湖南黃金寶山礦業(yè)(以下簡稱寶山礦業(yè))，是我國大型Ⅱ類礦山企業(yè)，也是湖南省主要的鉛鋅原料生產(chǎn)基地。與人們想象中的礦山不同，這里“藏”著國家礦山公園科普基地，是傳說中的“美麗礦山”。

不過，再美麗的礦山也有“難言之隱”。站在礦區(qū)高處俯瞰，不難看到山間的“黑湖”——尾礦庫。寶山礦業(yè)副總經(jīng)理龔勇兵介紹，隨著開采推進，尾礦庫尾砂“庫存”漸滿，并且由于尾礦庫容量是固定的，所以急需“清庫存”。此外，當?shù)氐V石以鉛鋅為主，但金、銀等伴生金屬較多，使得周邊圍巖不太穩(wěn)固，易導致采空區(qū)坍塌等問題。如何能解決這兩個問題呢？寶山礦業(yè)采用了個一舉兩得的方法。

不久前召開的“第四屆中國膏體充填采礦國際學術(shù)研討會”上，與會的中外專家觀摩了寶山礦業(yè)的全新“高濃度全尾砂膏體充填”處理技術(shù)，該工藝將尾砂進行處理后再回填入采空區(qū)。

“目前裝備設(shè)計充填能力可達每小時80立方米。正式運行后，有望延長礦山服務(wù)年限一倍以上” 龔勇兵告訴記者。

美麗礦山面臨“難言之隱”

以往對寶山礦業(yè)采空區(qū)的充填采用廢石非膠結(jié)充填法，即將井下掘進廢石回填進采空區(qū)，因未添加水泥，廢石不具穩(wěn)固能力，需留設(shè)保護礦壁，幫助礦區(qū)進行穩(wěn)固防止坍塌，由此造成了寶貴資源的損失。同時，該方法勞動強度大，充填能力難以滿足目前采礦的需求。

根據(jù)礦山當前生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)，采用廢石充填系統(tǒng)的礦石回采率僅51%，部分地段貧化率(工業(yè)礦石品位與采出礦石品位之差與工業(yè)品位之差的比值)高達30%以上。同時，充填與采礦之間不能實現(xiàn)有序銜接和配合，影響作業(yè)循環(huán)時間，制約生產(chǎn)能力的提高。

為提高充填效率，更綠色安全地開采，延長礦山服務(wù)年限，2013年中南大學提出研究報告，建議采用高濃度全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)和工藝，提高充填質(zhì)量，降低礦石損失率和貧化率，解美麗礦山的“難言之隱”。

事實上，這樣的“難言之隱”，在礦山中普遍存在。礦業(yè)為人類提供工業(yè)原材料的同時，不可避免的產(chǎn)生大量固體廢棄物。數(shù)據(jù)顯示，尾砂排放量在工業(yè)固體廢棄物總量中居首位，比例高達29%。我國現(xiàn)有尾礦庫12萬余座，尾砂積存總量超100億噸，極易發(fā)生水土重金屬污染、泥石流、尾礦庫潰壩等災(zāi)情。與此同時，地下采礦產(chǎn)生了大量采空區(qū)，成為誘發(fā)井下巖石冒落和地表塌陷的主因。

為治理尾礦庫，國家限制了尾礦庫“擴容”，將充填開采作為礦山開采的主推模式。其膏體充填開采，是最優(yōu)的方式。

所謂膏體充填開采，是把采礦產(chǎn)生的廢棄物，如尾礦、煤矸石等，加上粉煤灰、爐渣、劣質(zhì)土、城市固體垃圾等，在地面加工成無臨界流速、不需脫水的類牙膏狀高濃度漿體，并利用大型充填工業(yè)泵通過管道輸送到井下采空區(qū)的新型采礦方法。膏體充填也被稱為“置換開采”，把廢棄物制成膏體“完璧歸趙”到采空區(qū)，同時置換出原來采不出來的礦產(chǎn)資源。

由于充填膏體在地下凝結(jié)后強度高，且無風化和有毒物質(zhì)的釋放，不帶來二次污染，因此膏體充填也被業(yè)界認為是尾礦處理的“終結(jié)者”。

“上世紀90年代，我們開始研究膏體充填。但充填工業(yè)泵、深錐濃密機等關(guān)鍵裝備，進口太貴，用起來還時有‘水土不服’，國產(chǎn)裝備制造也沒跟上，因此膏體充填在我國的應(yīng)用比國外大大滯后。”中南大學資源與安全工程學院教授王新民表示。

“現(xiàn)在，我國有關(guān)國產(chǎn)裝備，特別是成套裝備與工藝、技術(shù)的成功研發(fā)和應(yīng)用，讓膏體充填在我國推廣應(yīng)用有了現(xiàn)實基礎(chǔ)。甚至建設(shè)沒有尾礦庫的綠色礦山，也不是太久遠的夢。”北京科技大學副校長、金屬礦山高效開采與安全重點實驗室主任吳愛祥說。

各項性能超越水砂充填

最終，投資3000多萬的全尾砂膏體充填項目在寶山礦業(yè)啟動，由擁有全尾砂膏體濃密充填核心技術(shù)、工藝及五大核心裝備的飛翼股份有限公司(以下簡稱飛翼股份)實施。

