矿山充填工艺技术的发展及似膏体充填新技术.pdf

矿 山充填工艺技术的发展及似 膏体充填新技术 胡 华 孙恒虎 中国矿业犬学北京较区资源 系 北京 l 0 0 8 3 摘要文 章回厩了 充填工艺技术 的发展历程 ，分析 丁各种充 填方式 的利弊 ，并对管道输 送特 性 、 充填效果进 行了定性 比较 。结合现代充填发展趋 势．提 出了似膏体充 填新思 想 ，论述了似膏体 充填的关 键技术 及研究思踣 ，并对 己取得的研究成果作 了简要介绍。 羌键词 充填技术 似膏 体充填关键技 术 DEVELoPM ENT oF BACKFI LL TECHNoLoGY AND THE NEW BACKFI LL PRoCES S US I NG PAS TER- LI KE M ATERI AL Hu Hu a S u n He n g h u Ch i n a Mi n i n g Te c h n o l o g y Un i v e r s i t y 1 0 0 0 8 3 Ab s t r a c t I n a b d e f r e v i e wi n g o f d e v e l o p me n t o f b a c k f i l l t e c h n o to g y， t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f v a r i o u s b a c k f i l l me t h o d s a l e c o m p a r e d B a s e d 。 n a n a t y s i s o f d e v e l o p me n t t r e n d o f ba c k f i l l t e c h n o lo g y ． t h e c o n c e p l i o n o f p a s t e r - t i k e fi L L ma t e r i a t ， i t s c h a r a c t e ri s t i c s b y p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n ， i t s p e r f o r ma n c e a n d c r u c i a l p o i nt s a r c i n t r o d uc e d Ke y wo r d s B a c k fi t l t e c h n o l o g y， P a s t e r - t i k e b a c k f i t l ma t e r i a l ， Cr u c i a t p o i n t s o f t e c h n o l o g y 1 前言 进入 2 1 世纪，矿山开采将转向深部矿体 、“ 三 下矿体”以及其它复杂难采矿体。地压控制问题将 日益突出 ，并成为深部 高效 、安 全作业 的主要 障 碍。胶结充填是深部及复杂应力环境下地压控制的 有效途径之一，因此，充填采矿法和充填工艺技术 越来越受到人们的重视。充填工艺技术也在充填采 矿法 不断改造 与发 展的 过程 中得到创 新 与进步 。一 方面通过对 充填材料和充填体物 理力学性质 的认 识 ，研究开发来源广泛 、成本低廉 、便于制浆和输 送 、充填体强度高的新型充填材料 ；另一方面，通 过对充填体力学作用机理的探讨，结合采矿作业要 求，研究新的充填工艺 和方式。正是在 此基础上 ， 结合现代矿山充填技术发展的趋势 ．逐渐形成了似 膏体充填新思想 ．研究了一种新的充填技术。 2 矿山充填工艺技术的发展 2 ． 1 水砂充填 早在 1 9世纪中叶，地 下开采的大部分矿产采 用横撑支护的空场采矿法，但用这种方法开采厚大 矿山充填工 艺技 术的发展及似膏体 充填新技术 矿 体 时 ，造 成矿石 的 巨大 损失 、井下 灾害 的发 生和 矿山服务期 限的缩短。1 8 6 4年在美国宾夕法尼亚 的一个煤矿区进行了第一次水砂充填 ，以保护一座 教堂的基 础。随着南非 、德国 ，澳 大利亚 、中国 首先是煤矿 等国家试验了矿山水砂充填。进入 2 0世纪后 ，美国和加拿大发展 了基于采用选厂分 级尾砂进行水砂充填的充填工艺 ，在悬浮液输送固 体物料 、水力旋流器脱泥等方面取得了进步。