第二讲-现代充填工艺与技术.ppt

第二讲现代充填工艺与技术,主讲:乔登攀教授联系-mail:qiaodengpan690821,现代采矿理论系列讲座之,现代充填工艺,自流系统(磨砂/细砂)示意图,龙首矿东部系统,自流系统(磨砂/细砂)示意图,龙首矿西部系统,自流系统(磨砂/细砂)示意图,1）原料供给系统原料供给大都位于地表，主要由原料存贮、浆体制备和计量控制3个部分组成。充填骨料主要采用砂仓贮存，有卧式砂仓和立式砂仓两大类。卧式砂仓多用于贮存干料，如干尾砂、尾砂滤饼、磨砂、风砂、河砂等，可分为电耙出料、水枪出料、抓斗出料3种方式；立式砂仓多用于贮存浆料，主要为底部带半球形的圆筒式结构，由于立式砂仓占地面积小，容量大，可以直接贮存从选矿厂输送来的尾砂浆，放砂浓度较高，流量大，自动化和可靠性程度高。立式砂仓放砂方式为高压水(气)逆止喷嘴造浆使底部沉砂流态化，依靠底部放砂管道引流放砂，砂浆浓度由造浆水(气)量来控制。金川公司主要采用卧式砂仓抓斗出料的骨料贮存与转运方式。胶凝材料的贮存多为底部带锥的圆筒式结构。常用的材料仓有效容积为5001000m3。出料由叶轮给料机从底部放出，经单管(或双管)螺旋输送机均匀给料，冲板流量计计量后进搅拌桶。,自流输送管道充填系统的组成,2).浆体制备系统造浆和充填用水除专用供水管道外，一般还设有专用高位水仓或带有水泵的贮水池，以防停水引起堵管事故。浆体充填料的制备，主要是通过强力搅拌桶来完成砂浆和胶凝材料的混合搅拌。充分的搅拌，不仅可提高充填体质量，而且还会提高充填料浆输送可靠性，减少输送事故。目前国内的搅拌设备主要有浆体普通强力搅拌机、水泥浆强力乳化搅拌机、浆体强力活化搅拌机等。计量控制系统是保证系统按设计要求实现准确给料和充填生产过程的稳定运行。流量计、浓度计、料位计和液位计是矿山充填系统中常用的计量仪表。控制元件主要用于执行系统的各项指令，根据充填指令任务和质量要求对充填材料质量、物料配比、浆体制备及各类设备进行调控。主要设备有控制造浆水量的电动执行器，控制放砂大小的各类闸阀，控制胶凝材料给料的电磁阀、调速电机等。,自流输送管道充填系统的组成,3）浆体输送系统浆体输送系统一般由竖直管(钻孔或管道)、水平管及各种弯头、变径管、接头和三通组成，竖直管一般为管径较大的无缝钢管、陶瓷或金属复合管，水平管的主管路多为管径稍小的无缝钢管，采区分支管路多为高强塑料管。钢管间的连接方式为法兰、焊接或快速接头，塑料管间的连接方式一般为哈夫接头或卡弧式快速接头。4）采区系统采区系统主要有待充填采区的大小和形状，密闭墙、脱水设施、通讯联络设施等。,自流输送管道充填系统的组成,自流输送管道充填的工艺流程,充填系统层次结构示意图,膏体充填系统(泵压管输),第二讲:现代充填工艺与技术,充填工艺技术的发展经历了从干式充填到水力输送胶结充填，实现了充填料管道输送；从低浓度水力充填到高浓度充填，做到了充填料浆不离析；从高浓度到膏体充填，实现了采场内不再脱水。废石充填则有干式堆充、块石混凝土充填、块石灌浆胶结充填、块石自淋胶结充填、废石破碎集料管输充填。充填输送方式有自流、泵压管输、混凝土车、皮带抛掷等方式。骨料的利用从分级尾砂到全尾砂、山砂、河砂、棒磨砂、细粒级碎石（-5mm）、粗粒级（-25mm)碎石和其它惰性材料。