充填采矿新技术

充填采矿新技术,长沙矿山研究院副院长国家金属采矿工程技术研究中心主任,周爱民,2009年5月于重庆,提纲,发展概况充填采矿的新观念高效率充填采矿方法高效充填工艺与技术,一、发展概况,1970年代以前干式充填1970年代上向点柱式水平分层充填采矿法上向水平分层机械化盘区充填采矿法1980年代下向进路机械化盘区胶结充填采矿法大直径阶段充填采矿法1990年代上向进路胶结充填采矿法分段胶结充填采矿法,充填采矿,一、发展概况,我国矿山的充填工艺门类齐全，代表性矿山在机械化装备水平和充填效率方面基本与其他国家同步发展分级尾矿充填高浓度全尾矿胶结充填废石胶结充填膏体泵送胶结充填磨砂胶结充填、赤泥胶结充填、高水固化胶结充填、天然砂胶结充填和干式充填,充填工程,一、发展概况,1950年代以前，干式充填1960年代，水砂充填、混凝土充填1970年代，细砂（磨砂与分尾砂）充填1980年代，全尾砂胶结充填试用1990年代，废石胶结充填；膏体泵送充填2000年以来，全尾砂及其他尾废充填应用,充填工程,一、发展概况,传统矿山充填废石干式充填、分级尾砂水力充填碎石水力充填、混凝土胶结充填天然砂或磨砂充填废料继续排放、采场排水充填工艺效率低、成本高、劳动强度大矿山充填新模式、新技术高效、高质、低成本充分利用矿山废料减轻对环境的污染,充填工程,其他充填工艺,磨砂胶结充填已逐步减少，目前成规模应用的矿山主要有金川镍矿、武山铜矿和建德铜矿赤泥胶结充填于20世纪90年代在山东湖田铝土矿应用成功，并在山东莱芜铁矿开展了赤泥全尾矿胶结充填工业试验高水固化胶结充填有鸡冠嘴金矿和焦家金矿。凤凰山铜矿、小铁山铅锌矿和武山铜矿等在特殊条件下应用或用于充填接顶,矿山充填新技术,高浓度全尾胶结充填自然级配的废石胶结充填井下废石不出窿短流程充填膏体泵送充填,二、充填采矿新观念,发展充填采矿的背景条件复杂难采矿床开采“三下”矿床开采矿山企业效益两型社会,二、充填采矿新观念,采矿工业与国民经济和可持续发展战略工业基础、影响资源与环境矿产资源与环境治理现状资源损失与末端治理协调发展的科学发展观资源、环境与经济协调发展,二、充填采矿新观念,传统开采模式固有属性孤立的企业经济观；开采资源、丢弃资源与废料崩落法、空场法开采技术的固有属性造成地表破坏、废石场和尾矿库排放废料环境治理方案末端治理,以充填采矿为基础，建立协调发展的矿产开发目标与评价模型以最小的废料排放量和对环境的破坏量，获取最大资源量和企业经济效益，最大限度地减少矿业对环境的负面影响，最大限度地减少资源损失和最大限度地实现资源循环利用资源与环境最小损益率评价模型,二、充填采矿新观念,二、充填采矿新观念,理想模式矿业开发系统以完全循环的方式运行，真正成为可持续的形态应用模式把矿山的各个工序作为一个系统对待，结合开采工艺过程，将矿山充填作为提高资源利用率、循环利用矿山废料和减少矿床开采对环境造成破坏的有效手段,矿山废料充填意义,提高资源利用率防止地表塌陷保护远景资源减少固体废料排放,二、充填采矿新观念,保护地表、充分回采矿石、新增经济总量,二、充填采矿新观念,二、充填采矿新观念,矿山充填的新观念突破矿山充填仅限于采矿工艺和空区处理的局限性将矿山充填定位在减少矿山固体废料的排放，保护地表不受破坏和充分回采矿产资源的可持续发展目标上,经济总量与效益,充分条件提高回采率增量，降低贫化率获益利用废料增量，减少或消除尾矿库、废石场构筑和减少末端治理工程获益在经济平衡，甚至新增效益的经济条件下，