（矿业工程专业论文）金川二矿区充填体质量与成本控制的研究.pdf

昆明理工人学t 程硬，l 学位论文余川二二矿区充填体质量。j 成本控制的研究 摘要 金川二矿区二期工程采用机械化盘区式下向分层水平进路胶结充填采矿 法，控制充填体质量和成本是二矿区胶结充填采矿法研究的重要内容和发展方向 之一。本文首先论述了充填体质量对开采安全、矿石损失贫化、充填体成本的影 响，说明二矿区充填体质量和成本控制的研究立项很有必要性。 本课题完成了两个比较重要的工业试验即二矿区机械化采矿盘区进路充填 滤水工业试验和井下废料资源化工业试验，现均己试验成功。这两项试验均具有 工艺独创性。这为充填体质量和充填体成本控制的研究提供了重要支持。 通过深入调查研究，本文比较全面地分析了影响二矿区充填体质量的因素。 包括充填材料、待充填采场的准备情况、充填过程控制等环节。针对影响充填体 质量的主要因素，作者提出了相应的技术措施。实践证明，这些技术措施符合二 矿区实际情况，在控制充填体质量方面效果明显。 在保证充填体质量的前提下，对充填体成本进行控制。主要采取两个方面 的技术措施：一方面，优化进路底部充填，控制灰砂比为i ：4 的充填料浆所占待 充填进路空间的比例，节约充填材料费用；另一方面，在进路底部回填废料混凝 土，实现井下固体废料资源化。 通过优化充填过程，以及在采矿盘区待充填进路内回填废料混凝土，使井 下固体废料资源化，达到了控制充填体质量和充填体成本的目的，已经取得了显 著的效果。不仅年可节约直接费用约5 7 0 万元，而且对安全生产、降低矿石贫化 率、保护环境等具有促进作用。 金川二矿区充填体质量与成本控制的研究所取得的成果，对于类似开采条 件的矿山可借鉴和推广应用。 关键词：工业试验充填体质量充填体成本 控制效益分析 昆叫理工人学工程硕士学位论文金川二矿区充填体质量与成本控制的研究 a b s t r a c t t h em e c h a n i z e dp a n e lc o n s o l i d a t e dc u t a n d - f i l lm e t h o dw i t hd o w n w a r d h o r i z o n t a ls l i c i n ga p p r o a c hi sa d o p t e db yt h es e c o n dp r o j e c to ft h en o 2 m i n i n ga r e ai nj i n c h u a n a n dc o n t r o l l i n gq u a l i t ya n dc o s to ft h ef i l l i n g b o d yi so n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t sa n dd e v e l o p i n gw a y s t h ep a p e r f i r s t l yd i s c u s st h a tt h ei n f e c t i o no ft h ef i l l i n gb o d yq u a l i t yt om i n i n g s a f e t y ，l o s ea n dd i l u t i o no fo r e ，t h ec o s to ff i l l i n gb o d y i ti sp r o v e d t h a ti ti sn e c e s s a r yf o rt h er e s e a r c ho fc o n t r o l l i n gt h eq u a l i t ya n dc o s t o ff i l l i n gb o d y t w oi m p o r t a n ti n d u s t r yt e s t sh a v eb e e nc o m p l e t e di nt h i sp r o j e c t ， n a m e l y ，t h ei n d u s t r yt e s to fm e c h a n i z e dm i n i n gp a n e la p p r o a c hf i l l i n g f il t e r i nt h en o 2m i n i n ga r e aa n dt h a t o ft h eu n d e r g r o u n dw a s t e r e u t i l i z a t i o n n o w , t h e yh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yt e s t e d t h et w ot e s t sa r e c r e a t iv ei nt h em i n e a n dt h a ti si m p o r t a n ts u s t a i nf o rt h er e s e a r c ho f c o n t r o l l i n gt h eq u a n t i t ya n dc o s to ff i l l i n gb o d y a c c o r d i n gt ot h ef u r t h e rr e s e a r c h ，t h ea r t i c l ec o m p l e t e l ya n a l y s e s f a c t o r st h a ta f f e c tt h eq u a l i t yo ff i l l i n gb o d yi nt h en o 2m i n i n ga r e a ， i n c l u d i n gf i l l i n gm a t e r i a l 。