充填采礦工藝文獻綜述

1、Kunming University of Science and Technology充填工藝和充填采礦技術現(xiàn)狀與發(fā)展綜述 學 院： 國土資源工程學院 專 業(yè)： 礦業(yè)工程姓 名： * 學 號： *昆明理工大學國土資源工程學院資開系目錄摘要3關鍵詞31. 前言32. 研究的目的與意義43. 充填技術國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向54. 充填采礦技術的發(fā)展方向64.1充填采礦法向無軌機械化、回采連續(xù)化方向發(fā)展64.3新型充填材料、化學添加劑的擴大應用64.4充填設施、監(jiān)測儀表將會得到更新的發(fā)展74.5充填力學研究向現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測與預報方向發(fā)展75. 充填技術研究方向76. 尾砂配比試驗86.1充填體的取

2、樣86.2確定充填體配比96.3配比小結97. 我國充填工藝尚需深入研究的課題9參考文獻12充填工藝和充填采礦技術現(xiàn)狀與發(fā)展綜述【摘要】：本文簡單闡述了國內外充填工藝和充填采礦技術的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢和所面臨的一些問題，簡單地探討了充填體配比的一些問題和結論，最后列出了6個仍需要深入研究的重要課題?！娟P鍵詞】：充填工藝、充填采礦技術、充填體配比1. 前言隨著人類對礦產品需求的不斷增加，礦產資源變得越來越少。如何合理、高效、經濟、安全地進行礦產資源開發(fā)利用，降低資源的損失，減少礦石的貧化，提高礦石的質量，是礦產資源開發(fā)者共同關心的問題。充填采礦法以其高回收率、低貧化率的優(yōu)點，在開采較高價值的難

3、采礦床中取得了突破性進展，出現(xiàn)了無軌機械化膠結充填采礦法，點柱充填采礦法，分段充填采礦法，大孔徑階段空場嗣后尾砂膠結(塊石膠結)充填采礦法等。同時，計算機廣泛應用于充填體與圍巖互相力學作用機理方面的研究，為設計和生產提供依據(jù)。本文結合河北某金礦采礦工藝技術改造工程，尋求適合該礦山高品位、高價值的急傾斜薄中厚貴金屬礦體的采礦方法。采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，對采礦方法轉變時的采場結構參數(shù)進行優(yōu)化。論文的主要成果有:(1)通過分析國內外巖石力學及膠結充填采礦方法方面的研究成果，闡述了地下深部采場頂板冒落的原理、確定充填體設計強度的方法及充填體的作用機理。 (2)為降低礦石的損失率和貧化率，根據(jù)礦

4、體的賦存狀況、開采技術條件，結合礦山現(xiàn)狀，通過經濟技術比較選取了上向分層全尾砂膠結充填法，并在180m中段采場進行試驗，沿走向布置采場連續(xù)回采。 (3)為確定充填體滿足生產要求的強度，從采場充填體的力學特性出發(fā)，在實驗室進行了充填材料配比試驗，通過實驗分析出了該金礦全尾砂膠結充填體的物理力學性質，總結出影響充填體強度的主要因素，即灰砂比和料漿濃度，灰砂比越大濃度越高，充填體的強度越大。根據(jù)該礦的具體情況，選取該金礦自產尾砂作充填骨料，水泥作膠凝劑，灰砂比為1:6的料漿進行充填。 (4)由于所采用的上向水平分層采礦法沒有劃分礦房和礦柱，造成頂板的大面積暴露，為確保安全高效的回采礦石，運用FLAC