能有效地促进矿山充填的推广应用,二、充填采矿新观念,充填采矿的经济平衡,y=PDC/+E不考虑E项的条件下：若单方充填体成本为60元/m3、吨矿价值为250元/t、采矿贫化率减量8时，矿山充填可实现效益实现平衡E项：尾矿库、废石场构筑与末端治理费、搬迁费用,废料循环利用,废料减排条件利用矿山固体废料作充填料，实现矿山废料的资源化，使排放量最小甚至为零minQo=Qg(1Pg)+Qf（1Pf）,三、高效率充填采矿新方法,机械化盘区下向进路充填采矿法机械化盘区上向分层充填采矿法机械化盘区上向进路充填采矿法上向分层点柱式充填采矿法分段充填采矿法阶段深孔充填采矿法,条件、结构、装备、特点、现状、趋势,四、矿山充填工艺与技术,充填材料充填料输送高浓度全尾砂胶结充填废石胶结充填膏体泵送充填进一步发展,4.1充填材料,材料组份：集料、水、胶结料胶结材料：水泥、矿渣、赤泥、粉煤灰、火山灰细粒级集料：天然砂、加工砂、尾砂粗粒级集料：天然料、自然级配废石料充填体强度特性：集料、构架、界面、浆体,赤泥胶结料,赤泥具有潜在活性，在赤泥中添加激化剂后，溶解于水中的活化剂离子Ca+可穿透赤泥颗粒表面的无定形沉积层，激化赤泥的活性赤泥的水化铝酸钙等在活化剂作用下生成早期强度较高的钙矾石及其它水化物，使赤泥中原存在的自由水转变为结晶水、胶凝水，最终使赤泥凝结硬化,胶结材料,胶结材料,利用赤泥的潜在活性，通过添加激活剂开发出来的一种胶结料,赤泥胶结料,胶结材料,普通赤泥胶结料：7天、28天和90天的单轴抗压强度分配为5.61、7.76和9.21MPa，初凝45min，终凝160min。高效赤泥胶结料：7天和28天单轴抗压强度达1520和2030MPa，初凝65min，终凝120min,赤泥胶结料,保水性能好，赤泥全尾砂料浆的不脱水浓度仅为58，并且能保证料浆的稳定性胶结性能优良，与全尾矿配合后，试块的单轴抗压强度是水泥的2倍以上,赤泥胶结料,胶结材料,赤泥胶结剂与全尾砂混合后的性能明显优于水泥。当新鲜赤泥胶结剂与水泥在灰砂比均为1:4时，3天强度相近，但前者的7天强度高出1倍，28天高出1.7倍,胶结材料,赤泥胶结料,破坏后的愈合能力强，充填体产生微裂破坏以后，能自行愈合而重新获得强度,赤泥胶结料,胶结材料,矿渣胶结材料,铁渣胶结剂是利用铁渣中的硅酸钙和铝酸钙等组分，添加活性激化剂加工而成的可以完全取代水泥矿用胶结材料胶结效果优于水泥胶结剂，按1:8与全尾矿配合的试块单轴抗压强度可达2MPa以上生产成本仅为水泥成本的4060,胶结材料,高水固化胶结充填料,高铝水泥、石灰、石膏、速凝剂、解凝剂、悬浮剂等料份组成的胶结材料高水固化材料具有固水能力强、单浆悬浮性好、流动性好、凝固速度快等特点，可以将高比例的水迅速凝固成具有一定承载能力的固体,胶结材料,4.2充填料输送,输送方式重力输送机械输送：无轨机械、机车、电耙管道水力输送：自流、泵送输送特性浆体特性：低浓度、高浓度可输送性：粒度、流态、稳定性、塌落度输送参数：浓度、流速、管径、压力损失,4.3高浓度全尾胶结充填,研究与应用概况全尾砂充填的特点：材料、制备、输送、采场充填充填料制备：全尾砂脱水、全尾砂胶结料搅拌混合充填料输送：自流输送、井下增压输送、泵压输送采场充填工艺,研究与应用概况,自1980年代以来开展研究1990年代初在凡口矿建成第一个全尾矿胶结充填系统后，先后在张马屯铁矿、南京铅锌矿、冬瓜山铜矿、莱新铁矿、草楼铁矿等矿山应用，设计应用矿山较多尾矿利用率70以上，其中南