膏体充填技术现状及趋势_吴爱祥.pdf

Series No．481 July2016 金属矿山 METAL MINE 总 第481 期 2016年第 7 期 收稿日期2016- 05- 06 基金项目国家自然科学基金项目 编号 51374034， 51374035 ， “十二五” 国家科技支撑计划项目 编号 2013BAB02B05 ， 北京市科委项目 编 号 Z161100001216002 。 作者简介吴爱祥 1963 ， 男， 副校长， 教授， 博士。 专题综述 膏体充填技术现状及趋势 吴爱祥 1， 2 王勇 1， 2 王洪江 1， 2 1． 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083;2． 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京 100083 摘要膏体充填技术是充填关键设备突破和井下采矿需求共同发展的产物， 该技术在我国得到迅速推广应 用。随着膏体技术应用逐渐成熟， 其正朝着精细化研究方向发展， 旨在提高充填质量、 降低充填成本。叙述了膏体充 填概念、 工艺特点及技术优势， 介绍了膏体充填技术在国内外的发展历程和应用现状。对新型胶凝材料、 全尾砂脱水 技术、 膏体流变学、 硬化膏体多场性能和膏体微观性能等热点方向研究现状进行了分析。同时， 对新疆伽师铜矿和赞 比亚谦比希铜矿膏体充填系统做了介绍。最后， 提出了膏体充填技术在中国的发展趋势。 关键词膏体充填工艺特点发展历程现状趋势 中图分类号TD853． 34文献标志码A文章编号1001- 1250 2016 - 07- 001- 09 Status and Prospects of the Paste Backfill Technology Wu Aixiang1， 2Wang Yong1， 2Wang Hongjiang1， 2 1． School of Civil and Environmental Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China;2． State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High- efficient Mining and Safety of Metal Mines， Beijing 100083， China AbstractPaste backfill technology appears with the key backfill equipment breakthrough and the underground mining requirement， and then is rapidly promoted and applied in our country． With the application of this technology gradually mature， it is moving toward a fine research direction to improve the backfill quality and reduce the backfill cost． Definition of paste backfill， and its process characteristics and technical advantages are successively described． The development history of paste backfill technology at home and abroad， and its application status are introduced． The research status on new binder， dewatering of full tailings， paste rheology， multi- field property and micro- property of hard paste are analyzed， respectively． Meanwhile， two paste backfill systems at Xinjiang Jiashi Copper