5、-3D數(shù)值模擬軟件對不同的采場結構參數(shù)進行模擬計算，得出該金礦采用上向分層全尾砂膠結充填時合理的采場結構參數(shù)，為礦山以后的生產、設計提供一定的依據(jù)。2. 研究的目的與意義 礦產資源開采涉及國民經濟的很多領域，諸如鋼鐵、建筑材料、能源、化工、冶金等等，這些行業(yè)在國民經濟中占據(jù)很重要的地位，這就要求我們對礦產資源的開發(fā)和利用更加重視。特別是隨著經濟建設的飛速發(fā)展，人們對礦石的需求量日益增大，雖然我們是資源大國，但我們的富礦少，貧礦多，賦存條件差況且人口眾多資源相對缺乏，而經過多年的開采，埋藏較淺的賦存條件好的易采礦體越來越少。為了滿足社會生活和經濟生產的需求，人們開始著手于開采地下更深處的、開采條

6、件差的礦床。另外，近年來發(fā)生的多起礦難使得社會各界安全和環(huán)保意識提高，安全隱患大、環(huán)境破壞大的礦山開采受到了人們越來越多的關注。同時，政府也加強對礦山開采的管理，制定相關的政策及法律法規(guī)，逐步淘汰那些安全性差、技術落后的礦山，這就要求礦山選取更高效更安全的采礦方法。地下金屬礦產資源開采深度的加大，開采難度的增加，使得充填采礦方法得到越來越廣泛的應用，同時也推動了整個采礦工業(yè)的不斷向前發(fā)展。 充填采礦法是一種回收率高、貧化率低、安全性高、對地表環(huán)境破壞小的采礦方法，尤其在礦體賦存條件差、地表不允許塌陷需要保護、經濟價值高的礦床開采中具有不可替代的作用，因此近年來，充填采礦法在我國及世界其他礦產大

7、國得到了十分廣泛的應用。雖然我國礦山充填技術起步較晚，但隨著近十幾年我國的采礦、選礦及其他相關科學技術的快速發(fā)展，充填技術也得到了飛速的發(fā)展，使得我國的采礦工業(yè)處于新的快速發(fā)展的階段，原先難采的現(xiàn)在好采了，原先一些因技術差不敢采的礦體現(xiàn)在敢采了。當然，充填采礦法還存在很多問題，像充填成本的控制，簡化充填工藝及充填體的穩(wěn)定性，這些都需要我們去研究解決，使充填采礦法成為一種安全、經濟、有效的高效率的采礦方法。 另外，針對不同的礦山對于充填采礦的技術要求也不一樣，這就需要根據(jù)礦體的賦存條件選取合適的充填法，而且對采場的布置形式、結構參數(shù)進行合理的改進，以實現(xiàn)礦山安全，經濟高效的開采礦石。3. 充填技

8、術國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 20世紀初，隨著各行各業(yè)科學技術的發(fā)展，采礦技術也得到了相應的發(fā)展，充填法開始應用于礦山。1930年，霍恩礦山公司首次嘗試利用尾砂和爐渣進行干式充填并獲得成功;20世紀50年代，加拿大某礦山首次采用細顆粒浮選尾砂水力充填;1962年加拿大的Food礦山采用尾砂和水泥進行膠結充填，這是據(jù)記載的最早使用膠結充填的礦山;1969年澳大利亞芒特艾薩銅礦首次采用水泥膠結充填回采底柱，同時開始了利用銅礦冶煉爐渣充當膠結劑的研究;20世紀70年代，尾砂膠結充填工藝開始在地下金屬礦山推廣應用。1993年加拿大發(fā)展了膏體充填技術，這項技術的推廣極為迅速，一些礦業(yè)發(fā)達國家開始廣泛應用，

9、如澳大利亞，1997年8月建成的大型地下礦山坎寧頓(Cannington)礦，就采用了膏體充填系統(tǒng);芒特艾薩礦業(yè)公司為開采深部的礦體，在1998年底建成一個膏體充填系統(tǒng)。 我國充填技術起步較晚，但發(fā)展較快，大致經歷了四個階段:第一階段為20世紀50年代的以廢石為主的干式充填，1955年我國干式充填采礦法在地下金屬礦山的開采中占了很大的比重，受當時采掘、搬運等設備落后及技術水平低的影響，使得采礦工效和生產能力提升不大，同時還提高了采礦成本，從而制約了干式充填技術的應用與發(fā)展，至1963年，有色礦山中充填采礦法的應用比重大幅的下降，幾乎很少礦山使用。第二階段為20世紀60, 70年代的水砂充填和膠

