深井开采关键技术

发展具有重要意义。
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2.深井矿山充填体作用机理
☆ 作用机理 1）力学作用机理--改变采场帮壁的应力状态
2）结构作用机理--维护原岩体结构，避免围岩结构系统 的突变失稳。 3）让压作用机理--缓慢让压，使其围岩地压能够缓百度文库释 放，对围岩起到一种柔性支护的作用
☆ 区域支护充填评价标准--能量耗散原理 1）控制参数--能量耗散的空间速率EERR和平均矿柱应力
人工假顶R28>5MPa
人工底柱、分层充填胶面R28>2.0MPa 一般分层充填R28>1.0MPa。
2）接顶充填
当充填接顶率超过 50%时，应力强度 变化不大。
新桥硫铁矿Mises强度与接顶充填率的关系
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4.深井充填系统适应性分析
☆ 应解决的问题
①料浆对管道形成的高压问题； ②管道磨损率高的问题； ③充填倍线小引起的料浆流速快及流速控制难问题。
４）深井管输系统，由于地表与井下高差大、充填倍线小、料浆在输送过 程中，流速大，将对管道形成较高的压力，因此必须解决系统减压问题， 否则将严重影响到管输系统的安全运行；
５）深井自流管输系统由于料浆运行速度高，将对管道垂直段产生严重的 冲击磨损，因此研究满管流输送技术，实现深井充填系统满管流输送，降 低冲击磨损具有非常重要的工程意义；
2）评价 膏体加压输送系统应该是未来深井开采充填系统的一个
重要发展方向，但目前大量推广应用尚有一段距离
☆膏体自流充填
膏体自流输送结合了细砂管道胶结充填系统和膏体泵送充填
系统各自的优势，应该是深井矿山充填系统的首选方案。 膏体自流充填系统目前只在充填倍线介于1.1～2之间的少数 浅井矿山使用，因此将其使用范围扩大到深井矿山，具有十分重
3）分级尾砂和全尾砂 4）冶炼炉渣 5）棒磨砂、风砂及冲击砂
6）废石
7）煤矸石
8）磷石膏
☆ 充填质量控制
1）料浆的配合比
矿山名称 水泥:粉煤 灰：尾砂 金川公司 金川公司 新桥硫铁矿 新桥硫铁矿 高峰矿业公司 高峰矿业公司 康家湾矿 康家湾矿 康家湾矿 康家湾矿 柿竹园矿 柿竹园矿 1:0.5:5 1:0.5:5.2 1:0:5 1:2:6 1:0:6 1:2:6 1:0:5 1:0:5 1:0:6 1:2:6 1:0:6 1:2:6 质量浓度 % 71 72 70 68 70 68 70 70 70 68 70 68 料浆密度 t/m3 1.85 1.88 1.82 1.79 1.93 1.89 1.80 1.75 1.70 1.65 单轴抗压强度（Mpa） R3 1.04 1.06 R7 1.72 1.74 0.62 0.58 0.32 0.28 1.95 1.88 0.54 0.45 1.08 0.48 R28 4.12 4.38 1.56 1.75 0.60 1.14 3.56 2.60 1.87 2.09 1.59 1.34 R60 5.90 6.02 2.40 2.49 1.52 1.49 5.20 3.23 2.02 3.42 2.64 3.23 分级尾砂 分级尾砂 自然分级全尾砂 自然分级全尾砂 自然分级全尾砂 自然分级全尾砂 分级尾砂 自然分级全尾砂 全尾砂 全尾砂 自然分级全尾砂 自然分级全尾砂 尾砂种类
NPA-D60 (用量mg/l) 砂浆 （浓度20%）
1
2 3
上清液
沉砂
流动砂浆中加药简易模拟装置示意图
流动砂浆中加药试验结果 沉降时间 （分） 沉降高度（mm） 上层清液透光率 （％） 1 160 2 170 4 6 8 176 备注 1. 给入砂浆体积1600ml
174 175
～80 2. 沉砂浓度未检测
充填配合函数
充填质量因数
2）充填配合函数
充填体应力
特性应力系数
胶结充填料
a f b
( t ) 2 b (a 0且 t )
充填体应变
临界应变值
最初表现显著的充填体 承载时的瞬间应变
非胶结充填料
3）充填质量因数M
M= EERR(充填)/ EERR(不充填)
６）研究高压流动浆体对管道的动力磨损机理，实现对深井管道磨损程度 的预测，合理采用降低管道磨损的技术对策，对延长管道的服务年限，降 低成本同样十分重要。
