，而且可显著降低充填成本。该工艺将块石与砂浆分别输送井下，下放到采场混合形成胶结体(故一般适用于大采场充填)。若矿山有露天采场的剥离废石可供利用，则效益更值显著。

该技术于70年代首先在澳大利亚的芒特艾萨矿应用成功后获推广，国内则由长沙矿山研究院与柳州华锡公司铜坑锡矿共同研究开发，并于1993年在铜坑锡矿成功地应用了这一技术。铜坑矿所用的块石粒径为10～300mm，经自重输送到井下后再通过悬挂式胶带输送机送至采场；-5mm的磨砂浆，通过管道自溜输送到井下。平均水泥耗量约lOOkg／m3，28d的充填体试块单轴抗压强度可达2～3MPa。

1.4碎石水泥浆胶结充填

碎石水泥浆胶结充填是以自然级配的碎石料作为充填集料的一种充填新工艺。往往将碎石与水泥浆分别输送到井下，充填料采用无轨设备或矿车运送充入采场，也可借助自重经溜槽直接充入采空区，通过水泥浆浇淋碎石进行自淋混合。

该充填方式继承了粗骨料胶结充填体具有的高力学强度(或低水泥单耗)和无需

采场脱水的优点，同时也克服了传统混凝土胶结充填方式对集料配合要求高、需经机械混合和输送难度大等缺点。因而具有较广泛的适用范围，无论是大采场或小采场、大规模充填或小规模充填均可应用。特别是有井下掘进废石和露天矿剥离废石可供利用时，经济效益尤佳。碎石水泥浆胶结充填还具有应用灵活的优势，当充填规模较小时，其充填系统相当简易，基建投资低，因此，小规模充填时，该充填工艺亦具优势。

加拿大的基德克里克矿、奥地利的布莱堡铅锌矿、联邦德国的德莱斯赖重晶石矿等国外矿山，于80年代即已应用碎石水泥浆充填技术。

90年代长沙矿山研究院与丰山铜矿共同研究开发的碎石水泥浆胶结充填技术，成功用于分段采场的充填。该系统采用一80mm的自然级配碎石料和掘进废石料作为集料，充填料试块28d的单轴抗压强度为2～4MPa。

1.5废石胶结充填

废石充填往往采用自然级配的破碎料、掘进废石料作为充填集料。大规模废石胶结充填主要采用自淋混合的工艺制备胶结混合料，不但简化了混合工艺，大幅度降低了制造成本，而且可实现大规模连续充填。

胶结充填料浆体通过管道输送到井下采场。废石散体一般采用多种输送方式，如自溜、带式输送机、矿车等。分流输送工艺对充填料的输送特性没有特殊要求。因而，分流输送为实现最佳用水量配合和简化物料配合的要求，奠定了工艺基础。

国内大规模应用废石胶结充填的矿山有丰山铜矿、龙首镍矿、吉林镍矿、金山金矿、望儿山金矿、新桥硫铁矿和铜坑锡矿等，而部分应用废石的矿山则较多，如凡口铅锌矿、金川二矿和白银深部铜矿等，均部分利用井下废石进行胶结充填。其中铜坑锡矿和深部铜矿为废石砂浆胶结充填，其他矿山为废石水泥浆胶结充填。

1.6膏体泵送胶结充填

膏体泵送胶结充填的特点是将充填物料制备成高浓度的膏体状稠料，借助正压排量泵输送。该充填方式的关键因素是物料的可泵送特性，因此对充填物料的配合有比较严格的要求。目前工业上常用的配料方式是粗物料+细物料+超细物料。试验表明，

当充填料中细料含量大于45％，且其中一25μm的超细物料含量达到25％时，混合料具有很高的抗沉淀能力，在管道内存留一段时间仍然可泵送；超细物料在压力作用下可于管壁内侧形成一层润滑薄膜，可输性好。水泥的添加方式一般有3种选择：地表制备泵送混合料时添加水泥；井下进入采场前加水泥干粉；井下进入采场前加水泥浆。

1994年在金川二矿建成了膏体泵送充填系统，并相继在铜绿山铜矿、山东湖田铝土矿也建设了膏体泵送充填系统。其中前两座矿山用德国泵，后者用中国沈阳泵。

1.7磨砂胶结充填

磨砂胶结充填已逐步减少，目前成规模应用的矿山主要有金川二矿、龙首矿、武山铜矿和建德铜矿。20世纪80年代在金川二矿区和龙首矿建成了磨砂高浓度自流充填工艺系统。目前金川集团公司二矿区、龙首矿、三矿区分别有5、2、2套高浓度磨砂胶结自流充填工艺系统，年充填量达到150万m3。

