采矿膏体充填工艺的改进与创新

采矿膏体充填工艺的改进与创新

代宏汝

云南驰宏锌锗股份有限公司会泽矿业分公司  云南会泽  654211

摘要：随着矿产资源的不断开采，环境保护和资源高效利用成为矿业发展的重要课题。采矿膏体充填工艺作为一种绿色采矿技术，在提高资源回收率、减少地表沉降和保护环境等方面具有显著优势。本文详细阐述了采矿膏体充填工艺的应用现状，深入分析了现有工艺存在的问题，并从材料选择、制备工艺、输送系统和充填效果监测等方面提出了改进与创新的措施，为推动采矿膏体充填工艺的发展提供了理论依据和技术支持。

关键词：采矿；膏体充填；改进创新；绿色采矿。

引言：矿产资源是国民经济发展的重要物质基础，但传统的采矿方法往往会导致地表塌陷、资源浪费和环境污染等问题。为了解决这些问题，采矿膏体充填工艺应运而生。膏体充填是将尾砂、粉煤灰等固体废弃物与水泥等胶凝材料混合，制备成具有一定流动性和稳定性的膏体，通过管道输送到井下采空区进行充填。该工艺不仅可以有效控制地表沉降，提高资源回收率，还可以减少固体废弃物的排放，实现资源的综合利用和环境保护。

一、采矿膏体充填工艺的应用现状

（一）国内外应用情况 目前，采矿膏体充填工艺在国内外得到了广泛的应用。在国外，澳大利亚、加拿大、德国等国家的矿山企业已经广泛采用膏体充填技术，取得了显著的经济效益和环境效益。在国内，随着国家对环境保护和资源综合利用的重视，越来越多的矿山企业开始采用膏体充填工艺。目前，我国的膏体充填技术已经在金属矿山、煤矿等领域得到了广泛的应用。

（二）应用领域 1. 金属矿山 在金属矿山中，膏体充填主要用于地下开采的采空区充填。通过膏体充填，可以有效控制地表沉降，提高资源回收率，减少矿石损失和贫化。 2. 煤矿 在煤矿中，膏体充填主要用于三下采煤（建筑物下、铁路下、水体下）和煤柱回收。通过膏体充填，可以实现对采空区的全充填，减少地表沉降，保护地面建筑物和铁路等设施的安全。

二、现有采矿膏体充填工艺存在的问题

（一）材料选择方面 1. 固体废弃物的利用率有待提高 目前，膏体充填主要采用尾砂、粉煤灰等固体废弃物作为充填材料，但这些材料的利用率还不够高。一些矿山企业由于尾砂粒度细、含泥量大等原因，导致尾砂利用率较低，需要大量外购河砂等材料，增加了充填成本。 2. 胶凝材料的成本较高 目前，膏体充填主要采用水泥等胶凝材料作为固化剂，但水泥的成本较高，且大量使用水泥会增加充填体的收缩性，影响充填体的稳定性。因此，需要寻找一种成本低、性能好的胶凝材料来替代水泥。

（二）制备工艺方面 1. 搅拌不均匀 在膏体制备过程中，由于搅拌设备的性能和操作方法等原因，容易导致膏体搅拌不均匀，影响膏体的性能。特别是在添加外加剂时，如果搅拌不均匀，会导致外加剂的作用不能充分发挥，影响膏体的流动性和强度。 2. 活化效果不理想 为了提高固体废弃物的活性，需要对其进行活化处理。但目前的活化方法效果还不够理想，不能充分激发固体废弃物的活性，影响膏体的强度和稳定性。

（三）输送系统方面 1. 管道堵塞问题 在膏体输送过程中，由于膏体的粘度大、流动性差等原因，容易导致管道堵塞。管道堵塞不仅会影响充填作业的正常进行，还会增加维修成本和停机时间。 2. 输送压力损失大 由于膏体的粘度大，在输送过程中会产生较大的压力损失。为了保证膏体的顺利输送，需要提高输送压力，但这会增加输送设备的能耗和成本。

（四）充填效果监测方面 1. 监测手段单一 目前，对膏体充填效果的监测主要采用钻孔取芯、物探等方法，但这些方法存在监测周期长、成本高、精度低等问题。需要开发一种快速、准确、低成本的监测手段来实时监测膏体充填效果。 2. 缺乏有效的评价指标 目前，对膏体充填效果的评价主要采用充填体强度、接顶率等指标，但这些指标不能全面反映膏体充填的效果。需要建立一套科学、合理的评价指标体系来综合评价膏体充填效果。

