全尾砂胶结充填技术应用和改造实施膏体充填探讨

全尾砂胶结充填技术运用

和改造实施膏体充填讨论

冯英俊

济南钢城矿业2021年12月主要内容企业根本情况全尾砂胶结充填技术及运用高炉水渣替代部分水泥充填全尾砂胶结充填运用综合评价需求改良完善的问题改造全尾砂胶结充填系统实施膏体充填的讨论1.企业根本情况济南钢城矿业原为济南张马屯铁矿，位于济南市的东郊，1966年11月建矿，因水文地质条件复杂,1977年11月部分投产，构成年产20万吨矿石的消费规模。1990年并入济南钢铁集团公司，称为济钢张马屯铁矿，2000年根据济钢股份公司上市需求，注册为有限责任公司，是济南钢铁集团的全资子公司。矿山在1993～1997年实施扩产工程后，消费才干到达年产原矿50万吨、铁精矿33万吨。现已开展成以自有矿山采选消费为主，外购矿石、煤炭加工并举的综合型资源企业，成为济钢集团公司的重要原料基地。建矿以来不断开采的张马屯铁矿床，属矽卡岩型磁铁矿床，位于矿区中部济南辉长岩体东部接触带，是济南铁矿区中规模较大的一个隐伏矿床，由Ⅰ、Ⅱ号两个主要矿体和少量零星矿体组成。矿体范围内为平原地形，地势平坦，标高在29～33m之间。地表为村庄农田，又紧邻胶济铁路和公路，无河流经过，无汇水体，矿体埋藏深。累计探明储量2883.8万吨，平均地质档次54%，属高硫半自熔高炉富矿。张马屯铁矿床是国内稀有的大水矿床，水文条件极其复杂，先后投入宏大资金进展水文地质勘探和地下水治理工程。在1970～1975年对该矿床进展了大规模的水文地质勘探，阐明该矿床水文地质条件极为复杂，矿坑涌水量特别大，预测﹣360〔最低开采程度〕坑道涌水量41.4万m3/d。确定采用“以堵为主，排、堵结合〞的防治水方法。1975年12月至1979年9月对7勘探线以东、水文地质条件相对简单的Ⅰ号矿体实施了小帷幕注浆堵水实验工程。自创小帷幕注浆堵水的胜利技术阅历，于1993年3月到1996年12月，对矿床西段〔7勘探线以西〕的矿体实施大帷幕注浆堵水工程。堵水效果达85%以上，保证了矿床的平安开采，开辟了我国特大水矿山帷幕注浆治水的先河。1993年矿山与长沙矿山研讨院协作胜利研讨运用了具有国际领先程度的全尾砂胶结充填综合技术，建成了国内第一个全尾砂胶结充填系统和高炉水渣细磨系统，实现了选矿不设尾矿库的绿色选矿目的。在此根底上，进一步完善采矿工艺，构成了不留矿柱的分段空场嗣后充填采矿新工艺，提高矿石回采率20%以上。资源化综合利用废石和矿坑水，将采矿的废石加工成建筑用的石子，将矿坑水保送到集团供冶炼运用。实现了采矿、选矿、充填互为原料、综合平衡的良性闭路循环，建成了年产矿石50万吨，铁精粉33万吨的平安、高效、无废排放的生态文明矿山。公司在帷幕注浆堵水和全尾砂胶结充填技术方面积累了比较丰富的阅历，为国内地下金属矿山提供了范例，在一些同类型矿山已得到了很好的运用；也被教材、专家学者研讨援用。2.全尾砂胶结充填技术及运用

