充填技术与装备应用和研究现状及未来发展趋势

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1.6.3、细砂胶结充填
② 全尾砂充填
关键: 全尾砂的浓缩。 全尾砂浓缩试验内容。
(1)不同絮凝剂对比试验； (2)絮凝剂配制浓度试验； (3)絮凝剂用量试验； (4)絮凝剂与尾砂料浆作用时间试验； (5)尾砂料浆之pH值对沉降影响； (6)尾砂料浆之浓度对沉降的影响。
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1.6.3、细砂胶结充填
水、絮凝剂、 速凝剂、缓凝 剂、减水剂、
早强剂等。
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1.6、充填技术应用现状 1.6.1、干式充填
因其效率低、生产能力小和劳动强度大，已不 能满足“三强”（强采、强出、强充）采矿生产的 需要。因而，使用比重逐年下降，到1963年在有色 矿山担负的产量仅占0.7%，处于被淘汰的地位。
部分矿山使用的掘进废石不出窿充填也属于干 式充填范畴，但多与细沙胶结充填配合使用。
充
⑤ 建材矿山也开始涉足
填 法
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1.5、充填材料应用现状
类别
充填骨料
胶凝材料
改性材料
名称
废石、卵石、碎石、河 砂、戈璧集料、粘土、 重介质尾砂、全粒细尾 砂、分级尾砂、水淬炉
渣、山砂、人造砂等
水泥、磨细的高炉矿渣、 磨细的炼铜炉渣、磨细的 烧粘土、生石灰、熟石灰、 石膏、粉煤灰、磁黄铁矿、
硫化矿物等
分级段数 一段 二段 一段
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钻孔 冲板式流量计
1.6.3、细砂胶结充填
① 分级尾砂充填
自卸汽车
5t抓斗 圆盘给料机
收尘器 水泥仓
平板闸门 供砂漏斗
水环 皮带
筛网漏斗 水泥入仓管
卧式砂仓充填工艺流程
粉煤灰浆 防喷罩
水 砂仓
搅拌桶 地表充填管
水泥罐车
或用电耙
或用旋流器分级
井下充填管
至采场
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1.6.3、细砂胶结充填
1-1000 m3砂仓； 2-450t水泥仓； 3-放砂口； 4-电动管夹阀； 5-γ射线密度计； 6-电磁流量计； 7-Φ2m搅拌筒； 8-双管螺旋给料机 9-冲击式流量计； 10-漏斗； 11-充填钻孔； 12-排污泵； 13-袋式收尘器； 14-松动喷嘴； 15-造浆喷嘴； 16-主砂管； 17-盘管
与管道自流输送充填的比较
中南大学 1.6.5、膏体充填
□动力不同。管道自流充填动力来自于管道进出口之间的高 差所产生的浆体势能；膏体充填来自于充填工业泵提供的外来 动力。
□对充填倍线要求不同。管道自流充填倍线一般小于5~6； 膏体充填无严格要求。
□流动形态不同。管道自流充填属两相流；膏体充填属于结 构流。无严格要求流速范围：
采场
最大充填倍线为112.7
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1.6.5、膏体充填
碎石堆场 装载机 粒度≤5mm
散装水泥
四川汉源 石沟石膏 矿似膏体 泵送充填 系统（平 硐开拓， 上向输送， 设计中）
稳料漏斗
振动放矿机
皮带输送机 计量
1575m中段端部 采场与1625m及以 上中段充填采场
水泥仓 双管给料机 单管螺旋电子称
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1.6.3、细砂胶结充填
由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回 采率和低贫化率的需要，20世纪70年代，中国开始开发和 应用细砂胶结充填技术。细砂胶结充填多采用管道自流输送 方式。
细砂包括：尾砂、棒磨砂、天然砂、其他粒径小于 3~5mm的骨料，如磷石膏、破碎煤矸石、粉煤灰等。
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1.6.4、块石胶结充填
新桥硫铁矿块石 胶结充填系统
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1.6.5、膏体充填
实质
与普通管道自流输送的两相流不同，膏体属于结构流，即 沿管道长度方向任意断面上两点之间的距离保持不变，整个浆 体像一个稳定结构一样向前流动。
采场充填工艺特点要求膏体充填与混凝土不同，既要高浓 度（与混凝土相似），又要有一定的流动性，因此，实际应用 中多用“似膏体”充填，似膏体坍落度在230mm以上。
1.6.3、细砂胶结充填
① 分级尾砂充填
分级 尾砂 充填 的材 料特 性与 工艺 参数
□充填骨料 : 分级粗尾砂或-3mm的细粒充填材料。 □胶凝材料: 水泥、磨细的矿渣、粉煤灰、高水材 料、全水胶固材料。 □料浆流态特性 : 固液两相流。 □料浆流速范围: 2.5~3.8m/s。 □料浆质量浓度:< 68%。 □充填管公称管径: 80~125mm。
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1.1、充填技术应用背景 空场采矿法 崩落采矿法