p r e p a r i n gc o n d i t i o no fs t o p e st ob ef i l l e d ， c o n t r o lo ff i l l i n gp r o c e s sa n ds oo n a i m i n ga tt h em o s t l ye f f e c tf a c t o r s o ft h ef il1i n gb o d yq u a l i t y ，t h ea u t h o rg i v e sc o r r e s p o n dt e c h n i c a l m e a s u r e s i ti sp r o v e dt h a tt h e ya c c o r dw i t ht h ea c t u a lt h i n go ft h en o 2 m i n i n ga r e a ，a n dt h e r ei sa no b v i o u se f f e c tf o rc o n t r o l l i n gt h ef i l l i n g b o d yq u a li t y i nt h ep r e m i s eo fa s s u r i n gt h ef i l l i n gb o d yq u a j t y ，w ec o n t r o lt h e l il 【i n gb o d yc o s t t h e r ea r em a i n l yt w ot e c h n ic a lm e a s u r e s ：o nt h eo n e h a n d ，o p t i m i z a t i o na p p r o a c hb o t t o mf i l l i n g ，c o n t r o l l i n gt h es c a l eo ft h e f i t l i n ge l e m e n to f1 ：4a s ha c c o u n t i n gf o rt h es p a c ea p p r o a c ht ob ef i l l e d ， a n ds a y in gc o s to ft h ef i l l i n gm a t e r i a l o nt h eo t h e rh a n d ，b a c k f i l l i n g s c r a pc o n c r e t ei n t h e a p p r o a c hb o t t o m ，r e a l iz i n gr e u s i n go f t h e u n d e r g r o u n ds o l ids c r a p b yt h ec o u r s eo fo p t i m i z a t i o nf i l l i n g ，b a c k f i l l i n gs c r a pc o n c r e t e i nt h ea p p r o a c ho fs t a y i n gf i l l i n gt h em i n i n gp a n e l ，t h eu n d e r g r o u n ds o li d s c r a pisr e s o u r c e d ，a n da r r i v i n ga tt h ea i mo fc o n t r o l li n gt h eq u a lit y i l 曼型些王查兰王篓堡：! ：堂堡垫兰二二垒删三! 堕壅望竺垦墼! ! 盛查篓型竺婴壅 a n dc o s to ft h ef i l l i n gb o d y ，a n di th a san o t a b i l i t ye f f e c t i tn o to n l y s a v e s5 7m i l l i o n so ft h ed i r e c tf i i i i n gc o s te v e r yy e a r ，b u ta l s oh a s p r o m o t e dt h em i n e ss a f e t yp r o d u c t i o n ，r e d u c e do r ed i l u t i o n ，p r o t e c t e d e n v i r o n m e n ta n ds oo n t h er e s e a r c hr e s u l to fc o n t