充填采礦新技術(shù)(周愛民)

1、長長 沙沙 礦礦 山山 研研 究究 院院 副 院 長副 院 長國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心 主主 任任周愛民周愛民2 0 0 9 年年 5 月月于 重 慶于 重 慶CIMRl發(fā)展概況l充填采礦的新觀念l高效率充填采礦方法l高效充填工藝與技術(shù)CIMRl1970年代以前干式充填l1970年代上向點柱式水平分層充填采礦法上向水平分層機(jī)械化盤區(qū)充填采礦法l1980年代下向進(jìn)路機(jī)械化盤區(qū)膠結(jié)充填采礦法大直徑階段充填采礦法l1990年代上向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法分段膠結(jié)充填采礦法CIMRl我國礦山的充填工藝門類齊全，代表性礦山在機(jī)械化裝備水平和充填效率方面基本與其他國家同步發(fā)展分級

2、尾礦充填高濃度全尾礦膠結(jié)充填廢石膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填磨砂膠結(jié)充填、赤泥膠結(jié)充填、高水固化膠結(jié)充填、天然砂膠結(jié)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，細(xì)砂（磨砂與分尾砂）充填l1980年代，全尾砂膠結(jié)充填試用l1990年代，廢石膠結(jié)充填；膏體泵送充填l2000年以來，全尾砂及其他尾廢充填應(yīng)用CIMRl傳統(tǒng)礦山充填 廢石干式充填、分級尾砂水力充填 碎石水力充填、混凝土膠結(jié)充填 天然砂或磨砂充填廢料繼續(xù)排放、采場排水充填工藝效率低、成本高、勞動強(qiáng)度大l礦山充填新模式、新技術(shù)高效、高質(zhì)、低成本充分利用礦山廢料減輕對環(huán)境的污染CIMR磨

3、砂膠結(jié)充填已逐步減少，目前成規(guī)模應(yīng)用的礦山主要有金川鎳礦、武山銅礦和建德銅礦赤泥膠結(jié)充填于20世紀(jì)90年代在山東湖田鋁土礦應(yīng)用成功，并在山東萊蕪鐵礦開展了赤泥全尾礦膠結(jié)充填工業(yè)試驗高水固化膠結(jié)充填有雞冠嘴金礦和焦家金礦。鳳凰山銅礦、小鐵山鉛鋅礦和武山銅礦等在特殊條件下應(yīng)用或用于充填接頂CIMRl高濃度全尾膠結(jié)充填l自然級配的廢石膠結(jié)充填l井下廢石不出窿短流程充填l膏體泵送充填CIMRl發(fā)展充填采礦的背景條件復(fù)雜難采礦床開采“三下”礦床開采礦山企業(yè)效益兩型社會CIMRl采礦工業(yè)與國民經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略工業(yè)基礎(chǔ)、影響資源與環(huán)境l礦產(chǎn)資源與環(huán)境治理現(xiàn)狀資源損失與末端治理l協(xié)調(diào)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀資源、

4、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展CIMR二、充填采礦新觀念二、充填采礦新觀念l傳統(tǒng)開采模式固有屬性孤立的企業(yè)經(jīng)濟(jì)觀；開采資源、丟棄資源與廢料l崩落法、空場法開采技術(shù)的固有屬性造成地表破壞、廢石場和尾礦庫排放廢料l環(huán)境治理方案末端治理CIMRl以充填采礦為基礎(chǔ)，建立協(xié)調(diào)發(fā)展的礦產(chǎn)開發(fā)目標(biāo)與評價模型l以最小的廢料排放量和對環(huán)境的破壞量，獲取最大資源量和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，最大限度地減少礦業(yè)對環(huán)境的負(fù)面影響，最大限度地減少資源損失和最大限度地實現(xiàn)資源循環(huán)利用l資源與環(huán)境最小損益率評價模型QqQQ)(1二、充填采礦新觀念二、充填采礦新觀念CIMRl理想模式礦業(yè)開發(fā)系統(tǒng)以完全循環(huán)的方式運行，真正成為可持續(xù)的形態(tài)l應(yīng)用模式把

