我国胶结充填工艺发展的技术创新.pdf

2 0 1 0 年 1 0 月 第 3 9 卷第 5 期 中 国矿 山工 程 Ch i n a Mi n e Eng i n e e r i n g 0e t ． ． 2 01 0 V0 1 ． 3 9 No． 5 我国胶结充填工艺发展的技术创新 De v e l o pme n t a n d i n n o v a t i o n o f c e me n t e d fil l i n g t e c h n o l o g y i n Ch i na 于 润 沧f 中 国 恩菲 工程 技术 有限 公司， 北 京 1 0 0 0 3 8 摘要 胶结充填技术的出现和发展对于矿业的进步具有重要的推动作用， 胶结充填3 - - 艺基本上是沿着经济因素、 料浆浓度因 素、 环境因素三条轴线发展的。我国在引进某些先进技术的基础上， 对高浓度充填、 全尾砂充填、 赤泥胶结充填、 立式砂仓的改 进 、 在下向进路胶 结充填法 中采 用大型无轨设备等 实践 中， 具有 多项技 术创新 ， 对胶结充填技术的发展 做 出了重要的贡献。 关键词 胶结充填 ； 技术创新 ； 充填采矿 法 Abs t r a c t Th e na i s s a n ce a nd d e v e l o p me n t o f c e me nt e d fil l i n g t e c h no l o g y e x e r t a n i mp o r t a n t e f f e c t o n mi ni ng a d v a nc e ．Ce me nt e d f i l l i ng t e c h no l o g y d e v e l o pe d b a s i c a l l y a l o ng t h r e e a x e s wh i c h a r e e c o no mi c f a c t o r ，s l u r r y d e ns i t y f a c t o r a n d e nv i r o n me n t f a c t o r ． B a s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n o f s o me f o r e i g n a d v a n c e d t e c h n o l o g y ，Ch i n a h a s ma d e g r e a t i n n o v a t i o n s i n t h e fi e l d o f h i g h d e n s i t y f i l l i n g ， t o t a l t a i l i n g s fi l l ，r e d mu d fi l l i n g ，i mp r o v e me n t o f t a i l i n g s s i l o s t r u c t u r e a n d u s e t h e l a r g e - s c a l e t r a c k l e s s e q u i p me n t s i n u n d e r c u t - an d -f i l l mi ni ng me t h o d． Ke y wo r d s c e me n t e d fi l l i n g ；t e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o n ； c u t a n d fi l l mi n i n g me t h o d 文章 编 号 1 6 7 2 ． 6 0 9 X 2 0 1 0 0 5 0 0 0 1 0 3 中图分类号 T D 8 5 3 ． 