金川镍矿尾砂膏体充填系统工艺技术改造与应用研究_杨志强
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(1.Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mine Ministry of Education ，University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083，China;2.Jinchuan Group Co. Ltd.，Jinchuang 737100，China)
由于膏体充填技术含量较高，不仅膏体的流变特 性及输送理论不同于两相流体， 而且充填料选择、配 比与料浆制备工艺、充填设备、输送方法、管道系统设 计以及采场充填工艺设施等均有独特的技术要求，因 此，膏体充填技术的应用不仅需要开展大量的理论与 试验研究，而且还有待于通过工程实践，不断总结经 验，才能得以成 . 功[16-25]
金川镍矿尾砂膏体充填系统工艺技术改造与应用研究
杨志强 1，2， 王永前 2， 高谦 1， 陈得信 2， 姚维信 2
（1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100）
摘 要：膏体充填技术是目前最先进和技术难度最大的充填采矿技术之一.从 20 世纪 80 年代末期到 90 年代中，金川矿山首次开展了尾砂膏体充填技术的引进、研究、系统建设和工业化应用研究.由于膏 体充填技术在我国首次应用，因此在设计和工程应用中存在很多问题，导致膏体充填系统投产 6 年来 一直处于非常生产状态.虽然开展了不间断研究和技术改造，但一直未取得突破性进展.针对在生产中 暴露出的问题以及总结前期研究经验， 从 2005 年 4 月开展了为期 1 年多的膏体充填技术攻关和系统 改造，由此获得重大成果.改造后的膏体充填系统实现了正常生产，充填生产能力逐年提高，从 2006 年 充填 9 万 m3 到 2011 年达到 20 万 m3，达到了设计生产能力，解决了长期困扰尾砂膏体充填中的技术 难题.文中首先简要概述我国目前膏体充填矿山应用现状，然后重点总结金川矿山尾砂膏体充填技术研 究进展以及所取得的技术攻关成果.在此基础上，最后展望了金川矿山充填采矿技术的发展趋势. 关键词：金川镍矿；尾砂膏体充填；工艺技术改造；工程应用 中图分类号：TD853.34 文献标志码：A
第5卷 第2期 2 0 14 年 4 月
有色金属科学与工程
Nonferrous Metals Science and Engineering
Vol.5，No.2 Apr. 2 0 14
文章编号：1674-9669（2014）02-0001-09 DOI：10.13264/j.cnki.ysjskx.2014.02.001
全尾砂膏体泵送充填的最显著特点是料浆浓度 大，重量浓度可达 75 %~85 %，呈牙膏状.膏体屈服切 应力和黏度大，须加压输送.膏体料浆像塑性结构体 一样在管道中整体运动，膏体中的固体颗粒一般不发 生沉淀，层间也不出现交流，在管路中呈柱状流动.膏 体充填料的内摩擦角较大，凝固时间短，能迅速对围岩 和矿柱产生作用，减缓空区闭合.这种高质量的充填体 特别适用于深部高应力采空区充填. 膏体充填工艺技 术还具有尾砂利用率高（90 %~95 %），胶凝材料用量 少，充填体沉缩率小，接顶率高，充填质量好，采场无溢 流水，井下作业环境好以及节省排水清污费等优点，因 此被认为是最具有发展前景的新型充填采矿技术[2~5].
Abstract：Paste filling technology is currently one of the most advanced and difficult technology. From the end of the 80 s to the mid 90 s, the introduction, study, system construction and industrial application of backfilling paste filling system had been carried out in Jinchuan mine. The paste filling system had remained abnormal production status for six years after its operation due to the problems in design and engineering application, since it was first applied in China. No breakthrough had been achieved despite continuous research and technical reform until efforts had been put to solve the technology problems and improve system from 2005 to 2006 based on the exposed problems in production and the experience of preliminary work. The paste filling system has achieved regular production after reformation and its production capacity has been increasing year by year. The long-existing technological problem has been solved with the filling amount rising from 900 00 m3 in 2006 to 200 000 m3 in 2011 which is up to the designed production capacity of the paste filling system. This paper first introduces briefly the application status of the paste filling technology in our country, then summarizes the research progress and achievement of the tailing paste filling technology in Jinchuan mine. Finally, the development trend of filling mining is discussed. Key words：Jinchuan nickel mine；paste filling with tailings；technical reconstruction；engineering application
Technology reconstruction and application of the paste filling system to tailings in Jinchuan nickel mine
YANG Zhi-qiang1，2，WANG Yong-qian2，GAO QianHale Waihona Puke Baidu，CHEN De-xin2，YAO Wei-xin2
2006 年我国在会泽铅锌矿建成了第 3 套膏体充 填系统.该矿引进了深锥浓缩机，避免了传统过滤机 工艺中尾砂脱水再加水的尴尬，采用地表干水泥直接 添加到搅拌槽中制备膏体. 针对全尾砂-水淬渣以及 废石混合充填料，开展了早强剂以及充填钻孔优化布 置 等 研 究 ， [12-15] 由 此 获 得 实 现 了 工 业 化 生 产 ，并 取 得 显著成效.可以说，会泽铅锌矿全尾砂-水淬渣膏体充 填技术是目前我国较为成功的矿山之一.
