近20年来，膏体充填技术取得了很大的进步，在全世界范围内备受关注，尤其是在加拿大、南非、澳大利亚、德国、美国等矿业发达国家得到应用。膏体充填技术可以使用全尾砂，具有料浆不脱水离析、充填体强度高、水泥耗量小等优点，是充填技术的发展方向。我国也不例外，从上世纪80年代起就开始跟踪研究膏体充填技术，先后在各大公司、大冶有色金属公司、普泰充填有限公司进行试验研究，在尾砂浆浓密制备、水泥添加以及膏体搅拌制备、膏体泵压输送等方面取得了突破。

一、膏体充填技术提出的背景

矿山开采一直有两大问题：安全生产与环境保护。安全问题，主要是从地下采出矿石后留下空场，空场上部的岩石垮落造成人员伤亡和财产损失；环保问题，主要是矿石中有用金属提取后剩下的固体废弃物。

据统计，我国现有大大小小的尾矿库12000多座，金属矿山堆存的尾矿达到80亿t以上，且以每年6亿t的速率增长。目前，全尾处置方式主要分为井下充填与地表堆存，其共同特征是尾矿制备与输送浓度低。在进行低浓度胶结充填时，砂浆浓度较低，需要以较高的流速输送，管道磨损严重；进入采场后，由于含水率较高，料浆凝固时间长，容易离析分层，强度低，脱水困难；一些固体废弃物含有大量的有害物质，如氯离子、铜离子、砷离子等，可能影响到人们的用水安全。另外，尾矿浆低浓度地表排放使得尾矿库中含有大量的水，尾砂固结时间长，尾矿库浸润线高，增加了尾砂振动液化的可能性，降低了安全等级；同时，排入的尾砂浆浓度低使得尾矿库的有效库容降低，缩短了使用年限。

为了解决上述问题，使用尾砂时必须提高其浓度，因此提出膏体充填技术。

二、膏体充填技术的定义、分类

将一种或多种充填材料与水进行优化组合，制备成具有良好稳定性、流动性和可塑性的牙膏状胶结体，在重力或外加力作用下以柱塞流的形态输送到采空区完成充填作业的过程称为膏体充填。

当砂浆的体积浓度大于50%时，料浆呈稳定的粥状膏体，并像塑性结构体一样在管道中作整体运动，膏体中的固体颗粒一般不发生沉淀，层间也不出现交流，而呈现“柱塞状”的运动状态。膏体柱塞断面上的速度和浓度的变化为常数，只是润滑层的速度有一定的变化。细粒物料像一个圆环，集中在管壁周围的润滑层慢速运动，起到“润滑”的作用。由于膏体料浆的塑性粘度和屈服切应力均较大，因而必须施加外力克服膏体屈服应力后，方可流动。

膏体充填的实质在于膏体材料的胶质性及保水性。一方面，这种胶质特性使膏体通过钻孔或管道输送时不存在临界流速，同时允许膏体在管道中滞留一段时间；另一方面，材料的胶质粒子可使所有的水分子都保留在膏体中，膏体充填到采空区后不会出现脱水现象。

根据物料组成不同，膏体可分为细粒级膏体、粗粒级膏体和改性膏体。细粒级膏体是由全尾砂、水及胶结材料组成的，其中胶结材料可以是普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。粗粒级膏体是在全尾砂中添加粗颗粒物料，如风砂、棒磨砂、水淬碴、碎石等，在某种程度上来讲，膏体充填应该包括块石充填技术，其目的是为了提高充填体强度，改善膏体流动性。改性膏体是在粗粒级膏体的基础上添加改性材料，如粉煤灰、早强剂、减水剂、减阻剂等。