Mine and Zambia Chambishi Copper Mine are demonstrated． Finally， the devel- opment tendency of paste backfill technology in China is proposed． KeywordsPaste backfill， Process characteristics， Development history， Status， Tendency 随着矿床勘察、 开采规模不断扩大， 尾矿库和采 空区成为目前金属矿山安全生产中的 2 个重大隐 患 ［1 ］， 经常引起采空区采动灾害、 尾矿库垮塌等严峻 的安全与环境问题 ［2- 4 ］， 充填采矿法可从源头解决这 些问题。 在长期的充填实践中， 人们逐渐认识到在灰砂比 给定的情况下， 充填体的强度与料浆浓度在一定范围 内呈正相关关系， 也就是说充填浓度越高， 对于充填 体强度的增长越有利。在同样强度要求下， 提高充填 料浆浓度能大大减少水泥用量， 降低充填成本， 并解 决采场脱水等一系列的问题。于是， 减少充填用水的 观念广泛被人们接受， 提高充填料浆浓度成为充填技 术发展的主线。在此思路的启发下， 膏体充填技术应 运而生。膏体充填技术经过多年不断的探索与实践， 因其环保、 节能、 减排、 安全、 高效等优点已在全世界 被广泛认可并应用 ［5- 8 ］。膏体充填代表着矿山充填技 术的发展方向， 被誉为 21 世纪绿色开采新技术。 近年来， 膏体充填技术得以迅速发展的重要前提 有两点 第一是细颗粒尾砂的浓缩脱水与膏体制备技 术; 第二是高扬程膏体物料的长距离管道泵送技 术 ［9 ］。由于机械制造业在浓密机和柱塞泵 2 个领域 的重大突破， 大大推动了膏体充填在全世界的发展。 本文从膏体基本概念出发， 分析了目前国内外膏体技 术应用和研究现状， 介绍了膏体充填典型工程实例， 1 ChaoXing 最后提出了我国膏体充填技术的发展趋势。 1膏体充填技术概述 1． 1膏体定义 目前关于“膏体” 公认的定性表述为“三不” 特 性， 即不离析、 不沉淀、 不脱水。对于膏体量化评价， 国内外也开展了较多研究， 从不同方面对膏体概念进 行了探讨， 但其定义及工程检验方法都有一定的局限 性。国内通常采用塌落度和分层度指标来表征膏体， 认为膏体的塌落度在 15 ～ 25 cm， 分层度小于 2 cm［10- 12 ］。此方法的 2 个指标是流态化混凝土领域总 结出来的经验值， 对于没有掺合粗骨料的膏体充填料 浆并不完全适用。因此， 如何对膏体进行定量的描述 并简化其工程检验方法， 使其具有普适性， 就显得十 分重要。 在总结国内外学者对于膏体定义及表征方法的 基础上， 有学者认为膏体具有足够细颗粒含量， 使得 流场的黏滞力大于惯性力并且达到饱和的结构流浆 体。饱和状态是指膏体应该具有足够细颗粒含量， 且 其中孔隙正好全部被水充满。流体流动时各质点间 的黏性力占主要地位， 流体各质点平行于管路内壁有 规则地流动， 使得膏体不离析、 不分层、 不泌水。作者 通过研究， 从饱和率、 泌水率、 体积浓度、 粒级组成、 屈 服应力等方面对膏体定义进行了量化， 具体为 膏体 是有足够细颗粒含量， 使得流场的黏滞力大于惯性力 并且达到饱和的结构流浆体。对于金属矿膏体充填， 考虑国内外相关指标， 可认为膏体是由 －20 μm 颗粒 含量大于 15的细颗粒组成的、 塌落度在 18 ～25 cm 之间、 屈服应力为 100 ～ 200 Pa、 泌水率为 1. 5 ～ 5的结构流浆体 ［8， 12 ］。 1. 2膏体充填工艺流程 全尾砂膏体充填是将符合上述膏体特征的合格 物料通过管道运送至井下采场的过程。一般来讲， 其 工艺流程为 首先通过絮凝沉降技术将低浓度全尾砂 浆浓缩成高浓度砂浆， 再添加各种工业废弃物， 与改 性复合胶凝材料以及外加剂混合， 连续制备出适合管 道输送的膏状物料， 由钻孔与管道通过自流输送或者 泵压输送进入充填采场。膏体充填典型工艺流程图 如图 1 所示。膏体充填技术工艺主要包括物料贮备、 充填准备、 尾矿浓密、 膏体制备、 膏体输送 5 个工序。 整个工艺采用在线监测计算机控制技术， 以提高经过 短时间的自然养护， 达到支撑围岩、 供设备行走所需 要的力学强度， 为作业人员提供工作平台或者安全顶 板。