矿山充填工艺技术的发展及似膏体充填新技术

实验研究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(中国矿业大学北京校区资源系・北京100083) 摘　要　文章回顾了充填工艺技术的发展历程,分析了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路,并对已取得的研究成果作了简要介绍。

关键词　充填技术　似膏体充填　关键技术DEVE LOPMENT OF BACKFI LL TECHN OLOG Y AN D THENEW BACKFI LL PR OCESS USING PASTER2L IKE MATERIALHu Hua　Sun Henghu(China Mining Technology University100083) Abstract:In a brief reviewing of development of backfill technology,the advantages and disadvantages of various backfill methods are compared.Based on analysis of development trend of backfill technology,the conception of paster2like fill material,its characteristics by pipeline transportation,its performance and crucial points are introduced.K eyw ords:Backfill technology,Paster2like backfill material,Crucial points of technology1　前　言进入21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211　水砂充填早在19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。

1864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20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(35%～70%)泵压或自流输送的水力充填采矿。

但充填料中过量的-325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。

212　低浓度胶结充填20世纪60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,又易于实现水力输送。

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,推动了采矿技术的进步。

同时两相流理论及浆体管道输送理论得到发展。

但该工艺在使用中存在料浆凝固慢、离析分层、强度低且不均匀等现象;井下脱水时胶凝材料及细粒级尾砂流失;井下废水、细泥污染环境,排水、排泥费用高;采场回采周期长,生产能力低等问题,需进一步改进和提高。

213　高浓度胶结充填该工艺的研究始于20世纪70～80年代。

是指砂浆浓度接近或大于临界流态浓度而小于极限可输送浓度的充填工艺。

浓度范围一般为70%～78%,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。

为实现高浓度充填,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76%～85%,溢流浓度为5%～15%。

中国的凡口铅锌矿从1982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“高浓度全尾砂胶结充填新工艺和装备试验研究”。

并于1991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90%。

充填料浆重量浓度为70%～76%。

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。

214　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70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75%～85%,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。

中国的金川有色金属公司从1987年开始与北京有色冶金设计研究院合作进行了“全尾砂膏体充填新工艺及装备研究”,1991年通过鉴定。

该充填工艺技术的主要优点是:尾砂利用率高,一般为90%～95%,主要取决于脱水设备和技术。

而分级尾砂的利用率一般只有50%～60%;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。

215　高水速凝材料固结充填1989年,中国矿业大学北京校区高水材料研究所孙恒虎教授成功研制出新型胶凝材料—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,按一定的配比加水混合后,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30%～70%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添加剂控制,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311　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,含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,另一方面造成环境污染。

现代充填技术不仅考虑采矿工艺的需要,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。

因此,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。

312　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。

全砂土固结剂已由中国矿业大学北京校区高水材料与矿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检验,正逐步推向市场。

(2)实现高浓度、全尾砂管道输送。

似膏体浓度接近于膏体。

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)料浆进入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。

313　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。