胶结充填技术在矿山的应用[1]

Serial No .469May .2008矿　业　快　报EXPRESS INF OR MATI O NOF M IN ING INDUSTRY总第469期2008年5月第5期 3国家自然科学基金资助(50774092)。

裴启涛(1986-),男,410083湖南省长沙市。

胶结充填技术在矿山的应用3裴启涛　陈建宏　王子哲　程运材(中南大学资源与安全工程学院) 摘　要:在矿山的生产中,胶结充填不仅可以充分利用矿山固体废料,提高充填体的强度,有效地抑制围岩的破坏,而且可以提高资源的回收利用率,为将来远景资源的二次开发创造了条件。

介绍了胶结充填技术的基本原理,并结合生产实际,对目前金属矿山采用的一些胶结充填技术给了较系统的阐述。

关键词:胶结充填;固体废料;充填体;矿山中图分类号:853.34+3 文献标识码:B 文章编号:100925683(2008)05200922031　引　言矿山充填技术是为了满足矿业开发的需要而逐步发展起来的。

然而,矿业开发一方面促进了经济发展和社会进步,而另一方面却又造成了环境污染,影响了社会的发展。

在金属矿山作业中,不可避免会产生大量的固体废料,其中尾矿的含量最高。

世界上每年排放的尾矿竟达50多亿吨,而我国的矿山每年排放的尾矿量也高达5亿t 以上。

尾矿的堆积不仅要占用大量的土地,而且定期对尾砂坝进行维修也要耗费大量的资金。

因此,必须要寻求妥善的办法,合理的利用尾矿,实现经济效益最优的同时,使矿业开发成为无污染或少污染的行业。

胶结充填技术的应用不仅可以充分利用矿山固体废料,提高充填体的强度,有效地抑制围岩的破坏,从而避免地表塌陷,保护生态环境,而且也提高了资源的回采利用率,使得一些在当代技术条件下难以得到经济合理利用的矿物废料储存起来,为将来远景资源的二次开发创造了条件,同时也消除或减少了矿山固体废料排放的负面影响。

2　胶结充填原理和种类2.1　充填原理胶结充填技术是将采集和加工的细砂等惰性材料(在充填过程及形成充填体后,性质不发生变化的材料)掺入适量的胶凝材料,加水混合搅拌制成胶结充填料浆,在沿钻孔、管等向采空区输送和堆放料浆,然后使浆体在采空区中脱去多余的水(或不脱水),形成具有一定强度和整体性的充填体。

可见,胶结充填体作为地下采矿工程中人工构筑的工程,是胶结充填采矿法控制采场地压和区域地压的主要方法。

2.2　充填种类2.2.1　高浓度全尾砂胶结充填该工艺是以全尾砂和水泥等固体物料加少量的水作为充填材料,通过活化搅拌,从而将充填料浆制备成高浓度料浆和堆放料浆的充填工艺。

由于该混合料浆属于一种具有触变性质的标准分散系,细粒级物料含量高,比表面积大大增加,在强力搅拌下,混合料浆中固体分散系被稀释而具有流动性,并使得胶结微粒分布均匀。

一般而言,高浓度料浆具有屈服应力,属于非牛顿流体,尾砂的质量浓度在68%～75%。

该方案的工艺流程见图1。

图1　全尾砂胶结充填方案工艺流程这种工艺的胶结充填体有如下特点。

(1)充填体内粒级和水泥分布均匀,没有粗、细颗粒分层现象,充填体整体性和稳定性好。

(2)胶结充填料的泌水性使得大部分水被析出,充填料不会长时间处于流体状态。

(3)在水被析出时,水泥不存在流失现象。

目前,随着搅拌活化搅拌技术和高浓度全尾砂脱水等技术的不断成熟,高浓度全尾砂胶结充填的应用不断增加,如马屯铁矿、武山铜矿、湘西金矿、凡口铅锌矿和南京铅锌矿等,具有广阔的应用前景。

292.2.2　高水速凝尾砂胶结充填该技术是将高水材料(以铝矾土为主要原料,配以多种无机原料和外加剂,经烘干、配料、煅烧等工艺,制成甲、乙两种固体粉料,其使用比例为1∶1)与全尾砂等惰性材料加水混合成的低浓度充填料浆,用钻孔、管道输送到井下,两种料浆在进入充填空区前混合,不脱水,便可迅速凝结为具有一定强度的胶结充填体。

该充填工艺流程见图2。

图2　高水速凝尾砂胶结充填工艺流程12砂仓;　2,4,52皮带运输机;　32振动筛;　62分砂筒;　72水池;　82供水管;　92100t 甲料仓;　102100t 乙料仓;　11,122螺旋输送机;132甲搅拌筒;　142乙搅拌筒;　152 100mm 充填管;　162混合器;　172采场充填天井高水速凝尾砂胶结充填工艺具有如下特点。

