铅锌矿全尾砂胶结膏体充填的研究与应用探讨

卢小玉 赵雪飞 （中原工学院信息商务学院建筑工程系 河南郑州市 451191）

摘要

矿山产业的发展带动了国民经济，也带来了环保和安全隐患。在安全绿色资源开发理念下，尾砂胶结膏体充填工艺综合利用废弃物尾砂用于填充矿上地下采空区，给矿山带来经济社会效益和安全环保效益。研究膏体的性能可以更好实现矿山膏体充填骨料的最优化组合以形成充分满足矿山需要的个性化充填系统，建立绿色环保矿山。

关键词： 膏体 尾砂 流动性

引言

矿山开采至今已有六十余年，随着开采规模不断扩大，开采技术的不断创新，带动了国民经济的快速发展，但是各种弊端随之而来。矿山开采后大量采空区引起地表塌陷引发各类安全事故，废弃的尾砂堆积占用越来越多的用地面积，对自然及地表环境造成污染与破坏。

矿山尾砂胶结膏体充填法是将最大限度回收处理的固体废料制备成膏体充填材料充填到采空区来支撑岩层，控制地压活动，改善矿山采空区受力状态，进而保护地表生物，保护地表环境保证露天和联合开采的地下安全生产。

尾砂充填技术的发展历程：

中国充填工艺和技术的发展先后经历了四个阶段：20世纪50年代以前，废石干式充填最为常见；20世纪60年代尾砂水力充填开始在矿山上应用，因其没有固结能力，后来逐渐也被有固结能力的胶结充填工艺取代；20世纪60-80年代，尾砂胶结充填开始陆续被矿上采用，这种充填技术在一定程度上提高了胶结充填体强度和稳定性，节约了水泥使用量，取得了较好的效果；20世纪90年代以后高浓度充填、膏体充填、全尾砂胶结充填等新技术开始普遍应用在矿山上。新的充填工艺尾砂利用率高，充填成本更低，充填体强度更高，养护周期短，保护环境，节约资源，经济效益好等优点。

膏体充填是将料浆做成不需脱水似牙膏状的膏状桨体，在自重和外力作用下以柱塞流的形态输送到采空区的方法。尾砂膏体充填技术在矿山上的应用促进了尾矿综合处置和充填技术的发展。

膏体充填技术的主要课题： 

充填材料是充填技术的核心，对于来源于尾矿的膏体而言，矿山的矿岩成分不同，采矿工艺不同，尾矿的物理和化学性质不同。不同的矿山，对其尾矿组分、粒级、膏体浓度、配比强度及流动特性均需试验、研究、设计以形成充分满足矿山需要的个性化充填系统，本文选取的是凡口铅锌矿。

1、铅锌矿膏体的充填材料及性能

膏体充填材料是由全尾砂、水、胶结材料、粗骨料、改性材料通过一定比例配制而成，

这种膏体充填材料稳定性、可塑性、流动性。铅锌矿尾砂组分较别的矿山不同，铅锌矿粗尾缺少小于20µm的细颗粒，用粗尾砂制成的的料浆泌水率较大，达20%左右；铅锌矿细尾砂由于含硫量丰富，制成的固化体后期强度较差。所以有必要对其进行固化和稳定性的研究。

1）铅锌矿尾砂

铅锌矿细尾砂含硫量较高，在和水泥一起水化作用下形成二水石膏和硫铝酸盐晶体，其体积膨胀在2倍以上，在充填体内产生应力。铅锌矿尾砂在用做胶结充填料时应查明其含硫量对胶结充填体在有效期限内产生有害影响的程度。铅锌矿粗尾砂由于缺少细颗粒，泌水量大，不能形成膏体（泌水率小于等于3%，坍落度大于等于180mm，固体浓度大于75%）。铅锌矿全尾砂是前两者的结合，全尾砂物料粒度细，其表面积大，在保证能形成膏体的情况下添加粗骨料提高膏体料浆的浓度和密度，增加膏体强度，相对降低水泥用量。

2）水泥

水泥含量的增加也会提高膏体的强度，为了降低充填成本，须通过实验获得水泥的正确使用量。

3）粉煤灰

由于粉煤灰的火山特性，有一定的钙质活性在膏体料浆中加入一定的粉煤灰，可以提高膏体的强度尤其是后期强度。但粉煤灰增大了料浆的粘度，也就增大了管道摩擦阻力和料浆的屈服应力损失。须通过实验获得粉煤灰的最佳掺量。

2、铅锌矿膏体的性能分析

凡口铅锌矿采用的充填方法是机械化上向水平分层充填采矿法。这一方法要求膏体在管道和采场中，有足够的流动性，凝固后作为充填体要满足强度要求（底层>3mpa，其余分层>1mpa）。膏体系统投产之初，堵管事故频频发生，一定程度上和膏体的流动性有关。另外还多次出现膏体大面积不凝固现象，这和胶凝材料的选择有一定关系。因此膏体料浆的流动性和膏体凝固后的强度和膏体浓度、水泥含量、减水剂、粉煤灰等掺量有关。

1）膏体浓度

膏体料浆浓度增加，浆体间固体间的距离减小，相互作用力变大，颗粒之间相互移动受到的阻力增大，从而使浆体间的屈服剪应力增大和塑性粘度增大，流动度降低。

2）水泥掺量

水泥耗量的增大，有利于降低水力坡度，减少输送的阻力损失，在管道运输时，具有润滑管道的作用。水泥掺量过多，在水化时需要掺加适量的水，会产生胶粒，胶粒之间相互吸引，增加粘聚性，使得浆体流动度降低。

3）减水剂

为表面活性剂，吸附于水泥颗粒表面使水泥颗粒带电，颗粒间由于带相同电荷而互相排斥，使水泥可以被分散，从而释放颗粒间多余的水，达到减水目的。同时减水剂在水泥表面形成吸附膜，影响水泥水化速度，水泥晶体生长更加完善，网格结构更为密实。显著提高充填膏体的强度和密实性。

4）不同品质和掺量的粉煤灰对充填膏体料浆的流动性有显著影响，当粉煤灰中含碳量较高，其吸水量大，将料浆中水吸近碳粒中，这会降低料浆的流动性，当碳含量较低表面含有致密玻璃微珠的情况下，将会改善膏体料浆间的颗粒级配，并起到润滑的作用，增大料将流动性。

发展前景：

在“十三五”规划中，国家倡导建设绿色矿山、智能矿山。尾矿的安全和环保问题得到政府和业界的高度重视，尾矿膏体充填的优势已明显确立，为实现矿山膏体充填骨料的最优化组合，需要综合考虑矿山选矿工艺，尾矿性质、充填成本、充填要求等因素。另外，工艺技术及设备的先进性也是改变、推进我国尾矿安全和环保局面的基础，需要加大研究力度和深度，为建立绿色矿山创造条件。

参考文献：

[1] 庞博．矿山胶结充填发展现状及展望[J]．现代矿业，2015，11（11）：28-33

[2] 吕杉杉．减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性能的影响研究[D]．郑州：郑州大学，2014