全尾砂高浓度充填技术在深井矿山应用研究.doc

全尾砂高浓度充填技术在深井矿山应用研究SeriesNo.397July2009金灿METALMINE总第397期2009年第7期全尾砂高浓度充填技术在深井矿山应用研究李冬青杨承祥施士虎(1.铜陵有色金属集团控股有限公司;2.q-国有色金属设计研究总院)摘要简要介绍新型立式砂仓制备全尾砂高浓度充填技术.通过特殊的立式砂仓,合理的控压助流风水造浆技术,将极细粒级的全尾砂直接制备成高浓度砂浆,按试验的配比加入水泥和其它辅料,经搅拌槽充分搅拌混合并调节浓度后,高浓度全尾砂浆或胶结全尾砂浆自流输送到深井充填采空区.有效控制回采区域地压,实现深井安全高效开采.该项技术广泛应用于充填采矿矿山,为无废矿山开采奠定了基础,对金属矿山开采工艺和采矿方法具有巨大的促进和变革作用.关键词高浓度全尾砂充填立式砂仓深井金属矿山大规模ResearchoftheApplicationofTotalTailingIIigllDensityBackfillingTechnologyinDeepUndergroundMineLiDongqingYangChengxiangShiShihu(1.TonglingNonferrousMetalGroupHoldingCo.,Ltd.;2.ChinaGeneralInstituteofNonferrousMetalDesign&Research)AbstractThepaperpresentsthebackfillingtechnologyofhighdensitytotaltailingspreparedbyanewtypeverticalsandsilo.Extremelyfinetotaltailingsaredirectlypreparedintohi【ghdensityslurrybyaspecialverticalsandsilousingslurrymakingtechnologywithrationallycontrolledpressureforassistingthetailingflow.ControlCementandotherauxiliarymaterialsareaddedintothetailingsintheproportionastestspecified,whicharefullyagitatedandadjustedtotherequireddensity.Highdensitytotaltailingsthuspreparedorcementedtotaltailingsaretransportedtothedeepundergroundmined-outareabygravity.Thetechnologycaneffectivelycontrolthegeopressureofthestopingareasoastorealizeasafeandefficientdeepmining.ItCallbewidelyusedinminingbackfillingmines,layingafoundationfornon-wasteminingandbeingofenorlnoussignificancetopromotingandtransformingtheminingprocessofmetalmines.KeywordsHighdensitytailings,TotalTailingsBackfill,Verticalsilo,Deepundergroundmetalmine,Largescale全尾砂高浓度充填技术就是将矿山选矿厂生产出的全尾砂,制备成高浓度料浆充填采空区的一项新型充填技术,是实现矿山无废安全高效开采的重要途径.冬瓜山铜矿是我国第1座使用细粒级高浓度全尾砂进行大规模充填的大型地下深井金属矿山.十五国家科技攻关在冬瓜山开展了深井高浓度全尾砂充填无废开采技术研究,突破了极细粒级高浓度全尾砂浆的立式砂仓制备技术和深井开采全尾砂高浓度充填料浆自流管输降压的关键技术,实现了深部高大采场嗣后充填,已成功进行了采空区125.6万m全尾砂胶结充填.1冬瓜山铜矿充填系统1.1全尾砂粒级组成冬瓜山选矿厂工业试验期间测定的一次全尾砂粒级组成见表1所示,分布粒径为d,.=2.41Ixm,d50=34.151xm,d90=137.57m,d.=55.59Ixm,20m以下颗粒占40%左右,比一般矿山所用充填尾砂细,更是远远小于国内众多矿山所采用的分级尾砂.全尾砂化学成分平均值见表2所示,全尾砂密度平均为3.09t/m.表1冬瓜山全尾砂粒级组成成分SiO2A1203CaOMgOTFeSCu含量3O.163.3714.925.8714.066.060.14十五国家科技攻关课题(编号:2004BA615A一040103).