5、礦山的各個工序作為一個系統(tǒng)對待，結(jié)合開采工藝過程，將礦山充填作為提高資源利用率、循環(huán)利用礦山廢料和減少礦床開采對環(huán)境造成破壞的有效手段CIMR礦山廢料充填意義提高資源利用率 防止地表塌陷保護(hù)遠(yuǎn)景資源 減少固體廢料排放二、充填采礦新觀念二、充填采礦新觀念 CIMR開采礦床開采礦床礦礦 石石礦產(chǎn)品礦產(chǎn)品廢廢 石石尾尾 礦礦礦山充填礦山充填工業(yè)產(chǎn)品工業(yè)產(chǎn)品零排放零排放廢廢 水水保護(hù)地表、充分回采保護(hù)地表、充分回采礦石、新增經(jīng)濟(jì)總量礦石、新增經(jīng)濟(jì)總量CIMRl礦山充填的新觀念 l突破礦山充填僅限于采礦工藝和空區(qū)處理的局限性l將礦山充填定位在減少礦山固體廢料的排放，保護(hù)地表不受破壞和充分回采礦產(chǎn)資源的可

6、持續(xù)發(fā)展目標(biāo)上CIMRl充分條件提高回采率增量，降低貧化率獲益利用廢料增量，減少或消除尾礦庫、廢石場構(gòu)筑和減少末端治理工程獲益l在經(jīng)濟(jì)平衡，甚至新增效益的經(jīng)濟(jì)條件下，能有效地促進(jìn)礦山充填的推廣應(yīng)用二、充填采礦新觀念 CIMR充填采礦的經(jīng)濟(jì)平衡充填采礦的經(jīng)濟(jì)平衡y=Py=PD DC/+EC/+E不考慮不考慮E E項的條件下：若單方充填體成本為項的條件下：若單方充填體成本為6060元元/m/m3 3、噸礦價值為、噸礦價值為250250元元/t/t、采礦貧化率、采礦貧化率減量減量8 8時，礦山充填可實現(xiàn)效益實現(xiàn)平衡時，礦山充填可實現(xiàn)效益實現(xiàn)平衡 E E項：尾礦庫、廢石場構(gòu)筑與末端治理費、項：尾礦庫、

7、廢石場構(gòu)筑與末端治理費、搬遷費用搬遷費用CIMR廢料循環(huán)利用廢料循環(huán)利用l廢料減排條件 利用礦山固體廢料作充填料，實現(xiàn)礦山廢料的資源化，使排放量最小甚至為零lminQo=Qg(1Pg)+ Qf（1Pf） CIMRl機(jī)械化盤區(qū)下向進(jìn)路充填采礦法l機(jī)械化盤區(qū)上向分層充填采礦法l機(jī)械化盤區(qū)上向進(jìn)路充填采礦法l上向分層點柱式充填采礦法l分段充填采礦法l階段深孔充填采礦法條件、結(jié)構(gòu)、裝備、特點、現(xiàn)狀、趨勢CIMRl充填材料l充填料輸送l高濃度全尾砂膠結(jié)充填l廢石膠結(jié)充填l膏體泵送充填l進(jìn)一步發(fā)展CIMR4.1 充填材料充填材料l材料組份：集料、水、膠結(jié)料膠結(jié)材料：水泥、礦渣、赤泥、粉煤灰、火山灰細(xì)粒級集

8、料：天然砂、加工砂、尾砂粗粒級集料：天然料、自然級配廢石料l充填體強(qiáng)度特性：集料、構(gòu)架、界面、漿體CIMR赤泥膠結(jié)料l赤泥具有潛在活性，在赤泥中添加激化劑后，溶解于水中的活化劑離子Ca+可穿透赤泥顆粒表面的無定形沉積層，激化赤泥的活性l赤泥的水化鋁酸鈣等在活化劑作用下生成早期強(qiáng)度較高的鈣礬石及其它水化物，使赤泥中原存在的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶水、膠凝水，最終使赤泥凝結(jié)硬化膠 結(jié) 材 料膠 結(jié) 材 料CIMR膠結(jié)材料膠結(jié)材料l利用赤泥的潛在活性，通 過添加激活劑開發(fā)出來的一種膠結(jié)料 赤泥膠結(jié)料CIMR普通赤泥膠結(jié)料普通赤泥膠結(jié)料： 7天、28天和90天的單軸抗壓強(qiáng)度分配為5.61、7.76和9.21M

9、Pa，初凝45min，終凝160min。高效高效赤泥膠結(jié)料：赤泥膠結(jié)料： 7天和28天單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)1520和2030MPa，初凝65min，終凝120min赤泥膠結(jié)料CIMRl保水性能好，赤泥全尾砂料漿的不脫水濃度僅為58，并且能保證料漿的穩(wěn)定性l膠結(jié)性能優(yōu)良，與全尾礦配合后，試塊的單軸抗壓強(qiáng)度是水泥的2倍以上赤泥膠結(jié)料膠 結(jié) 材 料膠 結(jié) 材 料CIMR赤泥膠結(jié)劑與全尾砂混合后的性能明顯優(yōu)于水泥。當(dāng)新鮮赤泥膠結(jié)劑與水泥在灰砂比均為1:4時，3天強(qiáng)度相近，但前者的7天強(qiáng)度高出1倍，28天高出1.7倍赤泥膠結(jié)料CIMRl破壞后的愈合能力強(qiáng)，充填體產(chǎn)生微裂破壞以后，能自行愈合而重新獲得強(qiáng)度赤泥膠