实现 了低浓度 3 5 ％～7 0 ％泵压或 自流输送的水力充 填采矿。但充填料中过量的一 5目细粒留在充填 分层的表面；形成的充填体没有凝聚力 ，无法形成 稳 固的 、能够 自立的帮壁，使回采作业难 以继续进 行 。 2 ． 2 低 浓度胶 结充填 2 0世纪 6 0年代中期 ．普遍采用 了硅酸盐水泥 或其它胶凝材料添加到低浓度水砂充填料 中．既提 高了充填体的强度 ．又易于实现水力辕送 。由于水 砂充填与胶结充填结合 ，促进了原有采矿方法的改 进和实现机械化作业 ．提高了采矿方法的适应性， 4 7 维普资讯 推动 J 采矿技术 的进步 一同时两 相流理 论 及浆 管 道输送硼 沦得 到发展 。但 该 工 艺在使用 中存在料浆 凝嗡慢 ．离析 分层 、强度 低 且不 均匀等 现象 仆下 脱水时 脏凝材料 及细粒级 尾砂流 失 ；井 F睦水 、细 泥污 染 环 境 ．排 水 、排 泥 费用 高 ；采 场 回采 周 期 ，生产能 力低等 问题 ，需 进一 步改进 和提 高 ， 2 ． 3 高浓度胶结 充填 该 工艺的研 究始 于 2 0世纪 7 0 ～8 0年 代一是指 砂浆 浓度接 近或大 于临界 流态 浓度而 小 r 极 限可输 送浓 度的充填 工 艺。浓 度 范 围一 般 为 7 [ 1 ％ ～7 8 一 ． 靠 自流或泵送实现高浓度的管道输送。高浓度料浆 固体颗粒在横断面上呈均匀分布状态 ，在流动过程 中很少有固体颗粒之间的相对位移，因而不易发生 离 析和沉淀 。另外还 具有 充填体 力学性 能良好 ．强 度 高 ，采场脱 水量 少 ，胶 结材料 的用量 大 幅度降低 等优点，因此得到了一定程度的发展为实现高滩 度充填．研制成功 了新型离心式浓密机 ，使尾矿底 流能达到含固体物重量 7 6 ％～8 5 ％，溢流浓度 为 5 ％～l 5 ％。中国的凡 口铅锌矿从 l 9 8 2年开始与长 沙矿山研究院和长沙有色冶金设计研究院合作 ，进 行了 “ 高浓度全尾砂蔽结充填新工艺和装备试验研 究 ” 并 于 1 9 9 1年通过 了原 中国有 色金 属工业总公 司组织 的鉴定。试验 中采用 了高效 浓密 、活化搅 拌、自动输 送等新工艺 ，尾砂 利用率 超过 9 0 ％。 充填料浆重 量 浓 度 为 7 O ％ ～7 6 ％ 但 生 产 实 践 中 依然存在制浆技术难度大的问题，尤其是利用全尾 砂造浆 时 ，难 以达 到预期 的浓度 ；高 浓度料 浆输送 也存在一定的困难 ；输送及参数控制设备技术要求 高 不适合一般矿山使用，在 目前的条件下难以全 面推广应用 。 2 ． 4 全尾 砂膏体泵 送 充填 鉴于传统的分级尾砂充填的一些缺点 ，德国和 前苏联等国家在 7 0年代开展 了全尾砂膏体泵送充 填技术研究，形成 了膏体泵压输送充填新工艺，并 用于矿山充填。其后 ，南非 、加拿大 、美国、澳大 利亚也开展了试验研究。全尾砂膏体泵送充填的特 点是 料 浆 浓 度 大 ，其 重 量 浓 度 可 达 7 5 ％ ～8 5 ％， 呈牙膏状由于膏体的塑料粘度 和屈服切应力大 ， 必须采用加压输送 膏体料浆象塑性结构体一样在 管道中作整体运动 ，膏体中的固体颗粒一般不发生 沉淀 层间也不出现交 流，膏体在管路中呈柱状流 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区采空区的 充填 。 中国的金 J i l 有 色金 属 公 司从 1 9 8 7年 开始 与 4 R 北京有色冶金设计研究院合作进行了 “ 全尾砂膏体 克填新工 芝及装备研究” ．1 9 9 1 年通过鉴定 该 充填 r 。 艺 技 术 的 主要 优 点是 尾 砂 利 用 率 高 ．一 般 为 9 0 ％ ～9 5 ％ ，主 要 取 决 于 脱 水 没备 和 技术。而分级尾砂的利用率一般只有 5 0 ％ ～ 6 0 ％； 充 填料浆 浓度 高 ，减少 了水 泥用量 ，降低 了充填 成 本；充填体沉缩率小 ，接顶率高 ，充填质量好 ，强 度 高 ；采场 无 任 何溢 流 水 ，改善 了井 下作 业 环境 节省了排水及清理污泥的费用。但全尾砂膏体泵送 充填一次性投资大 ，尾砂脱水浓缩 、储存和膏体泵 压输送技术难度大。不适宜大范围推广应用。 2 ． 