充填采矿法
留设大量永久矿 柱,资源损失大
地表塌陷、灾害 和环境破坏严重
资源回采率高， 贫化率低，环境 友好。
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1.2、充填法优势（作用）
支护岩层，控制地压活动，保护地表地物 改善矿柱受力状态，最大限度回收资源 保证安全回采有内因火灾危险的高硫矿床 控制深井开采岩爆，降低深部地温 保证露天和地下联合开采的安全生产 处理固体废料，保护地表环境
典型矿山的尾砂分级效果
尾砂类型
全尾砂 粗尾砂 全尾砂 粗尾砂 全尾砂 粗尾砂
+0.074mm 24.70 40.90 44.29 73.72 53.88 69.60
产出率/%
+0.037 mm 59.30 91.06 59.62 95.69 63.88 81.45
-0.037mm 40.70 8.94 43.38 4.31 36.12 18.35
□输送浓度不同。管道自流充填一般不超过75%；膏体充填 质量浓度：78%~85%。
□流动速度不同。管道自流充填浆体流速一般2.8~3.5m/s； 膏体充填一般0.5~1.8m/s。
□停顿再启动要求不同。管道自流充填浆体运行过程中不能 停顿；膏体充填浆体短暂停顿后可以再启动。
膏体和细石混凝土的主要特点
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1.6.2、水砂充填
输送浆体的质 量浓度低，用水量 大，水与砂的充填 体的体积比为1.5~4， 增大了矿井的供水 能力和排水能力， 还需增加主要巷道 水沟横断面积。充 填体无自立能力， 需留设矿柱，接顶 效果差，已较少采 用。
17
16
14
15
875
1 2
3 4
9
6
10
11
13
12
1-采石场；2-充填料破碎站；3-砂仓；4-注砂室； 5-充填井；6-充填管；7-供水管；8-储水池； 9-排水管；10-水泵房；1l-密闭泥仓；12-压气排泥罐；13-中央沉淀池； 14-副井；15-充填钻孔；16-选厂；17-主井
□水泥替代品研究取得重大突破。冶炼厂水淬炉渣、火力发电厂粉煤 灰、铝厂赤泥等，都是性能良好的水泥替代品。
□充填骨料应用范围日益扩大。除传统的尾砂、块石和砂石（包括棒 磨砂、山砂、风砂、江砂、河砂）外，磷石膏、黄磷渣等化工企业固体 废料、煤矸石（如孙村煤矿）都已成功用作充填骨料。
□混凝土外加剂在矿山充填中得到应用。 □充填体承载机理研究更为深入。 □深井条件下的充填材料与充填技术研究取得重要进展。 □降低管道磨损的技术与对策取得新进展。
+26m
1
2
3 ±0.00m
48 7 5 -16.7m
① 分级尾砂充填
13 立式砂仓充填工艺流程
Φ9m
14 15
现多用锥形放口
9
16 立式砂仓也可改用深锥浓密机
17
6 10 12 11
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1.6.3、细砂胶结充填
① 分级尾砂充填
优点
渗透系数大，凝固时间短，脱滤水速度快，强度高。
缺点
需脱泥，尾砂利用率低； 脱除的细粒尾砂无法堆坝。
1.1 充填技术应用背景 1.2 充填法优势（作用） 1.3 充填技术发展历程 1.4 充填采矿法应用现状 1.5 充填材料应用现状 1.6 充填技术应用现状 1.7 充填技术研究现状
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1.1、充填技术应用背景
浅地表矿产资源逐渐开采枯竭 采深剧增使开采环境更加严峻 众多矿床的开采条件复杂多变 “三下” 和城镇附近的矿床众多 大量开采废料地表堆积污染严重 政府对环境保护要求越来越高
浓度计机 采场
电动阀 电磁流量计
汽车或火车
金川二 矿棒磨 砂充填 系统
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1.6.4、块石胶结充填
实质 废石干式充填+细砂胶结充填。 块石与砂浆分开输送，利用砂浆的穿透性固结 块石，无需搅拌，其充填体强度接近于混凝土胶结 充填强度，但与混凝土胶结充填相比，充填效率大 大提高，工艺更为简单，工人劳动强度大大降低。
② 全尾砂充填
优点 尾砂利用率高，减轻尾砂排放压力
缺点
渗透系数小，脱滤水速度慢，凝固时间长，强度受 影响。
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1.6.3、细砂胶结充填
③ 煤矸石胶结充填
煤矸石山
电溜子
电溜子 1＃皮带输送机
1＃皮带输送机
2＃皮带输送机 筛分机
5＃皮带输送机
筛分机
2＃皮带输送机
孙村煤 矿充填 系统
破碎机
3＃皮带输送机，来自筛分机 不合格大块返回破碎机
赤泥胶结充填 全砂土胶结充填 高水胶结充填
膏体泵送充填 全尾砂胶结充填 块石胶结充填 尾砂胶结充填
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1.4、充填采矿法应用现状
① 有色金属矿山充填法成为主要采矿方法；
② 铁矿应用比重越来越大；
传
③ 煤矿应用势头强劲，推进力度大于金属矿；
统
上
不
④ 化工矿山（磷矿、硫铁矿等）应用比重逐渐加大； 用
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1.6.5、膏体充填