10、結(jié)料CIMR礦渣膠結(jié)材料l鐵渣膠結(jié)劑是利用鐵渣中的硅酸鈣和鋁酸鈣等組分，添加活性激化劑加工而成的可以完全取代水泥礦用膠結(jié)材料l膠結(jié)效果優(yōu)于水泥膠結(jié)劑，按1:8與全尾礦配合的試塊單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)2MPa以上l生產(chǎn)成本僅為水泥成本的4060 CIMR高水固化膠結(jié)充填料l高鋁水泥、石灰、石膏、速凝劑、解凝劑、懸浮劑等料份組成的膠結(jié)材料l高水固化材料具有固水能力強(qiáng)、單漿懸浮性好、流動性好、凝固速度快等特點，可以將高比例的水迅速凝固成具有一定承載能力的固體CIMRl輸送方式重力輸送機(jī)械輸送：無軌機(jī)械、機(jī)車、電耙管道水力輸送：自流、泵送l輸送特性漿體特性：低濃度、高濃度可輸送性：粒度、流態(tài)、穩(wěn)定性、塌落度

11、輸送參數(shù)：濃度、流速、管徑、壓力損失CIMR4.3 4.3 高濃度全尾膠結(jié)充填高濃度全尾膠結(jié)充填l研究與應(yīng)用概況l全尾砂充填的特點：材料、制備、輸送、采場充填l充填料制備：全尾砂脫水、全尾砂膠結(jié)料攪拌混合l充填料輸送：自流輸送、井下增壓輸送、泵壓輸送l采場充填工藝CIMR研究與應(yīng)用概況研究與應(yīng)用概況l自1980年代以來開展研究l1990年代初在凡口礦建成第一個全尾礦膠結(jié)充填系統(tǒng)后，先后在張馬屯鐵礦、南京鉛鋅礦、冬瓜山銅礦、萊新鐵礦、草樓鐵礦等礦山應(yīng)用，設(shè)計應(yīng)用礦山較多l(xiāng)尾礦利用率70以上，其中南京鉛鋅礦將全部尾礦充入井下，地表不建尾礦庫CIMR全尾砂充填特點全尾砂充填特點l細(xì)粒級及膠結(jié)特性l高

12、濃度：不產(chǎn)生離析分級l活化攪拌：充分混合和水化l輸送：管損小、膏體潤滑層l采場流平性、泌水CIMR全尾砂充填料制備全尾砂充填料制備l旋流、沉降、過濾（壓濾或真空過濾）三段脫水流程l濃密、沉降、過濾（壓濾或真空過濾）三段脫水流程l濃密、過濾（壓濾或真空過濾）兩段脫水流程l濃密、沉降兩段脫水流程l一段沉降脫水流程 脫脫 水水CIMR全尾砂充填料制備全尾砂充填料制備1-尾砂池8-9000高效濃密機(jī)9-貯砂池11-68m2過濾機(jī)17-膠帶運輸機(jī)18-高濃度全尾貯砂池脫脫 水水CIMR全尾砂充填料制備全尾砂充填料制備攪攪 拌拌CIMR高濃度全尾砂充填料輸送高濃度全尾砂充填料輸送l自流l泵送l聯(lián)合CIMR

13、聯(lián)合輸送高濃度全尾砂充填料輸送高濃度全尾砂充填料輸送CIMR井下增壓輸送l增壓輸送裝置安裝在井下，其三通把整個輸送管道分成兩大部分：入口管道和出口管道l安裝位置選擇的原則： (1)在活塞回拉過程中，入口管道內(nèi)料漿在垂直管道內(nèi)料漿自重作用下達(dá)到足夠大的移動速度，以填滿輸送缸的有效空腔(2)在活塞推壓過程中，輸送缸內(nèi)的料漿只流向出口管道，使出口管道內(nèi)的料漿加速向充填采場流動高濃度全尾砂充填料輸送高濃度全尾砂充填料輸送CIMR4.4 廢石膠結(jié)充填廢石膠結(jié)充填l廢石膠結(jié)充填的特點l廢石膠結(jié)充填料制備與輸送骨料與漿料制備膠結(jié)料混合充填料輸送l廢石水泥漿膠結(jié)充填l廢石砂漿膠結(jié)充填CIMR廢石膠結(jié)充填特點廢

