充填制备系统详解

在采矿学中，充填采矿法是一种重要的采矿方法，其核心在于利用特定的充填材料来填充采矿过程中形成的采空区。充填制备系统则是实现这一目的的关键技术，通过不同的充填系统和工艺，将充填材料制备成符合要求的充填体，以达到支撑采空区、控制地压、防止地表塌陷等目的。本文将对干式充填系统、水砂充填系统、细砂胶结充填系统以及块石胶结充填系统进行详细梳理和综合分析

一、干式充填系统

1.1  系统概述

干式充填系统是一种传统的充填采矿方法，其基本原理是利用地面的块石或井下的废石作为充填材料，通过运输设备将其直接填充到采空区中。这种方法具有材料来源广泛、成本低廉等优点，但同时也存在诸多不足。

1.2  系统组成与流程

干式充填系统主要由运输设备、充填井口、井下转运系统等组成。其流程大致如下：首先，地面的块石或井下的废石通过运输设备（如铲运机、皮带输送机等）被运送到充填井口；然后，这些材料通过井口进入井下转运系统；最后，经过转运系统的分配和调度，充填材料被填充到指定的采空区中。

1.3  系统特点与局限性

干式充填系统的主要特点是材料来源广泛、工艺简单、成本较低。然而，该系统也存在诸多局限性。首先，其输送速度和输送能力相对较小，导致生产效率低下；其次，劳动强度大，需要大量人力参与；再次，由于充填材料多为块石或废石，其力学性能和稳定性较差，难以满足高强度开采的需求。

此外，干式充填系统还存在环境污染和安全隐患等问题。例如，在运输和充填过程中，会产生大量的粉尘和噪音污染；同时，由于充填材料的不均匀性和不稳定性，可能导致采空区支撑不足，引发地表塌陷等安全事故。

随着采矿技术的不断发展和进步，干式充填系统正逐渐退出历史舞台。

二、水砂充填系统

2.1  系统概述

水砂充填系统是一种利用水力将沙子、碎石或炉渣等充填料输送到井下充填采空区的方法。这种方法具有材料来源广泛、工艺简单、成本较低等优点；但同时也存在充填体质量差、效率低等不足。

2.2  系统组成与流程

水砂充填系统主要由充填料制备站、输送管道、井下沉淀池等组成。其流程大致如下：首先，在充填料制备站中，将沙子、碎石或炉渣等充填料与水混合成料浆；然后，通过输送管道将料浆输送到井下；在井下，料浆经过沉淀池沉淀后，充填材料被填充到采空区中；而剩水则通过排水系统排到地表进行处理。

2.3  系统特点与局限性

水砂充填系统的主要特点是工艺简单、成本较低、材料来源广泛。然而，该系统也存在诸多局限性。首先，其充填体的质量较差，基本上没有强度；其次，由于需要构筑沉淀池和排水系统，增加了额外的投资和运营成本；再次，由于料浆的输送距离和高度有限，限制了系统的适用范围和规模。

此外，水砂充填系统还存在环境污染和安全隐患等问题。例如，在料浆制备和输送过程中，会产生大量的废水和固体废弃物；同时，由于料浆的流动性和不稳定性，可能导致管道堵塞或泄漏等安全事故。

三、细砂胶结充填系统

3.1  系统概述

细砂胶结充填系统是一种高效、高质量的充填采矿方法，其核心在于利用细砂（如尾砂、棒磨砂、河砂等）作为充填骨料，并添加适量的胶凝材料（如水泥、粉煤灰等）和水进行搅拌，形成具有一定强度和稳定性的充填体。这种方法具有充填体质量高、稳定性好、适应性强等优点，因此在现代采矿中得到广泛应用。