三、采矿膏体充填工艺的改进与创新措施

（一）材料选择方面的改进与创新 1. 提高固体废弃物的利用率 （1）优化尾砂处理工艺 通过对尾砂进行分级、脱水、脱泥等处理，提高尾砂的粒度和质量，降低含泥量，提高尾砂的利用率。 （2）开发新型充填材料 研究开发新型的充填材料，如矿渣微粉、钢渣微粉、赤泥等，这些材料具有来源广泛、成本低、活性高等优点，可以替代部分水泥，降低充填成本。 2. 降低胶凝材料的成本 （1）优化水泥配方 通过调整水泥的配方，减少水泥的用量，降低充填成本。例如，可以采用复合水泥、矿渣水泥等替代普通硅酸盐水泥。 （2）开发新型胶凝材料 研究开发新型的胶凝材料，如地聚合物、硫铝酸盐水泥等，这些材料具有成本低、性能好等优点，可以替代水泥作为膏体充填的固化剂。

（二）制备工艺方面的改进与创新 1. 优化搅拌设备和操作方法 （1）采用高效搅拌设备 选用搅拌效率高、搅拌均匀的搅拌设备，如强制式搅拌机、双卧轴搅拌机等。同时，优化搅拌设备的结构和参数，提高搅拌效果。 （2）优化搅拌操作方法 合理控制搅拌时间、搅拌速度和加料顺序等操作参数，确保膏体搅拌均匀。在添加外加剂时，可以采用先溶解后添加的方法，提高外加剂的分散性和作用效果。 2. 改进活化方法 （1）机械活化 采用球磨机、振动磨等设备对固体废弃物进行机械活化，提高固体废弃物的活性。同时，优化机械活化的工艺参数，如球磨时间、球磨介质等，提高活化效果。 （2）化学活化 采用化学激发剂对固体废弃物进行化学活化，激发固体废弃物的活性。例如，可以采用硫酸钠、氢氧化钠等激发剂对粉煤灰进行活化，提高粉煤灰的活性。

（三）输送系统方面的改进与创新 1. 解决管道堵塞问题 （1）优化膏体配方 通过调整膏体的配方，降低膏体的粘度和屈服应力，提高膏体的流动性，减少管道堵塞的可能性。例如，可以增加减水剂的用量，降低膏体的水灰比。（2）采用新型输送管道 选用耐磨、耐腐蚀、内壁光滑的新型输送管道，如陶瓷复合管道、超高分子量聚乙烯管道等，减少管道的阻力和磨损，降低管道堵塞的风险。 2. 降低输送压力损失 （1）优化管道布置 合理布置输送管道，减少管道的弯头和长度，降低管道的阻力和压力损失。同时，采用大直径管道输送膏体，提高管道的输送能力。 （2）采用泵送技术 选用高效的泵送设备，如柱塞泵、螺杆泵等，提高泵送压力和流量，降低输送压力损失。同时，优化泵送设备的操作参数，如泵送速度、泵送压力等，提高泵送效率。

（四）充填效果监测方面的改进与创新 1. 开发新型监测手段 （1）光纤光栅监测技术 利用光纤光栅传感器对充填体的应力、应变、温度等参数进行实时监测，具有精度高、响应快、抗干扰能力强等优点。 （2）声发射监测技术 通过监测充填体在受压过程中的声发射信号，分析充填体的损伤演化过程，评估充填体的稳定性和可靠性。 2. 建立科学的评价指标体系 （1）建立多指标评价体系 综合考虑充填体的强度、接顶率、变形性能、渗透性等多个指标，建立科学、合理的评价指标体系，全面评价膏体充填效果。 （2）采用数值模拟方法 利用数值模拟软件对膏体充填过程进行模拟，分析充填体的应力分布、变形规律等，为评价膏体充填效果提供参考依据。

结论：采矿膏体充填工艺作为一种绿色采矿技术，在提高资源回收率、减少地表沉降和保护环境等方面具有显著优势。然而，现有采矿膏体充填工艺在材料选择、制备工艺、输送系统和充填效果监测等方面还存在一些问题。通过对这些问题的深入分析，提出了一系列改进与创新的措施，包括提高固体废弃物的利用率、降低胶凝材料的成本、优化搅拌设备和操作方法、解决管道堵塞问题、降低输送压力损失、开发新型监测手段和建立科学的评价指标体系等。这些措施的实施将有助于提高采矿膏体充填工艺的技术水平和应用效果，推动绿色采矿技术的发展，实现矿产资源的可持续开发利用。