全尾砂胶结充填技术在金属矿山的应用与发展
摘要：全尾砂胶结充填是充分利用尾矿资源，实现矿山无废开采，同时也是将尾砂视为一种远景资源储存于井下，待将来技术经济成熟再对其进行二次开发利用来满足国民经济发展的需要，是现代采矿工业中一项有利于矿业可持续发展的新技术。
全尾砂胶结充填是以没有进行分级脱泥的的全粒级尾砂作为充填骨料，与一定比例的胶结材料和水混合均匀搅拌后充入井下采空区的一种充填方式。分级尾砂充填工艺是对尾砂先进行分级脱泥处理，这样使得充填体料浆进入采场更迅速地脱水，充填体的强度也可以得到明显的提高，因此，分级尾砂充填工艺已被国内外矿山广泛应用，但此工艺造成了充填骨料的来源不足，同时生产出来的细泥尾砂给堆坝增加了难度，提高了尾矿库的建设成本。随着技术经济的发展，推广全尾砂胶结充填作为一种新型高效的充填方式，最大限度的利用尾矿资源，以减少对环境的污染和资源的浪费。
1. 全尾砂充填的意义
随着现代科技和工业生产的高速发展，矿产需求量迅速增加，金属矿产资源的开发利用引发的地表破坏和尾砂排放，将带来资源、环境和安全等诸多问题。通过利用全尾砂对采空区进行有效充填，可以从根本上解决矿产资源开采带来的环境和安全问题，同时还能充分地回收矿产资源，对促进采矿工业与资源、环境、安全和经济的协调发展有着重要的意义。
1、减少矿山固体废料排放，实现无尾化矿山生产，避免了尾砂的工业占地，节省尾矿库征地、建设和维护费用，同时也避免了可能造成的对大气、水体、土壤的污染，对保护地表生态环境具有重要的意义。
2、可以有效地阻止岩层发生明显的移动，防止地表塌陷，实现“三下”安全开采和优先开采下部或下盘富矿而不造成矿产资源的破坏，保护远景资源。
3、可以有效地控制地压，控制局部和区域岩层片落破坏，提高回采作业的安全性，减小采场冒顶事故风险，同时还可以缓解深井开采时岩爆的威胁。
4、通过尾砂充填可以安全地对残矿进行回采，从而提高矿石回采率，提高矿山经济效益。
2. 全尾砂胶结充填工艺
该工艺是以物理化学和胶体化学的理论为基础，直接采用选厂尾砂浆，经浓密机和砂仓沉降脱水，将全尾砂与一定比例的水泥和水通过双轴叶片式搅拌机和高速活化搅拌机合成均质的胶结充填料，利用管道将充填料充入采场。尾砂流量，水泥流量，加水量以及合成充填体料浆的浓度等参数由自动控制系统进行控制。
全尾砂胶结充填系统主要由脱水系统、搅拌系统、管路输送系统和自动检测及调节系统等四部分组成的。
2.1脱水系统
在生产过程中一般采用浓密、沉缩两段脱水工艺，选厂全尾砂料浆经高效浓密机第一段脱水后，泵入立式砂仓进行第二次沉缩脱水，从砂仓放出料浆直接进入搅拌。
2.2搅拌系统
通过双轴叶片式搅拌机进行第一次搅拌的料浆，然后再进入高速活化搅拌机进行二次搅拌，这样就打破了水泥浆中的絮状结构，提高水泥的活化性能，同时料浆表现出良好的流动性，且相对离析率低。
2.3管路输送系统
2.3.1全尾砂供给线。选厂全尾砂料浆通过浓密机浓密后，其底流由渣浆泵加压通过管道输送至充填站的尾砂存储仓中。全尾砂料浆在砂仓通过自然沉降脱全尾砂胶结充填工艺流程图
水后，打开压气造浆喷嘴以对砂仓中的全尾砂进行压气造浆。待砂仓中全尾砂造浆均匀后，则打开放砂阀通过放砂管向搅拌机供给全尾砂料浆。
2.3.2水泥供给线。散装水泥由散装水泥罐车运至充填站后，通过吹灰管吹卸入水泥仓中。充填时打开螺旋闸门，启动双管螺旋给料机即可向搅拌机供给水泥。
2.3.3水供给线。充填站设置一条供水管道，由高位水池供给压力水，以供冲洗设备、疏通管道及调节充填料浆浓度。