3 4 文献标识码 B 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 1 于 润 沧 1 9 3 0 一 ． 男 国工程 院院士， 中国恩菲工程技术 有限公司副总工程师， 从事采矿工 程 设计和科研 工作 。 ● 一 l 刖 舌 胶结充填 的起源可追溯到 2 0 世纪 3 0 年代 ， 加拿 大 原诺兰达公司霍恩 H o m 矿用粒状炉渣和脱泥尾矿加 入磁黄铁矿组成胶结充填料 ， 加拿大柯明柯公司苏立宛 S u l l i v a n 矿用地表砾石 、 掘进废石 、 重介质尾矿和硫化 物尾矿作胶结充填料 ， 苏联库茨 巴斯煤 田用低标号混凝 土充填 窒息 内因火灾。因种种原 因这些探索均未能推 广应用。直到 1 9 5 7 年加拿大原鹰桥公司哈迪 Ha r d y 矿 用分级尾砂加硅酸盐水泥作胶结充填料试用成功 ， 才使 胶结充填技术达到生产实用阶段。此后几十年时间里 ， 这一技术获得非常迅速的发展。 胶结充填技术 的成功推广应用 ， 使极厚矿体矿柱回 采的贫化率、 损失率大幅度降低； 可有效防止岩层移动， 实现水体下 、 建筑物下采矿和优 先开采深部或下盘 富 矿 ； 可有效隔离和窒息 内因火灾 ； 可成功控制地压 ， 对深 井开采缓减岩爆威胁具有特别重要的意义 ； 与大型无轨 设备结合 ， 使充填法面貌焕然一新 ， 进入高效率采矿的 行列 ； 全尾砂胶结充填技术的应用 ， 更为无废开采创造 了有利 的条件。 2 胶结充填工艺的发展和应用 胶结充填工艺基本上是沿着三条轴线发展 的。首 中国矿山工程 2 0 1 0 年 第3 9 卷 先是经济因素 ， 胶结充填带来 的经济效益应能平衡 或超过其生产成本的增加； 其次是料浆浓度因素 ， 对 胶结充填质量和胶凝材料的节约 ， 也就是降低充填 成本具有头等重要的意义； 然后是环境因素 ， 对环境 保护 日益严格 的要求 ， 成为拓展胶结充填技术应用 范 围的重要推动力。从主流工艺看 ， 胶结充填的发 展大体经历了三个阶段 水力充填 、 高浓度充填和膏 体充填 ， 都是以料浆浓度分界的。 我 国尾砂充填技术的应用起步于 2 0 世纪 6 0 年 代 中期 ， 1 9 6 4 年从瑞典为凤凰 山铜矿引进分级尾砂 充填 未设砂仓 技术之后不久 ， 在凡 口铅锌矿试验 成功利 用卧式砂仓 的分级 尾砂胶结 充填 。 1 9 7 3 ～ 1 9 7 5 年金川镍矿与设计 、 科研单位合作 ， 按照工业 生产所用管径在实验室利用棒磨砂进行 了长时期的 胶结充填料浆环管输送试验 ， 积累了大量的试验数 据 ， 在此基础上 回归出计算水 平直管单位长度料浆 水力坡度的金川经验公式 厂 、 l 1 2 ] 。 l 108 m t396l j } 式 中 。 清水水力坡度 ， P a ／ m； 一 料浆水力坡度， P a ／ m； r重力加速度， m ／ s ； D 管道 内直径 ， 1 Y l ； 平均流速 ， m ／ s ； y 固体密度， X 1 0 k g ／ m ； m 体积浓度 ； e颗粒沉降阻力系数。 此公式计算误差远低于国际上流行的杜兰德公 式 ， 表 1 列 出了对比结果。 表 1 金川经验公式与其他水 力坡 度计算公式结果 比较 计算与实测相对误差值／ ％ 一 1 ． 2 ram 风砂 - 8 ra m 磁铁 铜精 铁矿 石膏 石灰 硼尾 鳞精 赤泥 石灰 页 平均 山 公式 公式形式 棒磨 砂 棒磨砂 破碎 矿 矿 石 石 砂 矿 岩 石 误差 来源 砂 页岩 ， 、 ll z “ 金 川 2Ⅲ Z0 1 1 0 8 f g D y k -- 1 8 ．O l 6 ．8 8 ．5 1 4 ．4 1 1 ．8 2 0 ．5 l 2 ．5 1 3 ．5 1 3 ．7 1 2 ．0 l 7 ．7 1 8 ．7 8 2 ．8 7 ．9 l 6 ．2 l √ 杜 兰 278．0 256．7 68．0 l39．6 189 ．