r o l l i n gt h ef i l l i n gb o d yq u a l i t ya n dc o s t o ft h en o 2m i n i n ga r e ai nj i n c h u a n ，c a nb em a d eu s e db y t h eo t h e rm i n e s h a v i n gt h er e s e m b l a n c em i n i n gc o n d i t i o n k e yw o r d s ：i n d u s t r yt e s t ，q u a l i t yo ft h ef i l l i n gb o d y ，c o s to ft h e f i l l i n gb o d y ，c o n t r o l ，b e n e f i ta n a l y s i s 垦矍墨三查堂三矍堕主兰垡丝苎堕型丝兰堕 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声名的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：智甓、逐 日期：洳耋年于月j 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名： 洹! ：暨 论支作者签名。登丝：丞 日期：0 n f 年? 月ls 日 昆叫理丁人学_ ：r ：程硕士学位论文金川二矿区充填体质量与成奉控制的研究 第一章绪论m 妇咖 按照回采时的地压管理方法，硬岩地下采矿方法通常可分为空场采矿法 ( 或自然支撑采矿法) 、崩落采矿法和充填采矿法( 或人工支撑采矿法) 。其中 充填采矿法在半个世纪内得到了长足的进步和更加广泛的应用。 充填采矿法通常用于开采矿石品位高或价值大的有色、稀有和贵金属，有 发火危险、开采技术条件复杂和露天与地下同时开采的矿床。为保护地表耕地、 森林、建构筑物、河流、湖泊和矿体上部贫矿，防止和缓和矿山地压活动，有 效处理尾砂和废石等，也采用充填采矿法回采地下矿体。 1 1 充填采矿法分类 根据所采用的充填材料和输送方式的不同，可将充填采矿法分为：用矿车、 风力或其他机械输送干充填料充填采空区的于式充填采矿法；用水力管道输送 选厂尾砂、山砂、河砂、炉渣、棒磨砂、碎石等充填料充填采空区的水力充填 采矿法；用水泥及其代用品或其它胶凝材料与选厂尾砂等骨料配制成具有胶结 性质的充填材料充采空区的胶结充填采矿法。 按回采方式不同，对充填采矿法分组： 1 、单层充填法：( 1 ) 壁式垂直分条充填法，( 2 ) 连续垂直分条充填法，( 3 ) 连 续倾斜分条充填法： 2 、分层充填采矿法：( 1 ) 上向分层充填法，( 2 ) 上向进路充填法，( 3 ) 点柱式 上向分层充填法，( 4 ) 削壁充填采矿法，( 5 ) 下向分层充填法； 3 、分段充填采矿法：( 1 ) 无底柱分段充填法，( 2 ) 有底柱分段充填法； 4 、阶段充填采矿法：( 1 ) 分段空场嗣后阶段充填法，( 2 ) 阶段空场嗣后阶段 充填法，( 3 ) v c r 嗣后阶段充填法，( 4 ) 留矿采矿嗣后阶段充填法，( 5 ) 房柱采矿嗣 后阶段充填法。 当然，对于仅仅是为了维护采空区，不是为了采矿而实行的充填方法，亦 可称之为处理采空区，它不能混同于前面所指的充填采矿法，因为这是充填作 业只是处理采空区的一种手段，并非采矿方法的一道工序，无论充填还是不充 填都不至于影响矿山生产储备矿量的平衡和采矿生产。 现举几种充填采矿法矿山实例： 1 、上向分层充填采矿法矿山实例：澳大利亚m o u n ti s a 银铅锌矿，矿体 厚4 1 1m ，走向长1 0 0 8 0 0m ，倾角6 5 0 ，矿体间距6 4 5m ，矿体间相互平行， 围岩和矿石条件不允许采用空场采矿法，故采用机械化上向分层充填法。 基塑丝三叁堂三垦堡：蔓兰垡垫墨= 叁型三芏竺蔓堕堡堡量兰些查篓塑塑婴壅 2 、下向分层充填采矿法：其最为关键结构是人工假顶，因各项回采作业 均须在其保护下安全地进行。故有资料推荐人工假顶单轴抗压强度设计一般取 4 5m p a 。矿山实例有：瑞典中部6 a r p e n b e r y 铅锌矿和中国金川龙首矿、二矿 区。 3 、斜壁连续垂直分条密实充填法：在开采薄及中厚以下的缓倾斜矿体时 可采用。其特点是将矿体沿走向划分成宽为6 1 2m 的垂直的或倾斜的条带， 用浅孔向上回采或长壁连续回采。不留问柱，连续回采，逐条充填。矿山实例： 芬兰沃洛斯( v u o r o s ) 铜矿。此矿为一长条形的板状多金属共生矿体，赋存于石 英岩中，矿体走向长3 5 0 0m ，宽i 0 0 2 0 0m ，厚度平均5 6m ，埋藏深度5 0 1 5 0m ，矿体倾角平缓，局部达3 0 0 。矿石平均品位含铜2 2 5 。采用斜壁连 续垂直分条密实充填法回采，用浓度为6 0 的脱泥尾砂浆进行充填。 4 、分段充填采矿法：分为有底柱和无底柱分段充填法。矿山实例：中国 白银公司小铁山矿。此矿是一铜、铅、锌为主并伴生金银的多金属矿床。矿体 以似层状产出，矿体分枝复合较多，上下盘不太稳固。