矿山充填技术回顾、现状及发展

90 Day
Pulp Density
Binder content
A1
0.40
0.98
1.71
3.17
73%
3%
A2
1.66
2.06
3.93
5.03
75%
5%
B
0.42
0.67
1.40
2.75
73%
3%
Existing Technology
Total tailing 0.34
0.74
1.16
-
75%
3%
Note: Total tailing backfill is the state of art technology in mining backfill.
三、本课题组目前矿山充填技术进展现状 凝泰克充填技术—凝泰克A(一种高膨胀性新型高水材料)
技术特点：
凝泰克A使用工艺示意图
➢ 料水比可高达2-10倍；
矿山充填技术回顾、现状及发展
孙恒虎 教授 清华大学建筑设计研究院 University of the Pacific, USA
2013年5月27日
1
汇报提纲
充填技术与绿色开采感想 本课题组矿山充填技术研发工作的回顾 ➢ 高水速凝材料充填技术 ➢ 全尾砂固结充填技术 ➢ 凝石似膏体充填技术 本课题组目前矿山充填技术进展现状 结语与展望
放上清晰照片
Backfill Material Development
A
Ground fly ash+Coarse fly ash
B
Ground fly ash+ Coal refuse
Aggregate Activated material
Cement
Backfill material
All the samples in A and B in this test meet with the flowability requirement (200-300mm)
6
1 高水速凝材料固结充填技术
高 水 速 凝 充 填 现 场 实 例
1 高水速凝材料固结充填技术 地下采矿充填
1 高水速凝材料固结充填技术 存在问题：
• 铝钒土原料紧缺，成本偏高； • 两种料浆匹配操作易失控； • 耐久性问题。
9
2 全尾砂固结充填技术
➢ 胶凝材料制备：以工业废渣 (矿渣)为主要原料，加入适量的天然矿 物及化学添加剂，像制造水泥一样，经配料、磨细、均化等工艺制备 成充填胶凝材料; ➢ 胶凝材料特点：对含粘土量高的砂土及工业垃圾（如矿山尾砂）具 有很强的固结能力，因此特别适合固结全尾砂用于矿山充填; ➢ 使用效果：实现全尾砂充填，其充填浓度范围65-75%，流动性好 ，易于泵送和自流输送，充填效率高，井下几乎不需脱水即可凝结成 固体，充填体早期强度高，采矿周期短，井下作业环境好，综合充填 成本低。
例：95-97%； 养护时间：1-7天可控，不需井下脱水； 充填体早期强度高，采充循环周期短。
浓度
70% 75% 80% 备注
不同骨料制备的充填体的抗压强度/ MPa
充填骨料 龄期（天）
普通水泥
凝石
焦家金矿
3
分级尾砂
7
28
0.06
0.22
0.1
0.36
0.2
0.7
焦家金矿
3
全尾砂
7
28
0.06
3 凝石似膏体充填技术
凝石—硅铝基绿色水泥:
利用地壳上最为丰富的原材料，包括大量的固体废弃物； 由多种天然矿物组成的“成岩剂”； “仿地成岩”； 环境友好，低能耗； 新型绿色水泥混凝土。
3 凝石似膏体充填技术
固体废物
3-5% 凝石
细粒级固废
加水
凝石似膏体充 填料浆
充填系统
采场充填
细粒级固废
粗粒级固废
30 ℃养护 1d 7d 28d
0
0.1 0.22 0.4 0.10 0.34 0.48 0.2 0.46 0.52 0.22 0.53 0.6
10 0.12 0.3 0.48 0.14 0.64 1.02 0.23 0.64 0.86 0.24 0.72 0.72 15 0.15 0.34 0.52 0.20 0.68 1.08 0.26 0.72 0.92 0.26 0.84 0.80 20 0.15 0.32 0.56 0.16 0.80 1.12 0.30 0.76 1.0 0.30 0.90 0.92 25 0.12 0.3 0.60 0.19 0.82 1.12 0.25 0.76 0.94 0.26 0.82 1.02 30 0.1 0.26 0.64 0.18 0.64 1.0 0.24 0.76 0.88 0.3 0.94 1.20 35 0.1 0.24 0.62 0.20 0.74 1.10 0.16 0.72 0.88 0.3 0.92 1.10 40 0.1 0.22 0.62 0.14 0.66 1.0 0.16 0.72 0.88 0.24 0.94 1.08 45 0.1 0.2 0.58 0.16 0.70 0.94 0.18 0.72 0.82 0.22 0.86 1.12
Multifunction Room
LAB 102
LAB 104
LAB 106
Curing Room
Storage Room
Multifunction Room
Curing Room
Lab 102
Lab 104
Lab 106
Storage Room
应邀到白宫与美国政府官员及专家座谈
May 1st, 2009
4
二、本课题组矿山充填技术研发工作的回顾
三
1 高水速凝材料固结充填技术
个
阶
2 全尾砂固结充填技术
段
3 凝石似膏体充填技术
5
1 高水速凝材料固结充填技术
高水速凝充填材料（高水材料） • 90% 水 + 10% 固体材料 (体积百分比)
浆料 A (90% 体积水)
浆料 B (90% 体积水)
混合
高水材料 充填系统 采场充填 30分钟后整体固化，不脱水
0.34
0.12
0.74
0.22
1.1
焦家金矿
3
分级尾砂
7
28
0.08
0.29
0.14
0.4
0.22
0.8
焦家金矿
3
全尾砂
7
28
0.06
0.34
0.12
0.74
0.22
1.16
中砂
3
(含土10%)
7 28
0.02
0.5
0.12
1.01
0. 2
1.6
细砂
3
(含土10%)
7 28
0.1
0.72
0.16
1.12
正在输送液浆图
已做好的密闭墙
四、结语与展望
充填技术应是绿色开采的主流技术，是集材料装备工艺于一体的 系统化集成技术，需同行们携手共进，共创未来！
本课题组在清华大学建筑设计研究院绿色建材与循环经济研究中 心直接指导下，在国内组成了由北京清山怡和新材料技术开发有限 公司、北京科技大学和河北筑盛建材科技有限公司的紧密合作团队， 正在研发一种能够适合矿山绿色充填开采的新一代矿山充填技术凝泰克GH;
0.24
1.8
胶凝材料含量为3%，养护温度20℃，中砂的细度模数为2.9，细砂的细
度模数为1.66。
U.S. DEPARTMENT OF
ENERGY
美国能源部：煤基固废制备硅铝基胶凝材料及充填材料研究
Progress Report of DOE Project
Research and Development of a New Silica-Alumina Based Cementitious Material Largely Using Coal Refuse for Mine