9 60 ．7 264 ．4 l22．2 393．4 l74 ．0 277．2 l52．3 156．7 38．5 184 0 德 Z Z0 抚顺 一 O ． 7 , ／ g D y 一 ， 0 3 3 8 ．4 1 8 6 ． 3 1 3 4 ． 8 7 2 ． 7 3 3 2 ． 3 1 2 9 ． 8 2 4 3 ． 8 l 45 ．6 3 5 8．8 l 3 9．2 9 1 6 ． 1 3 6 3 ．4 1 5 3 ． 4 2 8 ． 9 1 0 O ． 7 埘√ y 。 y y f ] 新汶 。 s ] 127．0 l7 8．4 90 ．3 32．9 956．6 3 11．9 119．8 936 ．4 306．4 82．9 518．0 l73 ．4 lO8．2 12．O 548．9 北 京 有色 f ． p ] 设 计 。 j 2 8 ．9 l 9 ．8 5 4 ，6 5 6 3 5 8 ．5 8 6 ．O 5 7 ．8 4 4 ．6 】 5 4 ．8 8 2 ．8 4 0 ．6 3 】 ．O 1 9 ．4 2 6 ．9 5 1 ．1 院 鞍 山 矿 山 {fo十 ] 34．7 21．0 42．O 52．8 3O．1 55．6 57．0 12．4 35．8 45．1 28 3 28．7 25．O 30．O 35．6 研 究 院 陕西 水 科 O 1 9 6 4 0 ． 8 3 5 ． 9 1 3 ． 9 2 5 ． 0 3 0 3 4 2 ． 5 3 5 ． 1 1 1 ．5 3 2 ． 9 】 3 ． 0 1 8 ． 5 1 7 ． 4 2 7 2 1 O ． 8 2 6 ． 6 所 苏联 √ i ～ 8 7 ． 8 7 5 ．7 3 5 ． 9 1 1 5 ．6 3 7 ． 8 5 9 ． 4 1 3 1 ． 6 2 7 ．2 8 9 ． 2 l 3 7 ． 9 7 9 ． 9 6 6 7 2 7 ． 8 5 6 ． 9 7 5 ． 5 煤科 J 。 。 y 院 纽伟 ， 如 1 6 6 m厂 3 0 丁eJ g y ,,, y o 1 4 1 ．8 5 5 0 ．7 4 4 0 ．4 2 7 8 ．6 3 9 9 ．2 1 8 2 ．4 5 3 9 ．9 5 3 9 ．9 l 3 2 ．6 2 7 8 ．5 1 0 4 ．2 5 1 9 ．6 l 3 0 ．2 8 5 ．9 1 O 3 ．1 特 第5 期 于润 沧 我国胶结充填工艺发展的技术创新 1 9 7 5 年金川的充填试验 为棒磨砂 高浓度料浆 试验阶段 。试验表 明 ， 高浓度并非相对的概念 如 7 0 ％相对于 6 5 ％就是高浓度 ， 高浓度有特定的物理 概念 ， 即料浆基本不会发生离析 ， 输送时无需考虑临 界流速 ， 可以在低流速下稳定输送。据此提出了“ 临 界流态浓度” 的概念。超过“ 临界流态浓度 ” 的为高 浓度 。输送物料的矿物成分 、 粒级组成 、 化学成分都 影响“ 临界流态浓度” ， 这对 于设计充填系统具有重 要意义。也是在这个 时期 ， 国外同样开始重视充填 料浆浓度问题。 金川在采用高浓度胶结充填的同时 ， 还在下向 进路式充填法中尚无先例地使用了双机液压凿岩台 车 、 6 m 铲运机等大型无轨设备 ， 从而使盘区生产 能 力从 5 0 ～ 6 0 t ／ d 提高到 8 0 0 ～ 1 O 0 0 d d ， 把原本属于低效 率的采矿方法改造成为高效率的采矿方法。 2 0 世纪7 0 年代末 ， 在国内先后出现 了三种不 同 类型的用于分级尾砂胶结充填 的立式砂仓的工业试 验 焦家金矿球型底立式砂仓 、 南京栖霞铅锌银矿锥 型底立式砂仓 、 铜绿山铜矿用虹吸方式的立式砂仓 ， 这些试验都取得了 良好的效果 ， 为胶结充填技术的 快速发展奠定了基础。但这种砂仓必须是装满仓后 才可放砂 ， 还不能连续运转。 