柏 杨，刘 也，张佰通，迟发民，侯荣瀚

绿色采矿与充填模式是今后矿业发展的主要趋势，大量创新的充填工艺也为矿山的绿色可持续发展提供了新的生产模式。胶结充填指的是一种单浆胶结充填材料及其使用方法，胶结充填技术的产生与发展，极大地促进了采矿技术的发展。随着采矿作业难度和矿井深度的增加、采空区扩大、井下作业安全性难以保障、保安矿柱回收困难、矿石贫化造成损失、现有尾矿库容量不足等问题已逐步暴露。为了保证矿井安全、最大限度地利用矿产资源，实现绿色发展，提高经济效益，需采用金属矿山尾砂胶结充填开采法，并建立相应的充填体系，以适应矿井的总体生产需求。

1 金属矿山尾砂胶结充填工艺

尾砂胶结充填技术是在物理化学和胶体化学原理的指导下，直接使用选矿尾部的灰浆，经过浓密机加砂和砂仓沉淀、脱水，再用双轴型搅拌器和高速激活搅拌装置，将尾砂和一定比例的水泥、水混合在一起，形成具有混凝土特性的、均匀的胶结充填浆料，用输送泵、管道把混合浆液送到采场采空区，经过采场验收、管路敷设、板墙封堵、尾砂充填、胶结铺装等步骤使采空区得到充填和治理。

首先，工艺要点是对填充材料的甄选，尾砂胶结充填工艺技术的核心是将浆液活化、搅拌为具有较低水分、均匀、流动性良好的浆料。尾砂是填料的主要成分，其级配必须良好，为确保输送管道的顺利进行，必须保证颗粒尺寸在一定范围之内。水泥，即凝结剂的掺入量不仅直接影响着浆料凝结的强度，而且对成本也有很大的影响。因此选取高级别尾砂与合适的凝结剂是制作浆料的根本前提。

其次，在选取合适的填充材料后经过充填系统工作混合投入使用，在正式投入使用之前应当对尾砂胶结填充进行充分的坍塌实验、运输实验与强度实验。尾砂胶结填充系统由四大板块构成，包含了从造浆到运输与使用的所有步骤，系统中的沙仓和浆料站通常都是集中在地面上，将收集并处理的尾砂送入砂仓，采用重力或高压水口将沙粒排入搅拌桶内，并将水、水泥、砂混合在一起形成水泥灰浆。

（1）脱水系统，脱水是全尾砂胶结充填的关键工艺，脱水系统用于生产过程中尾砂料浆的脱水步骤，首先将选取的尾砂原料投入高效浓密机并添加絮凝剂进行第一步脱水，然后将获得的浆料泵入立式砂仓，进行第二步沉缩脱水。

（2）搅拌系统，经过脱水系统工作的料浆与适量的胶结原料同时泵入搅拌塔将尾灰浆、水泥和适当的调高水加入搅拌桶内进行混合，通过搅拌桨和矿砂相互碰撞的作用使浆料混合成均匀，得到浓度适中、流动性良好、符合比例要求的浆液，并经管道自流流入注浆井下料斗。下料斗装有格网和冲水阀，以阻止大块体进入充填管路。

（3）管道运输系统，尾砂浆料在搅打完毕后经过稠化机密化，底部流经泥浆泵加压，经管道输送到装填站的尾砂储存库。当泥浆在尾砂贮存池内自然沉淀、脱水后，开启压气式造浆喷头，对整个尾砂进行压气造浆。当仓内的浆液混合均匀后，就开启泄砂阀就可以正式投入使用。管道运输系统主要包括浆料进料线、水供给线、和井下输送管。水泥进料线路：散装水泥由散装水泥罐车运输到充填站后，经吹灰管道吹卸到水泥仓内。在装料过程中，开启螺旋式闸板，开启双管式螺旋式送料器，就可以将水泥输送到搅拌机上。水供给线：在装料站内设有一条供水管，供高压水枪冲洗设备，疏通管道，调整灌浆浓度。井下输送管：采用自流式和泵压式的方法将水泥浆液送入矿井底部充填。

（4）自动监测与调整系统，是矿站建立的自动化控制系统来确保注浆浓度、流量及配比的精确度并对充填系统的浆液流量、给料量、浓稠度、流速等参数进行检测与调控。

总之，经过尾砂凝胶混合浆液的造浆、搅拌和管道运输充填料浆通过自流方式进入充填采场采空区这种尾砂胶结充填方式虽然能够实现在采空区外进行胶结充填、长距离连续输送，并可实现连续输送，弥补了作业流程的间断，且能够缩短充填时间，提高工作效率，保障工人的人身安全，还可以降低尾砂中化学成分对环境的污染，以及尾砂堆在尾矿库中的安全，使其更绿色、更环保。但其也出现了尾砂利用率较低、搅拌桶搅拌速率不足、充填成本难以保证等问题，必须加以优化和调整。