14、石膠結(jié)充填特點傳統(tǒng)的粗骨料膠結(jié)充填工藝局限于建筑混凝土的基本原理和技術(shù)，使得其工藝具有很大的局限性，因而存在工藝復(fù)雜、成本高等缺點，嚴(yán)重制約了它在礦山的大規(guī)模推廣應(yīng)用自然級配廢石作為集料CIMR自然級配廢石料充分利用礦山廢料，如井下掘進(jìn)廢石、露天礦剝離廢石等作為充填料這些充填料雖然不能獲得最理想的強(qiáng)度指標(biāo)，但卻足已滿足充填體的強(qiáng)度要求，而其突出的優(yōu)點是可以實現(xiàn)礦山廢料資源化、且制造成本低廉、制造工藝簡單，適合在礦山大量推廣應(yīng)用 廢石膠結(jié)充填特點廢石膠結(jié)充填特點CIMRl水灰比參數(shù)指標(biāo)的不適用性l最佳用水量配合參數(shù)指標(biāo)l最佳用水量模型：W=KCC十KgG廢石膠結(jié)充填特點廢石膠結(jié)充填特點CIMR廢

15、石膠結(jié)充填料制備與廢石膠結(jié)充填料制備與輸送輸送骨料與漿料制備分流輸送：漿料管道輸送；廢石散體重力或機(jī)械輸送分流輸送工藝對充填料的輸送特性沒有特殊要求，分流輸送的意義不僅僅在于解決了充填料的輸送難題，而且為實現(xiàn)最佳用水量配合和簡化物料的配合要求奠定了工藝基礎(chǔ) 滲透混合與重力混合CIMR廢石水泥漿膠結(jié)充填廢石水泥漿膠結(jié)充填l系統(tǒng)：制漿站、碎石站和輸送管道CIMR廢石水泥漿膠結(jié)充填廢石水泥漿膠結(jié)充填采場充填方式與混合方式應(yīng)用實例CIMR廢石砂漿膠結(jié)充填廢石砂漿膠結(jié)充填l廢石砂漿膠結(jié)充填方式的廢石粒徑一般小于300mm-300+25mm：75%-25mm：25%小時充填效率達(dá)250350m3/hCIM

16、R廢石砂漿膠結(jié)充填廢石砂漿膠結(jié)充填CIMR膏體泵送充填膏體泵送充填l膏體泵送充填特點l膏體充填物料組成粗物料+細(xì)物料+超細(xì)物料細(xì)物料+超細(xì)物料l充填料制備l輸送泵CIMR膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填l國外于1980年代開始應(yīng)用l我國自1990代開始用膏體泵送充填l膏體充填物料有：粗物料+細(xì)物料+超細(xì)物料、細(xì)物料+超細(xì)物料，兩種配合方式l輸送泵主要為德國泵，小規(guī)模應(yīng)用時也采用沈陽泵CIMR膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填CIMR膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填CIMR膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填CIMR膏體充填料間斷式攪拌膏體充填料間斷式攪拌CIMR膏體充填料連續(xù)式攪拌膏體充填料連續(xù)式攪

17、拌CIMR膏體充填料連續(xù)式攪拌膏體充填料連續(xù)式攪拌CIMR膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填CIMR膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填CIMR膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填CIMR1.選廠尾砂輸送泵；2.旋流器；3底流尾砂倉；4比重計；5流量計； 6絮凝劑；7真空帶式過濾機(jī)；8溢流尾砂池；9薄板濃縮機(jī)；10帶式輸送機(jī)；11廢石倉；12輸送機(jī)；13皮帶機(jī)；14脫水篩；15攪拌槽；16雙螺旋攪拌機(jī)；17輸送泵膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填CIMR尾砂粉煤灰貯槽分配箱選廠尾砂脫泥分配采 場旋流器油隔離泵 攪拌槽真空帶式過濾機(jī)雙軸葉式攪拌機(jī)雙螺旋攪拌輸送機(jī)KSP140-HDR液壓活塞泵KOS2170

18、活塞泵細(xì)砂倉水泥倉活化攪拌機(jī)排污口水尾礦壩濃密機(jī)膏體泵送膠結(jié)充填膏體泵送膠結(jié)充填CIMR年份年份國家及礦山名稱國家及礦山名稱主要應(yīng)用條件主要應(yīng)用條件設(shè)設(shè) 備備 型型 號號19801980德國德國PreussagPreussag公司公司GrundGrund鉛鋅礦鉛鋅礦分段充填，開采深度分段充填，開采深度600m600m，35m35m3 3/h/h，5MPa5MPa，6 68 8萬萬m m3 3a aBRA2100BRA21002 2，160kW160kW19851985南非南非JCIJCI公司公司Cooke 3Cooke 3號金礦號金礦房柱法，開采深度房柱法，開采深度80m80m，50m50m3