李冬青(1953一),铜陵有色金属集团控股有限公司,总工程师,高级工程师,244000安徽省铜陵市.?13?总第397期金属妒山2009年第7期1.2全尾砂充填系统在深井开采条件下,矿床开采后及时采用高浓度全尾砂料浆充填采空区,并在确保充填体质量的前提下,可以快速有效地控制岩体变形,实现对回采区域地压的有效控制,保证回采区域开采的安全,从而防范深井地压灾害性事故的发生,实现安全高效开采.因此,深井开采全尾砂高浓度充填的作用和采矿方法的需要,选择高浓度全尾砂充填系统.冬瓜山铜矿采矿方法为暂留隔离矿柱阶段空场嗣后充填采矿法,为了建成现代化矿山,采用高浓度全尾砂胶结(一步骤采场),全尾砂(二步骤采场)和废石充填,每天需充填采空区3125m.冬瓜山搅拌站有6套配置相同但相互独立的充填料浆制备系统,生产中可以根据实际情况选择多套制备系统同时工作.每套系统包括进砂管路,新型全尾砂立式砂仓(每座立式砂仓直径为8m,高为28m,有效容积为1164m,贮存尾砂2527t),水泥仓,水泥代用品仓,放砂管路,搅拌槽和充填管路及钻孔组成.冬瓜山充填搅拌站见图1所示.图1冬瓜山充填搅拌站充填料制备系统的全尾砂浆和胶结充填砂浆的浓度,流量以及水泥(和其它辅料),水的流量均采用自动检测与控制.同时进砂系统可以连续进砂以保证充填作业连续性.2全尾砂高浓度充填料制备技术2.1全尾砂制备技术的理论基础在充填原理基础和吸收相关领域研究问题的经验之上,结合高浓度全尾砂的特点提出了一种新的混合流体力学模型,由下式表示.,|,=r0+(oru)tanb+77,(1)u,式中,为切应力,Pa;丁.为屈服值,Pa;为孔隙压力,Pa;or为总法向应力,Pa;为内摩擦角,(.);77为粘度,Pa?s.14?浆体由很多固体颗粒组合而成,部分固体颗粒彼此接触,其中的间隙充满或充有液体或水,这样浆体就存在着孔隙压力,总法向应力一部分通过固体颗粒直接传递给固体颗粒,另一部分孔隙应力/,由固体传递给液体,或再由液体传递给固体.不少试验表明,充填流体在经剪切后,其剪切屈服应力会变化,式(1)更加客观地反映了充填浆流体的力学特性.在砂仓内当浆体刚开始沉淀浓缩时,在到达一定浓度的地方,由于颗粒间的液体不能及时地渗流出,在一定的时间内,孔隙压力是存在的,在试验中也观察到了孔隙压力存在的现象.当沉淀的尾砂存放时间较长后孔隙压力逐渐消失,这时将颗粒分离开来,就需要克服较大的摩擦力,甚至会产生负的孔隙压力.所以,在立式砂仓生产实践中,新鲜尾砂要较陈砂容易放出.孔隙压力与渗透系数,时间,沉淀速度以及其他状态参数有关,通过研究孔隙压力和这些参数的关系就可以尽量减少砂仓结底事故的发生,提高生产质量和效率.2.2控压助流脱水技术控压助流方案根据新的流体力学模型,在优化砂仓结构的基础之上增加了一套控压助流辅助设施,在系统工业试验期间,辅助设施采用特殊的喷水,喷气的方法在一些部位向仓内注入高低压水或压气来控制砂浆孔隙压力和改善沉淀尾砂的流动性能,以保持或增加仓底尾砂的流动性,提高立式砂仓放砂浓度和流量的稳定性,可控性.实际生产中通常在砂仓内流态化造浆,通过向砂仓底部注入水或气能提高孑L隙压力u,从而使(or一)tan,;b项减小,达到使浆体的流动性增加的目的.新型立式砂仓设置造浆控压助流设施,就是为了使得砂仓内砂浆的孔隙压力保持在一定的范围内,而不是当脱水后尾砂排放出来后才大量地冲入水或气体.2.3全尾砂充填料制备工艺上世纪国内外诸多矿山实践表明,尾矿脱水是充填料制备的核心问题,是整个充填工艺成败的关键,也是一直制约矿山充填技术发展(包括尾矿干堆)的重大障碍.结合冬瓜山铜矿的实际情况,通过国内外调研和分析,决定通过研发新型全尾砂立式砂仓来解决充填料制备中尾砂脱水的难题.立式砂仓是矿山充填采矿工艺中的一个关键部分,其作用是将选矿厂生产出的尾砂浆浓缩并贮存李冬青等:全尾砂高浓度充填技术在深井矿山应用研究2009年第7期在砂仓内,然后从底部的放砂管路放出并送往矿山井下采空区以支撑岩体,同时起到减少环境污染的作用.新型全尾砂立式砂仓需要适应于细粒级全尾砂的脱水,底流浓度需要达到膏体的程度,以满足充填工艺的需要.立式砂仓底部放出尾砂浓度的高低通常是衡量工艺好坏的一个十分重要的参数.2004-2006年,经过近2年第1阶段的自然放砂,第2阶段控制连续放砂的充填站试验和采场工业试验(见图2),连续放砂试验48h以上砂浆浓度在78%以上.通过不断优化制浆工艺,采场进行工业化生产充填.最后确定的冬瓜山充填制备工艺是:选矿厂25%左右浓度的极细粒级全尾砂(一20m全尾砂约占40%)自流至尾矿泵站,经尾矿泵站渣浆泵对应分配给立式砂仓内贮存.