胶结剂从普通硅酸盐水泥到粉煤灰水泥、高水速凝材料，以及石灰、石膏和其他由具有胶凝特性的材料等。,充填技术发展概况,1.干式充填技术,第二讲现代充填工艺与技术,20世纪初50-60年代,在完全不了解充填机理的情况,以处理固体废弃物为目的,在留矿法和房柱法采空区内堆放废料.削壁式采矿法出现引起对充填的思考与探索,干式充填技术应运而生!成为20世纪5060年代的应用非常广泛的采矿法.干式充填材料是通过天井用矿车或人工送到采场进行充填的，充填劳动力需求大，作业成本高，采场充填时间长，矿石贫化率高，井下粉尘污染严重，采场进行充填时不能进行生产。在机械化程度低、工人劳动强度大的采矿背景下，干式采矿法效率低、生产能力小，满足不了工业化发展的需要，被以无底柱崩落法和水砂充填采矿所替代。,2.分极尾砂充填技术,第二讲现代充填工艺与技术,分级尾砂充填可分为水力非胶结充填和胶结充填两种。上世纪5060年代，在加拿大、澳大利亚的一些贵金属难采矿床中水力充填得到了广泛的应用。人们开始研究充填工艺技术。一般情况下水砂充填的材料是脱泥尾砂(分级尾砂,含泥及细粒级尾砂被排放到尾砂库)或天然砂，也有的矿山用人工磨砂，均为细粒骨料。充填料浆的重量浓度一般处于5568%，以自流输送为主。后来当充填倍线较大时也使用砂泵输送。分级尾砂充填工艺的尾砂利用率一般只有50%60%。该工艺需要井下快速脱水（国外最先确定了100mm/h的渗透速度作为设计标准）。造成细粒级尾砂流失，井下废水、细泥污染环境；排水、排泥费用高，生产能力低等问题，需进一步改进和提高。仅用于上向水平分层法和其他二步充填。,第二讲现代充填工艺与技术,2.分极尾砂充填技术,分级尾砂充填可分为水力非胶结充填和胶结充填两种。上世纪6070年代，在澳大利亚MountIsa矿开始应用水砂胶结充填（水泥加量为12%）回采矿柱。人们开始研究充填体作用机理、充填料性质、水泥添加方式等工艺技术。两相流管输理论与技术得到空前发展。充填料浆的重量浓度一般处于6568%，以自流输送为主。目前，水砂胶结充填的材料是脱泥尾砂(分级尾砂,含泥及细粒级尾砂被排放到尾砂库)或天然砂，也有的矿山用人工磨砂。胶结剂一般为水泥、石膏、磨细的炉渣等。,第二讲现代充填工艺与技术,2.分极尾砂充填技术,分级尾砂充填可分为水力非胶结充填和胶结充填两种。20世纪70年代后期，我国凡口铅锌矿、招远金矿以海砂胶结充填取代混凝土充填，金川镍矿则以棒磨砂取代戈壁砂进行胶结充填，揭开了我国细砂胶结充填技术研究与应用的序幕（早期我国的矿山是按建筑混凝土的要求和工艺制备以及输送方式进行混凝土充填，如压气缸风力输送方式）。目前，这些矿山均不同程度地在骨料中加入分级尾砂，并发展成高浓度充填方式，工艺成熟。分级尾砂充填是目前我国应用最为广泛的充填方式，工艺关键是放砂浓度的控制。分级尾砂充填的尾砂利用率只有50%60%（-37um）。,第二讲现代充填工艺与技术,2.分极尾砂充填技术,分级尾砂充填的不足之处。分级尾砂充填的尾砂利用率只有50%60%（-37um）。而含泥及细粒级尾砂被排放到尾砂库，一方面增加了库坝的维护费用，另一方面造成环境污染。现代充填技术不仅考虑采矿工艺的需要，还要考虑矿山开采废弃物的综合利用与处理，环境保护，减少污染等社会要求，实现无废害开采。因此，应完全、彻底地将全部尾砂用于井下充填。