京铅锌矿将全部尾矿充入井下，地表不建尾矿库,全尾砂充填特点,细粒级及胶结特性高浓度：不产生离析分级活化搅拌：充分混合和水化输送：管损小、膏体润滑层采场流平性、泌水,全尾砂充填料制备,旋流、沉降、过滤（压滤或真空过滤）三段脱水流程浓密、沉降、过滤（压滤或真空过滤）三段脱水流程浓密、过滤（压滤或真空过滤）两段脱水流程浓密、沉降两段脱水流程一段沉降脱水流程,脱水,全尾砂充填料制备,1-尾砂池8-9000高效浓密机9-贮砂池11-68m2过滤机17-胶带运输机18-高浓度全尾贮砂池,脱水,全尾砂充填料制备,搅拌,高浓度全尾砂充填料输送,自流泵送联合,联合输送,解决方案：根据矿山充填的压差特点，利用系统中料浆的自然压头，在井下充填管线适当位置安装一台无阀挤压输送泵，对高浓度充填料浆进行增压，实现高浓度全尾矿的长距离输送,高浓度全尾砂充填料输送,井下增压输送,增压输送装置安装在井下，其三通把整个输送管道分成两大部分：入口管道和出口管道安装位置选择的原则：(1)在活塞回拉过程中，入口管道内料浆在垂直管道内料浆自重作用下达到足够大的移动速度，以填满输送缸的有效空腔(2)在活塞推压过程中，输送缸内的料浆只流向出口管道，使出口管道内的料浆加速向充填采场流动,高浓度全尾砂充填料输送,4.4废石胶结充填,废石胶结充填的特点废石胶结充填料制备与输送骨料与浆料制备胶结料混合充填料输送废石水泥浆胶结充填废石砂浆胶结充填,废石胶结充填特点,传统的粗骨料胶结充填工艺局限于建筑混凝土的基本原理和技术，使得其工艺具有很大的局限性，因而存在工艺复杂、成本高等缺点，严重制约了它在矿山的大规模推广应用自然级配废石作为集料,自然级配废石料充分利用矿山废料，如井下掘进废石、露天矿剥离废石等作为充填料这些充填料虽然不能获得最理想的强度指标，但却足已满足充填体的强度要求，而其突出的优点是可以实现矿山废料资源化、且制造成本低廉、制造工艺简单，适合在矿山大量推广应用,废石胶结充填特点,水灰比参数指标的不适用性最佳用水量配合参数指标最佳用水量模型：W=KCC十KgG,废石胶结充填特点,废石胶结充填料制备与输送,骨料与浆料制备分流输送：浆料管道输送；废石散体重力或机械输送分流输送工艺对充填料的输送特性没有特殊要求，分流输送的意义不仅仅在于解决了充填料的输送难题，而且为实现最佳用水量配合和简化物料的配合要求奠定了工艺基础渗透混合与重力混合,废石水泥浆胶结充填,系统：制浆站、碎石站和输送管道,废石水泥浆胶结充填,采场充填方式与混合方式应用实例,废石砂浆胶结充填,废石砂浆胶结充填方式的废石粒径一般小于300mm-300+25mm：75%-25mm：25%小时充填效率达250350m3/h,废石砂浆胶结充填,膏体泵送充填,膏体泵送充填特点膏体充填物料组成粗物料+细物料+超细物料细物料+超细物料充填料制备输送泵,膏体泵送胶结充填,国外于1980年代开始应用我国自1990代开始用膏体泵送充填膏体充填物料有：粗物料+细物料+超细物料、细物料+超细物料，两种配合方式输送泵主要为德国泵，小规模应用时也采用沈阳泵,膏体泵送胶结充填,膏体泵送胶结充填,膏体泵送胶结充填,膏体充填料间断式搅拌,膏体充填料连续式搅拌,膏体充填料连续式搅拌,膏体泵送胶结充填,膏体泵送胶结充填,膏体泵送胶结充填,1.选厂尾砂输送泵；2.旋流器；3底流尾砂仓；4比重计；5流量计；6絮凝剂；7真空带式过滤机；8溢流尾砂池；9薄板浓缩机；10带式输送机；11废石仓；12输送机；13皮带机；14脱水筛；