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充填采矿技术
2011-05-06
充填采矿技术---长沙矿山研究院 周爱民副院长 2009全国采矿新技术前沿论坛主题报告
充 填 采 矿 新 技 术 www.ky114.cn 长 沙 矿 山 研 究 院 副 院 长 周爱民 国 家 金 属 采 矿 工 程 技 术 研 究 中 心 主 任 2 0 0 9 年 5 月 · 于 重 庆 提 纲 CIMR z 发展概况 z 充填采矿的新观念 z 高效率充填采矿方法 z 高效充填工艺与技术 一、发展概况 CIMR 充 填 采 矿 z 1970年代以前 干式充填 z 1970年代 ) ) ) 上向点柱式水平分层充填采矿法 上向水平分层机械化盘区充填采矿法 z 1980年代 www.ky114.cn ) ) 下向进路机械化盘区胶结充填采矿法 大直径阶段充填采矿法 z 1990年代 ) ) 上向进路胶结充填采矿法 分段胶结充填采矿法 一、发展概况 CIMR 充 填 工 程 z 我国矿山的充填工艺门类齐全,代表性矿山 在机械化装备水平和充填效率方面基本与其 他国家同步发展 ) ) ) ) ) 分级尾矿充填 高浓度全尾矿胶结充填 废石胶结充填 膏体泵送胶结充填 磨砂胶结充填、赤泥胶结充填、高水固化 胶结充填、天然砂胶结充填和干式充填 一、发展概况 CIMR 充 填 工 程 z 1950年代以前,干式充填 z 1960年代,水砂充填、混凝土充填 z 1970年代,细砂(磨砂与分尾砂)充填 www.ky114.cn z 1980年代,全尾砂胶结充填试用 z 1990年代,废石胶结充填;膏体泵送充填 z 2000年以来,全尾砂及其他尾废充填应用 一、发展概况 CIMR 充 填 工 程 z 传统矿山充填 废石干式充填、分级尾砂水力充填 碎石水力充填、混凝土胶结充填 天然砂或磨砂充填 ) ) 废料继续排放、采场排水 充填工艺效率低、成本高、劳动强度大 z 矿山充填新模式、新技术 ) ) 高效、高质、低成本 充分利用矿山废料减轻对环境的污染 其他充填工艺 CIMR ● 磨砂胶结充填 ) 已逐步减少,目前成规模应用的矿山主要有金川镍矿、 武山铜矿和建德铜矿 ● 赤泥胶结充填 ) 于20世纪90年代在山东湖田铝土矿应用成功,并在 www.ky114.cn 山东莱芜铁矿开展了赤泥全尾矿胶结充填工业试验 ● 高水固化胶结充填 有鸡冠嘴金矿和焦家金矿。凤凰山铜矿、小铁山铅锌 ) 矿和武山铜矿等在特殊条件下应用或用于充填接顶 矿山充填新技术 CIMR z 高浓度全尾胶结充填 z 自然级配的废石胶结充填 z 井下废石不出窿短流程充填 z 膏体泵送充填 二、充填采矿新观念 CIMR z 发展充填采矿的背景条件 ) 复杂难采矿床开采 ) “三下”矿床开采 www.ky114.cn ) ) 矿山企业效益 两型社会 二、充填采矿新观念 CIMR z 采矿工业与国民经济和可持续发展战略 ) 工业基础、影响资源与环境 z 矿产资源与环境治理现状 资源损失与末端治理 z 协调发展的科学发展观 资源、环境与经济协调发展 ) ) 二、充填采矿新观念 CIMR z 传统开采模式固有属性 ) 孤立的企业经济观;开采资源、丢弃资源 与废料 z 崩落法、空场法开采技术的固有属性 www.ky114.cn ) 造成地表破坏、废石场和尾矿库排放废料 z 环境治理方案 ) 末端治理 二、充填采矿新观念 CIMR z 以充填采矿为基础,建立协调发展的矿产开发 目标与评价模型 z 以最小的废料排放量和对环境的破坏量,获取 最大资源量和企业经济效益,最大限度地减少 矿业对环境的负面影响,最大限度地减少资源 损失和最大限度地实现资源循环利用 z 资源与环境最小损益率评价模型 