5 高水速凝材料固结充填 1 9 8 9年 ，中国 矿 业 大学 北 京校 区 高水 材科 研 究所孙恒虎教授成功研制出新型胶凝材料一高水固 化速凝材料 ，并首创了高水固结充填采矿新工艺。 该 采矿新 工艺是 胶结 充填技术 的重 大革新 ，它 突破 了传统水力充填的思维模式 ，克服了一般胶结充填 中的诸多弊端和不足，使充填技术发展到一个新阶 段。该充填工艺技术的实质是 以高水速凝固化材 料作胶凝剂，使用全尾砂作充填骨料。按一定的配 比加永混合后，形成高水固结 充填料浆。根据工艺 设备 条件 和 现场技 术 的要 求 ，充填 料浆 浓 度在 3 0 ％～7 0 ％之间变化，充入采场后不脱水便可以凝 结为固态充填体。 该工艺技术突出的优点是 可将高比例水凝结 为 固态结晶体，从而使高水 固结尾砂充填料浆在一 般浓 度 条 件 下 不脱 水 而变 成 固体 ；充 填 料 浆 凝 固 快 ，早期 强 度 高 ，且 初 凝 时 间 可 以通 过 捺 加 剂 控 制 ，大幅度地缩短采场回采周期 ，提高了采场生产 率；井下不脱水，无环境污染 ；高水材料具有 良好 的悬浮性能 ，使充填料浆的悬浮性和流动性得到改 善 ，易于实现中低浓度的料浆 的水力输送。该工艺 技术形成 以后 ，便迅速在国内煤炭 、有色金属 、黄 金等行业得到试验和推广 ，成为矿山充填技术进步 的重要标志。但在长期使用过程中存在着高水速凝 固化材料来源少，成本高等因素的制约 。 3 似膏体充填新技术 3 ． 1 充填技术发展趋势 从充填工艺的发展历程 ，可 以看出其技术不断 推陈出新 ，以满足矿山开采工艺的需求 ，提高开采 经济效益 ，确保作业安全 未来充填工艺技术的发 展 趋 势 是 1 全尾砂充填方 向。传统的水泥胶结充填采 用分级尾砂，吉泥及细粒级尾砂被排放到尾砂库。 一 方 面增 加 了库坝的维 护费用 ，另一方 面造成 环境 中国矿业 2 0 0 1卑第 1 0卷第 6期 维普资讯 污染 。现代充填 技术 不仅 考虑采 矿 lr 艺 的需 要 ，还 要 考虑 矿山开 采废弃 物 的综合 利用与 处理 ，环境保 护 ，减 少污 染 的 社 会 要 求 实 现 无 废 害 开 采 固 此 ．应 完全 、彻底地 将 全部尾砂 用 于井下 回填 ． 2 高浓 度输送 充 填方 向。高浓 度充 填可 以减 少胶凝 剂的用 量 ，降低 充填成 本 ；可 以减 少采场 的 脱水量 ，增大充填料浆的有效利用率 ．提高实际充 填能 力 ，同时减少 了井 下环境 污染 ；可 以明显改 善 充填体的物理力学性质 ．提高充填体的强度，有效 控制地压，提高充填作用效果 3 研制新型胶结材料。新型胶结材料既满足 使用全尾砂充填要求 ，又要达到采矿工艺所需的强 度，同时要材料来源广泛 ，生产成本低廉。因此 ， 新型胶结剂的开发与研制将是未来充填技术进步中 地位最 重要 ，发展潜 力最 大 ，前景 最广 阔的 研究 内 容 。它是充填技 术发 展水平 的重要 标志 目前 已开 始应用有一定活性的工业废弃物如炉渣 、粉煤灰等 作为胶结剂的主要组分 。既满足 了充填的技术要 求 ，又 综合利 用 了工 业废 弃物 ，走 上 了 良性循 环的 发展道路 。 3 ． 2 似膏体充填新思想 回顾总结过去 ，预测展望未来，建立在多种理 论和大量试验基础上的矿山似膏体充填新思想逐渐 形成了。该技术集各种充填方式的优点于一体，克 服其弊端与不足 其主要特点是 1 用新研制的全砂土固结剂作胶 固剂。该新 型胶 凝剂一方 面能 固结 全尾砂 ，甚 至含 大量 泥土的 表 1 尾 砂 ．胶 结 体强度 高 各方 面 的性能 均达到 矿 山充 填 的要求 ；另 一 方 面还能代 替 水泥用 于其它 建筑 行 业 ，全砂 ， L固结 荆已由 中国矿业 大学I E 京 校区高水 材 料与 山工 程研 究所研制 成功 ，各项 技术 参数 已 通过国家水泥质量监督检验 中心梭验 ．正逐步推向 市场 。 2 实 现高浓 度 、全尾 砂管 道输 送 姒臂体浓 度接近于膏体。采用全砂土固结剂配以骨料 全尾 砂 、砂土制成的高浓度料浆外观象膏体 ．故称之 为似膏体充填 3 料浆流 动性能 好 。在料浆 的制 备过程 中采 用了多项新技术 ，使似膏体料浆流动性能明显优于 膏体和高浓度料浆的流动性 ．