收 稿 日 期 ：2014-02-11 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目（SS2012AA062405） 作者简介：杨志强（1957 - ），男 ，教 授 级 高 工 ，主 要 从 事 金 属 矿 充 填 法 采 矿 安 全 与 管 理 以 及 废 弃 物 资 源 化 利 用 等 方 面 的 科 学 研 究 与 推 广 应 用 ，
金川尾砂膏体充填技术研究与系统改造研究成 果，不仅解决了金川矿山膏体充填技术难题，而且也为 国内外膏体充填系统设计与工程应用提供了宝贵经验.
1 膏体充填技术理论与半工业化研究成果
E-mail：YZQ@jnmc.com. 通信作者：高谦（1956 - ），男，教授，博导，主要从事充填采矿技术与地压控制方面的教学和研究，E-mail：gaoqian@ces.ustb.edu.cn.
2
有色金属科学与工程
2014 年 4 月
0前言
充填法采矿是将一种或多种材料填充到采空区 中，以达到和保持安全经济的工作条件.充填材料为 人工砂、砾石、废石以及选矿厂排放的尾砂废石，通常 与水泥或胶结物混合而成的浆体，并根据采场倍线和 料浆工作性能，采用自流或泵送输送到采场.由于自 流输送料浆浓度低，存在充填体强度低、充填体沉缩 率高、 采场溢流水污染井下环境等问题，20 世纪 70 年代末，德国普鲁赛格金属公司的佰德一格隆德铅锌 矿在混凝土泵送工艺和设备的基础上，开展了 6 年多 的试验研究，创造了全尾砂膏体泵送充填新工艺，并 在德国、奥地利、南非、加拿大、美国和澳大利亚的一 些矿山推广应用.到 80 年代，德国格隆德矿的膏体充 填技术已经趋于成熟[1].
作为我国第一家应用膏体充填技术的矿山，金川 矿山在系统建设和工程应用中，开展了大量的理论分 析和试验研究. 尤其自 1999 年膏体充填转入工业生 产以来， 进行了长达 6 年的不间断试验和技术改造. 并在总结前期工程经验的基础上，于 2005 年 6 月进 行了 1 年的膏体充填系统技术攻关，最终实现了二矿 区尾砂膏体充填系统的正常生产， 使膏体充填量 2006 年达到 9 万 m3，2011 年达到设计的 20 万 m3.
1999 年我国铜绿山铜矿建成了第 2 套全尾砂膏 体 充 填 系 统 ，进 行 了 膏 体 充 填 工 业 试 验 [10-11]. 为 了 保 证 带式过滤机工作性能稳定， 铜绿山矿对 400 m3 的立
式砂仓添加了简易搅拌系统，提高全尾砂的供矿浓度 和流量.同时对水泥添加方式进行改进，由井下湿式 添加改为地表湿式添加，确保了膏体浓度.试验过程 中仍然出现全尾砂过滤机难以符合工艺要求、系统故 障率较高，仍难以实现工业化应用.充填材料最初设 计粗骨料为水淬渣，由于水淬渣供不应求，改为露天 矿 堆 场 的 大 理 岩 经 破 碎 后 的 小 于 25 mm 的 碎 石[10]， 但碎石加工系统没有建成，只进行了全尾砂膏体充填 试验[11]，但最终未应用工业化生产.
金川有色金属公司与北京有色冶金设计研究院 合作，在我国率先进行了膏体充填技术研究.1987 年 开 始 膏 体 充 填 技 术 的 室 内 试 验 及 半 工 业 试 验 ，1992 年 开 始 膏 体 泵 送 充 填 系 统 的 规 划 与 建 设 ，1999 年 8 月初步建成了具有自己特色的膏体泵送充填系统.通 过 长 期 试 验 研 究 ，在 膏 体 可 泵 性 测 定[6]、膏 体 物 料 流 变 特 性[7]、膏 体 充 填 系 统 可 靠 性[8]等 方 面 取 得 了 可 喜 成果，提出了金川似均质料浆水力坡度经验公式；在 工 艺 方 面 ，膏 体 制 备 工 艺 、膏 体 输 送 工 艺[9]等 方 面 成 绩斐然，其中膏体二段连续搅拌设备已经定型，并得 到推广应用.在废物利用方面，开展了由全尾砂、粉煤 灰、 棒磨砂以及废石组成的混合充填料的试验研究. 针对全尾砂细泥和 MgO 含量高不利于脱水， 通过加 入粉煤灰和棒磨砂后极大地改善物料粒级组成.