ρ = Q − (Q1 − q) Q 二、充填采矿新观念 CIMR z 理想模式 ) 矿业开发系统以完全循环的方式运行,真 正成为可持续的形态 z 应用模式 www.ky114.cn ) 把矿山的各个工序作为一个系统对待,结 合开采工艺过程,将矿山充填作为提高资 源利用率、循环利用矿山废料和减少矿床 开采对环境造成破坏的有效手段 二、充填采矿新观念 CIMR 矿山废料充填意义 ) ) ) ) 提高资源利用率 防止地表塌陷 保护远景资源 减少固体废料排放 二、充填采矿新观念 CIMR 开采矿床 矿 石 尾 矿 矿产品 废 水 废 石 矿石保、护新地增表经、济充总分量回采 www.ky114.cn 矿山充填 工业产品 零排放 二、充填采矿新观念 CIMR z 矿山充填的新观念 z 突破矿山充填仅限 于采矿工艺和空区 处理的局限性 z 将矿山充填定位在 减少矿山固体废料 的排放,保护地表 不受破坏和充分回 采矿产资源的可持 续发展目标上 二、充填采矿新观念 经济总量与效益 CIMR z 充分条件 ) 提高回采率增量,降低贫化率获益 ) 利用废料增量,减少或消除尾矿库、废 www.ky114.cn 石场构筑和减少末端治理工程获益 z 在经济平衡,甚至新增效益的经济条件 下,能有效地促进矿山充填的推广应用 充填采矿的经济平衡 CIMR ) y=P×D-C/γ+E — 不考虑E项的条件下:若单方充填体成本为 0元/m3、吨矿价值为250元/t、采矿贫化率 6 减量8%时,矿山充填可实现效益实现平衡 —E项:尾矿库、废石场构筑与末端治理费、 搬迁费用 废料循环利用 CIMR z 废料减排条件 利用矿山固体废料作充填料,实 现矿山废料的资源化,使排放量 www.ky114.cn 最小甚至为零 z minQ =Q (1-P )+ Q (1-P ) o g g f f 三、高效率充填采矿新方法 CIMR z 机械化盘区下向进路充填采矿法 z 机械化盘区上向分层充填采矿法 z 机械化盘区上向进路充填采矿法 z 上向分层点柱式充填采矿法 z 分段充填采矿法 z 阶段深孔充填采矿法 条件、结构、装备、特点、现状、趋势 四、矿山充填工艺与技术 CIMR z 充填材料 z 充填料输送 z 高浓度全尾砂胶结充填 www.ky114.cn z 废石胶结充填 z 膏体泵送充填 z 进一步发展 4.1 充填材料 CIMR z 材料组份:集料、水、胶结料 ) 胶结材料:水泥、矿渣、赤泥、粉煤灰、火 山灰 ) ) 细粒级集料:天然砂、加工砂、尾砂 粗粒级集料:天然料、自然级配废石料 z 充填体强度特性:集料、构架、界面、浆体 胶 结 材 料 CIMR 赤泥胶结料 z 赤泥具有潜在活性,在赤泥中添加激化剂 后,溶解于水中的活化剂离子Ca++可穿透赤泥 颗粒表面的无定形沉积层,激化赤泥的活性 z 赤泥的水化铝酸钙等在活化剂 下生成早 www.ky114作用.cn 期强度较高的钙矾石及其它水化物,使赤泥 中原存在的自由水转变为结晶水、胶凝水, 最终使赤泥凝结硬化 胶 结 材 料 CIMR 赤泥胶结料 z 利用赤泥的 潜在活性, 通过添加激 活剂开发出 来的一种胶 结料 胶 结 材 料 CIMR 赤泥胶结料 Ê普通赤泥胶结料: 天、28天和90天的单轴抗压强度分配为 .61、7.76和9.21MPa,初凝45min,终凝 7 5 www.ky114.cn 1 60min。 Ê高效赤泥胶结料: 天和28天单轴抗压强度达15~20和20~ 0MPa,初凝65min,终凝120min 7 3 胶 结 材 料 CIMR 赤泥胶结料 z 保水性能好,赤泥全尾砂料浆的不脱水浓 度仅为58%,并且能保证料浆的稳定性 z 胶结性能优良,与全尾矿配合后,试块的 单轴抗压强度是水泥的2倍以上 胶 结 材 料 CIMR 赤泥胶结料 www.ky114.cn Ê赤泥胶结剂与全尾砂混合后的性能明显优于水 泥。