3.2  系统组成与流程

细砂胶结充填系统主要由充填料制备站、输送管道、井下充填工作面等组成。其流程大致如下：

1.充填料制备：首先，将选矿厂产生的尾砂或其他细砂进行分级脱泥处理，去除其中的细泥和细小颗粒，以提高充填骨料的质量。然后，将处理后的细砂与水泥、粉煤灰等胶凝材料以及适量的水混合，在搅拌桶中进行充分搅拌，形成均匀的充填料浆。

2.充填料输送：将制备好的充填料浆通过输送管道输送到井下充填工作面。在输送过程中，需要控制料浆的浓度和流量，以确保充填体的质量和稳定性。

3.井下充填：在井下充填工作面，将充填料浆通过管道或其他方式注入到采空区中。随着料浆的注入，充填体逐渐形成并支撑起采空区的顶板。同时，需要控制充填体的厚度和均匀性，以确保其满足设计要求。

3.3  分类与特点

细砂胶结充填系统根据充填骨料的不同，可以分为分级尾砂充填和全尾砂充填、膏体充填三大类。

1.分级尾砂充填：分级尾砂充填，它的充填骨料就是利用分级尾砂，也就从选厂出来排到尾矿库里面的尾砂进行分级。那么充填前需要进行分级脱泥，把尾砂中的细泥部分把它脱除掉，尤其是要把这种比较小的颗粒，细小的颗粒要进行脱除掉。那么充填骨料它可以利用卧式砂仓，也可以利用立式砂仓。当然还有一种就叫深锥浓密机来存砂和放砂。

2.这种分级尾砂充填的话，它的渗透系数比较好。因为颗粒比较粗，凝固时间短，还有这个脱水速度快，因此它的充填体强度比较好，质量比较高。当然缺点就是需脱泥，就是不能把尾砂百分之百的利用，需要脱去细泥部分。这样的话尾砂的利用率就降低了。同时脱除的细泥再回到尾矿库里的话，它很难筑坝。就无法用它来进行筑坝。

3.这是一个采用卧式纱仓制备充填料浆的一个分级尾砂充填系统。

4.大家从这个工艺图大家可以看出来，这是一个卧式砂仓。那么我们可以通过运输设备把尾砂堆放到卧式砂仓里面。然后再通过皮带或者通过其他的一些给料设备，把它给料到搅拌桶里面。同时水泥和水等这些充填料也加到充填搅拌桶里面，把水泥、水和沙子进行搅拌之后，通过管道输送到井下，充填到采场中的过程。

5.这是一个采用立式砂仓存放尾砂：

6.存放分级尾砂来进行制备充填系统，制备充填料的这么一个过程。1和3它分别是一个立式砂仓，中间这个是水泥仓。这个水泥仓的水泥和砂仓的尾砂，通过放料、放砂放到底底下的这个搅拌系统，通过搅拌桶搅拌之后，疏通到井下充填到采场的过程。当然这个系统里面还有其他的一些比较复杂的一些设施，我们这里面不一一介绍。

全尾砂充填：

1.全尾砂充填与刚才的分级尾砂充填相比，就是不需要除泥，它的充填骨料就是全尾砂。也就是说把选矿厂排到尾矿库里的全部的尾砂，把它利用起来，充填到井下采空区这个过程。对于这个全尾砂的充填来讲，由于它的细泥含量比较高，而且细泥在充填过程中也可能会分离，会导致充填体的质量降低，强度达不到要求。所以说对于利用全尾砂充填来讲，它的关键就是全尾砂要进行浓缩，而且要通过实验。只有经过浓缩之后，它的浓度达到一定要求，这样的话，才不会致使这个细泥与粗颗粒进行分离。那么这一种全尾砂重填制备系统，它的优点就是尾砂利用率高，它减轻了这个地表的尾砂堆放的压力。但是缺点就是于细泥颗粒多，因此它的渗透系数小，脱滤水速度慢、凝固时间长，强度会受到一定的影响。