含矿层厚度3 9 ，矿体 倾角平均为7 5 0 ，矿体不稳固。采用无底柱分段分条充填法。 5 、阶段充填采矿法：是指用空场采矿法回采矿房或问柱，尔后需用充填 料及时充填采空区，以便为间柱或周围采场的回采创造条件，并能起到支撑上、 f 盘围岩或维护周围的充填体的一种采矿方法。它的突出特点是：一充填作业 集中，充填工作量大；二充填前的采场密闭工作。要求充填尽爨采用高效的充 填方式，并使充填体具有一定的强度和能够自立，以保证相邻采场或矿柱回采 时的安全和充填体不致塌落。目前国内外矿山主要用尾砂胶结、块石胶结充填 矿房，而矿柱回采则根据需要采用胶结、部分或全部非胶结充填料。矿山实例： 澳大利亚m o u n ti s a 矿。m o u n ti s a 矿1 1 0 0 。铜矿体，走向长度约2 5 0 0m ， 矿体顶部距地表6 0 0m ，延伸约3 0 0m ，矿体厚度为3 0 0 3 7 0m 。矿石平均品位 3 2 ，估计铜矿石储量由1 3 3 亿吨( 1 9 7 6 年提交资料) ，矿石稳固，围岩极不 稳固。11 0 0 4 铜矿体在平面上划分成( 3 8 4 0 ) m x4 0m 大小的采场，采场高8 0 2 4 5m 。采用块石胶结充填。 1 2 充填采矿法的发展现状和应用前景 早在1 9 世纪中叶，以地f i ：采的大部分矿产大都采用横撑支护的空场法。 1 8 6 4 年在美国宾夕法尼亚州的个煤矿区进行了第一次水砂充填以保护一座教 章的基础。1 8 8 4 年将废渣用水力充填送至井下以控制宾夕尼亚州的s c h u yl k i ll 区域一座矿山的火灾。1 9 0 9 年，南非t r a n s v a l 的v i l l a g e 金矿，德国的煤矿 2 昆叫理工大学t 程碳，l 学位论文命川二矿区充填体质量1 j 成本控制的研究 和澳大利亚与美国科罗拉多州的金矿首先实行了水砂充填。自1 9 1 7 年以来，在 美国巴特山地区的一些矿山利用选厂尾砂进行水力充填。1 9 2 7 年，古巴的 m a t a h o m b r e 矿是首先应用水力充填作为主要采矿方法的矿山之一。在此期间， 澳大利亚的m o u n tl y e l l 铜矿，赞比亚的m u l f u l i r a 铜矿和美国的h o m e s t a k e 余矿分别在1 9 2 9 年1 9 3 2 年期间均有水力充填的早期记载。 在2 ( ) 世纪3 0 年代，加拿大诺兰达( n o r a n d a ) 公司霍恩( h o r n e ) 矿，对 于加入磁黄铁矿尾矿的反射炉炉渣进行了试验，结果获得了一种前所未有的高 强度充填料。 在2 0 世纪6 0 年代中期，已经普遍采用了硅酸盐水泥或其它胶凝材料添加 到低浓度水力充填料中，使所形成的充填体整体强度得以提高。 高浓度胶结充填是指砂浆制各成浓度接近或大于最大沉降速度的充填工 艺，该工艺的研究始于2 0 世纪7 0 8 0 年代。美国幸运星期五可以说是充填工 艺发展变化的一个缩影。在1 9 8 3 1 9 8 6 年间，开发出了高浓度胶结充填。 德国普鲁塞格( p r e u s s a g ) 公司耗资1 1 3 0 万马克，于1 9 7 8 1 9 8 3 年在格 伦德( g r u n d ) 铅锌矿首次研究成功了用于分层充填采矿的高浓度细尾砂和粗粒 尾砂混合料( 膏体) 泵压充填系统。 块( 碎) 石胶结充填是澳大利亚、前苏联等国在用空场采矿法采后的空区 内，先倒入块石充填，再向其中压注水泥浆，形成混凝士：或者是在碎石倒入 空区的同时，将管路输送的水泥砂浆与碎石混合，然后倒入采空区。在形成块 石胶结充填体后，再回采矿柱或相邻采场，以提高矿石回收率。块石胶结充填 是2 0 世纪7 0 后期发展起来的一项充填新技术，其成功范例当首推澳大利亚的 m o u n ti s a 矿。1 9 7 3 年在该矿的11 0 0 4 铜矿体开始应用块石胶结充填。 中国是世界上使用水力充填( 或称水砂充填、湿式充填) 最早的国家之一， 也是存煤层- 1 ：采r i i 用水力充填开采技术最先进的国家之一。 在硬岩采矿中，干式充填法中国采用最早。由于该方法存在着生产效率低， 劳动强度大，采矿成本高等缺点，因而到2 0 世纪5 0 年代已基本上被其它高效 率的采矿方法取代。在2 0 世纪6 0 年代，引进煤炭系统水砂充填的成熟技术以 及试验推广胶结充填工艺。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代，由于无轨采矿设备和 立式砂仓等j ：艺设施的引进，斜坡道采准靠霉的试验推广，采用分级尾砂和水 泥在地面搅拌制备成混合浆，并用管道输送到待充填采场。在余川二矿区等少 数矿l u 中，成功地采用了高浓度细纱管道充填新工艺。在儿口铅锌矿于1 9 9 1 年 试验成功了高浓度全尾砂胶结充填新工艺。1 9 8 7 年1 9 9 1 年8 月份在金川二矿 昆叫理t 人学丁程顾士学位论文会川_ 二矿区充填体质量。j 成本控制的研究 区试验成功了“全尾砂膏体胶结充填工艺和装备。”2 0 世纪7 0 年代初开始金 川龙首矿、锡矿山矿务局使用块石胶结充填。 