2 现存工艺的主要问题

（1）充填原料成本高。在浆料制备时对原料的选取至关重要，其中尾砂是填料的主要成分，其级配必须良好。为保证加工简便与输送顺畅，尾砂原料颗粒大小要控制在一定范围之内，以保证在充填过程中，将选矿尾砂和水泥混料经管线顺利送入采空区进行充填作业。另外，胶结剂的掺入量不仅决定了浆液的强度，而且对浆液的造价也起着很大的作用，因此，它是尾砂胶结充填工艺设计的关键。必须通过大量的实验，一定要控制胶结剂的使用量，不仅要保证充填体具有较强的机械强度，而且不会在输送过程中出现凝固、阻塞的现象，完全符合充填要求。这就需要对原料选取的预算的要求进一步提高，必须合理地选取原料和确定配比，才能减少成本花销。

（2）搅拌桶转速不足，其工作生产量不能满足填充需求。第一，搅拌桶的高、宽、直径的比例不合理，造成的灰砂混合不均匀。第二，由于放砂管斜率过大，导致了最大的放砂效率提高，而使搅拌桶进沙管与出浆管间距减小，从而影响了搅拌的均匀性。第三，由于搅拌器进沙管道与出浆管间距过小，使填料在搅拌过程中没有充分搅拌而被排出。第四，由于没有配备辅助桶，不利于现场手工检测和监测混合罐中的液体水平。第五，混合料桶底部的出浆孔设置过多，而且料位和高度变化很大，难以进行统一的测定。

（3）尾砂利用率低，填充浆料的浓度低，导致填充物强度不足。由于尾砂颗粒极细，在采场中进行充分的充填，使其脱水变得更加困难，且胶结强度增长缓慢，还有在运输途中的浪费使尾砂的利用率降低。另外，造成料浆浓度低的主要原因一是由于料仓内的沉降和泌水量不够，二是仓顶进料对泌水量的干扰很大，影响泌水量；三是由于料浆浓度被稀释，导致浓度降低。

（4）开层难度大。所有的矿产资源的分布都不是非常理想化的均匀分布，通常很多的矿山都会存在假顶层的现象，而且假顶层一般能够达到3 层～6 层的厚度，对于这种情况，如果要去掉假顶层，然后再采用胶结填充的方法来采矿就会造成实际开采过程上出现很大的困难，另一方面的话，出于安全性的考虑，胶结填充工艺在使用过程中需要进行设备的支撑和防护，通过有效的支撑和防护来避免冒顶这种情况的发生，从而提升工程的质量和效率。然而如果进行大量的支撑的话就会需要较多的人力、物力以及资金的投入，这样将会加大成本，很多单位由于资金受到限制，承担不起这部分成本的大量支出，就会导致填充效率大幅下降。

（5）开采区的划分缺乏科学性。众多的矿产资源在开采的时候都需要进行划分，但是由于各自的实际情况有着较大的差异，会使得在开采区的划分上会存在着一定的差别性，但是如果在开采区划分过程中缺乏最基本的科学性和合理性，就会严重降低矿山的回采效率，更加难以保证开采矿石的工作能够顺利完成。在开采区域的划分中所存在的可能性包括：没有将开采区的面积大小和设备的大小同时进行考虑，这就使得在一些较小的开采区域内却使用了较大的开采设备，这种对于设备的使用和分配不合理的状况使得在矿山的回采中经常会出现各种各样的矛盾，就是小面积的开采设备并没有将自身所具有的价值充分地发挥出来，但是大面积的开采设备却又不够用。

3 金属矿山尾砂胶结充填工艺的优化与应用

矿山要结合实际情况，选择合适的充填工艺，既要符合开采方法，也要符合地压控制条件，要有可行性且节约成本。结合金属矿山尾砂胶结充填工艺中出现的问题，需要在原工艺的基础上进一步优化，并在投入实践应用后取得进展实验成果后，方可大范围使用。

3.1 采矿过程成本控制

对原料成本的控制，使用尾砂胶结填充工艺对采空区进行充填时，成本费用是每个单位都应当考虑的前提因素。在制浆过程中，原材料的选择是影响造价的关键因素，尤其是在浆料制备中，胶结物占据的成本费用不可忽视。因此，在合理选择充填物比例时，必须在保证采场充填物强度质量的同时，以最大限度地利用昂贵的胶结费用。采用科学的优化工艺，加强流程监控来有效地避免过度使用导致大量的资源浪费。

胶结剂与尾砂的配比不仅决定了浆液的强度，还会影响成本花销，因此，它是造浆工艺设计的关键。必须通过大量的实验来控制胶结剂的使用量，不仅要保证充填体具有符合法规安全标准的强度，同时保证不会在输送过程中出现凝固而阻塞运输管道。由于本矿先前并没有建立充填试验室，不能对充填体进行强度测试，故所以我矿418 中段采场及7249 采场一、二步采矿过程中，一步采充填配比全部要求为1：4 胶结充填。在我公司充填试验室正式启用后，经过多次试验，将试件按1：4、1：6 的比例制成试件，并将其装入泥浆标准养护箱中，并在不同龄期内进行了矿井底部填充模拟，并采用抗压强度试验仪对试件的单轴抗压强度进行了测试。通过对数据结果进行比对：