三、膏体的三个技术条件和充填特点

膏体的三个技术条件：

i.稳定性。充填物料具有抵抗分层、离析的能力，使膏体在输送管道中停留数小时不沉淀、不分层、不离析，能顺利地进行输送。

ii.流动性。膏体能在外力或重力作用下在输送管道中或采空区顺利流动。

iii.可塑性。膏体能够在克服屈服应力后产生非可逆变形的能力，也就是膏体在通过输送管道弯道部位、变形锥形管、管接头等管件时，形状发生变化而内部结构不变。

膏体充填特点：

1、膏体料浆像塑性结构体一样在管道中作整体运动，固体颗粒一般不发生沉淀，呈柱塞状流动。管壁处的速度梯度与摩擦阻力和表面润滑层的粘度有关。

2、膏体充填料的内摩擦角较大，凝固时间短，能迅速对围岩和矿柱产生作用。

3、尾砂膏体充填的料浆重量浓度一般在75%以上，尾砂利用率高，一般为90％～95％。

4由于膏体充填料浆浓度高，无需脱水，因此减少了井下充填污染及排水费用；

5、充填体强度高且水泥耗量少，可以适当降低充填成本；

6、充填体易于接顶，有利于采场稳定和采矿作业安全性；

7、膏体的稳定性、和易性和可泵性，决定了进行长距离输送时不会造成堵管，从而解决了实际操作中长距离输送的问题。

四、膏体的流变性质及充填技术的优缺点

真实物体在荷载外力的作用下都将发生物质流动与变形，而流变学是研究荷载下物质流动与变形的科学。对于膏体的流变模型，可用下式表示：

式中τ为剪切应力，为剪切速率，膏体充填料的流变模型属于宾汉塑性体，故为屈服剪应力，为塑性粘度系数。

膏体流变力学物理模型为

膏体泵送胶结充填的主要优点：

1、尾砂利用率高，可节省大部分采集、加工充填料的费用；

2、减少尾矿库基建、经营和维护费用；

3、水泥用量减少，充填主要成本降低；

4、改善井下作业环境、节省排水、排污费用等。

膏体充填的主要缺点：一次性基建投资大，工艺设备环节多，维护管理复杂，相比较其它采矿方法成本较高。

五、膏体充填技术的五个主要环节

1.膏体充填材料的组成

用于膏体充填的材料选择范围较广，-25 mm左右的物料均可使用，但应保持合理的配比。根据国内外泵送充填的实践经验，可将输送的固体颗粒以0.25mm为界划分粗细颗粒，直径大于0.25 mm的为粗颗粒，小于0.25 mm的为细颗粒，其中小于25 um的称极细颗粒。加入粗颗粒是为了提高充填浓度，但粗细粒重量比值不能大于1。同时，极细物料含量应达到20％～25％，这样有利于泵送。

2.全尾砂浓缩与脱水

尾砂膏体泵送充填工艺要求尾砂浆浓度为65％～80％，而选矿厂输送出的尾砂浆浓度通常很低，一般在25％～30％之间，因此，将选矿厂输送来的尾砂浆进行高效浓缩脱水非常重要。

我国脱水浓缩工艺主要分为两类。一类是以过滤机、压滤机为核心的脱水工艺，制造出的滤饼浓度达到80％～85％；第二类是以新型深锥浓密机为核心的脱水工艺，底流浓度达到70％～78％。我国早期多使用过滤机压滤机作为膏体充填中的尾矿脱水设备，由于其脱水效果好，脱水工艺简单，得到了广泛的应用。但是所制备的滤饼浓度过高，无法制备流动性好的膏体，因此在混料过程中需要添加一定量的水，以保证膏体具有较好的流动性。但是这种选脱水再加水的做法浪费了大量的电力和能源，而且过滤机能耗较大，且滤布需要经常更换，成本较高。

我国目前多使用新型连续式浓密机进行尾矿的脱水，脱水效果完全达到膏体的制备要求。实验室试验及理论分析表明，坍落度小于22 cm时，充填料浆流动阻力较大，在充填倍线较小的条件下(N<2～3)难于实现自流输送，而需采用泵压输送。

3.水泥添加方式

水泥添加方式是根据添加地点及添加种类来划分的。按水泥添加地点不同，添加方式分为地面添加和井下添加两种；根据添加种类不同，又分为干式添加与湿式添加。将添加地点及添加种类排列组合，常用的添加方式共有四种：地表添加干水泥；井下添加干水泥；地表添加水泥浆和井下添加水泥浆。由于井下添加干水泥方式需要采用风力输送干水泥系统，而长距离风力输送干水泥系统特别复杂，存在着压风净化、井下除尘与污风排放以及风力添加干水泥的计量问题，所以井下添加干水泥方式几乎不用于实际生产。