(1)高水速凝尾砂胶结充填料浆是由甲、乙两种料粉,分别与尾砂搅拌制成2种料浆,分别沿两条管道输送到井下。

(2)甲、乙两种料浆的浓度一般在60%～80%,在井下混合后进入采空区,无需脱水,可以调节凝结时间。

(3)高水材料具有良好的悬浮性能,有利于长距离的输送。

(4)甲、乙两种料浆不易凝结,无需洗管。

(5)高水材料具有快速早凝的特性和良好的流动特性,有利于充填接顶和缩短循环周期。

(6)高水速凝尾砂胶结充填工艺可以充分利用各种充填采矿方法的采准布置、采掘设备以及输送系统等条件,因而技改工作简单方便。

由于高水速凝尾砂胶结充填技术使用全尾砂作惰性充填材料,避免了使用分级尾砂过程产生的细粒级尾砂筑坝及坝体维护的困难,减少了尾砂库的建造,同时料浆在井下不脱水使得充填体早强、速凝,整体性能和接顶效果好,缩短了采场生产循环周期,实现了资源、环境、作业条件对采矿工艺的要求。

目前,高水速凝尾砂胶结充填技术广泛应用于我国的金属地下开采。

2.2.3　膏体泵送胶结充填膏体胶结充填料是一种充填到采场后不析水的物料集合体,料浆呈稳定的粥状膏体,直至形成牙膏状。

膏体中的固体颗粒一般不沉淀,层间也不出现交流,而呈柱塞状的运动状态。

柱塞断面的核心部分速度和浓度基本无变化。

对于全尾砂膏体胶结充填料而言,其料浆的真实浓度一般为75%～82%,添加粗粒惰性材料后,膏体胶结充填料浆的真实浓度可达81%～88%;一般情况下,可泵性好的膏体胶结充填料浆塌落度为10～15c m 。

膏体泵送胶结充填技术的关键是解决充填料的可泵性、稳定性和水泥添加技术。

生产实践表明,其可泵性取决于混合料的密度、粒级组成等物理特性。

泵送充填料的稳定性取决于细物料的流变特性,其中,细泥部分及其矿物组成对其流变特性具有决定性影响。

为防止膏体砂浆液化,膏体胶结充填料浆中均添加3%～5%的水泥作为胶凝材料。

根据国内外生产实践表明:水泥添加地点以靠近充填地点为宜;添加的水泥浆比添加干水泥的效果好。

针对膏体泵送胶结充填技术具有尾砂利用率高(90%～95%)、水泥用量低、凝固时间短、强度高并能改善井下作业环境等优点,国内外仍然致力于该方面的研究,与此同时,在国内一些大型的金属矿山(如甘肃的金川),膏体泵送胶结充填技术仍然在使用。

2.2.4　赤泥胶结充填赤泥是生产A l 2O 3排放的废渣,利用其潜在的胶凝特性,可用来制成胶凝材料与废石或尾砂等集料组成胶结充填材料。

赤泥胶结充填料是由赤泥、粉煤灰、石灰、减水剂等组成。

一般而言,赤泥密度为2.79～2.93g/c m 3,赤泥浆的质量分数为40%～55%,石灰活性钙的含量为60.07%。

选用粉煤灰作为充填料是为了吸收赤泥浆中多余的水分,提高料浆的浓度。

在赤泥胶结充填技术运用中,一般采用主、副双管道输送工艺,主管道用于输送赤泥粉煤灰浆,副管道用于输送石灰浆。

料浆在井下主副管道的出口附近经气流混合器进行混合,最终进入采空区,形成不需脱水的膏状物料,凝固后成为较高强度的充填体。

该工艺流程见图3。

改技术已于20世纪90年代在山东湖田铝土矿应用成功,并在山东莱芜铁矿开展工业试验,实验效果良好,具有广阔的应用前景。

2.2.5　废石胶结充填39 裴启涛　陈建宏等:胶结充填技术在矿山的应用 2008年5月第5期废石胶结充填料是由矿山掘进废石或破碎废石,并配以一定的水泥或赤泥组成的。

其中,废石集料是主体,水泥或赤泥充当胶凝剂成分。

一般情况下,大规模的废石胶结充填主要采用自淋混合的工艺制备胶结混合料。

该工艺不仅简化了混合工序,大大地降低了生产成本,而且可以实现大规模的连续充填。

图3　赤泥胶结充填工艺流程图废石胶结充填料浆通过管道输送到地下采场。

废石散体一般采用多种输送方式,比如自流输送和皮带机等。

分流输送工艺对充填料的输送特性没有特殊要求,从而为最佳用水量配合和简化物料的配合要求奠定了基础。

、收缩变形小的特点,废石胶结充填料充入采场后几乎不渗水,从而避免了对井下环境的污染。

因此,在目前,废石胶结充填技术广泛应用于金属矿山作业,比如丰山铜矿、龙首镍矿、吉林镍矿、金山金矿等。

2.2.6　其他胶结充填低强度混凝土胶结充填体强度高,制备工艺简单,但粗粒惰性材料运送困难以及对材料及配制要求高,因此目前未能推广使用。

低浓度尾砂胶结充填能力大,操作简单,充填倍线打,但充填体强度低,采场需要脱水,井下排水和排泥量大,适合运于矿体分散、对强度要求不高的矿山。

磨砂胶结充填工艺应用已逐渐减少,目前成规模应用的矿山主要有金川二矿、龙首矿、武山铜矿和建德铜矿。

3　结　语胶结充填技术的发展,已将地下开采技术推向高新技术领域,使得地下采矿方法获得density 新的技术突破。

胶结充填技术在矿山中的应用,不仅保护了环境而且提高了生产效益,从而保证了矿山生产的可持续发展的要求。

胶结充填技术在未来的矿业开发中势必会有着更加广泛的应用前景。

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