2 0 世纪 8 0 年代末 ， 在凡 口铅锌矿开发试验成功 了全尾砂胶结充填工艺 ， 并于 1 9 9 0 年建成 了我国第 一 个 全尾砂胶结充 填系统 ， 尾砂 利用率 达 9 0 ％以 上。全尾砂的利用在胶结充填发展史上具有特殊重 要的意义 ， 一方面 ， 全尾砂 中有较多的微细粒级 ， 脱 水难度大 ， 对充填体强度产生负面影响 ， 解决这些技 术难题促进 了胶结充填技术的进一步发展 ； 另一方 面， 全尾砂的利用加上废料资源化， 为实现无废开采 开辟了有效的途径 。 1 9 9 4 年 ， 利用氧化铝生产中的废料赤泥开发成 功赤泥胶结充填技术并在湖田铝土矿应用 ， 实现了 在特定条件下的无水泥胶结充填。 1 9 9 4 年 ， 试验成功膏体充填并在金川镍矿建成 了第一套膏体充填系统 ， 标志着我 国胶结充填技术 迈上 了一个新 的台阶。1 9 9 9年又在铜绿 山铜矿建 成 了第二套全尾砂膏体充填系统。满足膏体充填要 求的全尾砂脱水工艺是一项难度很大的技术 ， 国外 开始采用膏体充填 时 ， 一般是采用带式过滤机进行 全尾砂脱水 ， 金川 的膏体充填系统也是采用带式过 滤机 ， 带式过滤机占地面积大 ， 加之这种_丁艺需要配 套储仓 ， 使充填站 占地面积更加扩大， 当使用多套充 填系统时尤为突出。2 0 0 6 年 ， 在会泽铅锌矿引进了 深锥浓缩机 ， 建成了输送管路长达 4 O 0 0 m的全尾砂 膏体充填系统。应当说这是相当先进的膏体充填系 统 ， 只是深锥浓缩机价格昂贵 ， 推广难度较大。全尾 砂胶结充填 的关键环节是全尾砂脱水 ， 在冬瓜 山铜 矿利用传统锥形底立式砂仓 ， 按照控压助流原理对 其 内部结构进行适 当改造 ， 研发成功底流放砂浓度 能满足全尾砂高浓度和膏体充填要求的新型立式砂 仓 ， 并且可以边给料边放砂 ， 费用也大为降低 ， 为推 广膏体充填做出了重要贡献。膏体充填不仅非常有 利于降低胶凝材料用量 ， 保证充填质量 ， 而且由于充 填到采场内基本无需脱水 ， 成为改善坑内环境的有 力保证 。 目前充填采矿法已成为有色金属矿山、 黄金矿 山的主要采矿方法 ， 充填系统设计 的理论和概念对 矿山经济效益具有举足轻重 的影响。降低成本是胶 结充填工艺发展 的永恒主题 ， 国内诸多实验和生产 实践均证明 ， 充填料浆 的浓度对于在保证充填体同 样强度 的条件下降低胶凝材料用量 ， 亦即降低充填 成本具有特殊重要的意义。因此在充填 系统设计 中 ， 应在尽可能实现料浆 自流输送 的前提下采用最 高料浆浓度 ， 这有 时会涉及到充填站位置的选择 。 充填采矿法 由于增加 了充填工艺环节 ， 无疑会 增加生产成本 ， 根据国内外的生产实践 ， 如果 自然崩 落法的生产成本为 1 ， 则无底柱分段崩落法是 1 ． 5 ， 充 填法则为 4 ～ 5 。但是在衡量充填法成本 时 ， 应当考 虑其综合经济效益 充填法与崩落法相 比， 出矿品位 显著提高 ， 从而增加收益 ； 采用全尾砂充填 ， 可以不 建尾矿库或减小尾矿库的库容 ， 减少 占地 ， 缩减尾矿 远距离输送 的运营费 ； 避免可能出现的搬迁以及破 坏生态环境的赔付和补偿 ； 减少尾矿对环境造成的 污染等 。正是由于充填法的这些优势 ， 在环境要求 日益严格 的形势下 ， 目前不少 国内低 品位铁矿 的开 采也开始采用充填法 。 由于各矿山尾矿化学物理性质 的差异 ， 为了获 得充填系统设计的基础数据而不致脱离实际， 往往 需要进行料浆输送的环管试验。国内在有些矿山的 充填系统设计 中， 在地表增设 了环管段 ， 一方面可以 在投产前进行先期试验 ， 为顺利投产奠定基础 ， 另一 方面也可为 日后矿山改进充填系统运转提供试验条 下转 第 9 页 第5 期 孟跃辉 等 我国尾矿综合利用发展现状及前景 开采提供有效 的技术支持 。