可见， 膏体充填技术主要是从地表尾矿库的减量 化、 有效利用资源、 保护环境的角度出发， 通过对全尾 砂进行综合高效利用， 为矿山实现绿色开采提供可行 技术途径。 图 1膏体充填工艺流程 Fig． 1Process flow chart of the paste backfill 1. 3膏体充填的技术优势 膏体充填采矿具有一般充填采矿的优点， 如维护 围岩稳定、 减少地表沉陷、 提高自然资源回收率和保 护环境， 彻底解决了尾矿库环境污染问题， 保证了矿 山可持续发展。膏体充填技术运用尾砂这一“废” 来 治理开采引起的地质灾害与地表尾矿库风险大的两 个矿山重大灾“害” ， 即具有“一废治两害” 的功 用 ［13 ］。除此之外， 膏体充填用很少的胶结剂就能达 到很高的强度， 大大降低了采矿充填成本。充填体接 顶性能和充填体整体性能良好， 能够降低区域地压， 可以提高采矿活动的安全水平。目前， 膏体充填采矿 为具有岩体破碎、 埋藏较深等特点的矿产的回采提供 了安全高效的途径， 并在技术经济、 环保、 安全方面具 有得天独厚的优势。 2膏体充填技术应用与研究现状 2. 1膏体充填技术应用现状 膏体充填技术应用至今已有 30 多年， 最早要追 溯至 20 世纪 80 年代初， 西德 Preussage 金属公司首 先在 Bad Grund 铅锌矿建成膏体充填系统， 并第一次 成功应用柱塞泵进行了膏体输送， 形成了“Preussage Pumped fill” 泵压充填新工艺。1992 年， 加拿大在萨 德伯里地区的 Creightion 矿首先使用膏体充填技 术 ［14 ］。充填物料被制备成质量浓度为70 ～72的 膏体状稠料浆， 借助正压排量泵输送到井下采空区。 2 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 1997 年， 澳大利亚在 Cannington 矿采用膏体充填， Mount Isa 矿也于 1998 年底建成了一个膏体充填系 统。南非膏体充填的研究和应用是从 20 世纪 80 年 代开始。目前南非许多矿山开采深度已经达到2 000 m 以上， 正因为开采深度大， 充填质量要求高， 膏体充 填逐渐成为南非深井矿山的既定工艺和最为主要的 支护方法 ［9 ］。 我国从上世纪 90 年代开始进行膏体充填技术的 研究与应用。1996 年， 金川公司建成了我国第一个 膏体充填系统， 拉开了我国膏体充填技术的序幕。 2000 年， 湖北大冶铜绿山铜矿建成膏体充填系统， 采 用尾砂 水泥和尾砂 炉渣 水泥 2 种方式， 通过 KSP80HD 双缸柱塞泵送至井下。2006 年， 会泽铅锌 矿建成我国第一套以膏体浓密机为核心的充填系统， 膏体浓度达到 78， 尾砂零排放， 并首次将冶炼用的 水淬渣用于井下充填， 既提高了充填体强度又减少了 冶炼固体废弃物的排放。 目前， 膏体充填技术在全世界得到了广泛的应 用。表 1 汇总了国内外一些金属矿山膏体充填工程 的主要参数 ［9 ］。 表 1国内外膏体充填采矿法应用矿山实例 Table 1Some cases of the paste backfill mining at home and abroad 国家矿山充填材料 水泥耗量 或灰砂比 输送方式 充填浓度 / 充填能力 加拿大Williams 金矿脱泥尾砂、 粉煤灰2 ～3自流73110 m3/h 智利El Toqui 矿尾砂膏体1 ～7泵送7280 t/h 德国Bad Grund 铅锌矿尾砂、 重介质分级尾砂6泵送75 ～8830 m3/h 坦桑尼亚Bulyanhulu 金矿尾砂、 废石自流74 瑞典Garpenberg 矿尾砂5 ～10自流76 ～8090 ～140 t/h 澳大利亚Mount Isa 矿块石胶结1皮带 澳大利亚Cannington 矿尾砂2 ～4自流79158 t/h 赞比亚谦比希铜矿尾砂1∶ 16泵送7160 m3/h 中国甘肃某镍矿棒磨砂、 尾砂1∶ 8泵送77 ～7970 ～80 m3/h 中国云南某铅锌矿水淬渣、 尾砂1∶ 8泵送78 ～8160 m3/h 中国新疆某铜矿戈壁砂、 尾砂1∶ 6 ～1∶ 16泵送75 ～7890 m3/h 中国云南某铜矿尾砂1∶ 8 ～1∶ 4泵送70 ～73110 m3/h 由表 1 可见， 有色金属矿山因其开采条件复杂、 品位高、 矿产品产值大， 一直是膏体充填技术的强有 力推行者。 