由于膏体充填技术含量较高，不仅膏体的流变特 性及输送理论不同于两相流体， 而且充填料选择、配 比与料浆制备工艺、充填设备、输送方法、管道系统设 计以及采场充填工艺设施等均有独特的技术要求，因 此，膏体充填技术的应用不仅需要开展大量的理论与 试验研究，而且还有待于通过工程实践，不断总结经 验，才能得以成 . 功[16-25]
金川镍矿尾砂膏体充填系统工艺技术改造与应用研究
杨志强 1，2， 王永前 2， 高谦 1， 陈得信 2， 姚维信 2
（1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100）
摘 要：膏体充填技术是目前最先进和技术难度最大的充填采矿技术之一.从 20 世纪 80 年代末期到 90 年代中，金川矿山首次开展了尾砂膏体充填技术的引进、研究、系统建设和工业化应用研究.由于膏 体充填技术在我国首次应用，因此在设计和工程应用中存在很多问题，导致膏体充填系统投产 6 年来 一直处于非常生产状态.虽然开展了不间断研究和技术改造，但一直未取得突破性进展.针对在生产中 暴露出的问题以及总结前期研究经验， 从 2005 年 4 月开展了为期 1 年多的膏体充填技术攻关和系统 改造，由此获得重大成果.改造后的膏体充填系统实现了正常生产，充填生产能力逐年提高，从 2006 年 充填 9 万 m3 到 2011 年达到 20 万 m3，达到了设计生产能力，解决了长期困扰尾砂膏体充填中的技术 难题.文中首先简要概述我国目前膏体充填矿山应用现状，然后重点总结金川矿山尾砂膏体充填技术研 究进展以及所取得的技术攻关成果.在此基础上，最后展望了金川矿山充填采矿技术的发展趋势. 关键词：金川镍矿；尾砂膏体充填；工艺技术改造；工程应用 中图分类号：TD853.34 文献标志码：A
第5卷 第2期 2 0 14 年 4 月
有色金属科学与工程
Nonferrous Metals Science and Engineering
Vol.5，No.2 Apr. 2 0 14
文章编号：1674-9669（2014）02-0001-09 DOI：10.13264/j.cnki.ysjskx.2014.02.001
全尾砂膏体泵送充填的最显著特点是料浆浓度 大，重量浓度可达 75 %~85 %，呈牙膏状.膏体屈服切 应力和黏度大，须加压输送.膏体料浆像塑性结构体 一样在管道中整体运动，膏体中的固体颗粒一般不发 生沉淀，层间也不出现交流，在管路中呈柱状流动.膏 体充填料的内摩擦角较大，凝固时间短，能迅速对围岩 和矿柱产生作用，减缓空区闭合.这种高质量的充填体 特别适用于深部高应力采空区充填. 膏体充填工艺技 术还具有尾砂利用率高（90 %~95 %），胶凝材料用量 少，充填体沉缩率小，接顶率高，充填质量好，采场无溢 流水，井下作业环境好以及节省排水清污费等优点，因 此被认为是最具有发展前景的新型充填采矿技术[2~5].
Abstract：Paste filling technology is currently one of the most advanced and difficult technology. From the end of the 80 s to the mid 90 s, the introduction, study, system construction and industrial application of backfilling paste filling system had been carried out in Jinchuan mine. The paste filling system had remained abnormal production status for six years after its operation due to the problems in design and engineering application, since it was first applied in China. No breakthrough had been achieved despite continuous research and technical reform until efforts had been put to solve the technology problems and improve system from 2005 to 2006 based on the exposed problems in production and the experience of preliminary work. The paste filling system has achieved regular production after reformation and its production capacity has been increasing year by year. The long-existing technological problem has been solved with the filling amount rising from 900 00 m3 in 2006 to 200 000 m3 in 2011 which is up to the designed production capacity of the paste filling system. This paper first introduces briefly the application status of the paste filling technology in our country, then summarizes the research progress and achievement of the tailing paste filling technology in Jinchuan mine. Finally, the development trend of filling mining is discussed. Key words：Jinchuan nickel mine；paste filling with tailings；technical reconstruction；engineering application
Technology reconstruction and application of the paste filling system to tailings in Jinchuan nickel mine
YANG Zhi-qiang1，2，WANG Yong-qian2，GAO QianHale Waihona Puke Baidu，CHEN De-xin2，YAO Wei-xin2
2006 年我国在会泽铅锌矿建成了第 3 套膏体充 填系统.该矿引进了深锥浓缩机，避免了传统过滤机 工艺中尾砂脱水再加水的尴尬，采用地表干水泥直接 添加到搅拌槽中制备膏体. 针对全尾砂-水淬渣以及 废石混合充填料，开展了早强剂以及充填钻孔优化布 置 等 研 究 ， [12-15] 由 此 获 得 实 现 了 工 业 化 生 产 ，并 取 得 显著成效.可以说，会泽铅锌矿全尾砂-水淬渣膏体充 填技术是目前我国较为成功的矿山之一.