10、結充填工藝，1960年，湘潭錳礦首次采用了碎石進行水力充填，取得了不錯的效果;1965年錫礦山首次運用了尾砂水力充填工藝，有效的控制了采場的的地壓;1968年凡口鉛鋅礦采用分級尾砂和水泥膠結充填工藝，這是我國首次采用膠結充填的礦山;第三階段為20世紀80、90年代開始在地下金屬礦山發(fā)展起來的全尾砂高濃度膠結充填、塊石膠結充填工藝及高水速凝技術，隨著技術的發(fā)展和生產的需求，煤礦也開始應用充填采礦;第四階段為20世紀90年代末發(fā)展起來的膏體泵送充填工藝，1997年金川有色金屬公司二礦區(qū)建成了膏體泵送充填系統(tǒng)，1999年大冶有色金屬公司也采用了膏體泵送充填技術。此后，隨著各種充填新新設備、新材料、新

11、工藝的的研究和成功應用，使得充填采礦技術取得了長足的進步。從以上數(shù)據(jù)可以看出，雖然我們的充填技術起步晚，但發(fā)展快，幾乎和國際保持在同一個水平。4. 充填采礦技術的發(fā)展方向4.1充填采礦法向無軌機械化、回采連續(xù)化方向發(fā)展現(xiàn)代充填采礦技術逐步將淘汰低效率的充填工藝，取而代之的將是規(guī)模大、效率高、可連續(xù)回采的先進的采礦工藝5。近年來在地下礦山，隨著斜坡道及鑿巖臺車、鏟車以及運輸汽車等各種新型設備的應用，井下作業(yè)正在向機械化、無軌化、數(shù)字化等方面發(fā)展。隨著科學技術和制造業(yè)的快速發(fā)展，將來肯定會有更適合地下礦山生產作業(yè)的機械設備。這些新設備的使用，大大改善了井下作業(yè)面貌，提高了采場生產能力和勞動生產率，

12、同時進一步保障了工人的工作安全。4.3新型充填材料、化學添加劑的擴大應用礦山的充填材料主要由骨料和膠結劑兩部分組成。骨料主要就地選取廉價的可用物料，如廢石、尾砂等，不足部分就地選料破碎加工大部分礦山選取普通硅酸鹽水泥作為膠結劑，有的礦山還用到礦渣硅酸鹽水泥。目前適于地下礦山充填特點的專用水泥還不多見，為了尋求水泥的替代品，許多學者作了大量的深入研究，像粉煤灰、速凝劑等材料可以起到水泥的作用，將來隨著技術的進一步完善，必定會在礦山得到廣泛的應用，像高水速凝材料己經開始在硬巖礦山的應用，但是還處于試驗研究階段，需要進一步的推廣。除了常規(guī)的充填材料，如砂石料、水泥、爐渣以及水之外，在充填過程中加入一

13、些具有特殊效用的藥劑，已經在國內外的一些礦山開始研究和試用。例如，加入速凝劑用來縮短凝固時間，緩凝劑用來延長凝固時間，減水劑用來改善充填體的和易性(是指硅拌合物能保持其組成成分均勻，不發(fā)生分層離析、泌水等現(xiàn)象)，降低充填物料的輸送阻力的減阻劑等。這些外加劑的使用其目的是為了改變充填料的相應的物理性能，包括提高充填體強度、增加穩(wěn)定性、易輸送性、和易性以及澆注性等，這些特性都與充填工藝及充填質量有著密切的關系。這些外加化學藥劑在礦山中的應用和推廣，必將改變單一依賴硅酸鹽水泥這種局面。隨著科技的發(fā)展，特別是材料科學的飛速發(fā)展，相信在不久的將來，我們一定會研制出新的廉價高效的充填材料、化學添加劑，來降

