矿山充填技术的研究与展望

Serial No .495July .2010现　代　矿　业MORDE N M I N I N G总第495期2010年7月第7期 李　强(1979-),男,河北廊坊人,讲师,221116江苏省徐州市。

矿山充填技术的研究与展望李　强　彭　岩(中国矿业大学力学与建筑工程学院) 摘　要:介绍了矿山充填技术的发展历程及应用现状,着重提出了煤矿矸石井下充填技术,融入了“绿色开采”理念。

通过对充填体力学作用机理的探讨,结合采矿作业要求,研究了新的充填工艺和方式。

对于保护环境、合理开发资源,实现矿产资源的二次开发利用,促进矿山可持续发展具有一定的现实意义。

关键词:矿山充填;应用现状;可持续发展中图分类号:T D823.7 文献标识码:A 文章编号:167426082(2010)0720008206Research and Prospect on M i n e F illi n g Techn i queL i Q iang Peng Yan(School of Mechanics&Civil Engineering,China University of M ining and Technol ogy )Abstract:The devel opment course and app licati on situati on of m ine filling technique are intr oduced,coal m ine gangue undergr ound filling technique is raised e mphatically which combine with "har moni ous m ining "idea .Ne w filling technol ogy and mode are studied thr ough the discussi on on mechanics functi on mechanis m of backfill and combine with m ining operati on require ments .It has a certain p ractical signifi 2cance on envir on ment p r otecti on 、reas onable res ources exp l oitati on,and realize the second devel opment and utilizati on of m ineral res ources and p r omote the sustainable devel opment of m ine .Keywords:M ine filling;App licati on situati on;Sustainable devel opment 进入工业社会以来,人类对能源的需求日益增大。

矿山中蕴含着大量能源物质,特别是煤炭,我国未来的发展对其的依赖还很巨大。

矿山开采在带来矿产资源的同时,也是诱发地质灾害和污染环境的直接因素。

其中最为突出的就是地表沉陷。

矿山充填是治理开采沉陷的有效手段,国内外学者对其进行了大量研究,提出了许多行之有效的方法。

自20世纪50年代以来,我国矿山充填技术的发展大致经历了四个阶段[1,2]:50年代为废石干式充填的全盛时期;60年代发展应用分级尾砂水力充填、碎石水力充填和混凝土胶结充填;70～80年代广泛应用以分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充填技术;90年代全面发展了全尾砂胶结充填、块石砂浆胶结充填、碎石水泥浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填等新技术,促进了我国采矿技术的进步和采矿工业的发展[3]。

进入21世纪,矿山开采将转向深部矿体、“三下矿体”[4]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,且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。

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———似膏体充填新技术[5]。

1　矿山充填技术的应用概况目前在中国应用的充填工艺[6,7]主要有分级尾砂充填、全尾砂胶结充填、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、少量的天然砂胶结充填和干式充填。

81.1　分级尾砂充填分级尾砂充填工艺是我国应用最为广泛的充填工艺,绝大部分充填矿山均建有分级尾砂充填系统,包括分级尾砂胶结充填和非胶结充填。

这一充填工艺和技术已相当成熟,其输送浓度为65%～70%。

分级尾砂的利用粒径一般为+37μm,利用率一般在50%,而对有些多金属矿山,其产率仅30%左右,如凡口铅锌矿、西林铅锌矿、安庆铜矿[8]等矿山。

1.2　高浓度全尾砂胶结充填高浓度全尾砂胶结充填工艺的特点是以全尾砂作为充填骨料,通过活化搅拌,在高浓度状态下输送到采场。

该工艺全部尾砂作为充填料,因而适用于充填料来源不足、在地表不能建尾砂库、尾砂中含有害物质需要处理或尾砂中含有将来可以利用的有用物质而需要保存在井下的矿山。

该法不能用常规方法搅拌,必须用活化搅拌技术,才能制备出高质量的全尾砂胶结充填料[9]。

上世纪90年代初开始,长沙矿山研究院进行了全尾砂活化搅拌机的研究,第二代全尾砂活化搅拌机在济南钢铁公司张马屯铁矿[10]投人使用,该系统的尾砂利用率为100%。

因而使张马屯铁矿成为一座无尾砂库、不外排尾砂的金属矿山。

该技术现已相继在柿竹园多金属矿和湘西金矿等矿山得到推广应用。

为了大面积推广应用全尾砂充填工艺,有必要进一步研究开发全尾砂脱水新技术。

由加拿大莫吉尔大学提出的一种脱水流程将会很有发展前途。

该流程装备有水力旋流器、沉淀漏斗和浓密机。

其最终产品是浓密机的溢流和沉淀漏斗的底流,底流的固体浓度可达78%[9]。

1.3　块石砂浆胶结充填块石砂浆胶结充填的基本特点是以砂浆包裹块石形成胶结充填体。

所谓包裹包含两层意义:①为砂浆包裹单个块石,形成坚固的胶结充填体;②块石位于采场中央而四周被砂浆包裹,形成一种“外强中干”的具有整体支撑能力和自立能力的胶结整体。