近年来， 随着充填采矿技术的发展， 膏体 高浓 度 充填采矿技术在铁矿山也逐渐推广开来。和有 色金属矿床相比， 铁矿床矿体厚大、 储量大， 具有大规 模开采的条件， 市场也要求其大规模开采， 实现规模 效益; 同时充填系统投资占整个矿山基建投资的比重 较小， 少于同比尾矿库的投资， 并且充填成本也在可 以接受的范围， 在这种情况下阶段空场嗣后充填法具 有较大的优势。目前采用膏体 高浓度 充填的有大 红山铁矿、 周油坊铁矿、 司家营铁矿、 张马屯铁矿、 会 宝岭铁矿、 郑家坡铁矿、 莱新铁矿、 马庄铁矿、 石人沟 铁矿等。 除此之外， 膏体充填采矿技术也引起了煤矿工作 者的广泛关注。1991 年， 德国矿冶技术公司与鲁尔 煤炭公司合作首次在沃尔萨姆煤矿试验膏体充填技 术， 并取得了成功。膏体充填法在我国煤矿中也得到 了一定应用， 如枣庄蒋庄煤矿、 太平煤矿、 新汶孙村 矿、 金牛股份邢台煤矿、 峰峰集团小屯矿、 淄矿集团许 厂煤矿等。 此外， 由于复杂的开采条件以及尾矿库排放限 制， 膏体充填采矿技术也获得了非金属矿的青睐。比 如开阳磷矿、 黄梅磷矿等。可见， 膏体充填采矿技术 具有非常广阔的应用前景。 2. 2膏体充填技术研究现状 膏体充填采矿技术发展至今， 其应用已经相对较 为成熟。为了进一步降低充填成本， 加快采充周期， 迫使着该技术正在朝着精细化的研究方向发展。在 精细化研究的道路上， 膏体充填是一个系统工程、 多 学科交叉的项目。从充填材料、 尾矿脱水、 膏体搅拌、 膏体输送以及井下采场膏体性能等方面， 涉及到无机 非金属材料学、 流体力学、 化学、 机械、 力学等多个学 科基础理论的研究及应用。下面将对膏体充填几个 最为关键或者热点方向的研究现状进行阐述。 2. 2. 1新型胶凝材料 众所周知， 膏体充填体强度的获得主要依赖于水 泥的水化反应。传统充填材料中所用的胶凝材料一 般为普通硅酸盐水泥， 其费用占充填成本的 60 ～ 80。为了降低充填材料的成本， 出现了一些水泥代 用品， 即高炉矿渣、 粉煤灰等经过活化后， 部分或全部 代替水泥熟料所形成的胶结剂。 3 吴爱祥等 膏体充填技术现状及趋势2016 年第 7 期 ChaoXing 高炉矿渣是冶炼生铁时的副产品， 矿渣的活性主 要决定于玻璃体组成中 CaO、 SiO2含量的比值。矿 渣中玻璃体含量高， CaO、 SiO2含量比值越大， 玻璃体 中的聚合度越低， 活性越高。我国大多数矿渣的玻璃 体含量达 80以上， CaO、 SiO2含量为 1. 0 左右。许 多国家的研究及应用均表明高炉矿渣可替代部分水 泥。前苏联的诺里尔斯克矿冶公司、 扎波罗热铁矿公 司、 索科洛 夫 － 萨尔拜采选公司、 下塔吉尔冶金公司 均采用了高炉矿渣作充填胶结材料， 国内矿山也逐渐 开始应用， 如铜绿山铜矿、 张马屯铁矿等。 粉煤灰是火力发电厂排出的一种工业废渣， 它是 原煤中所含不燃的黏土质矿物发生分解、 氧化、 熔融 等变化， 在排出炉外时， 经急速冷却， 形成的微细球形 颗粒。粉煤灰中大部分是玻璃体， 还有少量未燃碳和 部分晶体矿物， 晶体矿物主要为石英和莫来石。粉煤 灰在国内外矿山充填中应用较为广泛， 一方面由于其 火山灰活性可以代替部分水泥， 另一方面其微集料效 应可以改善浆体的流动性能。 长期以来， 关于水泥替代品的研究一直没有间断 过。除了将高炉矿渣、 粉煤灰用于充填替代部分水泥 外， 还进行了其他的探索， 并取得了一定成效。如陈 云嫩将烟气脱硫石膏 用液体吸收剂洗涤含 SO2的 烟道废气所产生的副产物 加入添加剂替代部分水 泥 ［15 ］; 有学者将炉渣、 石灰、 黄土作为主要原材料， 加 入改性剂， 从而产生胶凝性能 ［16 ］。采用矿渣、 粉煤灰 替代水泥作为充填胶凝材料， 不仅能大幅降低充填成 本， 而且可以减少水泥生产过程中的能源消耗， 因此 新型胶凝材料具有非常广阔的应用前景。 2. 2. 2全尾砂脱水技术 提高选厂尾砂浓度是膏体制备的前提。目前， 尾 砂脱水浓缩工艺主要有 2 种， 即以过滤/压滤设备为 核心的脱水工艺和以浓密机为核心的脱水工艺。 以过滤/压滤设备为核心的脱水工艺滤饼浓度可 达到 80 ～ 85。过滤设备脱水彻底， 产品质量稳 定， 因此早期的充填系统多应用该类型的脱水工艺。 1976 年， 南非 Western Holdings 金矿采用离心式脱水 机对尾砂浆进行脱水， 并利用底流加水泥进行充填。 