1.8赤泥胶结充填

赤泥胶结充填于20世纪90年代在山东湖田钜土矿应用成功。其主要组份包括赤泥、粉煤灰、石灰和减水剂。选用粉煤灰作为充填掺和料，其作用是吸收赤泥浆中多余的水分，提高充填料浆浓度。又由于粉煤灰颗粒较均匀且呈球状，和赤泥制备成混合浆后，有利于管道输送。采用主副双管道输送工艺，主管道用于输送赤泥粉煤灰浆，副管道用于输送石灰浆。料浆在井下主副管道的排出口附近经气流混合器进行混合，最终排入采空区时形成不需脱水的膏状物料，凝固后形成较高强度的充填体。

1.9赤泥全尾砂胶结充填

赤泥全尾砂胶结充填是以赤泥胶结剂与全尾砂湿合后进行胶结充填的技术。结合山东莱芜铁矿开展了工业试验，其充填料组份包括赤泥、石灰浆和全尾砂。赤泥浆及石灰浆均采用调节液压砂浆泵活塞换向频率来控制输送量，全尾砂则通过调节中间砂仓底部圆盘给料机螺旋阀开度控制给料量。赤泥浆、石灰浆、全尾砂3种组份连续供给搅拌桶后，制备成58％～60％的料浆，通过已有充填钻孔及井下充填管道，自流输送至采空区进行充填。

1.10高水固化胶结充填

成规模应用高水固化胶结充填工艺的矿山主要有鸡冠嘴金矿和焦家金矿。其他如铜陵凤凰山铜矿、小铁山铅锌矿和武山铜矿等矿山，则在特殊条件下应用或用于充填接顶。

1.1l似膏体充填新技术

矿山似膏体充填技术集各种充填方式的优点于一体，其主要特点如下。

(1)用新研制的全砂土固结剂作胶固剂。该新型胶凝剂一方面能固结全尾砂，胶结体强度高，各方面的性能均达到矿山充填的要求；另一方面还能代替水泥用于其它建筑行业。

(2)实现高浓度、全尾砂管道输送。似膏体浓度接近于膏体，采用全砂土固结剂配以骨料(全尾砂、砂土)制成的高浓度料浆，外观像膏体，故称之为似膏体充填。

(3)料浆流动性能好。在料浆的制备过程中采用了多项新技术，使似膏体料浆流动性能明显优于膏体和高浓度料浆的流动性，接近一般水力充填中等浓度料浆的流动性。能实现自流输送(倍线条件较好)或低压泵送充填。

(4)料浆进入采场后只需少量脱水，充填体质量好，能满足各种强度的需要。井下无排水排泥污染。

似膏体充填技术继承了一般水力充填中料浆流动性能好，易于实现管道输送的优点，同时又具有膏体充填浓度高，井下不脱水或少量脱水，充填质量好，强度高的优势。

2 国内外充填采矿技术水平比较

虽然我国矿山胶结充填工艺研究的技术水平与国外矿山是接近的，但是由于新工艺和新材料尚未得到推广，目前整体上我国与国外先进矿山在充填技术方面差距是较大的，主要表现在以下几个方面。

(1)国外先进矿山在胶结充填作业中基本上已不再使用传统的管道水力输送法，输送充填料时，或用膏体泵送技术取代传统的水力管道输送法，或通过使用活化剂，既保留了水力管道输送系统优点，又大大减少了充填料中水泥的流失。但我国使用充填采矿法的有色金属矿山基本上仍在使用常规的水力输送工艺，通常料浆输送浓度为70％～72％。充填料含水量高，再加上其他因素的影响，使料浆离析严重，井下水泥流失量大，充填体质量差，局部地方甚至是完全沙化的无水泥带。

(2)国外矿山全尾砂充填技术已经成熟并得到了应用，其中既有使用高新技术和设备的泵送膏体充填法，也有使用活化剂并保留水力输送系统的方法。而国内矿山全尾充填技术正处于试验研究阶段，还未普遍开展。

(3)国外矿山充填料中粉煤灰、冶炼炉渣等水泥替代物的应用比较普遍，而国内在这方面的试验力度还不够。金川镍矿虽在充填料中添加了粉煤灰，但并未把水泥用量减下来。

(4)我国对充填体强度设计的研究落后，即取用的充填体强度指标偏于保守，水泥投放量大。

国外矿山在井下充填作业中突破以往的强度观念，大胆将水泥用量降低至最低的水平，采用低标号胶结充填料进行较大暴露面积的采矿作业。澳大利亚Mount Isa矿用含水泥3％、细磨炉渣6％(质量比)的尾砂浆浇灌在废石充填体上，其强度为1.1～2.3MPa，回采间柱时其暴露面积约3000m。尽管水泥用量少、充填体强度低，仍能正常采矿。我国充填料配比一般为灰砂比1：4～8，水泥用量多为170～300kg／m3，或100k/t。安庆铜矿Ⅰ#矿体的开采采用两步骤高阶段深孔采矿法，矿房充填时的灰砂比为1：4～6，充填体强度要求达到4MPa。显然，这一点与国外的差距是较突出的。