作為我國礦山綠色開采行業(yè)的龍頭企業(yè)，飛翼股份自主研發(fā)了高濃度全尾砂膏體充填中的尾砂濃密、攪拌制備、充填泵送、管路及閥組、中央集中控制系統(tǒng)等5大子系統(tǒng)，從源頭解決各子系統(tǒng)間不兼容難題，實現(xiàn)系統(tǒng)的集中、高效和管理便利性，確保運行可靠性。

以往的充填技術(shù)還有一種常用的水砂充填法。水砂充填是將充填骨料加水制成質(zhì)量濃度較低的砂漿，利用管道、溜槽、鉆孔等自流輸送到待充填地點進行充填的工藝。在水砂充填中水僅僅作為輸送物料的載體，充入采空區(qū)后，充填料留在采空區(qū)，水滲濾出去，沿巷道水溝流入水倉，通過排水和排泥設(shè)施將滲濾出的清水和隨清水流失的細泥排出地表。與傳統(tǒng)的水砂充填相比，膏體充填具有“三不”特性，即漿體不分層、不離析、不脫水。膏體強度均勻、接頂率高，能有效控制巖層移動、防止地表塌陷，可提升金屬礦安全生產(chǎn)水平。膏體固結(jié)時間短、易實現(xiàn)強化開采，為金屬礦高效生產(chǎn)提供新的技術(shù)途徑。在相同充填體強度要求前提下，膏體充填的膠結(jié)材料耗量少，運營成本低，是性價比較高的充填方式。

“它可以提高全尾砂利用率，最大限度地減少礦山固體廢棄物的排放量，實現(xiàn)尾礦廢水的循環(huán)利用，能有效控制充填材料中有害金屬離子擴散，是金屬礦山綠色開采體系的一個重要組成部分。”龔勇兵如此“點評”。

當然，讓龔勇兵選擇高濃度全尾砂膏體充填技術(shù)，不僅因為其“物美”，還有“價廉”的誘惑。飛翼股份率先成功研發(fā)出充填核心裝備，打造了進口裝備的“平替款”。不僅降低了將近五分之二的價格，甚至部分性能超過進口裝備。

“以每小時充填80立方米計算，將2000立方米碎石回填，采用原方法需1個月，現(xiàn)在只需25小時左右。原充填方式需30—40個工人，現(xiàn)在僅需12人，且僅2—3人下井工作即可。高濃度膏體的充填，不僅讓充填后的采空區(qū)很‘結(jié)實’，還不會因雨水沖刷、滲透土地而帶出尾砂中的重金屬，也沒有充填后的二次污染風險，是真正綠色安全高效環(huán)保的開采方式。”龔勇兵說。

以藝定裝避免“水土不服”

“充填開采既復雜又個性化。一萬座礦山，就有一萬種不同地質(zhì)條件的礦區(qū)。充填開采需根據(jù)礦區(qū)具體情況，研究配比差異性充填材料，進行個性化工藝設(shè)計等，才能利用和調(diào)配充填工業(yè)泵，達到充填最佳效果。這也是進口裝備在我國礦山充填開采中容易‘水土不服’的重要原因。因為他們的裝備并非針對中國礦情研制。”飛翼股份董事長張澤武說。

為此，飛翼股份制定了“以藝定裝”的研發(fā)方案，“工藝先行，裝備隨后”，開展充填材料、工藝、全套充填方案設(shè)計和裝備的一體化研發(fā)，研制出了諸多核心技術(shù)。

尾礦膏體充填料漿存在濃度高、輸送時間長、輸送距離遠等特點。從地面往地下輸送過程中，受重力作用影響，易帶來材料分層、離析問題，也易造成堵管。輸送難度遠大于從地面往上方泵送的模式。如何輸送并避免堵管，是成套充填開采工藝與裝備研發(fā)的關(guān)鍵難題。飛翼股份研發(fā)出一種物料控制方式——滿管流輸送技術(shù)，采用節(jié)流排氣等專利技術(shù)，控制立管料漿流速，實現(xiàn)滿管流輸送，防止離析，減少堵管機率。

充填管路根據(jù)礦區(qū)復雜條件鋪設(shè)，沒有及時有效的檢測技術(shù)，容易造成嚴重事故。壓力是反映長距離管道輸送系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù)之一，因此要通過對輸送管路沿線的壓力實時在線監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)管路堵塞故障位置或預(yù)警管道破損位置，以便采取措施避免事故擴大。飛翼股份專項研發(fā)了充填管路防堵塞壓力檢測技術(shù)，該項發(fā)明專利可預(yù)警，并能迅速找到故障發(fā)生點，保障了承接充填項目的一次性實施成功。

“以藝定裝”，飛翼股份成為了全球唯一具備了五大核心充填裝備系統(tǒng)及工藝的企業(yè)，解決了裝備不兼容之困與裝備“水土不服”難題，這也標志著“高大上”的全尾砂膏體充填模式，有了成熟的中國式全套解決方案。

隨著國產(chǎn)化工藝和裝備制造越來越成熟，“平替款”的建設(shè)成本較其國產(chǎn)化之初的價格又降低了30%，運營成本也減少了三分之一以上。“這讓這種充填中的‘貴族’，能被我國大部分礦區(qū)‘消費’得起，對推動我國綠色礦山建設(shè)，有積極促進作用。”龔勇兵說。