所形成 的系列技术成 果 ， 将解决 目前尾矿库开采过程中遇到的难题 ， 降低 开采过程 中的灾害事故及经济风险， 为我 国尾矿资 源大规模开采奠定技术基础 ， 创造显著 的经济和社 会效益。 2 铁矿尾矿 中有价组分高效分选关键技术及 装备 。将在铁尾矿再磨再选过程中低能耗单体解离 控制技术和磁性物高效 回收技术 ， 深度还原过程 中 硅酸铁还原和抑制硅酸铁生成控制技术 ， 铁尾矿高 效浮选药剂合成及应用技术 ， 铁尾矿多种伴生组分 综合 回收分质利用技术等方 面取得 突破 ， 并形成包 括尾矿 中磁性铁矿物 的高效分离技术及装备 ， 铁尾 矿低能耗再磨再选工业试验技术及装备 ， 高铁难选 铁尾矿高效联选 、 深度还原再选 、 闪速焙烧再选工业 化技术及装备 ， 铁尾矿选矿新药剂合成 ， 钒钛磁铁矿 型尾矿多元素综合 回收新技术 ， 硼铁矿尾矿选别工 艺 ， 多金属伴生铁尾矿多种有用组分综合收技术等 技术在内的技术体系。 3 有色金属尾矿 中有价组分综合利用关键技 术及装备。将在铅锌尾矿高效再选及流程节能减排 关键技术 ， 钼尾矿 中多种有价组分综合回收关键技 术 ， 生物法综合 回收有色多金属尾矿中的有价元 素 关键技术 ， 有色金属尾矿综合 回收有用组分的选矿 药剂及装备 ， 铌 、 钽尾矿综合利用和清洁化处理技 术 ， 氰化尾渣 中有价元素综合 回收技术等方面取得 突破。将解决我国钼尾矿、 铅锌尾矿 、 铌钽尾矿和氰 化渣的清洁化综合利用的瓶颈 问题 ， 为这些尾矿的 综合利用提供关键集成技术 ， 研究成果将对提高有 色金属矿产资源的综合利用率和环境保护产生积极 影响 。 4 尾矿综合利用生产建筑材料及关键设备 。 将在 富硅尾矿生产超高强混凝土关键技术 ， 尾矿生 产微 晶玻璃关键技术 ， 大规模利用尾矿低成本生产 建筑材料 的工艺技术 ， 尾矿生产加气混凝土关键 技术 ， 尾矿在高速铁路工程 中应用关键技术等方面 取得突破 。这些技术的产业化可具有针对性的 自主 知识产权技术体系， 形成一批尾矿掺入 比例大 、 低耗 能和无二次污染的技术和考虑区域产业结构的合理 性与市场需求 ， 因地制宜 ， 符合具体尾矿特征 、 适应 当地条件的高效 的尾矿综合利用技术 ， 调动市场主 体开展尾矿综合利用 的积极性 ， 激发企业开展尾矿 综合利用的内在源动力。克服 以往所开发的尾矿建 材产品受运距限制而使产地与市场脱节的弊端。对 于提高矿山的资源利用效率 、 保护环境 、 推动矿区经 济可持续健康发展具有重要意义 。 5 尾矿高效充填关键技术。在尾矿胶结充填 用低成本高效新型胶凝材料大规模生产技术 ， 高浓 度充填料浆高效制备关键技术 ， 高浓度尾矿充填料 浆大泵量高效输送技术 ， 膏体尾矿干式堆存技术 ， 尾 矿高浓度充填 自动化控制与决策关键技术 ， 高浓度 尾矿胶结充填采矿成套装备关键技术等方面取得突 破 ， 将有效提高尾矿充填浓度及充填效率 、 大幅度降 低充填成本 ， 可替代 占主导地位 的国外进 口膏体泵 压充填工艺 ， 改变我国现有传统 的低浓度水力充填 落后的局面 ， 使充填采矿法逐步发展成为高效率的 采矿方法 上接 第 3页 件 。环管试验是一项耗资费时的工作 ， 不是所有矿 山都有条件进行 ， 目前已经开发出利用计算机仿真 取代环管试验的软件 ， 是充填设计的一大进步。 2 0 世纪 9 0 年代初 ， 借鉴英 国煤矿沿空 留巷巷旁 支护的经验 ， 研制成功高水速凝 固化充填材料 ， 并在 一 些矿山特别是煤矿试验 、 使用 ， 在充填领域独树一 帜。惟因材料价格偏高 ， 后期强度有时不够稳定 ， 大 量推广应用 尚有一定 困难 ， 但在某些特定情况下， 如 充填接顶 、 局部快速维护等具有独特的作用。 3 结论 我国从 2 0 世纪 6 0 年代 中期 以来 ， 许多高校 、 设 计、 科研、 生产单位为胶结充填工艺的迅速发展进行 了大量的技术创新 ， 从总体上讲在国际上处于较先 进的水平。本文只择其要者加以简述 ， 反映概貌 。