3矿山充填材料的多元化

充填采矿法中，充填成本占采矿成本的1／3左右，充填成本中充填材料又占80％以上。因此寻求廉价而又能达到必要的物理力学性能的材料作矿用充填材料，以及采用新工艺技术降低水泥单耗量又不致降低充填体强度，是充填技术的主攻方向。

3.1尾砂

凡口铅锌矿为解决充填材料严重不足和需建造新的尾沙坝来储存大量细粒级尾

砂的矛盾，1991年成功研究了高浓度全尾砂充填新工艺及装备。采用该充填技术，充填料浆进入采场后无需脱水，充填体不离析，水泥不流失，不造成井下污染，充填体28d强度为0.85～1.30MPa，尾砂利用率在95％以上。

3.2块石

块石胶结充填法以其成本低、充填体强度高而受到欢迎。“八五”期间，华锡集团铜坑锡矿试验成功了充填系统先进、充填能力大的块石胶结充填工艺技术。为提高充填质量和降低充填成本，该矿先后对块石充填料在采场中的运动规律和堆积特点及混合特性、粗骨料的合理粒级组成、运输过程对骨料粒级变化的影响进行了系列试验，并对块石胶结充填的特征及作用机理等进行了深入地研究。

铜坑锡矿块石胶结充填工艺成功用于生产。该系统充填能力为254m3／h，块石充填体90d的强度可达到2.34MPa。该矿全面推广该技术，充填成本降低了40％左右，

年效益达660万～940万元。此外，辽宁红透山铜矿、铜陵新桥硫铁矿也开展了块石胶结充填工艺的研究，也取得了预期的效果。

3.3粉煤灰

20世纪80年代金川镍业公司对用粉煤灰和尾砂作为矿山充填料做了大量的试验研究工作。粉煤灰是具有火山灰性质的潜在活性材料，是一种能够就地取材变废为宝的廉价建材资源。金川公司1983年开展此项试验研究，随后又组织了工业试验，取得了较好的效果。金川公司二矿区充填料中，粉煤灰的添加量为90～100kg/m3，可使充填体强度 R28>5MPa。近年来，铜陵新桥硫铁矿也开展了粉煤灰部分代替水泥的试验研究，据该矿测算，采用水泥：粉煤灰：江砂=1：2：8的原料配比充填，要比原来的水泥:江砂=1:6胶结充填成本节约14.46元/m3，下降21.46％。

3.4高炉矿渣

上世纪90年代，济南钢铁公司张马屯铁矿为降低充填成本，进行了磨细高炉渣替代胶结充填料中部分水泥的试验研究。试验结果表明，采用尾砂：水泥+炉渣=7：1的配比，高炉矿渣取代水泥充填体，强度不仅不会降低，反而随着炉渣替代水泥量的增加，充填体强度提高。目前，铜都铜业安庆铜矿和南京锌阳矿业公司推广应用了该技术。

3.5全砂土固结材料

该材料选用工业废渣再加入适量天然矿物及化学激发剂，经磨细、均化等工艺制成的一种粉状物料，该材料对粘土量高的砂土及工业垃圾(如矿山尾砂等)有很强的固结能力。试验表明：在与水泥同等用量的情况下，其强度是水泥的2～3倍；在同样强度要求的情况下，材料用量可减少一半以上。

4煤矿矸石井下充填技术的研究

4.1煤矿矸石井下充填技术的研究背景

煤矸石是煤矿开采、洗选加工过程中产生的固体废物。煤矸石堆存占用大量土地，造成土地资源的浪费，全国国有煤矿现有矸石山1500余座，堆积量30亿t以上(占中国工业固体废物排放总量的40％以上)；煤矸石中含有一定的可燃物，易发生自燃，排放的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等大量有害气体，严重污染大气环境；有害气体随雨水渗入地下，对土壤、地下水等宝贵资源造成了污染，致使农作物减产。可见，煤矸石堆存不仅污染环境，破坏生态平衡，而且影响矿区居民的身体健康。

开采沉陷破坏土地排水系统，使山区风化表土层错动、滑移，引发滑坡和泥石流，加剧了水土流失，同时对矿井本身安全也造成威胁，引起建筑物、铁路、公路、桥梁、管线、供电和通讯系统、地表防洪、蓄水设施等破坏，严重时导致水旱灾害。

