1 块石充填工艺的应用现状

自20世纪70年代以来，澳大利亚、前苏联等国试验成功了在空区内先倒入块石充填，再向块石中压注水泥净浆或水泥砂浆的充填工艺，如Mount Isa矿、Kidd Creek矿，1973年Mount Isa矿开始块石胶结充填工艺应用^[1-3].我国则试验成功了在块（碎）石倒入采空区的同时，将水泥砂浆用管路输送注入空区自淋混合胶结充填.如大厂锡矿、铜录山铜矿等试验成功了块石—水泥砂浆自淋混合充填工艺，结果表明充填体强度高且充填成本低.个别矿山则试验成功了在采空空区的上部，用电耙、无轨设备或溜槽进行废石与水泥砂浆的混合拌制，而后利用空区自落条件充填采空区的块石胶结充填工艺.红透山铜矿在井下建立了一套块石倒运与充填系统并形成较大充填能力，达到了废石不出坑^[4-5].

一般情况下，块石胶结充填体在试块强度3MPa条件下水泥含量小于100kg/m³, 仅是尾砂胶结充填水泥用量的一半，从而使成本大幅度降低.生产实践表明，在相同水泥用量的条件下，与其他胶结充填工艺相比较，块石胶结充填体强度更高，充填体稳定性比细砂胶结充填好得多，能有效保证二步矿房（矿柱）回采时的安全.空场嗣后块石胶结充填采矿法矿石贫化小、能力大、废石提运少，也能够缓解地表堆放废石引起的诸多问题，是当前胶结充填工艺的发展方向之一.但是，目前块石充填工艺需利用采空区落差条件，通过充填料分流输送和自淋混合方式实现胶结充填，仅以空场（分段或阶段）嗣后充填方式实现，对分层采矿法（上向或下向）并不适用，因而目前块石充填应用仍非常有限^[6].

2 金川公司充填现状与废石量

金川镍矿规模大、埋藏深，矿岩破碎且蠕变特征明显、地应力大，其开采难度世界罕见.金川矿山在复杂的工程地质条件下遇到了各种各样的涉及到充填采矿的技术问题，在长期的大规模工业生产实践和国内外的科技合作中，从未间断过开展充填采矿领域的试验研究，其中一批重大问题多次列入国家重点科技攻关计划，积累了丰富的充填采矿经验和大量的技术资料.金川矿山先后进行过VCR法、上向分层进路式胶结充填法和下向分层胶结充填法试验；经过几十年探索最终定型为下向水平分层进路式胶结充填采矿法，发明和应用成功了下向六角形进路式充填法.目前，金川三大矿山（龙首矿、二矿区、三矿区）已形成1000万t/a的生产规模，是全球应用下向水平分层充填法规模最大、机械化程度最高的矿山.2010年，龙首矿西部贫矿开采项目开始投产，另外金川四矿区工程也已开工建设.根据金川公司的总体规划，“十二五”末，所属四大矿山的生产能力将超过1200万t/a，届时，充填能力将达到400万m³/a以上.

经调查，金川矿山地表堆放的可用于充填的废石量总计约1800万t，今后废石量将超过130万t/a，2009年废石综合出窿费用高达约1.96亿元.废石外排不仅会大大影响到矿山周边区域的生态环境，也是矿山生产中的沉重负担，如何处理大量工业废石是解决金川公司矿山周边生态环境保护与污染防治、矿山生产提运压力的重中之重.因此，研究粗粒级废石破碎集料高浓度充填技术非常重要^[7].

3 废石与全尾砂的级配与浓度选择 3.1 废石集料

金川矿区井下废石混合料主要来自矿山生产掘进和巷道返修所产生的废石.金川矿山充填管道主要有内径110mm和80mm两种，一般要求骨料粒径不能超过管径的1/5~1/4，故试验将工程废石的破碎粒度确定为-16mm.废石破碎集料对于充填料浆配合比设计的主要影响因素是集料级配.通过筛分统计，金川矿区废石破碎集料的粒度级配见表 1.