但由于传统的分级尾砂充填的浓度较低，料浆充入采场后的脱水过程中会发生离析、分层现象，导致充填体的整体性不好，强度不高，同时采场内脱水也难免会带走部分水泥和细粒级尾砂，污染井下作业环境，水泥的流失也会降低充填体的强度。此外，由于充填体的沉缩率较大常造成充填体难以接顶。,第二讲现代充填工艺与技术,3.高浓度充填技术,上世纪70年代开始研究和应用高浓度充填的材料、料浆的流动及充填工艺，将料浆的浓度提高到70%78%，靠自流或泵送实现高浓度的管道输送。高浓度在管输条件下大于临界淤积浓度、小于极限可输送浓度。高浓度料浆固体颗粒在横断面上呈均匀分布状态（无浓度梯度或很小），在流动过程中很少有固体颗粒之间的相对位移，因而不易发生离析和沉淀。另外还具有充填体力学性能良好，强度高，采场脱水量少，胶结材料的用量大幅度降低等优点，因此得到了一定程度的发展。,第二讲现代充填工艺与技术,3.高浓度充填技术,为实现高浓度充填，研制成功了新型离心式浓密机，使尾矿底流能达到含固体物重量76%85%，尾砂利用率超过90%。高浓度充填可以减少胶凝剂的用量，降低充填成本；可以减少采场的脱水量，增大充填料浆的有效利用率，提高实际充填能力，同时减少了井下环境污染；可以明显改善充填体的物理力学性质，提高充填体的强度，有效控制地压，提高充填作用效果。目前高浓度充填在矿山充填中仍然是占重要的地位，应用广泛。我国以金川镍矿、凡口铅锌矿、招远金矿、南京栖霞山铅锌矿等为代表的高浓度细砂胶结充填技术已很成熟（这些矿山均不同程度地在骨料中加入分级尾砂）。上世纪90年代以来，全尾砂高浓度胶结充填工艺研究成为热点课题，人们力图将尾砂不进行分级与脱泥而全部应用于井下采空区充填，并取得了技术上的重大突破，但生产实践中依然存在制浆技术难度大等问题，尤其是利用全尾砂造浆时，难以达到预期的浓度，对高浓度料浆输送及参数控制设备技术要求高，在目前的条件下难以全面推广应用。,4.全尾砂高水基胶结充填技术,由于细粒级尾砂的含量一般要达到40%以上，井下仍存在脱水困难、充填体强度不高等难题，因而不得不研制开发新型胶结材料。新型胶结材料既要满足使用全尾砂充填要求，又要达到采矿工艺所需的强度，同时还要原材料来源广泛，生产成本低廉。因此，新型胶结剂的开发与研制是地位最重要，发展潜力最大，前景最广阔的研究内容，是充填技术发展水平的重要标志。目前已开始应用有一定活性的工业废弃物如高温炉渣、粉煤灰等作为胶凝材料的主要组分。既满足了充填的技术要求，又综合利用了工业废弃物，走上了良性循环的发展道路。,第二讲现代充填工艺与技术,4.全尾砂高水基胶结充填技术,中国矿业大学研制成功的高水固化材料和高水速凝充填技术，西北矿冶研究院研制成功的全水全尾胶结材料和单管道自流输送充填工艺。高水固化胶凝料可将高比例水凝结为固态结晶体，从而使高水固结尾砂充填料浆在一般浓度条件下不脱水而变成固体；充填料浆凝固快，早期强度高，且初凝时间可以通过添加剂控制，大幅度地缩短采场回采周期，提高了采场生产率；井下不脱水，无环境污染；高水材料具有良好的悬浮性能，使充填料浆的悬浮性和流动性得到改善，易于实现中低浓度的料浆的水力输送。该工艺技术形成以后，便迅速在国内煤炭、有色金属、黄金等行业得到试验和推广，成为矿山充填技术进步的重要标志。但在长期使用过程中存在着高水速凝固化材料来源少，成本高等因素的制约。