2.3.4充填料浆的井下输送线。充填料经两段搅拌均匀后制备成浓度适中、流动性良好的充填料浆，通过自流或泵压的方式将充填料浆输送至井下采空区进行充填。
2.4自动检测及调节系统
为了保证充填料浆制备浓度、流量及配比的准确及稳定，充填站需要建立完善的自控系统，对充填系统各运行参数进行检测和调节。
系统自动检测的参数主要有：全尾砂放砂流量、水泥给料量、调浓水量、充填料浆流量、充填料浆浓度。
系统自动调节的参数主要有：全尾砂放砂流量、水泥给料量、调浓水量。
3. 国内外应用及发展现状
2.1国外
20世纪50年代，加拿大矿山采用细颗粒浮选尾砂水力充填，由于非胶结充填体缺乏内聚特性，不能形成稳固自立的充填体，1962年加拿大Food 矿首次采用尾砂和水泥胶结充填；1969年澳大利亚的芒特艾萨矿开始采用尾砂胶结充填工艺回采底柱，同时进行铅锌铜冶炼炉渣代替水泥的研究；20世纪70年代，随着胶结充填技术的发展，围绕充填材料、充填料浆的制备、充填体力学性能及承载特性、充填水力输送流体力学等进行了大量的试验研究，从而使得尾砂充填工艺在金属矿山推广应用；20世纪80到90年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要。澳大利亚的坎宁顿矿，加拿大的基德克里克矿、洛维考特矿，德国的格德隆铅锌矿开始采用了全尾砂胶结充填的新技术；膏体泵送充填技术首先在德国的格隆德矿应用成功，随后又在美国、英国、澳大利亚、加拿大、土耳其和葡萄牙等主要采矿国家的金属矿山得到了广泛应用。
2.2国内
我国尾砂充填工艺是20世纪60年代开始采用，1965年在锡矿山南矿为了控制大面积地压活动，首次采用了尾砂水力充填采空区工艺。由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的要求20世纪70年代，我国开始开发和利用尾砂胶结充填技术。在这一阶段，尾砂胶结充填技术的研究内容主要包括充填骨料的物理化学性质和化学成分对充填体的影响，充填体与围岩的相互作用、充填体的稳定性和充填胶凝材料等。这一时期的胶结充填均为传统的混凝土充填，即完全按照建筑混凝土的要求工艺制备和输送胶结充填料，这种传统的粗骨料胶结充填输送工艺复杂，且对物料的级配要求较高，因而一直未获得大规
模的推广使用，后来几乎被细砂胶结充填完全取代，细砂胶结充填以尾砂和棒磨砂等材料作为充填骨料，以水泥作为胶结剂，集料与胶结剂通过搅拌备成料浆后，以两相流管道输送方式输入采场进行充填，因细砂胶结充填具有胶结性强和适于管道水力输送的特点，自80年代开始在凡口铅锌矿应用并得到推广，20世纪90年代初在凡口铅锌矿建成我国第一个全尾砂胶结充填系统，其后随着活化搅拌技术和全尾砂高效浓密、贮仓沉降脱水技术的开发和不断成熟，全尾砂胶结充填的应用不断增加，如张马屯铁矿、武山铜矿、铜录山铜矿、湘西金矿和南京铅锌矿等。1994 年金川有色金属公司二矿区建成了膏体泵送充填系统，这又为全尾砂胶结充填技术的推广应用拓展了应用前景。
3. 展望
随着我国倡议建设绿色矿山，提高资源综合利用率，节能减排，保护环境，科学发展的模式得到人们的普遍认同，然而全尾砂胶结充填在以上这些方面具有明显的优越性。因此，其应用和发展前景是十分广阔的，但是，全尾砂胶结充填作为一项新技术，在理论和试验研究方面还有待于我们进一步的探索，朝着改进充填工艺、改善充填体质量、降低充填成本、减少环境污染和生态破坏等方向努力，进一步推广全尾砂胶结充填的应用，以便提高矿山企业的经济和社会效益。