经测定，废石破碎集料的加权平均粒径为d_av=5.803mm，中位粒径d_c=5.235mm，d₆₀=7.023mm，d₁₀=0.391mm，则有d₆₀/d₁₀=17.96.显然，按塔博条件（塔博研究认为：当d₆₀/d₁₀＝4~5时，物料的密实度最好，即最佳颗粒级配.）废石破碎集料的级配并不好，粗粒料偏多，细粒级含量偏小，料浆由于难以形成絮网结构，管道输送（无论是泵压或自流输送）中料浆易发生泌水现象而导致堵管.因此，需要添加相应的细粒料—全尾砂进行骨料级配优化.

3.2 全尾砂

金川公司全尾砂是一选厂与二选厂排放的尾砂混合物.金川全尾砂平均粒度细，氧化镁含量高，渗透系数小(15mm/h).应用激光粒度分析仪对金川公司全尾砂进行分析，见表 2.

3.3 水泥

金川矿山充填所用的胶结材料为325级增强复合水泥，水泥比重3.1t/m³，密度1.1t/m³, 其比表面积为3100~3300cm²/g.

3.4 废石-全尾砂料浆的级配与浓度

通过测试与分析，金川公司破碎废石集料和全尾砂的有关参数见表 3.

废石-全尾砂胶结充填料浆是一种低标号的多相混合体.理想状态下的充填料浆，其组分如废石集料、全尾砂和水泥是相互均匀分散的，相互填充.对于料浆中体积占绝大多数的废石集料而言，良好的级配不仅可以减少离析现象，改善料浆拌合物的工作性，而且增加了废石集料颗粒之间的嵌锁能力.实际上，破碎废石集料与全尾砂是不能用来选配的.一定程度上是不能选别的，只能应用，也只能采用合适的比例来确定最大密实度.

根据废石—全尾砂高浓度浆体的环管试验和流动性度试验结果，获得了金川废石—全尾砂高浓度料浆的配合比参数为：最优废石尾砂比为6.0:4.0，最适宜管输充填的料浆重量浓度为77%~79%，浆体坍落度≥22cm，325^#水泥添加量为260kg/m³，该配合比条件下的胶结体工业强度满足下向水平分层进路式充填法人工假顶的强度要求^[8-9].

4 废石—全尾砂高浓度管输试验 4.1 进路脱水情况

工业试验共进行了废石全尾砂比5:5和6:4两种配合比试验，完成了进路充填量10080m³.工业试验充填管道最长1858m，最短1650m，管道系统总垂直落差492m，最大充填倍线为4.78, 最小为4.35.

废石-全尾砂充填料浆骨料粒级范围比较大（0~16mm），不同于金川矿山现用的棒磨砂骨料，充填起始阶段需要迅速提高料浆浓度，以防止堵管并保证充填体的整体性和稳定性.工业试验废石—全尾砂料浆搅拌在二矿区膏体系统中完成，主搅拌为ATDⅢ-Ф700型双螺旋搅拌输送机，搅拌轴长达6m，设计搅拌槽的最大容积为5m³，设计生产能力为35~90m³/h，采用2×30kW电机传动.工业试验中要求充填导流水和洗管水不能进入采空进路，如此方能真实反映进路内充填体脱水情况和胶结体强度.但由于受采场充填接管方式和移管安全等因素影响，实际上难以进行分离导流水和洗管水.工业试验中充填进路脱水情况，采用与矿山现用的自流和膏体充填采场脱水情况相比较，分别设定了无水、少量水、中等水、大量水4个层次进行定性分析.无水指进路内无法用泵进行脱水，即实际没有脱水.少量水是指进路内用泵进行了脱水，但脱水量明显少于平常膏体充填脱水量.中等水是指进路脱水量与脱水时间与膏体充填相当.大量水是指进路脱水量与自流充填相当.试验共完成了15条进路充填，经统计无水情况有4条，占26.7%；进路中有少量水有7条，占46.6%；采场中等水有4条，占26.7%.结果表明，尽管充填引流水和洗管水仍然进入采场，但废石—全尾砂高浓度充填料浆的脱水量明显少.如果充填中能将引流水和洗管水进行分流，废石—全尾砂高浓度（77%~79%）充填不需要人工脱水，自然脱水即可^[10].