2.这是一个全尾砂制备系统的工艺流程图。

3.在选场采用这个浓密机对尾矿库里面全尾砂进行浓缩。浓缩之后再通过给料机，像皮带输送机或者是螺旋输送机等方式，把它输送到双轴搅拌系统搅拌桶。另外其他的胶凝材料，水泥、粉煤灰等其他胶凝材料以及水，同时的话也把它加入到这个搅拌机中。搅拌之后，再把它通过管道输送到井下。如果说浓度比较高，因为浓缩之后浓度比较高的话，那我们肯定要采用工业泵，用泵送的方式才能把它泵送到井下。

膏体充填：

1.所谓膏体充填就是将一种或者是多种充填材料与水进行优化组合，达到高浓度，配置成具有良好稳定性、流动性和可塑性的牙膏状膏体。那么这种膏体在重力或者是泵压作用下面，以柱塞流或者结构流的形态输送到采空区完成充填作业的过程。这种充填的方式它的抗离析性能好，因为它浓度比较高。第二个制备的充填体强度高，也无需脱水，但是缺点就是需要提供动力泵送。这是一个金川集团采用的这个膏体泵送的工艺流程图。

2.选矿尾砂经过浓密机，经过浓密之后输送到尾砂仓，然后输送到搅拌机。那么水泥或者是其他胶凝材料也同样输送到搅拌机。水和其他的材料同样的话，在搅拌机里面搅拌之后，输送到井下的这么一个流程。

3.4  系统优势与挑战

细砂胶结充填系统的优势主要体现在以下几个方面：

1.充填体质量高：由于采用了细砂作为充填骨料，并添加了适量的胶凝材料和水进行搅拌，因此充填体的强度和稳定性较高。

2.适应性强：该系统适用于各种地质条件和开采条件，可以满足不同采矿方法的需求。

3.环保效益好：通过充分利用尾砂等废弃物作为充填材料，减少了地表尾砂的堆放压力，有利于环境保护和可持续发展。

然而，细砂胶结充填系统也面临一些挑战：

1.成本较高：由于需要添加胶凝材料和水进行搅拌，以及输送管道和设备的维护成本较高，因此该系统的成本相对较高。

2.技术难度大：该系统需要精确控制充填料浆的浓度、流量和输送速度等参数，以确保充填体的质量和稳定性。同时，还需要对充填骨料进行分级脱泥或浓缩处理，增加了技术难度和复杂性。

四、块石胶结充填系统

4.1 系统概述

块石胶结充填系统是一种利用废石或块石作为充填骨料，并添加适量的胶凝材料和水进行搅拌后填充到采空区中的方法。该方法结合了干式充填和水砂充填的优点，具有充填体强度高、稳定性好、材料来源广泛等优点。

4.2 系统组成与流程

如下图所示。

块石胶结接充填系统的话，它是利用废石干式充填。与尾砂或者是细砂的管道充填混合的充填方式。地表块石可由地表通过废石溜井经井下转运系统把它充填到采空区。那么井下的废石的话，可以直接用铲运机或者用其他的这个方式运到采场，经集料系统通过转运到采场的过程。那么胶结充填料，就是细砂胶结。可以由管道输送灌入块石的缝隙中，来实现把这个细砂胶结。细砂与块石胶结成一个整体的这么一个过程。这是一个快速交接充填系统的这么一个流程图，在井下或者是地表的废石，通过运输设备（比如说皮带机或者是振动给料机）输送到采厂。另外细砂胶结，通过地表制备系统把它制备成料浆输送到井下，然后在井下采场里面进行混合的过程。

块石胶结充填系统主要由废石来源、块石筛分与破碎设备、胶凝材料制备站、输送设备、搅拌设备、井下充填工作面等组成。其流程大致如下：

1.废石来源与预处理：废石可以来自地表或井下的开采过程。地表废石通过运输设备（如皮带机、自卸车等）运送到废石筛分与破碎设备处。井下废石则可以直接通过铲运机或其他运输设备运送到井下充填工作面附近。在筛分与破碎设备处，对废石进行筛分和破碎处理，以满足充填骨料的要求。

