充填采矿新技术(周爱民)

1、长长 沙沙 矿矿 山山 研研 究究 院院 副 院 长副 院 长国家金属采矿工程技术研究中心国家金属采矿工程技术研究中心 主主 任任周爱民周爱民2 0 0 9 年年 5 月月于 重 庆于 重 庆CIMRl发展概况l充填采矿的新观念l高效率充填采矿方法l高效充填工艺与技术CIMRl1970年代以前干式充填l1970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l1980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l1990年代上向进路胶结充填采矿法分段胶结充填采矿法CIMRl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

2、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 CIMRl1950年代以前，干式充填l1960年代，水砂充填、混凝土充填l1970年代，细砂（磨砂与分尾砂）充填l1980年代，全尾砂胶结充填试用l1990年代，废石胶结充填；膏体泵送充填l2000年以来，全尾砂及其他尾废充填应用CIMRl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l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CIMR磨

3、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CIMRl高浓度全尾胶结充填l自然级配的废石胶结充填l井下废石不出窿短流程充填l膏体泵送充填CIMRl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CIMRl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l矿产资源与环境治理现状资源损失与末端治理l协调发展的科学发展观资源、

4、环境与经济协调发展CIMR二、充填采矿新观念二、充填采矿新观念l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l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l环境治理方案末端治理CIMRl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l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l资源与环境最小损益率评价模型QqQQ)(1二、充填采矿新观念二、充填采矿新观念CIMRl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l应用模式把

5、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CIMR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、充填采矿新观念二、充填采矿新观念 CIMR开采矿床开采矿床矿矿 石石矿产品矿产品废废 石石尾尾 矿矿矿山充填矿山充填工业产品工业产品零排放零排放废废 水水保护地表、充分回采保护地表、充分回采矿石、新增经济总量矿石、新增经济总量CIMRl矿山充填的新观念 l突破矿山充填仅限于采矿工艺和空区处理的局限性l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

6、持续发展目标上CIMRl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l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 CIMR充填采矿的经济平衡充填采矿的经济平衡y=Py=PD DC/+EC/+E不考虑不考虑E E项的条件下：若单方充填体成本为项的条件下：若单方充填体成本为6060元元/m/m3 3、吨矿价值为、吨矿价值为250250元元/t/t、采矿贫化率、采矿贫化率减量减量8 8时，矿山充填可实现效益实现平衡时，矿山充填可实现效益实现平衡 E E项：尾矿库、废石场构筑与末端治理费、项：尾矿库、

7、废石场构筑与末端治理费、搬迁费用搬迁费用CIMR废料循环利用废料循环利用l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lminQo=Qg(1Pg)+ Qf（1Pf） CIMRl机械化盘区下向进路充填采矿法l机械化盘区上向分层充填采矿法l机械化盘区上向进路充填采矿法l上向分层点柱式充填采矿法l分段充填采矿法l阶段深孔充填采矿法条件、结构、装备、特点、现状、趋势CIMRl充填材料l充填料输送l高浓度全尾砂胶结充填l废石胶结充填l膏体泵送充填l进一步发展CIMR4.1 充填材料充填材料l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

8、料：天然砂、加工砂、尾砂粗粒级集料：天然料、自然级配废石料l充填体强度特性：集料、构架、界面、浆体CIMR赤泥胶结料l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l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CIMR胶结材料胶结材料l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CIMR普通赤泥胶结料普通赤泥胶结料： 7天、28天和90天的单轴抗压强度分配为5.61、7.76和9.21M

9、Pa，初凝45min，终凝160min。高效高效赤泥胶结料：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CIMRl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l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 料胶 结 材 料CIMR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倍赤泥胶结料CIMRl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

10、结料CIMR矿渣胶结材料l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l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l生产成本仅为水泥成本的4060 CIMR高水固化胶结充填料l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l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CIMRl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l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