2.1工程背景矿山扩产，将原矿消费才干提高到50万吨，同时建立选矿厂。扩产带来两个问题：一个是充填料的来源。矿山地表为村庄农田，又紧邻胶济铁路和公路，不能塌陷变形，必需充填。矿山年产原矿50万t,每年构成约12万m3的采空区，需充填料20万t，而井下产生废石只需3～4万t，大量充填料靠外购或建采石场处理，经济上不合理，也难以实施。另一个是尾矿的堆存。为了满足炼铁的精料需求，建立选矿厂，消费档次65％以上的铁精矿。而矿山紧邻高新技术开发区，在矿区内或附近无建尾矿库的适宜场地，无法处理尾矿排放问题。假设将选厂产出的尾矿，全部充入井下采空区，既处理了地表无法设尾矿库的难题，又满足了井下充填料的需求。同时在尾矿中再参与一定量的胶凝资料，保证充填体到达适宜的强度，使回采矿柱成为能够，提高了矿石综合回收率，充分利用矿产资源，可获得更好的技术经济效果。经过慎重决策，矿山从1993年6月开场与长沙矿山研讨院协作，共同实验研讨和运用全尾砂胶结充填技术，目的主要有两个：其一是处理充填料的缺乏和地表无法建造尾矿库，选厂尾砂须前往井下充填采空区，实现采、选、充的综合平衡；其二是回采矿柱，提高矿石的回收率。全尾砂胶结充填技术的胜利研讨运用实现了预期的目的。2.2难点张马屯铁矿的充填资料是选场的脱水不分级尾砂。受矿石中含有的绿泥石、矽卡岩等成分影响，尾砂泥化严重，粒级极细，﹣200目的颗粒约占60%，特别是﹣400目的颗粒所占比例达40%；尾砂的比重为2.8t/m3，松散容重1.17-1.2t/m3。2.3全尾胶结料浆制备系统

2.3.1全尾砂胶结充填工艺采用高速活化搅拌工艺，将浓密脱水后的选矿尾砂按一定的灰砂比，与适量的水泥和水混合，先经双轴搅拌机初步搅拌后，再经高速搅拌机进展强力活化搅拌，制成浓度60％左右的全尾砂料浆，经过Φ125mm充填管自流保送充填采空区，构成的充填体自立高度可达60m，具有良好的稳定性。2.3.2全尾砂胶结充填系统根据实验结果，设计建立了全尾砂胶结充填系统，于1994年7月建成投产，受场地的限制，系统全部建在矿区院内，由充填料浆制备系统由尾砂保送线；水泥保送线；供水线和砂浆制备线四条消费线组成。全尾砂胶结充填料制备站工艺流程图2.4料浆保送

经过计算充填倍线在3.5以内可以实现自流保送；在充填倍线大于3.5区域当时选用混凝土保送泵加压保送。经过实验混凝土保送泵间歇保送与延续制浆不匹配，运用不胜利，后来放弃了，全部采用自流保送充填料浆。全尾砂胶结充填料浆经过Φ125mm充填管沿25°的斜井自流到井下充填程度，进入采空区充填。2.5灰砂比和料浆浓度在料浆浓度为54～67％，张马屯铁矿的灰砂比1：4，1：5，1：6，60天龄期单轴抗压强度在0.85～2.38MPa，大部分在1.0～1.68Mpa。张马屯铁矿的全尾砂胶结充填设计为高浓度充填，浓度在60-65%。但消费难以到达。经过斜井自流保送浓度最高只能到62%，超越既发生堵管。消费运用55-57%，由于尾砂给料不均匀，再高极易堵管。实验阐明在灰砂比不变时，随浓度的添加，其强度的添加还是比较显著的。2.6消费运用效果