高浓度全尾砂胶结充填新工艺和膏体泵压胶结充填工艺有一系列突出优 点，但终因存在投资过大、压滤脱水、储存造浆和泵压输送复杂、难度大等原 因，未能在金属矿山推广应用开来。 第一，由于充填采矿法是一种回收率高、贫化率低、可有效控制地压活动 的采矿方法，在有色、稀有、贵金属和商品位富矿，以及矿床赋存条件复杂、 地表需要保护和有自然发火倾向矿床开采中具有不可替代作用。第二，近年来， i 上 于社会进步，人类文明程度的提高，越来越注重保护资源、保护环境、提高 效益、保证矿业可持续发展；同时，由于矿山装备水平提高，充填采矿效率提 高。因此，充填采矿法应用范围进一步扩大，其应用的矿山迅速增加。1 9 8 5 年， 在我国1 4 3 座重点有色金属矿山中，充填采矿法的比重已上升到1 9 ，而在黄 金矿山其所占比重高达2 9 。1 9 9 0 年，全国有色矿山充填法比重达1 9 6 ，而黄 金矿山上= 升到3 1 。我国的充填采矿法必将在2 l 世纪的矿业发展中得到更大的 发展。 在国外，加拿大、澳大利亚、印度、波兰、法国、德国、瑞典、意大利、 芬兰、爱尔兰、墨西哥、南非、秘鲁、赞比亚等国也都得到了广泛应用。 目前，被采用的采矿方法主要有：上向水平分层充填法、点柱上向分层充 填法、上向进路充填法、分段充填法、下向分层充填法和嗣后充填的空场法和 留矿法。 装备水平的提高，新技术的应用与发展，促进了采矿方法的改进和创新， 大大提高了采场开采强度。如儿口铅锌矿采用盘区全无轨化上向水平分层尾砂 ( 或棒磨砂) 胶结充填法。采场垂直矿体走向布置，矿房和矿柱宽度均为8m ， 阶段高度4 0 - 一8 f jn 1 ，分段高度8m ，分层高度4m ，由3 5 个采场细成个盘 区。剧采：作以凿岩、装药、顶板处理、出矿、二次破碎和材料运送均采用无 轨自行设备，采场生产能力达到3 2 7t d ，采矿工效达3 1 7 4t ：【班。 机械化盘区式下向分层水平进路胶结充填采矿法是金川二矿区引进先进 采、装、运设备而应用的一种采矿方案。目日u 采矿盘区产能已达1 0 0 0t d ，该 方法已成为1 ：采4 ；稳定矿岩的高效率采矿方法，代表着我国下向胶结充填采矿 法的先进水平和发展方向，为我国大面积回采应用下向胶结充填采矿法提供了 成功的经验。 阶段充填采矿法( 嗣后充填的空场法) 具有空场采矿法的采场生产能力大、 d 昆明理工大学工程硕士学位论文金j l l 二- 矿区充填体质量与成本控制的研究 劳动生产率高和其它充填采矿法的矿石损失贫化率低、能保护地表等特点，在 国内外得到了较为广泛的应用，如我国的安庆铜矿和澳大利亚m o u n ti s a 矿等。 该方法经济效益和社会效益显著，发展前景广阔。 回顾国内外充填采矿发展的历史，可阻发现充填采矿法应用的比重逐年上 升，特别是最近二十年来，充填采矿法在世界范围内得到了越来越广泛的应用， 显示出了良好的发展前景。随着近年来国际社会对环保问题日益重视，充填法 在这方面显示出独特的优越性。正如在第八届国际采矿会议上专家对2 0 0 0 年地 下采矿的预测一样：充填法是各种采矿方法中最有发展前途的采矿方法之一。 可以预计，今后一个时期充填采矿法主要发展趋势是：( 1 ) 采矿方法向组 合方向发展。为了充分发挥充填采矿法作业安全、资源回收率高、矿石损失贫 化率低的优点，同时叉能兼有空场采矿法和崩落采矿法生产能力大、适用大型 机械作业的特点。如我国河东金矿采用的充填法和空场法相结合的分段空场充 填采矿法。( 2 ) 采用高效率采充设备和自动控制系统，实现采充作业的机械化、 自动化和连续作业，以降低成本，提高充填体质量，提高劳动效率，减轻劳动 强度。( 3 ) 通过开发新型廉价的充填材料及输送和充填方式，进一步降低成本， 提高质量。( 4 ) 通过对充填料输送过程的力学特性和充填体作用机理的研究，指 导充填工艺、充填采场结构和回采工艺的设计，使充填法获得进一步的完善。 1 3 充填材料发展与应用概况 按充填材料的性质、制备工艺和充填方式的不同，大体可将充填材料分为 三种：干式充填料、水砂充填料和胶结充填料。 干式充填料一般都采用山砂、碎石、块石和废石等不含挥发有害气体的惰 性固体材料。根据所使用充填设备不同，块径可在几毫米至几百毫米之间，其 所形成充填体有较大的空隙，不密实，沉降量大，不具聚合力，且充填效率低， 劳动强度大。所以目前已较少使用。 水砂充填料一般都采用山砂、河砂、棒磨砂、尾砂、碎石和炉渣等细粒径 物料，总体上讲目前我国使用尾砂较多。水砂充填除对化学性质稳定和颗粒强 度有一定要求外，还要求达到一定的渗透性能，一期及时脱水便于进行回采作 业。其所形成的充填体较密实，沉降率较千式充填体小，能实现管道水利输送， 充填效率较高，是目前矿山常用的充填料。 胶结充填料由骨料、胶结料及其添加剂组成。骨料与水砂充填料基本相同， 在很多情况下，尾砂因易于输送、来源广、成本低被作为主要充填骨料。胶结 料主要为水淀和火山藏类耪澳泓承混为整雾缀据兖填槠料释兖镳季艺不同， 5 昆明理工大学工程硕士学位论文金) l l - = 矿区充填体质量与成本控制的研究 胶结充填料主要可分为： ( 1 ) 尾砂或细砂胶结充填料。该充填料一般对含泥量有定限制，经过多 年发展，现分级尾砂胶结充填料或细砂胶结充填料已获得广泛应用，工艺技术 最成熟，在充填料制备和输送方面已达到较高的自动化水平。 ( 2 ) 块石胶结充填料。以澳大利亚m o u n ti s a 矿和加拿大基德克里矿应用 最早。这一充填料最大优点是水泥耗量少，所形成充填体强度高，但需两套输 送系统，输送工艺较复杂。 ( 3 ) 高浓度全尾砂胶结充填料。首先在南非和前苏联试验成功，目前在国 外已获广泛应用。我国在凡口和金川进行高浓度尾砂胶结充填试验并于1 9 9 1 年 试验成功。该充填料的最大特点是尾砂利用率高，达到9 5 。 ( 4 ) 全尾砂膏体泵送充填料。这种充填料以全尾砂等作为骨科，它具有较 高的浓度一般固体质量浓度在7 0 8 2 或更高，水灰比小，当充填料卸入采空 区时无多余的重力水排出。它的最大特点是充填体不脱水，加入细石或棒磨砂 骨料时充填体强度高，采用泵压管道输送时不受充填倍线限制。主要问题p m 泵 仍需国外引进，全尾砂脱水费用高，初期基建投资大。 ( 5 ) 高水速凝固化胶结充填料。这种材料是2 0 世纪7 0 年代末从英国发展 起来的，目前在英国形成的典型产品有h q u a p a c k 材料、t e k p a c k ) ( ( ( w h r ) 和 h y d r o p a c k 材料等。在我国，中国矿业大学、西北矿冶研究院和北京有色冶金 设计研究院先后研制出双桨和单浆高水胶结充填料，在焦家金矿、招远金矿等 矿山获得成功应用。这一材料以新型高水速凝固化材料作为胶结剂，可以用全 尾砂作为充填骨料，它的突出特点是充填料可低浓度远距离输送，充填效率高， 初凝快，不脱水，充填体早期强度高，充填体不收缩且破坏后有一定的自愈 能力。但其缺点亦明显，一是这种材料的水化生成物在空气中“脱水”、“粉化” 现象严重，置于千燥环境f ，最终失水8 0 以h ，强度迅速降低：_ 是高水材料 价格比普通材料水泥高3 0 5 0 ，致使充填体成本大量增加。因此高水速凝胶 接充填材料目前尚难获得大的推广应用，还需进一步研究。 综上所述，由于胶结充填料形成的充填体具有良好的强度特性，能够有效 维护采场稳定，提高矿石回收率，所以胶结充填采矿法得到了广泛应用并迅速 发展。但是，胶结充填成本居高不下己成为其发展的瓶颈。其中胶凝材料成本 太高是主要原因之一。因此如何控制充填体成本和质量已成为人们极其关注的 研究课题。其中寻求并研究较廉价的胶凝材料替代或部分替代水泥是降低充填 成笨酌必尊途径。国内外苓少矿山都进行了有益的尝试i 显示出非常广阔的应 昆明理工大学工程硕士学位论文金川二矿区充填体质量与成本控制的研究 用前景。如加拿大的矿山对硫化物的胶凝性进行了大量试验研究，确定了在给 定条件下硫化物作为胶凝材料的适用性。澳大利亚m o u n ti s a 矿则对炼铜反射 炉炉渣、炼铅炉渣、转炉炉渣等本地材料进行了胶凝特性研究，结果表明以m o u n t i s a 矿生产的某些废渣作为制备胶结充填料的附加胶凝料，可以节省大量水泥。 我国在这方面的应用研究也取得了不少成果，如长沙矿山研究院在山东铝 厂试验成功的赤泥高浓度胶结充填工艺技术，它采用氧化铝厂的工业废料赤泥 作为充填料，加入外加剂激发赤泥潜在活性实现胶结充填“。 由于水泥替代品大多源于工业废料，其矿物组成和物理化学性质有较大差 异，胶凝机理的研究才刚刚开始。近年来，由于引入无机化学、有机化学、胶 体化学、表面化学以及水泥化学等相关理论，这方面的研究取得了进展。可以 预见今后一个时期，新型廉价胶凝材料的研究将取得重大突破，对推动充填技 术的发展将发挥重要作用。 1 4 充填体支护机理研究现状 随着充填采矿法的广泛应用，充填体支护机理研究作为矿山工程力学的 个分支迅速发展，其主要研究内容包括充填体与采场围岩之间相互作用，以及 充填体有效控制采场地压，确保回采安全等。它与采矿工程、岩石力学、土力 学、弹塑性力学、计算力学等理论有着十分密切的联系。 目前，在研究中广泛应用的理论有： ( 1 ) 连续介质理论。用经典的弹性力学和塑性力学求解原岩应力作用f 的 岩体被开挖后应力和位移的分布，并假定位移在介质中每一点上都是连续的。 传统的解析方法可用在开挖后形状简单、边界条件不复杂的场合，而对开挖形 状和边界条件均较复杂的问题，则使用数值方法求解，如有限单元法、边界单 元法等。通常，边界单元法适合于求解弹性问题，而有限单元法在非线性计算、 模拟开挖步骤、模拟结构弱面等方面有其方便之处。有时，为了得到较满意的 求解结果，还采用各种耦合计算方法，如有限元和边界元耦合、边界元和离散 元耦合等。 ( 2 ) 非连续介质理论。该理论将岩体视为离散块体的集合体，位移在岩体 中的各点上是不连续的。可使用动态或静态松弛技术来求解作用在离散块体上 的力以及块体位移。著名的石根华块体理论就是基于非连续理论推导出的。在 数值方法方面，离散单元法也是基于这一理论。 ( 3 ) 极限平衡理论。这种理论不考虑岩体中的位移情况，一般只考虑力的 平衡藕穰猥势瓣强度条绋荔蹶隈攀鹈澍j 雾懿曩镌肇的澎纛黼在不穗痘岩体或 昆明理工大学二| 二程硕士学位论文金川二矿区充填体质量与成本控制的研究 块体的抗滑安全系数。 在充填体支护采场围岩的力学作用机理研究中，非胶结充填材料是一种散 体介质或类松散介质，而采场围岩、矿柱以及胶结充填体则被视为连续介质或 非连续介质。