接近一般水力充填 中 等 浓度料 浆的流 动性 能 实现 自流输送 倍线 条件 较好 或低压泵送 充填 。 4 料浆进人采场后只需少量脱水 ，充填体质 量好 ，能满足各 种强度 的需要 井 下无 排水排 泥污 染 总之，似膏体充填技术继承了一般水力充填 中 料浆流动性能好 ，易于实现管道输送的优点 ，同时 又具有膏体充填浓度高 ，井下不脱 水或少量脱水 、 充填质量好，强度高的优势。 3 ． 3 几 种充填方 式 的管 道输 送 特 性 及 充填 效果 定 性 对 比 低浓度胶结充填 、高浓 度胶结 充填 、膏体充 填 、似膏体充填技术定性对比见表 1 。 3 ． 4 关键技术及研究思路 似膏体充填是一种全新的充填模式。充填胶凝 材料的研制 、似膏体料浆的制备 料浆的管道输送 是三个 主 要 环节 。通 过 大 量 的 理论 分 析 论 证 和 试 验 ，前两 个环节 已获 得突破性 的进 展。 下一步 的研 矿 山充填工艺技术的发展 及似膏体充填新技 术 究 目标 是进一步提高料浆的流动性 ，优 化输送 管 路 ，减 少流 动阻 力 ，最 后 达到 均匀 稳定输 送 的 目 的 。 其基本思路是 以流体 力学 、流变力学 、细颗 粒学 、界面化学 胶体化学及分子问的作用力等理 4 9 维普资讯 论为基础 ，通过试验 ，分析 测试似膏 J本料浆 的流 体 、流 变特性 ；通 过调 整细粒 级 配 比 、优化 料浆粒 级 组成 、添加 微量 减阻剂 等措 施 ，改变料 浆 内颗粒 表 面的性 质 ，减少 颗粒 间的摩 擦 力 ，增加 料浆 的润 滑性 ，达到提高料浆流动性的 目的 以料浆管道输送 ，相似模拟 、汁算机模拟 、汁 睦凝材料研制皿- 流体特性研 充填骨料配制_ I L 流 变 特 眭 研 L 1 似 膏 体 料 浆 的 制 算 流体 力学等理 论 为基 础 ．研究 似膏 体料浆管 道输 送 阻力 特征及影 响 因素 ，洗化设 计管道 输送 系统及 工 作参 数 ，_溅少管道 输送过 徉 中的阻 力 ，最终 实现 稳定 、均 匀流动 的 耳的 。 研 究线路 如 下 流功悱影响 因素 阻力影响因索 添加剂的研制 管道 输送 规律 相似槌扭 戚驻 4结论 似膏体充填是在综合分析 比较现有其它充填方 式利弊的基础上 ，结合现代采矿工艺要求和充填发 展趋势形成的集各种优势于一体的新充填模式 。耳 前 ，在理论研究 、材料开发 、室内试验等方面作了 大量 的工作 ，取 得 了初 步 的成 效 。该技 术的试 验研 究和探索对彻底解决现有矿山充填作业中存在的系 列难题 、提高充填技术整体水平具有理论和实际意 义。为未来矿山转人深部开采提供 了充 填技术 保 障 。 _ 参 考立南 } l ] 孙恒虎 ．刘文永等 ，高求固结充 填采 矿 ．机械 工业 出版社 ， 北 京 ．1 9 9 8年 [ 2 蔡嗣经编著，矿山充填力学 基础 ．冶金工业 出版社 ，北京 ． 提高流动 ， 减少阻 ] I 优化管路议 汁 、 系统参数 稳定均匀输送 自动控制 和监测设 备系统j 1 9 9 3年 3 ] 王可牧 管道阿楣流，清华大学出睡社 ．北京 ．1 9 8 6年 4 ] 刘可任 主壤 ．充填理论基础 ，冶金工业 出 } 上．北京 ．1 9 9 3 年 5 ] 美 瓦斯 普著 ．固体铆料 的浆悻 管道输进 ，水 利出颇 壮． 北京 ． 1 9 8 4年 6 ] 王绍 周等著 ，粒状杆料 的浆体管道 输送 ，海洋 出版 } 上．北 京．1 9 9 8年 收稿 日期 2 0 0 1年 3月 2 9日 [ 作者简介] 胡 华 中国矿 大北京校区 高水 材料与 矿 山工程研 究所博 士研 究 生 孙 恒 虎 中 国矿 太北京校 区高水材料 与矿 山Z - 程研 究所所 长教授博 士 生导师 j 期 ， 涉及2 6 0个城市，近 2 亿人口； 远期长2 0 2 0 年，涉及到的城市和人口会更多这 4个气田，近 { 期供气 1 7 0亿 m ，中期提供气源 4 0 0亿 m ，远期提供气源 1 o o o 亿 。 l 西 气 东 输 还 包 括 海 上 气 田 ， 如 海 南 、 东 海 和 渤 海 ； 另 外 还 有 进 口 天 然 气 ， 主 要 供 应 深 圳 ， 珠 海 、 ； 珠江 三 角 洲。 中国矿业 ． 0 0 1 年第 1 0卷第 6期 维普资讯