☆ 研究目的意义
在全面分析深井充填特点与存在问题的基础上，展开深 井充填体作用机理、充填材料与充填质量控制、深井两相流 理论、深井管道系统减压、深井满管流输送技术、管道磨损 机理与防磨损技术等研究，加速完善和发展我国深井充填理 论与技术体系，对深井矿山充填设计、施工与管理提供重要 的理论依据和操作性强的实施方案，对实现我国矿业可持续
粉煤灰、水泥、磷石膏硬化体的SEM照片
1:1:6灰料比硬化体的SEM照片
100 3CaO· SiO2 80
水化 程 度60 /%
40
3CaO· Al2O3 3CaO· SiO2 2CaO· SiO2
20
粉煤灰
0 0 1 2 天 3 4 5 0 10 周 20 30
活性矿物水化程度示意图。粉煤灰在初期阶段几乎不发生水化
☆膏体泵送充填
1）可泵性要求的基本条件 （1）具有良好的稳定性和饱和性 （2）管道输送摩擦阻力要小，以150mm通用管径计算，每米摩擦 阻力以50～100Pa为宜 （3）泵压过程中不允许产生离析现象 （4）膏体中必须要有足够的细颗粒含量，细粒级含量保持在 20～35%为宜 （5）膏体制备质量要稳定
充填料质量/b值
充填质量对M值的影响
当充满率超过40%以上后，最大开采深度对能量释放速率的影响逐渐减弱 能量释放速率一定，如30MJ/m2时，充填料质量对最大开采深度影响较大
3.深井充填材料及充填质量控制
砼结构
粗砂 细砂 细泥 水泥
密度/（t/m3） 2.3 2.1 1.7 1.6
泵送充填
水力充填 风力充填
0 ～3
5 ～90
7.5
10
20
30
～115 ～200 ～210 ～215 61.9 ＞85 65 ＞85 64.17 63.37 ＞85 ＞85
＜50 60.27 ＜40 ＞85
建议NPA药剂用量采用10mg/l为佳（按悬浮物重量计为8.76ppm）。
小型立式砂仓中絮凝沉降试验结果
给砂次 数 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 总计
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工业试验上清溢流水水质参数 指标名称 排放标准 GB491385 污水综合 排放标准 GB89781996 康矿充填 站 排 出 水 PH SS Pb Zn Cd As Cu CoD 备 注 行 业 标 准 现 行 标 准
6～9 200
1.0
5.0
0.2
0.5
2.0
100
100 6～9 ～ 300
特性明显改善；每m320%质量浓度全尾砂浆中加入10gNAP药剂， 可使清浊界面沉降速度达到129～142mm/min，平均 131mm/min。20%浓度砂浆可浓缩至60%～78%的浓度。经过
浓缩后的砂浆在立式砂仓中浓度自下而上由高向低分布。在立式
砂仓中通过加入药剂可实现动态沉降，即一边输入砂浆，一边溢 流上清液。
1. 绪论
☆ 研究背景
浅部资源枯竭
高地温
深井开采
高地压
充填法
深井充填理论与技术研究滞后
开展深井充填材料与管输系统研究
☆ 深井充填的特殊性
1）原岩应力高，岩石的应变能高度聚集，并在瞬间成爆炸性释放，其破坏 性极为剧烈，并可能导致地震活动，因此充填体的主要功能将是阻止或减 缓这种能量瞬间的释放，这就对充填体强度和质量有更高的要求；
深井开采的充填材料与 管输系统
王新民
目
1. 绪论 2. 深井矿山充填体作用机理 3. 深井充填材料及充填质量控制 4. 深井充填系统适应性分析
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5. 非机械快速浓缩全尾砂胶结充填技术研究 6. 深井两相流输送技术研究 7. 深井满管流输送技术研究 8.深井管道输送系统减压及管道磨损 9. 结论
1.0
5.0
0.1
0.5
1.0
150
7.1
10
0.733 2.667 0.119
0.035 1
给砂量 （ml） 1600 1200 950 780 650 5185
界面沉速 （mm/min） 140 107 90 73 56
沉砂累积体 积（ml） 400 650 820 950 1100
透光率 （％） ＞85 ＞85 ＞85 ＞85 ＞85
沉砂浓 度 （％）
平均给砂 浓度（％）
67.93