4.2 充填体强度

试验期间，由充填站按规范（密度壶）进行了料浆取样与装模.试块装模时要求进行自然装填，不可振动和捣实.试块压裂结果见图 1.

由图 1可见：①强度试块中仍存在全尾砂团块和少量的水泥团块，表明存在水泥浆搅拌不均匀和尾砂强力搅拌不均匀现象；②试块中粗粒级的废石分布比较均匀，无离析分层，表明应用废石—全尾砂配制成的高浓度料浆具有良好的抗离析性.根据进路内充填体的脱水情况、流动性及强度试块压裂情况综合来看，只要将配合比和料浆浓度控制稳定，并解决了引流水与洗管水，就可以达到进路内充填体不脱水及充填体不离析的目标.工业试验中在金川二矿区1178m分段6盘区3分层28号进路进行了强度直接测试，结果见表 4.

进路内充填胶结体的工业强度分布特征为：由进路充填下料点到进路中部小隔墙处充填体强度总体呈降低趋势，但强度降幅很小，分析认为这种强度的变化是由于进路内充填料浆的长距离自流动而造成的；沿进路高度方向充填体强度总体呈“下高上低”特点，这是由于进路内充填料浆的轻度离析造成的.由于充填中引流水、洗管水没有排出采场，并且充填过程中也偶尔出现供料中断、供料不稳等情况，造成料浆浓度变化和料浆的不均匀，引起充填体强度变化.

4.3 进路内充填料浆的流动特征

根据进路内充填体揭露情况，并结合试块压裂后骨料分布情况，试验组对比设定了均匀层（粗骨料分布均匀，骨料填隙效果好）、粗砂层（粗粒废石有较明显富集现象）、细砂层（粗粒废石少，细粒料明显多）、细浆层（较为明显的水泥尾砂浆）.现场测定结果为：①进路内充填体底部、顶部和中间部位均不同程度的出现细浆层.分析认为，进路底板细浆层应属充填引流层，起始浓度低，并且充填浓度提高需要10min左右；进路内充填体顶部细浆层应属充填结束时洗管水进入等造成料浆浓度降低而引起离析分层，进路充填体中部的细浆层则是由于系统供料不稳甚至骨料中断（如放砂、皮带偏斜、斜溜槽偶尔堵塞后采用大水冲洗等）造成短时间内料浆浓度降低或配合比不稳定引起.测定结果表明所有细浆层的厚度都较小；②充填均匀层基本达到了充填体70%以上，充填体底部无明显的“锅底”状离析形态；③根据现场测定结果，废石尾砂比为5:5料浆的流动坡面角基本保持在0.38~1.26°，废石尾砂比为6:4料浆的流动坡面角基本保持在0.55~1.19°，进路内充填下料点处有不太明显的“锥堆”现象，表明料浆总体流动性很好，废石—全尾砂高浓度料浆应属高流态浆体^[11-12].

5 结论

废石—全尾砂高浓度料浆泵压管输充填工艺是可行的，并且得到了长距离管道输送和长距离进路自然流动试验的证明，该项技术集中了高浓度充填和膏体充填的优点，且成本低.废石—全尾砂高浓度料浆具有良好的稳定性、自然流动性和管输特性，充填体的强度高.由于粗粒级废石破碎集料的应用，有效降低了水泥用量.经矿山统计和类比估算，废石—全尾砂高浓度料浆泵压管输充填成本约为86.48元/m³，是金川矿山现用的-5mm棒磨砂高浓度自流充填成本的66.25%，是棒磨砂—分级尾砂膏体泵压管输充填成本的88%，成本优势非常明显，推广应用前景广阔.