当砂仓内沉淀的尾砂达到一定的高度后,通过创新合理的控压助流风水造浆技术(新型喷咀布置),直接制备出高浓度全尾砂料浆(74%以上)或膏体.充填作业时,从立式砂仓底部放出高浓度全尾砂至搅拌槽,按试验的配比要求加入水泥和其它辅料,经槽内充分搅拌混合并调节浓度后,采用深井管道自流输送降压系统自流输送到井下充填采空区.考虑到自流输送的需要,制备的胶结充填砂浆浓度为73%76%,这样立式砂仓放砂浓度需要控制在73%76%之间.0510152025303540455055持续时间,h图2连续放砂浓度一时间曲线3全尾砂充填料输送技术冬瓜山铜矿为大型的深井矿山,充填料通过管路高浓度自流送入接近千米深的井下采空区,设计的管路输送降压系统见图3所示.为减少剩余压头,实现满管输送,采用分段钻孔,第1段充填钻孔由+78m至一280m水平,经一280m水平800m长水平管道输送后再经第2段一280m至一670m充填钻孔下放到一670m及一730m充填水平,进入采场充填采空区.为了保证充填料输送的顺利,充填管路在使用前进行了环管输送试验与研究,充填料浓度的提高和稳定对管路输送起到了良好的作用.通过试验结果的分析,环管的平均阻力损失与输送流量(流速),料浆浓度和灰砂比有关.平均阻力损失随着浓度增大而增大,随着流速加快而增大(在所测流速范围内),随着水泥添加量的加大而增大.环管管路的平均阻力损失在试验的最高灰砂比最高浓度最高流速(1:4,78%,95m/h)时接近0.55MPa/100m,此时料浆的流动性能较差,而且稠度很高.结合冬瓜山充填料输送管路系统,确定在各种充填配比下的最大输送浓度范围为75%76%.4全尾砂采场充填工艺技术采场充填工艺技术研究的主要目的就是选择合理的充填料配比及浓度,采用经济的脱水方式与充填挡墙结构以实现安全采矿与回填的目的.充填料配比设计原则为:充填体所受应力小于充填体强度,同时考虑爆破振动对充填体稳定性影响,取安全系数F>1.2;在充填体强度满足矿柱回采要求的前提下,尽量降低水泥耗量,以节省充填成本.采矿方法要求充填体强度大于2MPa,通过全尾砂充填料配比强度测定结果,料浆浓度充填时需要保持在73%一75%.采场底部结构采用灰砂比1:4料浆进行分次充填,中部硐室位置采用灰砂比1:4料浆充填,顶部硐室位置采用灰砂比1:12料浆充填.其余位置根据高度情况适当降低充填体的强度,高度差别很大的位置可以部分采用灰砂比1:12的料浆充填,以降低水泥消耗.冬瓜山矿房采场面积达1476m,矿柱采场面积达1404m.采用国产螺旋弧形塑料波纹脱水管对充填体进行脱水,脱水管下部固定在充填挡墙上,其固定位置分布距巷道底板高11.6m处.根据其采场特点,通过采场泄水技术,只有在采场两端(见图4)选择采场上部巷道对应下部巷道的位置安装脱水管.图3充填管路系统(下转第23页)?15?舳刘炜等:深埋矿体开采顺序浅探2009年第7期的垂直位移范围也在1.12.4em之间,但是从每个相应阶段对比来看,各水平下行式开采顺序的垂直位移值都是大于或等于上行式的垂直位移值,差值最大在一600m水平,相差0.4cm.从侧帮的位移数值来看,下行式开采顺序的侧帮位移值在4.0cm到5.8cm之间,上行式开采顺序在2.85.6cm之间,从每个相应阶段对比来看,下行式的位移值都大于上行式,差值最大的一200m水平,相差1.4cm.因此,从顶板和侧帮位移变化情况可以看出,采用下行式开采,开采扰动范围大,岩体变形明显,而采用上行式方案则优于下行式方案.4结论(1)深部矿体开采巷道破坏主要形式为顶板冒落及片帮.(2)由剪切应力结果分析可知,下行式开采比上行式开采更容易发生侧帮剪切破坏.(3)在开采深部,下行式开采所引起的垂直应力远大于上行式开采,说明其更容易发生顶板冒落.(4)从顶板和侧帮位移变化情况可以看出,下行式较上行式开采扰动范围大,岩体变形明显.(5)由模拟结果分析可知,在深部硬岩金属矿床开采时,采用上行式阶段开采顺序,可以改善采场的受力状态,有利于减轻或避免深部岩爆的危险,有利于保证作业人员的安全.参考文献1姚香.关于深部开采技术的探讨J.黄金1998,2(2):172O.2张永平.矿井深部开采问题探讨J.煤炭技术2000,6(3):2425.3高文翔.缓倾斜中厚氧化矿采矿回采顺序与结构参数优化研究D.昆明:昆明理工大学,2002.(收稿日期2009-05-l1)(上接第l5页)生产中根据采场顶部结构确定接顶方式,采场顶部进行分次充填,采场充填至采场顶板0.30.5时停止充填,等充填体完全凝结后,采用灰砂比1:4高浓度充填料浆,最后一次强制挤压接顶,当充填钻孔或不封口脱水管出浆时停止充填.通过对国内外充填挡墙应用的成功经验及受力分析,挡墙位置一次充填高度