设计尾砂胶结充填料浆制备才干为40m3/小时，实践制浆才干为45～60m3/h，平均充填才干51m3/h。灰沙比一步矿房1︰4～1︰6，二步矿房1︰10，平均灰砂比1：5，单位水泥耗费190kg/m3。料浆浓度最高60%，普通55％，在充填倍线大于3.5时料浆浓度50%。充填体试块180天的平均强度为1.42MPa(强度低于1MPa占33.3％，在1～2MPa之间的占49.1％，2～3MPa之间的占15.8％)。充填本钱77.65元/m3〔当时水泥价钱190～200元/t〕；如今充填本钱105元/m3。3.高炉水渣替代部分水泥充填3.1高炉水渣细磨的胶凝性实验阐明：高炉水渣细磨至﹣0.047mm〔﹣200目〕颗粒占60％以上时，有良好的胶凝性。在灰沙比和浓度一样的情况下，炉渣替代水泥30％以上时，强度比不用炉渣高，而且28天和90天的抗压强度均随炉渣的用量添加而上升；炉渣替代水泥量小于30％时，试块的抗压强度不稳定。阐明在一定条件下，用炉渣替代部分水泥，对充填体的抗压强度增长和后期有利，随着炉渣替代水泥量的增大提高。将高炉水渣细磨至﹣200目〔﹣0.047mm〕颗粒占60％以上时，有良好的胶凝性，可替代水泥50～70％，而且充填体的抗压强度均随炉渣的用量添加而上升，是一种廉价的水泥代用品。3.2高炉水渣细磨系统3.2.1工艺流程工艺是将高炉水渣磨细、分级，﹣200目占60％以上的合格产品送至充填制浆站，与水泥、尾砂混合搅拌，制备全尾砂充填料浆。炉渣用自卸汽车从炼铁厂运至炉渣料仓，其容积为24m3，经GZD-30振动给料机，均匀地卸入TD75-5050胶带运输机〔长31.5m，坡度18º〕，经微电脑多功能电子皮带称，送入球磨机〔MQG-1500×3000〕,由流量计计量加水磨细，自流到螺旋分级机〔FLG-1500〕进展分级，粗颗粒再前往到球磨机再磨，合格产品〔-200目占60％以上〕，从分级机溢流经管道〔DN-100mm〕由两台渣浆泵〔一台备用〕运至双轴搅拌机，与水泥、尾砂混合制浆，自流至井下充填。高炉水渣细磨工艺流程图1、电机振动给料机2、胶带保送机3、微电脑多功能电子皮带称4、电动单梁起重机5、湿式格子型球磨机6、高堰式单螺旋分级机7、原有双轴搅拌机8、渣浆泵3.3消费运用效果高炉水渣细磨消费线于1996年9月建成投产，运转到2002年，济钢集团的微粉消费线投产，水渣全部用于消费微粉、超细粉，没有水渣供应停产高炉水渣细磨站平均消费才干为5.51t/h〔湿量〕，当分级机溢流浓度在25％左右时，能保证高炉水渣磨细粒度-200目占60％以上。在消费中水渣替代量为40～50％。凝固快，强度高，充填效果好；充填体的自立性、稳定性好于只用水泥充填。高炉水渣磨细单位本钱为42.44元/t，比水泥充填的77.65元/t降低了35.21元/t。4.全尾砂胶结充填运用综合评价⑴、采用高速活化搅拌技术，实现了粒级细〔﹣200目占60％以上〕、泥化严重尾砂的不分级充填全部，不设尾矿库。⑵、全尾砂胶结充填技术在张马屯铁矿的运用，实现了采矿、选矿和充填良好的闭路循环作业，开创了在地表不设尾矿库的无废矿山先例，为我国矿山环保提供了珍贵阅历。⑶、将高炉水渣细磨至﹣200目占60%以上，替代充填水泥50%-70%，不仅凝固快，强度高，充填效果好，而且能大幅度降低充填本钱。⑷、运用全尾胶结充填工艺，及时充填采空区，构成的充填体直立高度接近60m，直立性和稳定性好，抗爆破冲击才干强，可以替代矿柱控制地压，实现不留矿柱开采，可以大幅提高矿石回采率，延伸了矿山寿命，充分利用了矿产资源，获得宏大的经济效益和社会效益。公司在此根底上，进一步对采矿工艺的构造参数进展优化，将矿块划分成一、二步回采矿房，不留矿柱，先回采一步矿房，全尾砂胶结充填后，再回采二步矿房，构成了不留矿柱的分段空场嗣后充填采矿新工艺，提高矿石回采率20%以上。5.需求改良完善的问题问题主要是充填浓度降低，充填体质量差，影响矿房回采。张马屯铁矿胶结充填料浆浓度并未到达设计的60%高浓度充填要求，目前只需50～55%左右。呵斥充填体强度低，二期矿房回采时两侧的全尾砂胶结充填体塌落较多，矿石中混入充填料，直接降低了矿房回采率，同时影响了矿石的破碎筛分及选矿消费。因此，尽能够提高充填料浆浓度，提高充填体强度是目前矿山消费中的紧迫要求。呵斥的缘由主要有两方面：一是尾砂给料不均匀。由于尾砂属于高细度有粘性物料，压滤后呈块状，经过振动漏斗给料极不均匀，呵斥皮带秤计量误差较大，影响灰砂比和料浆浓度。二是自流保送不能满足倍线添加的需求。随着采矿区域向远处延伸，充填倍线不断添加，最远处的充填倍线将到达15，在充填倍线到达3.5以上，充填浓度55%已难以自流，为了实现自流，只能降低充填浓度，降低充填体质量。6.改造全尾砂胶结充填系统实施膏体充填的讨论6.1全尾砂膏体充填是先进、胜利的