4.膏体搅拌制备

对于制备含有粗骨料的膏体，采用卧式二段串联搅拌工艺，多种物料必须经过串联的两台卧式搅拌机搅拌均匀才能制备合格的膏体。卧式搅拌机搅拌叶轮远远多于立式搅拌机，转动过程中对物料的剪切作用更加直接和全面，且卧式搅拌机转速较慢，降低了扭矩与功率的要求，同时又不会因为过度的搅拌而使膏体离析。该工艺运用较为广泛，对于水泥干式添加且有粗骨料的膏体制备效果尤为明显。

近20年来，膏体制备设ATDⅢ型系列混合搅拌机已成为专用膏体充填配套设备，一段搅拌为ATDⅢ—φ600双轴叶片式搅拌机，采用间断非等螺距交叉组合叶片搅拌器；二段搅拌为ATDⅢ—φ700双螺旋搅拌输送机，采用内外反向螺带螺旋搅拌器。金川公司的充填采矿实践证明，搅拌系统的故障率在15％左右，明显低于全尾砂过滤系统、粉煤灰系统。膏体泵送系统，还主要依赖于国外进口设备，均为全液压双缸活塞泵。

5.膏体管道输送

多采用泵送的方式将膏体通过管道输送至井下。由于膏体浓度较高，膏体输送泵均为柱塞泵或隔膜泵，用于输送膏体的管道一般为高强度钢管，公称直径均为150 mm。自流输送是以自身的势能为动力，克服管道沿程阻力而流动。实现自流的条件是在系统中具备的势能必须大于流经管道系统时克服沿程阻力所需要的能量。

六、膏体充填技术的生产应用

1.会泽铅锌矿全尾膏体胶结充填

几十年来的采矿使会泽铅锌矿积存了60多万t的选矿尾砂和100多万t的冶炼水淬渣，而且每年地表尾砂和水淬渣积存量以25～30万t的速度激增。尾矿库和水淬渣场已无法扩容，且矿区属于长江上游水土保持和环境保护区，工业废物排放和堆存受到严格限制。因此，必须将地表尾砂和水淬渣利用起来，排入井下充填采空区。因此该矿在2006年兴建了以深锥浓密机为核心的膏体泵送充填系统。

膏体充填工艺流程如下图1所示，来自选厂和尾矿库的全尾砂浆经搅拌均匀后直接送人深锥浓密机中，经浓缩后造浆浓度为76％～78％。冶炼水淬渣经圆盘给料机及皮带秤计量输送，水泥经双螺旋给料机及冲叛流量计计量输送，三种物料共同进入双轴叶片式搅拌机和双螺旋搅拌输送机中进行二级搅拌，制备成浓度78％～80％的膏体料浆，经双缸活塞泵沿φ150mm管道泵人井下充填采场。

普泰充填公司膏体充填应用成功的关键在于大大简化了工艺流程。采用深锥浓密机进行一段浓密脱水，在地表将干水泥直接添加工艺制备膏体，采用塌落度为20～25cm的膏体物料进行充填，降低了膏体充填工艺的实际操作难度。会泽膏体充填浓度达到78％～8l％，最大日充填1264m³，月均充填能力也达到11000m³。截止到2010年9月已经向井下输送膏体371481m³，消耗尾砂441232.75t，尾砂的消耗缓解了尾库库容压力，充填的膏体缩短了采场接替的时间，改善了岩石的应力状态，净化了井下工作环境，目前矿山生产已完全依赖该技术。

2.普泰充填公司膏体充填泵送胶结充填

普泰充填公司公司是我国较早进行膏体充填技术研究的矿山，为我国应用该项技术奠定了技术基础。1987年开始膏体充填室内试验及半工业试验，1992年开始着手膏体泵送充填系统的规划与建设，1999年8月已初步建成了具有自己特色的膏体泵送充填系统，如图2所示。

通过长期试验研究，在理论方面，膏体可泵性测定、膏体物料流变特性、膏体充填系统可靠性取得了可喜的成果，并提出了金川似均质料浆水力坡度经验公式。在工艺方面，膏体制备工艺、膏体输送工艺等方面成绩斐然，其中膏体二段连续搅拌设备已经定型，得到推广应用。