19、 3h h，5MPa5MPa，2525萬萬m m3 3a aKOS2160KOS21602 2，132kW132kW19851985南非南非ACCACCWelcomeWelcome60m60m3 3h h，10MPa10MPa，試驗研究，單次給料，試驗研究，單次給料10m10m3 3KOS2100KOS2100，132kW132kW19871987英國英國FaircloughFairclough Civil Civil房柱法，作業(yè)深近房柱法，作業(yè)深近80m80m，120m120m3 3h h，4MPa4MPa，3030萬萬m m3 3a aKOS2180KOS2180，300kW 300kW

20、19881988美國美國Lucky FridayLucky Friday銅鉛鋅銀礦銅鉛鋅銀礦下向充填，開采深度下向充填，開采深度1600m1600m，60m60m3 3h h，3MPa3MPa，KOS2180KOS2180，90kW90kW19881988南非南非ACCACC公司公司FreddiesFreddies 5 5金礦金礦長壁法開采深部盲礦體，深長壁法開采深部盲礦體，深1300m1300m，8 8萬萬m m3 3a aBRA1406BRA1406，160kW KOS1467160kW KOS146719881988德國德國RuhrkohleRuhrkohle Monopol Monop

21、ol煤礦煤礦長壁法作業(yè)，開采深度長壁法作業(yè)，開采深度1000m1000m，100m100m3 3h h，6MPa6MPa，KOS3080KOS3080，132kW132kW19891989中國金川公司二礦中國金川公司二礦下向進(jìn)路充填，下向進(jìn)路充填，50m50m3 3/h,5MPa/h,5MPa，用于試驗研究、開采深度，用于試驗研究、開采深度450m450mKOS2170KOS2170，132kW132kW，KOS2140KOS21402 2，132kW132kW19901990奧地奧地BleibergerBleiberger鉛鋅礦鉛鋅礦分段充填法，開采深度分段充填法，開采深度500m500m，

22、35m35m3 3/h/h，8MPa8MPa，1010萬萬m m3 3a aKOS2160HPKOS2160HP，160kW160kW19901990德國德國LeonicLeonic礦礦充填地面破壞區(qū)充填地面破壞區(qū)BSA2100HEBSA2100HE19901990德國德國RuhrkohleRuhrkohle Walsum Walsum煤礦煤礦長壁法回采后充填采空區(qū)，開采深度長壁法回采后充填采空區(qū)，開采深度900m900m，100m100m3 3/h/h，12MPa12MPaKOS3080KOS30803 3，500kW500kW19921992CSFR OKD DulCSFR OKD Dul

23、 Paskov Paskov煤礦煤礦長壁法作業(yè)，開采深度長壁法作業(yè)，開采深度1000m1000m，60m60m3 3/h/h，6MPa6MPaKOS 1460HPKOS 1460HP，160kW160kW19921992摩洛哥摩洛哥ONA HajarONA Hajar鉛鋅銅礦鉛鋅銅礦分段充填，開采深度分段充填，開采深度500m500m，115m115m3 3/h/h，6MPa6MPaKOS2180KOS2180，200kW200kW19931993俄羅斯俄羅斯NorilskNorilsk鎳礦鎳礦空場采礦嗣后充填，開采深空場采礦嗣后充填，開采深l00ml00m，300m300m3 3h h，5M

24、Pa5MPaKOS2180KOS21803 3，220kW220kW19961996葡萄牙葡萄牙SomincorSomincor公司公司NevesNeves Corvo Corvo銅礦銅礦巷道充填與梯段充填，環(huán)管試驗巷道充填與梯段充填，環(huán)管試驗65m65m3 3/h/h，11.5MPa11.5MPaKOS2160KOS216019971997中國金川公司二礦中國金川公司二礦機(jī)械化盤區(qū)下向進(jìn)路充填機(jī)械化盤區(qū)下向進(jìn)路充填80m80m3 3/h, 12MPa/h, 12MPaKSPl40HDRKSPl40HDR2 2，250kW250kW19991999中國大冶有色金屬公司銅綠山銅礦中國大冶有色金屬公司銅綠山銅礦分層進(jìn)路充填，分層進(jìn)路充填，50m50m3 3/h/h，6MPa6MPaKSP80KSP802 2，120kW120kW20002000坦桑尼亞坦