14、低充填成本，提高充填體的性能。從尾砂膠結充填采礦法的發(fā)展過程和研究現(xiàn)狀不難看出，現(xiàn)代膠結充填的研究圍繞著充填成本和充填體質量兩個核心而展開的。充填體質量研究的目的是在現(xiàn)有的充填工藝及采礦方一法下，嚴格控制影響充填質量的各環(huán)節(jié)，以達到用最低的成本消耗滿足特定條件下的采礦生產安全。尋求價格低廉，來源豐富，生產簡單，性能優(yōu)越的細砂惰性材料，降低膠凝材料的成本，提高礦山企業(yè)的效益是充填質量研究的宗旨。4.4充填設施、監(jiān)測儀表將會得到更新的發(fā)展目前，目前許多礦通過在充填站建立儀表監(jiān)測系統(tǒng)和計算機控制自動化平臺，幾乎實現(xiàn)了充填系統(tǒng)可視化、數(shù)字化及自動化;減少了工人，一些大型充填站只需4, 5個人就可以滿足

15、充填工藝的需要，大大的提高了生產效率。同時，這些設備的使用加強了充填過程的管理和保證充填質量，哪里出現(xiàn)題，通過控制平臺可以一目了然的看到，不會盲目的尋找出事設備，減少了設備的威脅時間，保證充填作業(yè)順利高效的完成。另外，在充填設施中，充填料貯倉起到十分重要的作用，它的形式和位置的選取是整個充填作業(yè)中的關鍵部分，但這一點經常被忽視。尤其是對于采用濕法處理技術的立式貯倉更為重要，貯倉中的料漿能夠在高濃度(現(xiàn)在很多高濃度充填料的質量濃度(65%-70%之間)的情況下穩(wěn)定的、可靠的排出。4.5充填力學研究向現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測與預報方向發(fā)展一些礦山和科研院校已經展開對充填體的作用及效果的研究，他們通過在充填現(xiàn)場

16、安置檢測儀器，定期的測定充填體及圍巖的位移、應力、應變等相關的參數(shù)，然后將這些參數(shù)進行力學分析或者通過計算模擬分析，從而得出一定的結論，進一步指導充填作業(yè)。伴隨充填采礦法的廣泛應用，充填力學的研究也會得到相應的發(fā)展，從而進一步指導充填工藝安全施工。5. 充填技術研究方向 隨著充填技術的發(fā)展及礦山生產的需要，國內外的一些高校和礦山設計科研機構對充填技術展開了大量的試驗研究，其主要內容主要是以下及方面: (1)充填材料配比及力學性能試驗; (2)充填材料的化學實驗及新材料的研究; (3)充填管道的輸送能力及減阻試驗; (4)充填采場結構參數(shù)優(yōu)化研究; (5)充填系統(tǒng)井下管網設計及遙控監(jiān)測; (6)

17、充填體作用機理及充填接頂技術的研究; (7)新型充填專用設備設計及單體優(yōu)化試驗等。6. 尾砂配比試驗 為保證該金礦在選取上向分層膠結充填法后，且在全尾砂膠結充填體上進行大斷面安全高效的開采，并能獲得較好的技術經濟效果，是現(xiàn)在需要解決的問題。這就要求充填體的強度必須滿足生產的要求，為了確定不同濃度、不同配比充填體的強度，我們對充填體做了力學實驗研究。在充填體的力學性質研究中，充填體的物理力學性質的測試是一項十分重要的基礎工作，因為充填體的物理力學性質是影響充填體穩(wěn)定性的重要因素，也是人們進行各種充填體穩(wěn)定性分析的重要基礎參數(shù)。6.1充填體的取樣 該金礦全尾砂取自選廠排出的尾礦，為避免細和極細顆粒