离心过滤机在金属矿山精矿或者尾砂处理中应用较 少， 主要是高速离心旋转导致离心机内壁的磨损严 重， 大大降低了设备的寿命。再者， 离心过滤机能耗 大而处理量小， 在金属矿山的应用受到了限制。 19781983 年， 德国 Bad Grund 铅锌矿开发利用 35 m2真空水平带式过滤机脱水至浓度 80 左右， 并得 到广泛的应用。我国早期多使用过滤机和压滤机作 为膏体充填中的尾砂脱水设备， 由于其脱水效果好， 脱水工艺简单， 得到了广泛的应用 ［17 ］。但是过滤机 能耗高， 且滤布需要经常更换， 生产过程不连续， 能力 较低、 成本较高。 以浓密机为核心的脱水工艺， 辅之以水力旋流器 或将多台浓密机串联进行尾砂脱水， 这种方式具有工 艺简单、 效果好、 能耗低的优点 ［18 ］。浓密机主要分为 普通浓密机、 高效浓密机和膏体浓密机。普通浓密机 设备简单， 管理方便， 在我国得到较为广泛的应用。 但其占地面积大、 生产效率低下， 目前正在逐步淘汰。 高效浓密机在普通浓密机的基础上， 通过改进布料筒 结构、 增设自动控制系统、 强化压密脱水等手段， 大大 改善了设备的浓密效果。 为了进一步提高底流浓度， 降低溢流水浊度， 在 高效浓密机基础上， 国外研发出专供尾砂浓密使用的 膏体浓密机。膏体浓密机具有自稀释性给料井、 浓缩 层搅拌导水杆、 较高浓相层 高度达到总高度的 2/3 。 与普通浓密机、 高效浓密机相比， 膏体浓密机 最重要的特点是能够将低浓度尾砂浆直接浓缩成膏 状底流。该设备主要用于金属尾砂、 赤泥、 煤泥等颗 粒悬浮料浆的浓缩和澄清， 达到浓密脱水的目的。 通过多年的发展， 尾砂浓密技术已从过滤分离发 展到沉降分离， 从离心沉降发展到大型连续絮凝沉 降。目前， 以膏体浓密机为代表的高效絮凝沉降技术 发展迅猛， 因此重力浓密成为尾砂脱水研究的主要方 向。 2. 2. 3膏体流变学 膏体流变学是膏体充填非常重要的研究方向， 也 是膏体充填目前的一个研究热点， 其中屈服应力是膏 体流变学研究的最为关键的参数。之所以关键， 主要 有以下 3 个原因 第一， 在膏体充填工艺各个环节， 从 最初的尾矿浓密脱水、 膏体搅拌， 到膏体输送以及最 终的采场流动性能， 均与屈服应力有关; 第二， 屈服应 力能够真实反映膏体的流动性能， 也是膏体管道输送 系统设计的重要依据之一; 第三， 屈服应力测量具有 较好的可重复性， 只要采用的测试方法一样， 不同物 料之间也具有可比性。综上， 使用屈服应力对于膏体 技术来说是至关重要的。 屈服应力是评价许多悬浮液流变性能的重要参 数， 被广泛应用于食品工业、 医药产品、 印刷行业、 制 陶业以及矿物悬浮液 ［19 ］。过去几十年， 对于浓缩尾 矿屈服应力影响因素的研究非常多， 认为浓缩尾矿屈 服应力与磨矿细度有关 ［20- 21 ］， 目前比较公认的是浓 4 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 缩尾矿屈服应力与其物理性能 比如固含量、 颗粒级 配和形状 ， 颗粒间力的类型和大小 比如孔隙流体 的 pH 和离子浓度 ［22- 28 ］有关。 但是， 屈服应力测量需要使用专用流变设备， 该 设备价格相对较为昂贵， 并非所有矿山都有配备。有 学者提出了一种简单的基于密度、 容重以及质量浓度 的屈服应力预测模型， 可以在缺乏流变参数测试设备 的情况下， 对浓缩尾矿屈服应力进行估算 ［7 ］， 为科研 人员、 现场工作人员带来很大便利。 尽管膏体充填的整个流程都涉及到流变学理论， 但是流变学研究最为主要的应用还是设计和优化膏 体输送系统。膏体管道输送方式有靠料浆重力作用 的自流方式和借助外力的泵压输送方式。膏体充填 料浆塑性黏度和屈服应力很大， 其管道输送阻力较 大， 一般情况下采用泵压输送工艺。但随着开采深度 不断延伸， 系统重力势能越来越大， 在某些特定条件 下能够满足自流输送。 2. 2. 4硬化膏体多场性能 硬化膏体 即充填体 性能是评价膏体充填效果 的重要指标， 硬化膏体性能研究一般是指膏体力学特 性。力学性能最常用的也最为普遍接受的就是单轴 抗压强度 UCS 测试， 但是， 强度实验提供的信息是 有限的， 不能帮助设计者更好地理解水化反应过程和 影响因素， 设计更加经济和安全的膏体配比 ［29 ］。