有学者提出矸石不出井直接充填井下，既可以消除矸石山，又可以减少开采深陷。近年来的实践表明，煤矸石作为充填物回填井下取得了明显的经济效益。

4.2煤矿矸石井下充填技术的研究现状

在倾角较大的下山和矸石附近的存矸间可以采用自溜和人工垒砌来完成，而在倾角较小的下山和平巷要采用设备处理，如扒装机、皮带输送机、刮板输送机等。

(1)扒装机方式。利用扒装机台铲和扒斗，将台铲固定在卸矸点外，回头轮固定在废弃巷道充填面上端(锚喷锚杆巷道挂在锚杆上，也可专门打眼或是棚头上)，用扒斗将矸石扒向充填面。

(2)皮带输送机方式。输送机固定在卸矸点外,皮带机尾可采用悬壁梁架，且可调坡度，将矸石送高或送低，即能充填上山也可充填下山，机身可加长，也可缩短，以保证卸矸的适应性。

皮带输送能较好的将矸石送到充填面，并且可调整卸矸点到充填面的距离，也能减少刮板输送机的磨损问题，而扒斗式具有简便易行的特点，但在与卸载设备排列方面对巷道断面要求较大，在巷道充填系数上也有影响。

目前我国对煤矿井下矸石充填技术的研究还处于研发阶段，并未形成非常系统的理论，而且尝试矸石充填采矿法的矿山只有邢东矿等少数矿山。

5展望

长期以来，矿山充填仅是作为地下采矿的一个工序，以满足采场地压管理的要求。随着人类可持续发展战略的需要，21世纪矿山充填的意义远不只局限于满足地下采矿的地压管理，还将逐渐展示出充分利用矿产资源和环境保护等方面的社会意义。因此，在矿山开采评估过程中应充分认识这一深层次上的意义，树立矿山充填开采的新观念。

5.1合理开发矿产资源

从可持续发展的观点出发，矿产资源的合理开发应该是针对人类总体资源，即现有技术水平和经济环境下可以开发利用的当代资源和现有技术水平下还不能开采、利用或者即使能开采利用，但在经济上不合理的远景资源。矿山充填，特别是矿山胶结充填能使当代人在不能确定远景资源的条件下，为将来开发远景资源提供良好的开采

环境，甚至可以说为综合开发和利用人类总体资源奠定了技术基础，是合理开发人类总体矿产资源的最佳技术途径。

5.2矿产资源二次利用

在当代所废弃的废料中，大量的属于远景资源，因缺乏足够认识而往往难以激发人们的保护意识。事实上，在地面难以长期安全保存的这些废料，特别是选矿尾砂充填在井下采空区，将是一种最可靠、最经济的储存保护方式，使人类在发展过程中可随时利用这些矿产资源。

5.3人类环境保护

矿山充填最显著的效果是保护地表不受破坏和储存工业废料。采矿活动使大量农田和植被遭受破坏，如每年因采煤导致地表塌陷面积达3.35万hm2，而大量的采选废料堆置地表又占用3万～5万km2的土地。将矿山采选废料充填到井下，不但可以得到妥善保存以利于二次利用，而且可以达到保护自然环境的目的。另外，矿山充填还是处理除核废料以外的其他工业废料的一条既安全又经济的有效途径。如奥地利的布莱堡矿就将已建成的泵送充填系统，专门应用于充填处理工业废料。

5.4煤矿绿色充填开采

5.4.1采空区充填开采技术

采空区充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分。从理论上来说，充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径，但由于目前充填采矿的成本相对偏高，限制了该项技术在煤矿的应用。

在市场经济条件下，充填技术的关键是充填材料的选取及如何降低成本。另外就是充填技术本身，它应该包括充填系统与开采系统的协调；充填运输系统的畅通；充填后材料的力学特性等。顺利解决上述问题将从根本上改变将来我国经济发达区域的开采技术。为了降低充填成本，基于岩层控制的关键层理论，提出了部分充填(条带充填)控制开采沉陷的思路：仅充填部分采空区，只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷。5.4.2煤巷支护技术与减少矸石排放

采矿引起的矸石排放对环境形成影响，而减少矸石排放的主要措施是将巷道设置在煤层内。巷道维护是煤矿的永恒主题。目前推行锚杆支护，要形成“应力场测定-数值计算－支护设计－现场测定”完整技术以及煤巷锚杆支护理论。

矸石不上井涉及到煤巷维护问题，而且随着采深的增加，岩石巷的开掘将不可避免。因此矸石不上井就存在一个矸石井下处理系统，应该说，在经济原则下矸石的井下处理是绿色采矿问题。