18、流失，采用蒸發(fā)干燥的方法攤薄晾曬，干燥后以備試驗用。該金礦全尾砂顆粒細、具有一定粘性、干燥后呈硬塊狀，試驗前須反復碾壓并均勻混合，成為原始顆粒細度，以方便試驗使用。利用該金礦充填用的全尾砂和P.C 32.5級復合硅酸鹽水泥及自來水制備充填材料，根據(jù)影響充填體強度的主要因素及保證充填體良好流動性的情況下，設計灰砂比1: 3, 1:4, 1:6, 1:8, 1:12，五種配比的試驗材料，每種配比又分為68%, 66%, 64%, 62%, 60%五種濃度，共計25組不同材料配比試驗，每組試驗進行3天、7天、28天和60天四個齡期的強度測試，并且每個齡期澆注3個試塊，共計300個試塊。由于尾砂為細顆

19、粒骨料，根據(jù)尾砂粒徑較細的特點，采用7.07x7.07x7.07cm3的金屬模澆注，終凝后拆模，將試塊輕輕放入養(yǎng)護池進行保濕養(yǎng)護，室溫調節(jié)20-24度左右，整個過程嚴格按試驗操作規(guī)程進行試驗。加工好的試件放在裝有空調的采礦實驗室內帶有地下室的試件養(yǎng)護間內，養(yǎng)護池的溫度保持在22-20度。室內十分潮濕，但不會滴水，每天往養(yǎng)護間地下灑水，以確保養(yǎng)護間的濕度;同時每天也要輕輕地，小心謹慎地向試件表面的塑料袋上灑些水，讓塑料袋上保持有水分覆蓋。6.2確定充填體配比根據(jù)充填體試塊強度試驗結果，滿足設計強度的配比有1:3, 1:4, 1:6，結合采礦方法的特點和回采工藝技術要求，設計“上向水平分層全尾砂膠

20、結充填采礦法”充填灰砂比主要為1: 6，濃度不低于68%，灰砂比1:3的用于人工假底。根據(jù)采礦現(xiàn)場的施工情況確定分層充填高度為2-2.5m(以后在采礦方法試驗過程中可能根據(jù)礦巖的穩(wěn)固程度采取2采1充的作業(yè)方式，可降低成本并改善其他技術經濟指標，則分層充填高度為4-5m)。6.3配比小結 (1)對尾砂充填體強度影響的主要因素是灰砂比，控制好尾砂膠結充填的水泥用量，具有重要的意義;料漿濃度是影響尾砂充填體強度的另一個主要因素;而養(yǎng)護時間對提高尾砂膠結充填體的強度影響顯著性最小。 (2)在實際生產中，應首先考慮通過提高濃度、降低灰砂比來提高充填體的強度，以達到降低成本，滿足強度要求。 (3)短時間內

21、，充填體的強度和養(yǎng)護時間存在一定的線性關系，為滿足落礦和出礦的強度條件，適當延長養(yǎng)護時間。 (4)選取灰砂比為1: 6、質量濃度68%的充填料漿進行充填。7. 我國充填工藝尚需深入研究的課題目前為止，我國充填工藝的發(fā)展主要還是立足于經驗技術，但建立能夠最高濃度自流輸送并在采場無需脫水的經濟效果最優(yōu)、充填質量最好、生產運轉最可靠的理想膏體充填系統(tǒng)，要求人們超越傳統(tǒng)經驗技術，加強對若干理論性、關鍵性問題的研究?？v觀國外近幾年膏體充填技術的迅速發(fā)展和每年1次的國際膏體充填學術會議(International Seminar on Paste and Thickened Tailings發(fā)表的研究論文

22、，為了保持我國在該領域的先進地位，今后仍面臨諸多需要深人研究的重要課題。 (1)膏體充填料漿流變性能的研究以及膏體充填技術的推廣應用。從國外充填技術發(fā)展的趨勢來看，膏體充填將逐漸成為充填的主流技術。膏體充填料漿流變性能的研究，對充填系統(tǒng)的優(yōu)化、充填作業(yè)經濟效益的提高具有極重要的意義。相關行業(yè)對水泥漿和新拌混凝土的流變性能已有較多研究，其與全尾礦膏體的流變性雖有類似之處，但由于工藝要求的差異，不能等同視之。作為非牛頓流體的全尾礦膏體，特別是在添加不同比例的膠凝材料乃至部分爐渣等骨料時，其流變性能會有很大差異，而且受諸多不易估量的變量的影響，到口前為止，還缺乏對這種物料的流變性能的系統(tǒng)研究。對全尾