近 年来， 随着膏体精细化研究的不断深入， 国内外逐渐 由硬化膏体简单的力学特性研究向多场耦合性能研 究发展。当膏体被输送到采场时， 涉及传热、 渗流、 力 学、 化学 热 － 水 － 力 － 化 等多个作用过程， 如图 2。 图 2全尾膏体热 －水 －力 －化多场耦合作用 Fig． 2Coupled thermo- hydro- mechanical- chemical behavior of the paste backfill 实际上， 之所以进行多场性能研究， 是因为膏体 热 － 水 － 力 － 化性能之间存在很好的关联性， 通过关 联性研究， 有更多的途径去理解膏体水化过程， 设计 更加经济的膏体配比。图 3 给出了膏体热 － 水 － 力 － 化多场性能关联网络图， 反映了膏体多场性能的内 在联系， 具体解释如下。 图 3全尾膏体热 － 水 － 力 － 化行为关联网络 Fig． 3Correlation network graph of thermo- hydro- mechanical- chemical behavior in the paste backfill 1 膏体强度性能的演化主要是由于膏体内部 水泥与水发生水化反应， 生成 C － H 和 C － S － H 等 水化产物 ［30- 31 ］。膏体的质量分数、 水灰比、 初始温 度、 养护温度、 化学成分等因素影响着膏体的水化反 应速率。水化反应速率越快， 生成的水化产物则越 多。随着水化产物的不断增加， 膏体内部水分和孔隙 的位置逐渐被替换， 造成膏体内部孔隙结构越来越密 实， 最终形成具有一定强度的充填体。 2 水泥水化反应是一个不断吸水的过程， 因 此， 随着水泥水化反应的进行， 膏体内部体积含水率 越来越小。与此同时， 类似于土力学中土壤吸水过 程， 膏体内部水分消耗的同时， 膏体内部基质吸力越 来越大。因此， 基质吸力演化受到膏体水化反应速率 的影响， 也就是说， 基质吸力与膏体强度之间存在一 定联系。 3 同时， 水泥水化反应过程中， 膏体内部离子 浓度在不断变化， 该变化过程可以通过电导率进行表 征。因此， 电导率也是一个可以反映膏体水化反应速 率的指标， 并且， 有研究认为电导率与膏体凝结性能 有一定关联。 2. 2. 5膏体微观性能 膏体微观性能的研究一般是服务于膏体力学特 性的解释， 揭示膏体力学现象发生的内因。目前常见 的膏体微观性能研究包括硬化膏体 XRD、 TGA/DTG、 SEM、 压汞法 MIP 等。 XRD 和 TGA/DTG 热分析主要对水化产物进行 识别和量化。其中 XRD 测试根据不同衍射角度的衍 射强度大小判定膏体水化产物多少; TGA/DTG 热分 析还是对水化产物多少进行识别。一般来说， 水泥水 化产物主要有 3 个吸热峰值， 每个峰值都会因快速脱 水或者分解而发生质量变化。这 3 个峰值分别在不 同的加热温度发生 第一个峰值位于 100 ～200 ℃， 是 因为水化产物 C － S － H、 碳铝酸盐、 钙矾石和石膏的 5 吴爱祥等 膏体充填技术现状及趋势2016 年第 7 期 ChaoXing 脱水; 第二个峰值发生在 400 ～ 500 ℃， 主要是由于 CH 的脱羟基作用; 最后一个峰值发生在 650 ～ 750 ℃， 这一失重是由于碳酸钙分解造成 ［29 ］。 SEM 微观分析主要是对膏体动态反应原位显微 结构进行观察， 一般来讲， 水泥膏体微观由未水化的 水泥、 表层产物、 孔隙产物以及毛细孔隙构成。图 4 给出了某全尾胶结膏体养护 7 d、 28 d 时的 SEM 图， 可以明显观察到 7 d 时膏体主要水化产物包括膏体 表面产物 C － S － H、 呈现晶状体形状的孔隙产物 CH［32 ］以及钙矾石。钙矾石和 CH 增长填充毛细管孔 隙被认为是膏体早期凝结和强度增长的重要原因。 相反地， 在28 d 的 SEM 图中出现大量的 C － S － H 和 少量的钙矾石。C － S － H 被认为是连接尾矿颗粒和 填充孔隙的重要化学反应产物。对比 7 d 与 28 d 的 SEM 图可以看出 28 d 情况下尾矿颗粒更加紧密， 并 且被水化产物完全包围; 尾矿颗粒间的孔隙被水化产 物填充， 产生了密实的矩阵结构。这些微观结构使得 膏体具备更高的强度性能。 图 4某全尾矿硬化膏体的 SEM 图 放大 10 000 倍 Fig． 