Backfill, Mine Sealing and Waste Disposal Stabilization
Project PI: Dr. Henghu Sun
Pacific Resources Research Center School of Engineering and Computer Science
➢ 甲、乙两种浆液混合前可长达20多小时不凝固、不结底， 混合后很快发生反应，1-30分钟内完成初凝；
➢ 早期强度高，增长速度快。
23
凝泰克充填技术—凝泰克A
凝泰克A特性：
➢ 分为加固、充填、密闭和堵漏型； ➢ 膨胀倍数高（可达5倍）、 充填用量小、经济适用性好； ➢ 阻燃、无毒、无害、无腐蚀、泵送性能好。
University of the RPaawcmifaicterials On-site collection at coal mine May 11, 2011 of Arch Coal Inc. West Virginia
Equipment and Lab Set-up Layout and Usage of the PRRC Lab
Blast furnace slag
FGD Gypsum
1. Backfill material A could be also used as Controlled Low Strength Material (Compressive strength of Controlled low strength material is less than 8.27 MPa) .
2011年，在我们完成的美国能源部项目-煤基固废资源化利 用结题验收会上，专家认为“矿山充填是解决矿山绿色开 采的重要途径”
本人认为：由长沙矿山研究院为主组织的“中国充填采矿 技术与装备大会”对绿色矿山采矿技术发展意义重大!
什么叫绿色开采？ 一种行之有效的矿山充填技术应是矿山绿色开采的主流技术！
2. Backfill material B is an excellent material for mining backfill and waste stabilization.
Compressive strength of backfill body/(Mpa)
DOE
3 Day
7 Day
28 Day
2 全尾砂固结充填技术
地 面 充 填 站
2 全尾砂固结充填技术 INCO镍矿采场充填作业过程 INCO镍矿充填24小时后的效果
尾矿细粒级含量和养护温度、时间对充填体抗压强度的影响
细粒级 (%)
12 ℃养护 1d 7d 28d
抗压强度/ MPa
20 ℃养护
25 ℃养护
1d 7d 28d 1d 7d 28d
在绿色水泥和充填技术相结合的基础上，相关技术的应用范围已 不仅局限于矿山充填，还在道路工程、水利工程、市政建设、环境 修复、荒漠化改造及其它重要工程上已得到了广泛葡萄牙、哥 伦比亚、越南等开展了国际化工作； 本团队也竭诚探索与各位专家和同行的合作之路， 以期为我国矿山的绿色开采做出贡献！
26
五、相关著作、论文、专利与奖励 著作5本、发表论文150余篇、授权专利13项 相关专著
27
近期论文
[1] Early-age characteristics of red mud-coal gangue cementitious material. Journal of Hazardous Material, 2009, 167: 927-932 [2] Sialite technology—sustainable alternative to Portland cement. Clean Technologies and Environmental Policy, 2009, 12(5): 503-516 [3] Study on microstructure and mechanical property of inter-facial transition zone between limestone aggregate and Sialite paste. Construction and Building Materials, 2009, 23(11): 3393-3397 [4] Innovative methodology for comprehensive utilization of iron ore tailings Part 1: The recovery of iron from iron ore tailings using magnetic separation after magnetizing roasting. Journal of Hazardous Materials, 2010,173(1-3): 71-77 [5] Innovative methodology for comprehensive utilization of iron ore tailings Part 2: The residues after iron recovery from iron ore tailings to prepare cementitious material. Journal of Hazardous Materials, 2010,174(1-3): 78-83 [6] Investigation on the activation of coal gangue by a new compound method. Journal of Hazardous Materials, 2010, 179(1-3): 515-520 [7] A review: The comparison between alkali-activated slag (Si+Ca) and metakaolin (Si+Al) cements. Cement and Concrete Research, 2010, 40: 1341-1349 [8] The composition of fly ash glass phase and its dissolution properties applying to geopolymeric materials. Journal of the American Ceramic Society, 2011, 94(6):1773-1778
2
TVA Kingston 粉煤灰溃坝
俄罗斯煤矿地表塌陷（Berezniki） 铁尾矿库
山铝赤泥坝
一、充填技术与绿色开采感想
1992年澳大利亚国际充填采矿大会
大会总结报告指出：中国将是未来矿业的源泉“China will be the source of future mining backfill”
凝石似膏体充填工艺系统图
3 凝石似膏体充填技术
胶凝剂
惰性材料
细粒级
养护温度
料浆浓度
化学特性
强度
流动度
脱水量
充填成本
“六因素”与“四目标”优化控制关系
3 凝石似膏体充填技术
凝石似膏体充填特点：
胶凝材料--凝石用量：3-5% ； 泵送充填料浆浓度：72-78%； 固废（包括矿山尾矿，煤燃烧废弃物等）占充填材料的比