□惰性充填材料：分级粗尾砂、全尾砂、-5mm河 砂、-3mm棒磨砂、-30mm的重介质尾砂或-25mm 碎石。
□料浆流态特性：宾汉体或屈服伪塑性体。 □流速范围：0.5~1.8m/s。 □料浆质量浓度：78%~85%。 □充填管公称管径：100mm~150mm。 □惰性材料中应有足够的细粒级，以便制成可泵 性料浆。 □必须使用泵送。
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1.6.3、细砂胶结充填
地表堆场
皮带运输机
来自双轴 搅拌机
活化搅 拌机
下至充 填钻孔
稳料仓
④ 磷石膏胶结充填
自制 散机
来自稳 料仓
来自打散机 双轴搅拌机
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1.6.3、细砂胶结充填
⑤ 棒磨砂胶结充填
天车
圆盘给料机 砂仓
皮带运输机
圆盘给料机 灰仓 灰仓
螺旋输送机
搅拌桶
双管喂料机
螺旋输送机
双轴搅拌机 搅拌桶
二级充填泵
二级搅拌装置
一级充填泵
污水处理池 水泵
计量
1575m中段大部 分采场及二期工 程充填采场
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1.6.6、高水充填
实质 不刻意强调提高充填料浆的质量浓度，而是利
用高水速凝材料混合后形成的钙矾石具有较强固水 能力的特点，实现较广范围内浓度的胶结充填。
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1.7、充填研究现状
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1.6.3、细砂胶结充填
充填前需进行分级脱泥工艺除 去部分细粒级。可用于尾砂脱 泥的设备有脱泥斗、倾斜浓密 箱、耙式分级机、螺旋分级机 等，但设施最简单，配置最方 便的仍属水力旋流器。
① 分级尾砂充填
B
A5
4
d1
D
6
1
2 α
3 7
8
d2
C
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1.6.3、细砂胶结充填
① 分级尾砂充填
矿山名称 铜录山 凤凰山 锡矿山
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1.3、充填技术发展历程
上世纪50年代以前，废石干式充填； 60年代开始采用水砂充填 ； 70年代开始发展细砂胶结充填技术 ； 80~90年代全尾砂充填、废石胶结充填、高水 充填等； 21世纪，膏体充填
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废石干式充填
水砂充填
胶结充填
以水泥作为胶结材料的胶结充填
新型的胶凝材料的胶结充填
4＃皮带输送机
4＃皮带输送机，筛上料经3＃ 皮带输送机返回破碎机
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1.6.3、细砂胶结充填
③ 煤矸石胶结充填
水泥仓
粉煤灰仓 煤矸石喂料仓
圆盘给料机
水泥仓
煤矸石堆场 粉煤灰仓
6#皮带运输机 计量泵
孙村煤 矿充填 系统
下料口
螺旋输送机
搅拌桶
减水剂桶
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1.6.3、细砂胶结充填
④ 磷石膏胶结充填
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1.6.5、膏体充填
膏体充 填和细 石混凝 土充填 优缺点
□采场不需排水。 □ 相同水泥用量、充填体强度高。 □未加水泥的膏体，管道停运72h，仍可继续 启动，原则上不存在“堵管”。 □用泵输送可以适应不利的矿体条件。 □使用泵送，基建投资较高，操作管理较复杂。
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1.6.5、膏体充填
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2、充填设备应用现状
2.1 充填物料储存与输送设备 2.2 充填料浆制备设备 2.3 充填料浆输送设备 2.4 计量设备 2.5 系统控制设备 2.6 环保设备 2.7 充填管道
充填技术与装备应用和
研究现状及未来发展趋势
张钦礼
中南大学资源与安全工程学院，教授、博导 湖南中大设计院有限公司冶金综合设计所，所长
2013年06月29日，西宁
中南大学 交流主要内容
1.充填技术应用与研究现状 2.充填设备应用现状
3.充填采矿方法应用与研究现状 4.充填技术未来发展趋势
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1、充填技术应用与研究现状
金川二 矿膏体 充填系 统
进口泵
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1.6.5、膏体充填
水泥、粉煤灰 罐车
国产泵 HBT80/21-220S
料位计
料位计
清水池
水
皮带运输机
粉
水
煤
水泵 电磁流量计
泥
灰
仓
仓 星型给料机
转子称
料位计 螺旋输送机
漏斗
搅拌桶 密度计 电磁流量计
充填泵
充填管道
稳料仓 电耙
卧式砂仓
皮带称
振动给料机
锡矿山 似膏体 泵送充 填系统