4SEM image of hardened paste at curing age of 7 d and 28 d 1 0000 压汞法 Mercury intrusion porosimetry， 简称 MIP 又称汞孔隙率法， 是测定部分中孔和大孔孔径分布的 方法。其原理是汞对一般固体不润湿， 欲使汞进入孔 需施加外压， 外压越大， 汞能进入的孔半径越小。测 量不同外压下进入孔中汞的量即可知相应孔的孔体 积。目前所用压汞仪的使用压力最大约 200 MPa， 可 测孔范围 0. 006 4 ～ 950 μm 孔直径 。压汞法常用 来检测混凝土、 砂浆等的孔隙率， 用以表征混凝土内 部的气孔等指标。目前， 国外已有研究将压汞法应用 于膏体材料， 图 5 给出了某全尾砂胶结膏体在不同养 护温度情况下的孔径测量结果 ［33 ］。由该图可以看 出， 随着养护温度增加， 膏体内部孔隙减小， 使膏体内 部更加密实， 导致强度更高。这主要是因为养护温度 升高会使得水泥水化反应速率加快， 增加 C － S － H、 钙矾石、 CH 等水化产物。 图 5不同养护温度膏体养护 7 d 时的孔径分布 Fig． 5Pore size distribution of paste at curing age of 7 d under various curing temperature ▲0 ℃;■20 ℃;●35 ℃;◆50 ℃ 3膏体充填应用实例 3. 1新疆伽师铜矿膏体充填 新疆伽师铜矿矿体为砂岩型铜矿， 矿体松软， 强度 极低， 顶板无法控制， 采场稳定性差， 且矿体下盘有 3 条含水层， 如果继续沿用现有无底柱崩落留矿采矿法， 一旦移动带与含水层贯通， 则会出现淹井事故。目前， 地表已经出现了5 处塌陷区， 存在洪水倒灌的隐患， 可 能危及井下工人生命安全。为保证矿山生产安全， 排 除富水带与开采区域贯通， 预防地表塌陷区的进一步 扩展， 矿山决定放弃留矿采矿法， 采用下向分段充填采 矿法， 充填工艺采用膏体泵送充填工艺 ［ 34 ］。 膏体充填站外貌如图 6 所示。伽师铜矿全尾砂 细颗粒含量高、 黏性大， 这对于膏体强度提升以及管 道输送提出了非常高的要求。通过添加粗骨料和泵 送剂改善膏体力学性能以及输送性能， 膏体充填系统 的充填能力为 70 ～ 90 m3/h， 膏体浓度为 75 ～ 81。生产过程中， 采场的不同充填位置对充填料的 要求不同， 根据实际情况调整。如打底充填料的膏体 浓度 78 ～81、 灰砂比为 1∶ 3 ～1∶ 5、 泵送剂添加 量为 1. 5 ～ 2， 接顶充填料的膏体浓度 75 ～ 78、 灰砂比比为 1∶ 8 ～1∶ 10、 泵送剂添加量为 2 ～3。 经过现场试生产， 膏体充填效果良好。膏体充填 料浆浓度 76 ～78， 保证了采场不泌水， 有效避免 了矿岩遇水泥化问题。膏体 28 d 强度达到 2 ～ 4 MPa， 有效缓解了采场地压问题， 保证了井下工作人 员安全作业。 6 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 图 6新疆伽师铜矿膏体充填站外貌 Fig． 6Paste backfill station appearance of Xinjiang Jiashi Copper Mine 3. 2赞比亚谦比希铜矿膏体充填 中国有色集团于 1998 年 6 月与赞比亚联合铜矿 公司合资组建中色建设非洲矿业有限公司， 并合作开 发谦比希铜矿。设计规模为年采选矿石量 215 万 t， 年产铜精矿含铜 5 万 t。谦比希铜矿由主矿体、 西矿 体、 东南矿体和下盘矿体 4 个矿床组成。西矿体走向 近东西， 倾向南， 倾角 30左右。矿体走向长 1 400 ～ 2 100 m， 平均厚度7. 36 m。矿体属中厚倾斜矿体， 矿 体底板以下的基底岩石和长石石英岩地层稳固性良 好， 矿体本身稳固性中等。矿体顶板岩石稳固性差， 部分地段很差。另外， 矿石含铜品位较高， 为了在围 岩稳固性差的条件下安全经济高效对铜资源进行开 发， 矿山选用上向分层膏体充填采矿法回收矿石 ［35 ］。 进路回采结束后采用尾砂胶结膏体对空区进行 充填， 充填能力为 65 m3/h、 膏体浓度在 69 ～71。 由于赞比亚水泥价格极高 200 ～250 /t ， 在满足充 填体自立的前提下根据不同充填方案， 膏体灰砂比分 别为 1∶ 12、 1∶ 16、 1∶ 24。