当新鲜赤泥胶结剂与水泥在灰砂比均为1:4 时,3天强度相近,但前者的7天强度高出1倍, 28天高出1.7倍 胶 结 材 料 CIMR 赤泥胶结料 z 破坏后的愈合 能力强,充填 体产生微裂破 坏以后,能自 行愈合而重新 获得强度 胶 结 材 料 CIMR 矿渣胶结材料 z 铁渣胶结剂是利用铁渣中的硅酸钙和铝酸 钙等组分,添加活性激化剂加工而成的可 以完全取代水泥矿用胶结材料 www.ky114.cn z 胶结效果优于水泥胶结剂,按1:8与全尾矿 配合的试块单轴抗压强度可达2MPa以上 z 生产成本仅为水泥成本的40~60% 胶 结 材 料 CIMR 高水固化胶结充填料 z 高铝水泥、石灰、石膏、速凝剂、解 凝剂、悬浮剂等料份组成的胶结材料 z 高水固化材料具有固水能力强、单浆 悬浮性好、流动性好、凝固速度快等 特点,可以将高比例的水迅速凝固成 具有一定承载能力的固体 4.2 充填料输送 CIMR z 输送方式 ) ) ) 重力输送 机械输送:无轨机械、机车、电耙 管道水力输送:自流、泵送 z 输送特性 w浆体特w性:w低浓.度k、y高浓1度14.cn ) ) ) 可输送性:粒度、流态、稳定性、塌落度 输送参数:浓度、流速、管径、压力损失 4 .3 高浓度全尾胶结充填 CIMR z 研究与应用概况 z 全尾砂充填的特点:材料、制备、输 送、采场充填 z 充填料制备:全尾砂脱水、全尾砂胶 结料搅拌混合 z 充填料输送:自流输送、井下增压输 送、泵压输送 z 采场充填工艺 研究与应用概况 CIMR z 自1980年代以来开展研究 z 1990年代初在凡口矿建成第一个全尾矿胶 结充填系统后,先后在张马屯铁矿、南京 铅锌矿、冬瓜山铜矿、莱新铁矿、草楼铁 www.ky114.cn 矿等矿山应用,设计应用矿山较多 z 尾矿利用率70%以上,其中南京铅锌矿将 全部尾矿充入井下,地表不建尾矿库 全尾砂充填特点 CIMR z 细粒级及胶结特性 z 高浓度:不产生离 析分级 z 活化搅拌:充分混 合和水化 z 输送:管损小、膏 体润滑层 z 采场流平性、泌水 全尾砂充填料制备 CIMR 脱 水 z 旋流、沉降、过滤(压滤或真空过滤) 三段脱水流程 z 浓密、沉降、过滤(压滤或真空过滤) 三段脱水流程 z 浓密、过滤(压滤或真空过滤)两段脱 www.ky114.cn 水流程 z 浓密、沉降两段脱水流程 z 一段沉降脱水流程 全尾砂充填料制备 CIMR 脱 水 1-尾砂池 8 9 1 1 1 -φ9000高效浓密机 -贮砂池 1-68m2过滤机 7-胶带运输机 8-高浓度全尾贮砂池 全尾砂充填料制备 CIMR 搅 拌 www.ky114.cn 高浓度全尾砂充填料输送 CIMR z 自流 z 泵送 z 联合 高浓度全尾砂充填料输送 CIMR 联合输送 ◆解决方案: 根据矿山充填的压差特点,利用系统中 料浆的自然压头,在井下充填管线适当 www.ky114.cn 位置安装一台无阀挤压输送泵,对高浓 度充填料浆进行增压,实现高浓度全尾 矿的长距离输送 高浓度全尾砂充填料输送 CIMR 井下增压输送 z 增压输送装置安装在井下,其三通把整个输送管 道分成两大部分:入口管道和出口管道 z 安装位置选择的原则: ( 1)在活塞回拉过程中,入口管道内料浆在垂直管道 内料浆自重作用下达到足够大的移动速度,以填 满输送缸的有效空腔 ( 2)在活塞推压过程中,输送缸内的料浆只流向出口 管道,使出口管道内的料浆加速向充填采场流动 4.4 废石胶结充填 CIMR z 废石胶结充填的特点 z 废石胶结充填料制备与输送 ) ) 骨料与浆料制备 胶结料混合 www.ky114.cn ) 充填料输送 