11、输送参数：浓度、流速、管径、压力损失CIMR4.3 4.3 高浓度全尾胶结充填高浓度全尾胶结充填l研究与应用概况l全尾砂充填的特点：材料、制备、输送、采场充填l充填料制备：全尾砂脱水、全尾砂胶结料搅拌混合l充填料输送：自流输送、井下增压输送、泵压输送l采场充填工艺CIMR研究与应用概况研究与应用概况l自1980年代以来开展研究l1990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l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CIMR全尾砂充填特点全尾砂充填特点l细粒级及胶结特性l高

12、浓度：不产生离析分级l活化搅拌：充分混合和水化l输送：管损小、膏体润滑层l采场流平性、泌水CIMR全尾砂充填料制备全尾砂充填料制备l旋流、沉降、过滤（压滤或真空过滤）三段脱水流程l浓密、沉降、过滤（压滤或真空过滤）三段脱水流程l浓密、过滤（压滤或真空过滤）两段脱水流程l浓密、沉降两段脱水流程l一段沉降脱水流程 脱脱 水水CIMR全尾砂充填料制备全尾砂充填料制备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脱 水水CIMR全尾砂充填料制备全尾砂充填料制备搅搅 拌拌CIMR高浓度全尾砂充填料输送高浓度全尾砂充填料输送l自流l泵送l联合CIMR

13、联合输送高浓度全尾砂充填料输送高浓度全尾砂充填料输送CIMR井下增压输送l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l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高浓度全尾砂充填料输送CIMR4.4 废石胶结充填废石胶结充填l废石胶结充填的特点l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l废石水泥浆胶结充填l废石砂浆胶结充填CIMR废石胶结充填特点废

14、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CIMR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 废石胶结充填特点废石胶结充填特点CIMRl水灰比参数指标的不适用性l最佳用水量配合参数指标l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特点CIMR废

15、石胶结充填料制备与废石胶结充填料制备与输送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CIMR废石水泥浆胶结充填废石水泥浆胶结充填l系统：制浆站、碎石站和输送管道CIMR废石水泥浆胶结充填废石水泥浆胶结充填采场充填方式与混合方式应用实例CIMR废石砂浆胶结充填废石砂浆胶结充填l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/hCIM

16、R废石砂浆胶结充填废石砂浆胶结充填CIMR膏体泵送充填膏体泵送充填l膏体泵送充填特点l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l充填料制备l输送泵CIMR膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填l国外于1980年代开始应用l我国自1990代开始用膏体泵送充填l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l输送泵主要为德国泵，小规模应用时也采用沈阳泵CIMR膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填CIMR膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填CIMR膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填CIMR膏体充填料间断式搅拌膏体充填料间断式搅拌CIMR膏体充填料连续式搅拌膏体充填料连续式搅

17、拌CIMR膏体充填料连续式搅拌膏体充填料连续式搅拌CIMR膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填CIMR膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填CIMR膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填CIMR1.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；15搅拌槽；16双螺旋搅拌机；17输送泵膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填CIMR尾砂粉煤灰贮槽分配箱选厂尾砂脱泥分配采 场旋流器油隔离泵 搅拌槽真空带式过滤机双轴叶式搅拌机双螺旋搅拌输送机KSP140-HDR液压活塞泵KOS2170

18、活塞泵细砂仓水泥仓活化搅拌机排污口水尾矿坝浓密机膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填CIMR年份年份国家及矿山名称国家及矿山名称主要应用条件主要应用条件设设 备备 型型 号号19801980德国德国PreussagPreussag公司公司GrundGrund铅锌矿铅锌矿分段充填，开采深度分段充填，开采深度600m600m，35m35m3 3/h/h，5MPa5MPa，6 68 8万万m m3 3a aBRA2100BRA21002 2，160kW160kW19851985南非南非JCIJCI公司公司Cooke 3Cooke 3号金矿号金矿房柱法，开采深度房柱法，开采深度80m80m，50m50m3