收 稿 日 期 ：2014-02-11 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目（SS2012AA062405） 作者简介：杨志强（1957 - ），男 ，教 授 级 高 工 ，主 要 从 事 金 属 矿 充 填 法 采 矿 安 全 与 管 理 以 及 废 弃 物 资 源 化 利 用 等 方 面 的 科 学 研 究 与 推 广 应 用 ，
金川尾砂膏体充填技术研究与系统改造研究成 果，不仅解决了金川矿山膏体充填技术难题，而且也为 国内外膏体充填系统设计与工程应用提供了宝贵经验.
1 膏体充填技术理论与半工业化研究成果
E-mail：YZQ@jnmc.com. 通信作者：高谦（1956 - ），男，教授，博导，主要从事充填采矿技术与地压控制方面的教学和研究，E-mail：gaoqian@ces.ustb.edu.cn.
2
有色金属科学与工程
2014 年 4 月
0前言
充填法采矿是将一种或多种材料填充到采空区 中，以达到和保持安全经济的工作条件.充填材料为 人工砂、砾石、废石以及选矿厂排放的尾砂废石，通常 与水泥或胶结物混合而成的浆体，并根据采场倍线和 料浆工作性能，采用自流或泵送输送到采场.由于自 流输送料浆浓度低，存在充填体强度低、充填体沉缩 率高、 采场溢流水污染井下环境等问题，20 世纪 70 年代末，德国普鲁赛格金属公司的佰德一格隆德铅锌 矿在混凝土泵送工艺和设备的基础上，开展了 6 年多 的试验研究，创造了全尾砂膏体泵送充填新工艺，并 在德国、奥地利、南非、加拿大、美国和澳大利亚的一 些矿山推广应用.到 80 年代，德国格隆德矿的膏体充 填技术已经趋于成熟[1].
作为我国第一家应用膏体充填技术的矿山，金川 矿山在系统建设和工程应用中，开展了大量的理论分 析和试验研究. 尤其自 1999 年膏体充填转入工业生 产以来， 进行了长达 6 年的不间断试验和技术改造. 并在总结前期工程经验的基础上，于 2005 年 6 月进 行了 1 年的膏体充填系统技术攻关，最终实现了二矿 区尾砂膏体充填系统的正常生产， 使膏体充填量 2006 年达到 9 万 m3，2011 年达到设计的 20 万 m3.
1999 年我国铜绿山铜矿建成了第 2 套全尾砂膏 体 充 填 系 统 ，进 行 了 膏 体 充 填 工 业 试 验 [10-11]. 为 了 保 证 带式过滤机工作性能稳定， 铜绿山矿对 400 m3 的立
式砂仓添加了简易搅拌系统，提高全尾砂的供矿浓度 和流量.同时对水泥添加方式进行改进，由井下湿式 添加改为地表湿式添加，确保了膏体浓度.试验过程 中仍然出现全尾砂过滤机难以符合工艺要求、系统故 障率较高，仍难以实现工业化应用.充填材料最初设 计粗骨料为水淬渣，由于水淬渣供不应求，改为露天 矿 堆 场 的 大 理 岩 经 破 碎 后 的 小 于 25 mm 的 碎 石[10]， 但碎石加工系统没有建成，只进行了全尾砂膏体充填 试验[11]，但最终未应用工业化生产.
金川有色金属公司与北京有色冶金设计研究院 合作，在我国率先进行了膏体充填技术研究.1987 年 开 始 膏 体 充 填 技 术 的 室 内 试 验 及 半 工 业 试 验 ，1992 年 开 始 膏 体 泵 送 充 填 系 统 的 规 划 与 建 设 ，1999 年 8 月初步建成了具有自己特色的膏体泵送充填系统.通 过 长 期 试 验 研 究 ，在 膏 体 可 泵 性 测 定[6]、膏 体 物 料 流 变 特 性[7]、膏 体 充 填 系 统 可 靠 性[8]等 方 面 取 得 了 可 喜 成果，提出了金川似均质料浆水力坡度经验公式；在 工 艺 方 面 ，膏 体 制 备 工 艺 、膏 体 输 送 工 艺[9]等 方 面 成 绩斐然，其中膏体二段连续搅拌设备已经定型，并得 到推广应用.在废物利用方面，开展了由全尾砂、粉煤 灰、 棒磨砂以及废石组成的混合充填料的试验研究. 针对全尾砂细泥和 MgO 含量高不利于脱水， 通过加 入粉煤灰和棒磨砂后极大地改善物料粒级组成.