谦比希膏体充填站外貌 如图 7 所示。 图 7谦比希铜矿膏体充填站外貌 Fig． 7Paste backfill station appearance of Chambishi Copper Mine 井下实际充填效果表明 膏体凝固时间快， 3 d 左右即可满足上分层的设备运行， 改变了原充填工艺 采充循环时间长、 生产衔结困难的问题。充填接顶率 高， 由于膏体含水量低， 其沉缩率明显小于分级尾砂 料浆， 通过对采场充填管道的优化布置， 采场 80 区 域能够完全接顶， 保证了顶板的稳定性; 充填体力学 性能良好， 10 d 左右即可揭露相邻矿房， 在采取控制 爆破的前提下回采过程中充填体塌落不显著， 矿石贫 化率较低。同时， 与原分级尾砂充填回采相比， 采用 膏体充填工艺后， 回采率由原来的 44 提高至 85 左右， 采切比由 200 m3/kt 降低至 120 m3/kt， 且井下 排泥排水、 二次支护等费用也相应减少。初步估算， 采用膏体充填工艺后， 吨铜成本降低 270 /t 铜金 属 ， 同时多回收矿石800 余万 t， 铜金属量14 万 t， 延 长西矿体服务年限 10 a。 4膏体充填技术发展趋势 近年来， 膏体充填技术虽然在我国进行了示范性 建设， 但仍处在起步阶段， 一些关键问题未能解决。 我国膏体充填技术的发展趋势， 关键在于努力完善相 关基础理论的研究， 积极推广新材料、 新技术的应用， 加快研制具有自主知识产权的专用设备。 1 基础理论的发展趋势。在尾砂固 － 液分离 领域， 重力浓密理论、 尾砂絮凝过程的物理化学耦合 作用、 搅拌耙 － 絮团耦合作用机理等理论， 是下一步 自重浓密的基础理论体系的研究重点; 在膏体流变学 领域， 研制针对膏体的流变测试仪器和构建符合膏体 触变、 应力松弛等黏弹性行为的实用性流变模型， 是 膏体流变学未来首先要解决的问题; 在膏体充填系统 设计领域， 通过数值分析软件和仿真方法探寻最佳的 设计参数是将来的研究热点。 2 工艺技术的发展趋势。研究超细、 高强、 价 廉、 速凝的充填新材料以及泵送剂、 分散剂、 絮凝剂等 充填外加剂， 进一步发挥膏体充填工艺的特色和优 势， 是下一步研究的重要内容。膏体浓密的一段脱水 工艺、 灵活多样的脱水技术和尾砂浓密设备的改造和 创新技术是尾砂脱水未来研究的趋势; 长距离管道输 送和相应的运营管理及自动控制技术， 成为膏体充填 未来需要解决的关键问题; 同时， DCS 和 FCS 系统将 逐渐在膏体充填中得到应用， 未来膏体充填自动控制 将向着数字化、 智能化的方向发展。 3 专用设备的发展趋势。一方面， 专用设备国 产化， 打破国外对高性能的膏体制备设备的垄断， 是 我国膏体充填必须解决的问题; 另一方面， 膏体制备 设备大型化， 适应充填系统提高处理能力的要求， 将 是膏体制备技术的主要发展方向。 5结论 1 膏体充填浓度高， 浆体不分层、 不离析、 不脱 水; 充填体强度均匀、 接顶率高、 能有效控制岩层移 动、 防止地表塌陷; 相同充填体强度要求下胶结材料 耗量低、 充填成本低; 膏体固结时间短、 易实现强化开 采; 膏体充填采矿技术尾砂利用率高、 可最大限度地 减少矿山固体废弃物的排放。因此， 膏体充填技术已 7 吴爱祥等 膏体充填技术现状及趋势2016 年第 7 期 ChaoXing 成为全球矿业领域的技术热点和发展新动向。 2 目前， 膏体充填技术不仅仅在有色金属矿山 使用， 还在铁矿山、 煤矿、 磷矿非金属矿等逐渐推广使 用， 总体来说， 膏体充填应用领域越来越广， 且逐渐向 规模化矿山发展。膏体充填技术研究逐渐趋于精细 化， 主要目的是为了提升充填质量、 降低充填成本， 比 较重要和热点的研究方向有新型胶凝材料、 全尾砂脱 水技术、 膏体流变学、 硬化膏体多场性能和膏体微观 性能等。 3 新疆伽师铜矿井下围岩遇水泥化， 需要最大 限度地降低充填料中的泌水量， 膏体充填成了该矿充 填法的唯一选择， 该膏体充填系统特点在于克服了高 含泥尾砂对强度和输送不利的两个因素， 通过添加粗 骨料和泵送剂成功的提升了充填强度并实现了长距 离泵压输送。赞比亚谦比希铜矿膏体系统的成功在 于在国外水泥价格十分昂贵的情况下， 通过膏体技术 将灰砂比降低至 1∶ 12 ～1∶ 24， 降低了充填成本， 充 分体现了膏体充填的经济性。 4 我国膏体充填技术应用和基础理论研究任 重而道远，