但在宏观上看，多数情况下本属于散体介质的非胶结充填材料仍 可看作是连续介质。因此，在研究充填体支护机理时，无论是胶结充填还是非 胶结充填，现广泛采用连续介质力学理论和分析方法进行研究。具体有以下几 类方法： ( 1 ) 实验室模拟实验方法 常用的室内模拟大致有三种：一种是数学力学模型，主要是提出力学模型， 然后用数学方法推导理论解答，由于采矿开挖形状及其边界条件较复杂，常无 法得到理论解答，而限制了其应用：另一类是光弹模型，主要用来研究开挖工 程围岩的应力分布。由于在二维和三维光弹模型中都难以模拟充填及其效果， 所以在充填体的力学研究中应用较少。还有一种是物理模型，主要运用相似模 拟方法研究地下开挖过程中应力和位移，也能模拟充填体的力学效应，因而应 用较多。如1 9 9 0 年张玉清、钱方明“1 等所进行的物理模型试验，研究了充填体 支撑采场围岩或矿柱的力学机理。 ( 2 ) 数值模拟方法 这是目前在矿山充填体支护机理研究中广泛使用的方法，主要是因为其费 用较物理模型低，且能迅速得到定量分析结果，能方便地模拟各种边界条件及 开挖和充填过程。由于矿山充填体支护机理研究对象的特殊性( 即涉及到不同 性质的介质种类多，开挖和充填作业循环进行) ，现多采用有限元法或有限元与 其它方法耦合的方法。 这些数值方法中，以二维有限元数值模拟方法应用最多，但为了真实反映 研究对象的几何形状和受力条件+ 采用i 维有限元方法是必要的。这一方法在 国外应用较多。 ( 3 ) 现场实测方法 由于实验室物理模型的某些局限性，以及数值模拟方法中力学模型必不可 少的某些简化和输入参数具有一定的人为影响，所以其结果需要通过现场实测 来验证。因此，现场实测方法是充填体支护机理研究中最重要的方法之一。目 前国内外常用的现场实测方法可大致分为两类：一类是研究充填体物理力学性 态，主要方法有充填体开挖试验、现场钻孔取样试验、现场测定充填体的力学 性质试验；另獒是研究充填体内和采场围岩中的应力及位穆分布情况，主要 昆明理工大学工程硕士学位论文金川二矿区充填体质量与成本控制的研究 方法是通过在充填体和围岩中埋设一些测试仪器来观测。现被广泛使用的观测 仪器有压力盒、应力计、应变计、位移计、伸长仪等。 1 5 充填采矿法回采设备的发展 设备的发展是推动采矿工艺发展的有力杠杆，井下无轨设备的发展推动了 充填采矿法迅速发展。充填采矿法已由传统工艺向无轨化工艺过渡，我国无轨 设备经历了引进、消化、试制转入提高质量阶段，并逐步替代进口。无轨自行 设备包括：铲运机、井下自卸卡车、凿岩台车、装药车、撬毛台车、锚秆台车、 锚索台车、液压碎石机、服务车和检修车等。今后我国充填采矿法回采设备的 发展方向是：第一，进一步提高国产设备的质量；第二，设备成龙配套，提高 充填法无轨化总体水平。采用无轨化开采时，应是铲运机与凿岩台车、装药车、 撬毛台车、锚杆台车等设备配套。 1 6 充填基础理论的研究 ( 1 ) 膏体充填技术已在我国、加拿大、澳大利亚、南非等国获得认可。国 外一些高校、科研院所及矿业公司对膏体充填在实验室和生产现场进行了大量 的研究试验，研究内容主要是膏体充填体的物理力学特性和膏体流变特性等并 取得了重耍进展。相应地还出现了专门的高浓度膏体充填研究试验站和为矿山 提供服务的膏体充填技术公司。我国金川公司曾对膏体流变进行了研究，在全 尾砂泵送充填工艺与设备试验研究中得出初步结果：膏体通常被认为是宾汉塑 性流体，具有明显的屈服剪应力，流速增加，粘度相对保持不变；但在膏体泵 送时其粘度随时阳j 和流速的变化而变化，国内的学者认为大多数膏体呈假塑性， 在高速度泵送下粘度下降；金川的研究工作者认为金川全尾砂膏体属赫谢尔一 布尔克莱流体，只有添加碎石，且流动指数等于l 时方可用宾汉姆模型表示。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代中期以来，高水速凝全尾砂胶结充填在我国不少矿山 进行了试验。该工艺推广志用尚需深入地对高水速凝固化充填机理、固化剂对 不同性质尾砂的物理化学作用机理、充填体风化特征和充填体( 含后期) 的物 理力学特性、各种添加剂对固化时间和固化程度以及可泵性和流动性等的作用 进行研究。 ( 3 ) 我国科研院所和矿山企业对充填采场的稳定性和充填作用机理进行了 大量研究工作，取得了大量成果，为充填采矿发展起了十分藿疆的作用。2 0 世 纪5 0 7 0 年代在有色矿山用充填空区方法作为控制大面积地压活动的主要手 段的各类充填体，诸如脱泥尾砂充填、全尾砂充填、低标号胶结充填和块石充 填等充填体有效地限制围岩变形和位移。 9 昆明理工夫学工程硕士学位论文金川二矿区充填体质量与成本控制的研究 1 7 小结 如前所述，充填法在工艺、装备、材料和理论上经过几十年的发展，已达 到较高水平，形成了一多学科相互融合的综合体系，每一方面研究都会引起充 填工艺技术的变革，带动充填技术整体发展。目前，从应用角度看，提高充填 采矿效率，控制充填体质量羊成本是充填技术的主攻方向之一。据此，本研究 课题根据金川二矿区二期工程盘区式机械化下向分层水平进路胶结充填采矿法 对充填体质量要求严格，且充填体成本高的特点，确定研究的主要内容是金川 二矿区充填体质量与成本的控制。