23、礦膏體流變性能的研究應當確立一套標準的研究方法，包括膏體屈服應力、塑性赫度、觸變性的測定;剪切稀化對管道輸送的影響;選用或研制適合的測試儀器裝置;用流變參數(shù)計算管道輸送阻力的公式等。以便確定某礦特定物料滿足充填強度要求和最適合輸送的流變參數(shù)。 (2)深井充填剩余壓頭的處理。我國將面臨越來越多的深井開采，在深井開采中采用高濃度或膏體充填時，由于充填倍線小，會產生剩余壓頭問題。剩余壓頭將導致無法滿管輸送和管壁磨損加劇，使管道輸送處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，甚至出現(xiàn)嚴重的“井噴”現(xiàn)象，使充填無法正常進行。對這些現(xiàn)象的機理需要深人研究，在充填系統(tǒng)設計中如何消除剩余壓頭的影響，需要從技術經濟上作深人的探討。 (

24、 3)充填環(huán)管試驗的計算機仿真。在充填系統(tǒng)設計中，往往需要依靠環(huán)管試驗獲取不同條件下的管路輸送參數(shù)，需要花費較長的時間，投人可觀的資金和大量的人力，這對很多礦山往往是難以實現(xiàn)的，于是設計中不得不采用類比的方法來處理，因而也就很難獲得最優(yōu)的系統(tǒng)設計。以往，有些重點礦山在設計充填系統(tǒng)時在地面增加了一段環(huán)管段，供投產前試驗之用，作為一種彌補。然而這也不是任何一個礦山都能實現(xiàn)的。北京科技大學李國政的博士論文全尾砂膏體充填環(huán)管試驗的虛擬現(xiàn)實計算機仿真技術研究與實現(xiàn)對此作了初步的研究，但仍有值得提高之處。 (4)全尾礦脫水技術和裝置的優(yōu)化。高濃度和膏體充填工藝中，全尾礦脫水是一個非常關鍵的環(huán)節(jié)，在深錐濃縮

25、機誕生之前，國外多用帶式過濾機進行全尾礦脫水，金川的膏體充填也是采用這種脫水方式，它存在很多缺點。隨著一批千萬噸級以上年產能的鐵礦山，采用充填采礦法，礦山年充填規(guī)模也越來越大，為了適應這種發(fā)展，國外已生產出直徑達40 m的深錐濃縮機付諸使用，但深錐濃縮機的推廣應用還有缺陷，仍有待對全尾礦的脫水技術和裝置進行優(yōu)化，以便獲得更令人滿意的技術成果。此外，過去的膏體充填系統(tǒng)，單系統(tǒng)對應的礦山生產能力為2000-3000 t/d，現(xiàn)在面對年生產規(guī)模千萬噸級的膏體充填，無論系統(tǒng)設置還是配套設備研制都是全新的課題。 (5)降低成本是充填技術發(fā)展的永恒主題。在膠結充填成本中，膠凝材料占很大比重，所以國內外很多同行均在尋找更廉價的膠凝材料，在調整回采工藝、降低膠凝材料消耗方面不斷鉆研，取得了大量高水平的成果，但這種研究應是無止境的。另外值得注意的是，自從我國開始采用膠結充填技術以來，所用的灰砂比一般都比國外高，這是否正確呢了盡管口前國內已有不少研究充填體性能的文章，但仍然缺少系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測資料，尤其是對不同條件的分層充填、不同條件的嗣后充填現(xiàn)場的長期系統(tǒng)監(jiān)測資料，因而很難有根據(jù)地去調整灰砂比，以顯著地降低充填成本，因此，應該加強這方面的