19、 3h h，5MPa5MPa，2525万万m m3 3a aKOS2160KOS21602 2，132kW132kW19851985南非南非ACCACCWelcomeWelcome60m60m3 3h h，10MPa10MPa，试验研究，单次给料，试验研究，单次给料10m10m3 3KOS2100KOS2100，132kW132kW19871987英国英国FaircloughFairclough Civil Civil房柱法，作业深近房柱法，作业深近80m80m，120m120m3 3h h，4MPa4MPa，3030万万m m3 3a aKOS2180KOS2180，300kW 300kW

20、19881988美国美国Lucky FridayLucky Friday铜铅锌银矿铜铅锌银矿下向充填，开采深度下向充填，开采深度1600m1600m，60m60m3 3h h，3MPa3MPa，KOS2180KOS2180，90kW90kW19881988南非南非ACCACC公司公司FreddiesFreddies 5 5金矿金矿长壁法开采深部盲矿体，深长壁法开采深部盲矿体，深1300m1300m，8 8万万m m3 3a aBRA1406BRA1406，160kW KOS1467160kW KOS146719881988德国德国RuhrkohleRuhrkohle Monopol Monop

21、ol煤矿煤矿长壁法作业，开采深度长壁法作业，开采深度1000m1000m，100m100m3 3h h，6MPa6MPa，KOS3080KOS3080，132kW132kW19891989中国金川公司二矿中国金川公司二矿下向进路充填，下向进路充填，50m50m3 3/h,5MPa/h,5MPa，用于试验研究、开采深度，用于试验研究、开采深度450m450mKOS2170KOS2170，132kW132kW，KOS2140KOS21402 2，132kW132kW19901990奥地奥地BleibergerBleiberger铅锌矿铅锌矿分段充填法，开采深度分段充填法，开采深度500m500m，

22、35m35m3 3/h/h，8MPa8MPa，1010万万m m3 3a aKOS2160HPKOS2160HP，160kW160kW19901990德国德国LeonicLeonic矿矿充填地面破坏区充填地面破坏区BSA2100HEBSA2100HE19901990德国德国RuhrkohleRuhrkohle Walsum Walsum煤矿煤矿长壁法回采后充填采空区，开采深度长壁法回采后充填采空区，开采深度900m900m，100m100m3 3/h/h，12MPa12MPaKOS3080KOS30803 3，500kW500kW19921992CSFR OKD DulCSFR OKD Dul

23、 Paskov Paskov煤矿煤矿长壁法作业，开采深度长壁法作业，开采深度1000m1000m，60m60m3 3/h/h，6MPa6MPaKOS 1460HPKOS 1460HP，160kW160kW19921992摩洛哥摩洛哥ONA HajarONA Hajar铅锌铜矿铅锌铜矿分段充填，开采深度分段充填，开采深度500m500m，115m115m3 3/h/h，6MPa6MPaKOS2180KOS2180，200kW200kW19931993俄罗斯俄罗斯NorilskNorilsk镍矿镍矿空场采矿嗣后充填，开采深空场采矿嗣后充填，开采深l00ml00m，300m300m3 3h h，5M

24、Pa5MPaKOS2180KOS21803 3，220kW220kW19961996葡萄牙葡萄牙SomincorSomincor公司公司NevesNeves Corvo Corvo铜矿铜矿巷道充填与梯段充填，环管试验巷道充填与梯段充填，环管试验65m65m3 3/h/h，11.5MPa11.5MPaKOS2160KOS216019971997中国金川公司二矿中国金川公司二矿机械化盘区下向进路充填机械化盘区下向进路充填80m80m3 3/h, 12MPa/h, 12MPaKSPl40HDRKSPl40HDR2 2，250kW250kW19991999中国大冶有色金属公司铜绿山铜矿中国大冶有色金属公司铜绿山铜矿分层进路充填，分层进路充填，50m50m3 3/h/h，6MPa6MPaKSP80KSP802 2，120kW120kW20002000坦桑尼亚坦