该课题的研究已在二矿区取得明显成效，在 类似开采条件矿山具有推f 。价值。 类似开采条件矿山具有推广价值。 昆明理工大学工程硕士学位论文金川二矿区充填体质量与成本控制的研究 第二章金川镍矿开采概况 2 1 地质概况 2 1 1 金川镍矿地质概况陋3 金川硫化铜镍矿区位于甘肃省河西走廊中部，龙首山北麓，巴丹吉林沙漠 南缘的金昌市，矿区地势起伏变化大，海拔1 5 0 0 1 9 0 0m 。永昌一河西堡雅 布赖公路穿过矿区，在永昌与3 1 2 国道相接，矿区距兰新铁路金昌站2 0k m ， 有专用支线与兰新线接轨。 金川硫化铜镍矿区东西长6 5k m ，宽不足1k m ，包括金川硫化铜镍矿床 被成矿后期构造活动切割成四个相对独立的含矿超基性岩段以及与该含矿超基 性岩有成因关系的各类矿体的分布地区。按勘探先后的四个含矿超基性岩段的 分布，被分别称为一、二、三、四共四个矿区( 图1 ) 。 田1 垒 i i u 化锏镰矿各矿区位置圈 a n z b 一前震旦系变质岩：一含矿超基性岩；f 。一断层及其编码号：q 一第四纪砂烁岩 金川矿区在大地构造位置上，位于阿拉善地台隆起带的北部边缘，直接与 其北部的潮水凹陷带毗邻。二者以潮南大断裂( f ) 为界。f l 为长期活动的区域 性大断裂，它的活动显著地控制着区域构造运动、岩浆活动和成矿作用。含矿 超基性岩体即是沿着它的低序次断裂构造，以走向5 0 1 0 0 的交角侵入于前震旦 系之中。 矿区出露的地层，主要为前震旦系自家嘴子组的中深度变质岩系，包括混 合岩、片麻岩、片岩和大理岩等。其构造形态为层间挤压和褶皱发育的单斜层 状构造；岩层走向北5 0 0 7 0 0 西，倾角4 0 0 7 0 0 。矿区断裂发育，尤以挤压性( 走 向) 断裂发育为特征，例如f i 、f 。等；此外还有相伴生的一对扭性断裂和张断 裂，如f 。、f ，。且，等。金川矿区频深大断裂，舅浆活动比较强烈，面且种类繁 昆明理工大学工程硕士学位论文金) q - - 矿区充填体质量与成本控制的研究 多，延时较长，自吕梁运动至海西运动以来，除含矿超基性岩以外，还有酸性、 中性、基性岩浆，以深成、浅成或不同规模、产状、形态侵入于前震旦纪变质 岩系中。综上所述，由于长期、频繁、强烈的构造运动和岩浆的作用，使得矿 区矿岩断裂发育，支离破碎，工程地质条件恶劣，并巷地压大，矿岩稳定性差。 金川硫化铜镍矿床是世界上目前正在开采的第三大镍矿，镍金属储量为 5 4 5 万吨，仅次于加拿大萨德伯里镍矿区( 镍金属储量为1 6 4 8 万吨) 和俄罗斯 的诺利尔斯克镍矿( 镍金属储量为9 0 0 万吨) 。金川矿床含矿岩体全长约6 5 0 0m ， 宽2 0 5 2 7m ，延深数百米至千余米，最大延深超过11 0 0 余米，岩体东谣部两 端被第四系覆盖，中部出露地表，上部已遭剥蚀，岩体走向北西5 0 0 ，倾向西南， 倾角5 0 0 - 8 0 0 ，岩体受北东向压扭性断层错断，由西向东分为四段，即依次为 i i i 、i 、四个矿区的含矿岩体。各个矿区含矿岩体的规模、形态、产状 都有差别。 最西端的i 矿区岩体受r 断层影响，相对于i 矿区岩体向西推移9 0 0 余 米，全部隐伏于第四系之下，埋藏深度4 0 5 0 余米。东宽西窄，向西逐渐歼灭， 岩体走向北西，倾向南西，倾角6 0 0 - 7 0 0 ，局部达7 0 0 以上。东部延深达6 0 0m 以上，西部延深仅2 0 0m 左右，呈楔形向下歼灭。本区岩体大部分由星点状贫 矿构成。目前i 矿区正在紧锣密鼓地开发建设中，采矿方法为崩落法。 i 矿区岩体出露地表长1 5 0 0f 【，西部最大宽度达3 2 0m ，向东逐渐变窄， 宽仅2 0 余米，倾向延深大于7 0 0m 。岩体走向北西5 0 “6 0 。，倾向南西，倾角 较陡，一般约为7 0 - 8 0 0 。沿倾向有膨缩，岩体和星点状贫矿体产状基本一致， 海绵状富矿体发育于近岩体底盘，但不受岩体岩相及底部形态的控制，在个别 地段此类矿体还贯入到底盘围岩中。i 矿区是开发最早的矿区，早期用露天开 采，现已全部转入地下开采。 i i 矿区岩体长3 0 0 0 余米，除东端3 0 0 余米岩体隐伏于第四纪之下外，其 余均出露地表。岩体两端窄中阃宽，最宽处出ff i ，断层影响达5 2 7i l l ，总体走 向约为北西5 0 0 ，倾向南西，倾角5 0 0 8 0 0 。岩体有分支，规模巨大的海绵陨铁 状富矿体主要分布在下分支，块状特富矿规模比较大。本矿区的矿体规模最大， 镍金属储量占全矿区3 4 ，是最大规模的丌采矿区。 矿区岩体位于最东端，西端与i i 矿区岩体相连，长约1 3 0 0m ，最宽处 2 3 0 多米，隐伏于混合岩及第四系之下：覆盖物厚约6 0 1 4 0m ，向下延伸4 0 0 6 0 0m 歼灭。本矿区尚未开发。 金川硫化铜镍矿石i _ 业类型划分的各项指标： 一 垦明理工大学工程硕士学位论文金川二矿区充填体质量与成本控制的研究 硫化镍特富矿：矿石实际含镍3 ，含铜不限。 硫化镍富矿：含镍1 ，含铜不限。 硫化镍贫矿：含镍0 5 0 9 9 ，含铜 1 。 硫化铜富矿：含铜1 ，含镍 1 。 硫化铜贫矿：含铜o 5 o 9