z 废石水泥浆胶结充填 z 废石砂浆胶结充填 废石胶结充填特点 CIMR ● 传统的粗骨料胶结充填工艺局限于建 筑混凝土的基本原理和技术,使得其 工艺具有很大的局限性,因而存在工 艺复杂、成本高等缺点,严重制约了 它在矿山的大规模推广应用 ●自然级配废石作为集料 废石胶结充填特点 CIMR ¡ ¡ 自然级配废石料充分利用矿山废料,如井下 掘进废石、露天矿剥离废石等作为充填料 这些充填料虽然不能获得最理想的强度指 标,但却足已满足充填体的强度要求,而其 www.ky114.cn 突出的优点是可以实现矿山废料资源化、且 制造成本低廉、制造工艺简单,适合在矿山 大量推广应用 废石胶结充填特点 CIMR z 水灰比参数指标的 不适用性 z 最佳用水量配合参 数指标 z 最佳用水量模型: W=KCC十KgG 废石胶结充填料制备与输送 CIMR ● ● 骨料与浆料制备 分流输送:浆料管道输送;废石散体重力或 机械输送 ● 分流输送工艺对充填料的输送特性没有特殊 要求,分流输送的意义不仅仅在于解决了充 www.ky114.cn 填料的输送难题,而且为实现最佳用水量配 合和简化物料的配合要求奠定了工艺基础 ● 渗透混合与重力混合 废石水泥浆胶结充填 CIMR z 系统:制浆站、碎石站和输送管道 废石水泥浆胶结充填 CIMR www.ky114.cn 采场充填方式 与混合方式 ) ) 应用实例 废石砂浆胶结充填 CIMR z 废石砂浆胶结充填方式的废石粒径 一般小于300mm ) -300~+25mm:75% ) -25mm:25% 小时充填效率达250~350m3/h ¡ 废石砂浆胶结充填 CIMR www.ky114.cn 膏体泵送充填 CIMR z 膏体泵送充填特点 z 膏体充填物料组成 ) ) 粗物料+细物料+超细物料 细物料+超细物料 z 充填料制备 z 输送泵 膏体泵送胶结充填 CIMR z 国外于1980年代开始应用 z 我国自1990代开始用膏体泵送充填 z 膏体充填物料有:粗物料+细物料+ 超细物料、细物料+超细物料,两种 www.ky114.cn 配合方式 z 输送泵主要为德国泵,小规模应用 时也采用沈阳泵 膏体泵送胶结充填 CIMR 膏体泵送胶结充填 CIMR www.ky114.cn 膏体泵送胶结充填 CIMR 膏体充填料间断式搅拌 CIMR www.ky114.cn 膏体充填料连续式搅拌 CIMR 膏体充填料连续式搅拌 CIMR www.ky114.cn 膏体泵送胶结充填 CIMR 膏体泵送胶结充填 CIMR www.ky114.cn 膏体泵送胶结充填 CIMR 膏体泵送胶结充填 CIMR www.ky114.cn 1 .选厂尾砂输送泵;2.旋流器;3底流尾砂仓;4比重计;5流量计;6絮凝剂;7 真空带式过滤机;8溢流尾砂池;9薄板浓缩机;10带式输送机;11废石仓;12 输送机;13皮带机;14脱水筛;15搅拌槽;16双螺旋搅拌机;17输送泵 膏体泵送胶结充填 CIMR 水 选厂尾砂 细砂 仓 尾砂 粉煤灰 水泥仓 旋流器 脱泥分 配 分配箱 贮槽 浓密机 真空带式过滤机 油隔离泵 搅拌槽 活化搅拌机 尾矿坝 排污口 KOS2170 活塞泵 双轴叶式搅拌机 双螺旋搅拌输送机 采 场 KSP140-HDR液压活塞泵 膏体泵送胶结充填 主要应用条件 CIMR 年份 国家及矿山名称 设 备 型 号 1980 1985 1985 1987 1988 1988 1988 德国Preussag公司Grund铅锌矿 南非JCI公司Cooke 3号金矿 南非ACC/Welcome 分段充填,开采深度600m,35m3/h,5MPa,6~8万m3/a 房柱法,开采深度80m,50m3/h,5MPa,25万m3/a 60m3/h,10MPa,试验研究,单次给料10m3 