1、充填料浆的高浓度输送
高浓度全尾砂胶结充填以其充填能力大，脱水少，充填体强度高等优点，高浓度全尾砂充填料的制备和管道输送是其中的关键技术。
全尾砂充填料制备的主要技术环节包括全尾砂脱水、充填料浆搅拌。选厂全尾砂的质量浓度一般在20%左右，因此，需要排出大量的水才能满足高浓度的要求。但全尾砂的含泥量高，渗透性差，并且在脱水过程中要避免细泥物料的排放。因此，全尾砂的高效脱水技术成为全尾砂充填工艺的一项关键工艺和技术。同时，需要我们进一步加强对搅拌技术的研究，制备出流动性好的均质充填料浆，为高浓度输送创造有利条件。
充填料浆浓度越高，其流动性越差，不利于进行管道输送。因此，可以通过ANSYS 建立模型，对输送浓度、输送管径、输送速度、阻力损失、充填倍线等输送参数进行优化。
2、充填胶凝材料和添加剂的研究
全尾砂胶结充填的高成本制约了其应用和推广，加强低廉充填胶凝材料的开发与应用研究，以减少水泥的消耗或替代水泥来降低成本是今后发展的一个方向，例如，积极推广利用冶炼厂水淬炉渣、铝厂赤泥以及火力发电厂粉煤灰等工业废料替代水泥作胶凝材料。同时，应加强低廉的添加剂的研制，如在充填料浆中的加入减阻剂等添加剂，会有效地改善全尾砂的泵送性能, 从而提高充填料浆的输送浓度；在充填料浆中加入吸水剂，为在低浓度输送条件下采场不需脱水提供了可能性。
3、仪表自动检测与微机综合处理系统的研究。
不少矿山充填系统的浓度和流量检测仪表寿命短、故障多、检测失准，使得制备的充填料浆达不到设计的要求。然而对于充填系统中充填料浆灰砂比和浓度的准确控制，最为关键的是要研制和引进适合于矿山应用的自动化设备和仪表，建立真正意义上的自动控制系统。
全尾砂胶结充填技术在金属矿山的应用与发展
摘要：全尾砂胶结充填是充分利用尾矿资源，实现矿山无废开采，同时也是将尾砂视为一种远景资源储存于井下，待将来技术经济成熟再对其进行二次开发利用来满足国民经济发展的需要，是现代采矿工业中一项有利于矿业可持续发展的新技术。
全尾砂胶结充填是以没有进行分级脱泥的的全粒级尾砂作为充填骨料，与一定比例的胶结材料和水混合均匀搅拌后充入井下采空区的一种充填方式。分级尾砂充填工艺是对尾砂先进行分级脱泥处理，这样使得充填体料浆进入采场更迅速地脱水，充填体的强度也可以得到明显的提高，因此，分级尾砂充填工艺已被国内外矿山广泛应用，但此工艺造成了充填骨料的来源不足，同时生产出来的细泥尾砂给堆坝增加了难度，提高了尾矿库的建设成本。随着技术经济的发展，推广全尾砂胶结充填作为一种新型高效的充填方式，最大限度的利用尾矿资源，以减少对环境的污染和资源的浪费。
1. 全尾砂充填的意义
随着现代科技和工业生产的高速发展，矿产需求量迅速增加，金属矿产资源的开发利用引发的地表破坏和尾砂排放，将带来资源、环境和安全等诸多问题。通过利用全尾砂对采空区进行有效充填，可以从根本上解决矿产资源开采带来的环境和安全问题，同时还能充分地回收矿产资源，对促进采矿工业与资源、环境、安全和经济的协调发展有着重要的意义。
1、减少矿山固体废料排放，实现无尾化矿山生产，避免了尾砂的工业占地，节省尾矿库征地、建设和维护费用，同时也避免了可能造成的对大气、水体、土壤的污染，对保护地表生态环境具有重要的意义。
2、可以有效地阻止岩层发生明显的移动，防止地表塌陷，实现“三下”安全开采和优先开采下部或下盘富矿而不造成矿产资源的破坏，保护远景资源。