19.60
5.非机械快速浓缩全尾砂胶结充填技术研究
☆必要性
分级尾砂
尾砂利用率低
传统全尾砂
细泥尾砂堆坝困难
机械浓缩成本高
非机械快速浓缩全尾砂
生产能力有限
☆主要特点
（1）实现了低浓度全尾砂浆在立式砂仓中快速沉降、快速浓缩 （2）立式砂仓溢流上清液达到国家工业废水排放标准 ☆全尾砂絮凝沉降浓缩试验 （1）研究对象—水口山矿务局选厂质量浓度20%全尾砂 （2）试验药剂采用高效絮凝剂 NPA
要的现实意义。
☆块石胶结充填
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深井矿山中，如果废石量较大，或尾砂等充填骨料供应量不
足以充填井下空区时，则应该考虑使用块石胶结充填系统。 块石胶结充填优点 （1）投资较小、经营费用低 （2）充填体强度高、整体稳定性好 （3）节省了矿山的提升费用，减轻了提升负担 （4）缓解充填管道的压力，减轻管道的磨损 （5）充填体强度形成快，可缩短回采作业循环时间 （6）系统充填能力大，充填效率高
240 220 200
界 面 沉 速
(mm/min)
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
5 10
20
30
40
50
60
NPA用量 (mg/l)
NPA用量对尾砂界面沉速的影响（给砂浓度：20%）
NPA用量不同时的尾砂絮凝沉降浓缩效果
NPA用量（mg/l） 界面沉速（mm/min） 沉砂浓度（％） 上清液透光率（％）
M

1

0
d
胶结充填料：M≤0.25 非胶结充填料：M≥0.35
4）充填体承载效果评价
能量释放率/MJ/m2 深 度 /km
4
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能量释放率/MJ/m2
40
3
2
30 20 （相应M值）
0 20 40 60 80 100 0.1 0.2 0.3 0.4
40 30 20
0.5
0.6
1
充填量/%
２）深井开采，充填倍线小（1～3），这为输送高浓度浆体、提高充填体 质量创造了必要条件。因此，研究高浓度浆体管道输送特性，根据充填料 浆特性，分析料浆制备与输送系统的适应性，是实现高浓度充填料输送， 提高充填体强度的关键之一；
３）为了实现高浓度充填浆体的自流管道输送，必须研究深井两相流输送 技术，即料浆特性、料浆配合比、密度、粘度等高浓度浆体管输特性对临 界流速的影响及相应的管道水力参数的计算；
几种不同充填工艺的充填材料组成
☆ 主要充填材料 1）水泥—32.5普通硅酸盐水泥 2）粉煤灰
（1）CH晶体产生，粉煤灰表面 形成水膜
（2）CH晶体在粉煤灰表面定向生长， 碱性薄膜溶液形成
（3）粉煤灰表面被腐蚀，发生 火山灰反应
（4）粉煤灰表面进一步被腐蚀， 大量凝胶产生
水泥、粉煤灰、煤矸石胶结试块的SEM照片
☆工业试验
NPA-060
尾砂性质变化时采用PAC助凝剂
料 斗 PAC 给料筛 H2O t=50～55℃ 搅拌溶解 稀释贮槽 原液贮槽 H2O
贮 槽 提升 稀 释 H2O 给药贮槽
虹吸给药机 给药贮槽
入砂浆混匀
b
虹吸给药机
入砂浆混匀
a
NPA与助凝剂PAC药剂配制工艺流程图
工业试验证明：加入NAP药剂后，质量浓度为20%全尾砂浆沉降
流动砂浆中加药现厂验证试验结果 沉降时间（min） 沉降高度（mm） 沉砂浓度（％） 上清液透光率（％） 0.5 1 2 备 注
150 113 114 64 1. NPA-060药剂用量：～10mg/l 2. 透光率未测定
室内与现场验证试验的主要结论 （1）NAP高效絮凝剂对康家湾全尾砂具有显著的絮凝沉降效果 （2）立式砂仓中直接进行尾砂絮凝沉降浓缩是可行的 （3）现场随机取样验证试验证明，NPA药剂用量10mg/l，全 尾砂的絮凝沉降速度和上层清液透光率与室内的试验结果相符 ☆絮凝原理
尾砂胶结充填料浆常用配比（质量比）为：
1:5~1:15（分层充填、人工矿柱） 大于1:15（嗣后胶结充填） 添加粉煤灰后尾砂胶结充填料浆常用配比（质量比）为： 水泥：粉煤灰：尾砂=1:2:6~1:2:10
充填料浆质量浓度为：
68~68%（添加一定量的粉煤灰时） 或70~78%（未添加粉煤灰时）。
尾砂胶结充填体28天龄期单轴抗压强度指标要求：