房柱法,作业深近80m,120m3/h,4MPa,30万m3/a 下向充填,开采深度1600m,60m3/h,3MPa, 长壁法开采深部盲矿体,深1300m,8万m3/a 长壁法作业,开采深度1000m,100m3/h,6MPa, BRA2100×2,160kW KOS2160×2,132kW KOS2100,132kW 英国Fairclough Civil KOS2180,300kW 美国Lucky Friday铜铅锌银矿 南非ACC公司Freddies 5金矿 德国Ruhrkohle Monopol煤矿 KOS2180,90kW BRA1406,160kW KOS1467 KOS3080,132kW 1 989 中国金川公司二矿 下向进路充填,50m3/h,5MPa,用于试验研究、开采深度450m KOS2170,132kW,KOS2140×2,132kW 1 990 990 奥地Bleiberger铅锌矿 德国Leonic矿 分段充填法,开采深度500m,35m3/h,8MPa,10万m3/a 充填地面破坏区 KOS2160HP,160kW BSA2100HE 1 1 990 德国Ruhrkohle Walsum煤矿 长壁法回采后充填采空区,开采深度900m,100m3/h,12MPa 长壁法作业,开采深度1000m,60m3/h,6MPa KOS3080×3,500kW 1992 1992 1993 1996 1997 1999 2000 2000 2001 2002 2002 2003 CSFR OKD Dul Paskov煤矿 KOS 1460HP,160kW www.ky114.cn 3 摩洛哥ONA Hajar铅锌铜矿 分段充填,开采深度500m,115m /h,6MPa KOS2180,200kW 3 俄罗斯Norilsk镍矿 空场采矿嗣后充填,开采深l00m,300m /h,5MPa KOS2180×3,220kW KOS2160 3 葡萄牙Somincor公司Neves Corvo铜矿 巷道充填与梯段充填,环管试验65m /h,11.5MPa 3 中国金川公司二矿 机械化盘区下向进路充填80m /h, 12MPa KSPl40HDR×2,250kW KSP80×2,120kW HSP25100HP×2,100 kW BSA 1400,110 kW HSP 2180 HP,315 kW KOS 2180,160 kW KOS 1480,132 kW HSP 2180 HP,250 kW 3 中国大冶有色金属公司铜绿山铜矿 坦桑尼亚 Bulyanhulu Barrick 金矿 加拿大Matagami金矿 分层进路充填,50m /h,6MPa 全尾砂充填,80 m³/h , 80 MPa 全尾砂充填 瑞典Zinkgruvan 锌矿 全尾砂胶结充填,102 m³/h ,7 MPa 分段胶结充填,采深500m,110 m³/h, 4.5 MPa 全尾砂充填 摩洛哥Cie Miniere des uemassa 加拿大Laronde 澳大利亚Plutonic金矿 全尾砂充填 中国充填技术的进一步发展 CIMR z 随着可持续发展理念、无废采矿理念和工业生态学 的矿山充填理念在中国的不断深入,将会进一步促 进中国充填技术的发展和推广应用 z 高浓度充填技术和膏体充填技术,由于可以提高充 填质量和利用全尾矿,仍将是中国充填技术的重要 发展方向之一 z 新型充填胶结材料不但可以降低充成本,更重要的 是可以拓展全尾矿的适应范围。因而其研究开发与 推广应用将会越来越受到重视 CIMR 谢 谢 www.ky114.cn
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