3、可以有效地控制地压，控制局部和区域岩层片落破坏，提高回采作业的安全性，减小采场冒顶事故风险，同时还可以缓解深井开采时岩爆的威胁。
4、通过尾砂充填可以安全地对残矿进行回采，从而提高矿石回采率，提高矿山经济效益。
2. 全尾砂胶结充填工艺
该工艺是以物理化学和胶体化学的理论为基础，直接采用选厂尾砂浆，经浓密机和砂仓沉降脱水，将全尾砂与一定比例的水泥和水通过双轴叶片式搅拌机和高速活化搅拌机合成均质的胶结充填料，利用管道将充填料充入采场。尾砂流量，水泥流量，加水量以及合成充填体料浆的浓度等参数由自动控制系统进行控制。
全尾砂胶结充填系统主要由脱水系统、搅拌系统、管路输送系统和自动检测及调节系统等四部分组成的。
2.1脱水系统
在生产过程中一般采用浓密、沉缩两段脱水工艺，选厂全尾砂料浆经高效浓密机第一段脱水后，泵入立式砂仓进行第二次沉缩脱水，从砂仓放出料浆直接进入搅拌。
2.2搅拌系统
通过双轴叶片式搅拌机进行第一次搅拌的料浆，然后再进入高速活化搅拌机进行二次搅拌，这样就打破了水泥浆中的絮状结构，提高水泥的活化性能，同时料浆表现出良好的流动性，且相对离析率低。
2.3管路输送系统
2.3.1全尾砂供给线。选厂全尾砂料浆通过浓密机浓密后，其底流由渣浆泵加压通过管道输送至充填站的尾砂存储仓中。全尾砂料浆在砂仓通过自然沉降脱全尾砂胶结充填工艺流程图
水后，打开压气造浆喷嘴以对砂仓中的全尾砂进行压气造浆。待砂仓中全尾砂造浆均匀后，则打开放砂阀通过放砂管向搅拌机供给全尾砂料浆。
2.3.2水泥供给线。散装水泥由散装水泥罐车运至充填站后，通过吹灰管吹卸入水泥仓中。充填时打开螺旋闸门，启动双管螺旋给料机即可向搅拌机供给水泥。
2.3.3水供给线。充填站设置一条供水管道，由高位水池供给压力水，以供冲洗设备、疏通管道及调节充填料浆浓度。
2.3.4充填料浆的井下输送线。充填料经两段搅拌均匀后制备成浓度适中、流动性良好的充填料浆，通过自流或泵压的方式将充填料浆输送至井下采空区进行充填。
2.4自动检测及调节系统
为了保证充填料浆制备浓度、流量及配比的准确及稳定，充填站需要建立完善的自控系统，对充填系统各运行参数进行检测和调节。
系统自动检测的参数主要有：全尾砂放砂流量、水泥给料量、调浓水量、充填料浆流量、充填料浆浓度。
系统自动调节的参数主要有：全尾砂放砂流量、水泥给料量、调浓水量。
3. 国内外应用及发展现状
2.1国外
20世纪50年代，加拿大矿山采用细颗粒浮选尾砂水力充填，由于非胶结充填体缺乏内聚特性，不能形成稳固自立的充填体，1962年加拿大Food 矿首次采用尾砂和水泥胶结充填；1969年澳大利亚的芒特艾萨矿开始采用尾砂胶结充填工艺回采底柱，同时进行铅锌铜冶炼炉渣代替水泥的研究；20世纪70年代，随着胶结充填技术的发展，围绕充填材料、充填料浆的制备、充填体力学性能及承载特性、充填水力输送流体力学等进行了大量的试验研究，从而使得尾砂充填工艺在金属矿山推广应用；20世纪80到90年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要。澳大利亚的坎宁顿矿，加拿大的基德克里克矿、洛维考特矿，德国的格德隆铅锌矿开始采用了全尾砂胶结充填的新技术；膏体泵送充填技术首先在德国的格隆德矿应用成功，随后又在美国、英国、澳大利亚、加拿大、土耳其和葡萄牙等主要采矿国家的金属矿山得到了广泛应用。
2.2国内