块石粒径一般小于300mm。

砂浆一般为细砂浆或尾砂浆。

由于充填体中的部分砂浆被块石替代,不但提高了充填体的整体强度,而且可显著降低充填成本。

该工艺将块石与砂浆分别输送井下,下放到采场混合形成胶结体(故一般适用于大采场充填)。

若矿山有露天采场的剥离废石可供利用,则效益更值显著。

该技术于70年代首先在澳大利亚的芒特艾萨矿应用成功后获推广[11],国内则由长沙矿山研究院与柳州华锡公司铜坑锡矿共同研究开发[12],并于1993年在铜坑锡矿成功地应用了这一技术。

铜坑矿所用的块石粒径为10～300mm,经自重输送到井下后再通过悬挂式胶带输送机送至采场;-5mm的磨砂浆,通过管道自溜输送到井下。

平均水泥耗量约100kg/m3,28d的充填体试块单轴抗压强度可达2～3MPa。

1.4　碎石水泥浆胶结充填碎石水泥浆胶结充填是以自然级配的碎石料作为充填集料的一种充填新工艺。

往往将碎石与水泥浆分别输送到井下,充填料采用无轨设备或矿车运送充入采场,也可借助自重经溜槽直接充入采空区,通过水泥浆浇淋碎石进行自淋混合。

该充填方式继承了粗骨料胶结充填体具有的高力学强度(或低水泥单耗)和无需采场脱水的优点,同时也克服了传统混凝土胶结充填方式对集料配合要求高、需经机械混合和输送难度大等缺点。

因而具有较广泛的适用范围,无论是大采场或小采场、大规模充填或小规模充填均可应用。

特别是有井下掘进废石和露天矿剥离废石可供利用时,经济效益尤佳。

碎石水泥浆胶结充填还具有应用灵活的优势,当充填规模较小时,其充填系统相当简易,基建投资低,因此,小规模充填时,该充填工艺亦具优势。

加拿大的基德克里克矿[13]、奥地利的布莱堡铅锌矿、联邦德国的德莱斯赖重晶石矿等国外矿山,于80年代即已应用碎石水泥浆充填技术。

90年代长沙矿山研究院与丰山铜矿共同研究开发的碎石水泥浆胶结充填技术[14],成功用于分段采场的充填。

该系统采用-80mm的自然级配碎石料和掘进废石料作为集料,充填料试块28d的单轴抗压强度为2～4MPa。

1.5　废石胶结充填废石充填往往采用自然级配的破碎料、掘进废石料作为充填集料。

大规模废石胶结充填主要采用自淋混合的工艺制备胶结混合料,不但简化了混合工艺,大幅度降低了制造成本,而且可实现大规模连续充填。

胶结充填料浆体通过管道输送到井下采场。

废石散体一般采用多种输送方式,如自溜、带式输送机、矿车等。

分流输送工艺对充填料的输送特性没有特殊要求。

因而,分流输送为实现最佳用水量配合和简化物料配合的要求,奠定了工艺基础。

国内大规模应用废石胶结充填的矿山有丰山铜9 李　强　彭　岩:矿山充填技术的研究与展望 2010年7月第7期矿、龙首镍矿、吉林镍矿、金山金矿、望儿山金矿、新桥硫铁矿和铜坑锡矿等,而部分应用废石的矿山则较多,如凡口铅锌矿、金川二矿和白银深部铜矿等,均部分利用井下废石进行胶结充填。

其中铜坑锡矿和深部铜矿为废石砂浆胶结充填,其他矿山为废石水泥浆胶结充填。

1.6　膏体泵送胶结充填膏体泵送胶结充填的特点是将充填物料制备成高浓度的膏体状稠料,借助正压排量泵输送[15]。

该充填方式的关键因素是物料的可泵送特性,因此对充填物料的配合有比较严格的要求。

目前工业上常用的配料方式是粗物料+细物料+超细物料。

试验表明,当充填料中细料含量大于45%,且其中-25μm的超细物料含量达到25%时,混合料具有很高的抗沉淀能力,在管道内存留一段时间仍然可泵送;层润滑薄膜,可输性好[16]。

水泥的添加方式一般有3种选择:地表制备泵送混合料时添加水泥;井下进入采场前加水泥干粉;井下进入采场前加水泥浆。

1994年在金川二矿[17]建成了膏体泵送充填系统,并相继在铜绿山铜矿、山东湖田铝土矿也建设了膏体泵送充填系统。

其中前两座矿山用德国泵,后者用中国沈阳泵。

1.7　磨砂胶结充填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二矿、龙首矿、武山铜矿和建德铜矿。

20世纪80年代在金川二矿区和龙首矿建成了磨砂高浓度自流充填工艺系统。

目前金川集团公司二矿区、龙首矿、三矿区分别有5、2、2套高浓度磨砂胶结自流充填工艺系统,年充填量达到150万m3。