充填技术近20年来,膏体充填技术获得了很大的提高,在全世界范围内备受关注,尤其是加拿大、南非、澳大利亚、德国、美国等矿业兴隆国家得到运用。膏体充填技术可以运用全尾砂,具有料浆不脱水离析、充填体强度高、水泥耗量小等优点,是充填技术的开展方向。我国从上世纪80年代起就开场跟踪研讨膏体充填技术,先后在金川有色金属公司、大冶有色金属公司、驰宏锌锗股份进展实验研讨,在尾砂浆浓密制备、水泥添加以及膏体搅拌制备、膏体泵压保送等方面获得了突破。但相对于浆体充填乃至高浓度充填而言,膏体充填所涉及的工艺环节多、控制精度高、初期投资大。同时,膏体充填还有一些关键技术及实际亟待处理,比如尾砂浓密制备工序的完善、管道磨损、膏体保送实际、关键设备的消化与吸收等。6.2张马屯铁矿实施膏体充填尤为适宜在充填倍线3.5以下，充填料浆浓度60%左右时，充填料浆可以自流保送；当浓度大于62%时，即发生堵管景象。栖霞山铅锌银矿的实验结果也证明充填倍线为3.2时，76％的料浆保送浓度难于实现自流保送，当充填倍线加大至4.2时，无论能否添加水泥，料浆分量浓度73.6％的料浆流速极低，不能实现自流保送。张马屯铁矿最远矿体的充填倍线到达了15以上，接近20，根据管路布置及尾矿的性质，高浓度充填料浆依托自流保送是很难实现的，必需加压保送。膏体充填由于采用泵加压保送不受充填倍线的限制，对张马屯铁矿细粒级的尾砂尤为适宜，可以处理张马屯铁矿现有充填技术工艺存在的问题和缺乏。结合国内外胜利的技术阅历，利用膏体充填技术进展晋级改造，提高充填料浆浓度和充填体强度及保送间隔，降低充填本钱，是非常必要和可行的。6.3改造原那么及目的本着充分利用已有的尾矿浓密脱水等工艺设备设备、井巷工程，尽能够减少投资，实现膏体充填的原那么进展改造。根据张马屯铁矿尾矿的实践特点，确定膏体充填改造的目的：浓度到达70-75%，塌落度为20～25cm的膏体；充填才干50m3/h，利用充填泵加压保送，满足最远矿体开采的需求；降低充填本钱，充填体强度满足分层充填采矿的要求。6.4工艺流程6.4.1充填资料膏体由全尾砂＋水＋胶结资料＋粗骨料＋改性资料五大部分组成。尾砂为选场浓密脱水的不分级全尾砂；胶结资料采用普通硅酸盐水泥；粗骨料用高炉水渣、废石破碎后的碎石；改性资料用粉煤灰。粉煤灰的胶凝性：国内外对粉煤灰的胶凝性和替代部分水泥充填，做了系统的研讨，运用广泛，技术成熟。粉煤灰中SiO2、Al2O3含量比较高，具有一定的潜在胶凝性能，可作为水泥代用品替代部分水泥；粉煤灰密度小，当掺入一定量后,可减轻充填体体重，利于降低水泥耗费，节约充填本钱。添加粉煤灰的平均抗压强度要比不加粉煤灰的充填体强度高出许多，而且粉煤灰能大幅度提高充填体后期强度。这次膏体充填改造，也利用粉煤灰替代部分水泥，自创兄弟矿山的技术阅历，按水泥与粉煤灰的分量比1∶1.0~1∶0.5，详细未来按实验结果确定。6.4.2改造工艺流程膏体充填工艺主要由全尾浓密、膏体制备、膏体保送组成。6.4.2.1全尾砂浓密脱水现脱水工艺为：全尾砂经过￠30m、￠12m浓密机浓密至浓度40~45%，保送到板框式压滤机压滤脱水成含水含水率为18～20％的滤饼，堆存在尾砂池作充填运用。尾砂含水率可以满足膏体充填要求，拟用压滤后的尾砂直接充填，不过要改良振动漏斗的下料方式，实现均匀给料且给料量到达膏体制备要求。6.4.2.2膏体制备制备方式采用卧式多级延续搅拌混合。全尾砂经过皮带，水渣、碎石经圆盘给料机及皮带秤计量保送，水泥、粉煤灰经双螺旋给料机及冲板流量计计量保送，5种物料共同进入双轴叶片式搅拌机和双螺旋搅拌保送机中进展二级搅拌，制备成浓度70%～75%的膏体充填料。搅拌才干均为50～60m3/h