我国尾砂充填工艺是20世纪60年代开始采用，1965年在锡矿山南矿为了控制大面积地压活动，首次采用了尾砂水力充填采空区工艺。由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的要求20世纪70年代，我国开始开发和利用尾砂胶结充填技术。在这一阶段，尾砂胶结充填技术的研究内容主要包括充填骨料的物理化学性质和化学成分对充填体的影响，充填体与围岩的相互作用、充填体的稳定性和充填胶凝材料等。这一时期的胶结充填均为传统的混凝土充填，即完全按照建筑混凝土的要求工艺制备和输送胶结充填料，这种传统的粗骨料胶结充填输送工艺复杂，且对物料的级配要求较高，因而一直未获得大规
模的推广使用，后来几乎被细砂胶结充填完全取代，细砂胶结充填以尾砂和棒磨砂等材料作为充填骨料，以水泥作为胶结剂，集料与胶结剂通过搅拌备成料浆后，以两相流管道输送方式输入采场进行充填，因细砂胶结充填具有胶结性强和适于管道水力输送的特点，自80年代开始在凡口铅锌矿应用并得到推广，20世纪90年代初在凡口铅锌矿建成我国第一个全尾砂胶结充填系统，其后随着活化搅拌技术和全尾砂高效浓密、贮仓沉降脱水技术的开发和不断成熟，全尾砂胶结充填的应用不断增加，如张马屯铁矿、武山铜矿、铜录山铜矿、湘西金矿和南京铅锌矿等。1994 年金川有色金属公司二矿区建成了膏体泵送充填系统，这又为全尾砂胶结充填技术的推广应用拓展了应用前景。
3. 展望
随着我国倡议建设绿色矿山，提高资源综合利用率，节能减排，保护环境，科学发展的模式得到人们的普遍认同，然而全尾砂胶结充填在以上这些方面具有明显的优越性。因此，其应用和发展前景是十分广阔的，但是，全尾砂胶结充填作为一项新技术，在理论和试验研究方面还有待于我们进一步的探索，朝着改进充填工艺、改善充填体质量、降低充填成本、减少环境污染和生态破坏等方向努力，进一步推广全尾砂胶结充填的应用，以便提高矿山企业的经济和社会效益。
1、充填料浆的高浓度输送
高浓度全尾砂胶结充填以其充填能力大，脱水少，充填体强度高等优点，高浓度全尾砂充填料的制备和管道输送是其中的关键技术。
全尾砂充填料制备的主要技术环节包括全尾砂脱水、充填料浆搅拌。选厂全尾砂的质量浓度一般在20%左右，因此，需要排出大量的水才能满足高浓度的要求。但全尾砂的含泥量高，渗透性差，并且在脱水过程中要避免细泥物料的排放。因此，全尾砂的高效脱水技术成为全尾砂充填工艺的一项关键工艺和技术。同时，需要我们进一步加强对搅拌技术的研究，制备出流动性好的均质充填料浆，为高浓度输送创造有利条件。
充填料浆浓度越高，其流动性越差，不利于进行管道输送。因此，可以通过ANSYS 建立模型，对输送浓度、输送管径、输送速度、阻力损失、充填倍线等输送参数进行优化。
2、充填胶凝材料和添加剂的研究
全尾砂胶结充填的高成本制约了其应用和推广，加强低廉充填胶凝材料的开发与应用研究，以减少水泥的消耗或替代水泥来降低成本是今后发展的一个方向，例如，积极推广利用冶炼厂水淬炉渣、铝厂赤泥以及火力发电厂粉煤灰等工业废料替代水泥作胶凝材料。同时，应加强低廉的添加剂的研制，如在充填料浆中的加入减阻剂等添加剂，会有效地改善全尾砂的泵送性能, 从而提高充填料浆的输送浓度；在充填料浆中加入吸水剂，为在低浓度输送条件下采场不需脱水提供了可能性。
3、仪表自动检测与微机综合处理系统的研究。
不少矿山充填系统的浓度和流量检测仪表寿命短、故障多、检测失准，使得制备的充填料浆达不到设计的要求。然而对于充填系统中充填料浆灰砂比和浓度的准确控制，最为关键的是要研制和引进适合于矿山应用的自动化设备和仪表，建立真正意义上的自动控制系统。