我们可以得知：在相同浓度、相同养护龄期间，1：4、1：6的试验结果中，3d、7d 的抗压强度值有明显的差异，而28d 以后的抗压强度变化度较小。

因此，在交流和试验结果的基础上，我们决定将一次开采的充填比例从1：4 改为1：6。从1：4 ～1：6，可以节省胶固粉成本至少55 万元，到9 月份，一次开采节省胶固粉用量953.6t，价值41.96 万元，每年可节约胶固粉费用至少55 万元。在后期回采时，采用1：6 比例的充填体能满足一次采区充填强度，既能减少充填费用，又能确保采区安全、平稳地进行回采。

3.2 对于搅拌系统改造

针对搅拌桶转速不足，其工作生产量不能满足填充需求的问题，通过合理改变搅拌桶参数提高充填强度。我公司的充填站搅拌桶马达的转数在960r/min 左右，通过带轮驱动，搅拌液的旋转速度在240r/min 左右，对浆液的处理能力高达100m3/h。随着开采深度的增大，充填倍线逐渐减小，流速也相应增大，每小时的充填量超出110m3/h，所以每次充填配比料时，由于胶固粉是细小的絮团，难以将其粉碎，往往出现不均匀的混合现象，使采场中的充填体会出现分层、离析现象。

通过对试验结果的讨论和分析，确定了增加搅拌桶转速、增加搅拌容量的方案，以保证灌装质量和提高搅拌桶的搅拌能力。搅拌桶原主动皮带轮的直径230mm，从动皮带轮直径900mm，传动减速比约1：4，采掘车间利用现有材料加工一个直径为280mm 的主动皮带轮并进行更换，同时调整电机底座固定位置，更换后减速比约为1：3.2，将搅拌体转速提高到300r/min，改造后解决了充填配比料搅拌不均匀的问题。

改造完成后，我司在此基础上进行了多次坍塌平行试验，对比了三次试验结果后发现，在改造之前三次采样平均塌陷程度为21cm，尾砂流动性差，存在大量的堆积，导致了胶固粉与尾砂的分离；然而搅拌桶改造完毕后，进行三次坍塌实验的取样平均值的塌落度为26cm，同时浆液的流动性较好，尾砂基本无堆积和离析现象发生。在完成改造后，三个不同的充填体的强度我们有了清晰的对比：

依据上述实验数据可以得出搅拌罐在改造之后的成果：原来的搅拌机的驱动滚筒直径为230mm 左右，采掘车间采用已有的物料，对其进行了一次加工，使其直径达到280mm，并进行了更换，使混合液的转速达到300r/min，处理能力达到110m3/h，增加砂浆的搅拌频率后，砂浆具有良好的稳定性和流动性，减少了砂浆的离析性，对提高充填体强度和提高采场充填体的平整度有较大作用，有效地解决了物料混合不均匀的问题，保证了工作的质量。

总而言之，我矿是通过对原料成本的控制，通过多次实验调整充填物的比例选取质量过关且价格划算的胶结剂，最大程度地合理安排成本，并且实施科学的流程监控来保证尾砂与胶结剂的利用率，保证填充浆料的浓度符合规范文件标准，确保填充物强度，避免不必要的成本浪费。二是通过搅拌系统的改造，提高并稳定了造浆速度，提高了灰砂搅拌的均匀性，确保搅拌质量以满足填充工作的需要。

3.3 做好采场盘区的优化

造成回采率较低的原因主要是回采区域的卫生质量相对较差，正因如此，在盘区的划分上要从以前的100m 一个盘区的划分方式变为155m 一个盘区，对所有的盘区进行统一规划，加强管理，让每一个盘区都能够独立完成开采、备采以及充填的所有工作，彼此之间的影响就会减少很多，在盘区划分独立之后，各自能够更加专心地对填充一级养护的质量和强度进行大幅度的提升，更不用担心受到环境因素的影响，另一方面来看，划分之后对于设备和巷道的养护与维修的时间也会大幅增多，提升了巷道的生产效率。

4 结语

综上所述，尾砂胶结填充技术的实施，既能保障矿井的安全生产，又能有效地提高资源利用率，又能为矿区带来巨大的经济效益和环保效益。我公司在其工艺基础上进行了对原始材料胶结物比例的调整，采用新型尾砂与胶结剂的配比，使充填体强度得到改善，并对搅拌桶进行优化改造，提高了浆液生产效率，扩大了容量且进一步减少了损失，达到了良好的经济效益。本文笔者根据自身工作经历对金属矿山尾砂胶结充填工艺进行了分析，并且针对工艺当中所存在的问题提出了一些较为实际的优化措施，希望能给相关的企业以启发，希望能够为我国的采矿行业领域发展提供一些力所能及的帮助。