2.胶凝材料制备：将水泥、粉煤灰等胶凝材料按照一定比例混合，并加入适量的水进行搅拌，形成均匀的胶凝材料浆体。

3.块石与胶凝材料混合：将预处理后的废石块石与制备好的胶凝材料浆体在搅拌设备中进行混合。搅拌设备通常采用双轴或三轴搅拌机，以确保块石与胶凝材料充分混合均匀。

4.输送与充填：将混合好的充填料通过输送设备（如皮带机、刮板输送机等）输送到井下充填工作面。在充填工作面，通过管道或其他方式将充填料注入到采空区中。为了确保充填体的质量和稳定性，需要控制充填料的浓度、流量和输送速度等参数。

4.3 系统特点与应用

块石胶结充填系统的特点主要体现在以下几个方面：

1.充填体强度高：由于采用了块石作为充填骨料，并添加了适量的胶凝材料和水进行搅拌，因此充填体的强度和稳定性较高。

2.材料来源广泛：废石可以来自地表或井下的开采过程，因此材料来源广泛且易于获取。

3.适应性强：该系统适用于各种地质条件和开采条件，可以满足不同采矿方法的需求。

4.环保效益好：通过充分利用废石等废弃物作为充填材料，减少了地表废石的堆放压力，有利于环境保护和可持续发展。

块石胶结充填系统广泛应用于矿山开采中，特别适用于需要高强度和稳定性充填体的场合。例如，在深部开采中，由于地压较大，需要采用高强度和稳定性的充填体来支撑采空区顶板；在复杂地质条件下，由于地层稳定性差，需要采用块石胶结充填系统来提高地层的稳定性和承载能力。

4.4 技术挑战与解决方案

块石胶结充填系统在应用过程中也面临一些技术挑战：

1.块石筛分与破碎：废石块石的大小和形状各异，需要进行筛分和破碎处理以满足充填骨料的要求。然而，筛分和破碎过程会增加能耗和成本，并可能产生粉尘污染。为了解决这个问题，可以采用高效的筛分和破碎设备，并加强粉尘控制措施。

2.充填料输送与控制：块石胶结充填料具有较大的密度和粘度，输送过程中容易堵塞管道或影响输送效率。为了解决这个问题，可以采用适合的输送设备和管道材质，并加强输送过程中的控制和监测。

3.充填体质量控制：块石胶结充填体的质量受到多种因素的影响，如块石大小、胶凝材料种类和用量、水灰比等。为了确保充填体的质量和稳定性，需要对这些因素进行严格控制和优化。可以采用智能化管理系统对充填过程进行实时监测和控制，以提高充填体的质量和稳定性。

4.5 发展趋势与创新方向

随着采矿技术的不断进步和可持续发展要求的提高，块石胶结充填系统也在不断创新和完善。未来的发展趋势主要包括以下几个方面：

1.高效筛分与破碎技术：研发更加高效、节能的筛分和破碎设备和技术，以降低能耗和成本，并减少粉尘污染。

2.智能化管理与控制技术：引入智能化管理系统对充填过程进行实时监测和控制，以提高充填体的质量和稳定性，并降低运营成本和风险。

3.环保型充填材料与技术：研发更加环保、可再生的充填材料和技术，以减少对环境的影响。例如，利用工业废弃物或再生资源作为充填骨料或胶凝材料；采用生物或化学方法改善充填体的性能和稳定性等。

4.多功能充填系统：将块石胶结充填系统与其他采矿技术相结合，形成多功能、综合性的采矿系统。例如，将充填系统与崩落法或房柱法相结合，实现采矿和充填的同步进行；利用充填体作为地下空间的支撑结构或隔离层等。

结论

综上所述，干式充填系统、水砂充填系统、细砂胶结充填系统和块石胶结充填系统都是重要的充填采矿方法和技术。它们各自具有不同的特点和应用场景，可以根据具体的采矿条件和需求进行选择和应用。