,第二讲现代充填工艺与技术,5.膏体充填技术,膏体充填在最近的10多年中发展极为迅速，世界上一些矿业发达的国家投入了大量的人力、物力研究和开发应用膏体充填技术。充填料浆骨料采用粗骨料（分级尾砂、河砂等）与细骨料（溢流尾砂、粘土、淤泥等）按一定的比例混合搅拌而成。由于一定量的细粒级存在，料浆外观象牙膏，故称之为膏体。膏体具有良好的均质性、悬浮性和稳定性。膏体充填的特点是料浆浓度大，其重量浓度可达75%85%。由于膏体的塑性粘度和屈服切应力大，必须采用加压输送。膏体料浆象塑性结构体（柱塞流）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，膏体在管路中呈柱塞状流动。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，减缓空区闭合。,第二讲现代充填工艺与技术,膏体充填工艺的尾砂利用率高，一般为90%95%，主要取决于脱水设备和技术。充填料浆浓度高，减少了水泥用量，降低了充填成本；充填体沉缩率小，接顶率高，充填质量好，强度高；采场无任何溢流水，改善了井下作业环境节省了排水及清理污泥的费用。但全尾砂膏体泵送充填一次性投资大，尾砂脱水浓缩、储存和膏体泵压输送技术难度大。由于膏体充填综合运用了现代工业的多项高新技术，如微细颗粒材料浓缩脱水技术与设备、高浓度浆体泵送技术与设备、活化搅拌设备、计算机在线控制技术等，是现时采矿工业中一项技术含量很高的新技术之一。,第二讲现代充填工艺与技术,5.膏体充填技术,由于膏体充填料浆具有可使用全尾砂或全尾砂与碎石的混合料，充填料浆无需脱水，因而减少了井下充填污染及排水费用，充填体强度高且水泥耗量小，可以适当降低充填成本，凝固时间相对于自流输送充填要短，可以减小充填作业循环周期，充填体易于接顶，有利于采场稳定和采矿作业安全性，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管道输送的问题等优点，从世界范围以及长远发展来看，膏体充填技术是充填采矿技术发展的主力方向。,第二讲现代充填工艺与技术,5.膏体充填技术,6.似膏体胶结充填技术,鉴于全尾砂高浓度胶结充填工艺与膏体充填工艺的优点与不足，人们试图寻求一种既具有水力胶结充填料浆那样的流动性好、输送方便，又具有膏体充填强度高、井下不脱水、保护环境等优点的充填工艺。中国矿业大学孙恒虎教授于20世纪末提出了似膏体充填新模式，发明了似膏体充填专用胶凝材料，初步建立了似膏体充填理论体系并提出了似膏体充填工艺过程。似膏体充填模式的实质可以概述为：利用似膏体充填胶凝材料（全铝土胶凝料）做胶结剂，碎煤矸石、矿山尾砂或河砂等作骨料，骨料中配以15%30%的细粒级物料（37m，如粉煤灰、溢流尾砂等），制成重量浓度7278，外观近似膏体一样的浆体，故称之为“似膏体”。采用重力自流或泵送的方式经管路输送至井下充填空区，充填料浆在井下不需脱水或微量脱水即可固结成充填体。由于似膏体充填技术具有胶凝材料成本低、设备投资小、充填效果好等优点，似膏体充填技术具有良好的发展前景，可使我国煤矿充填采矿成为可能。,第二讲现代充填工艺与技术,第二讲现代充填工艺与技术,7.胶结充填技术比较,充填骨料来源不足胶凝材料用量大，充填成本高。分级尾砂低浓度胶结充填中料浆浓度低