胶结充填采矿工艺（共4篇）
胶结充填采矿工艺 篇1
0 引言
从1966年开始建设武山铜矿, 可以说武山铜矿是一个老矿, 铜金属探明储量累计137万吨, 整个矿区由南、北矿带共同构成。铜的平均品位在整个矿区内为1.17%, 在浅层主要集中了品位较高的矿层, 在-260m中段后其品位0.85%。按照设计, 初期生产能力南、北各1500吨/天, 共计3000吨/天, 在开采过程中, 通常采用分层进路水砂充填采矿法。在2004年的时候, 通过对武山铜矿进行扩产改造, 其组织生产能力初步设计为每天5000吨, 其中北矿带每天按照3000吨生产。
在充填过程中, 采用分层进路式水沙充填采矿法进行充填。所谓分层进路式水沙充填采矿法就是不讲任何加胶结料添入充填料中。在使用下向分层进路式采矿方法的过程中, 在假底通常情况下需要铺设300mm厚钢筋混凝土, 进而在一定程度上对进行相应的充填处理。但是, 由于充填体的强度难以满足设计要求, 因此, 在后续采矿施工过程中, 需要借助其他的支记方式, 进而影响和制约施工进尺, 采场生产能力的提升在一定程度上受到制约, 并且存在较大的贫化、支护等, 进而在一定程度上难以保证采场顶板的稳定性, 同时支护及铺底的材料运输的难度也大大地增加。面对这种形式, 充填方式的安全性、合理性、经济性显得非常重要。
为了完善胶结充填工艺, 多年来, 武山铜矿与多所大学及设计院等进行合作, 比较具有代表性的是, 2004年与长沙矿山院合作, 在南矿带建立了一套胶结充填工艺系统, 并将该系统应用到南矿带进行试验, 试验获得了预期的效果。在北矿带2007年推广该系统, 同时建立立式砂仓给料系统, 通过对充填系统进行改进和完善, 进一步提高了胶结充填效果, 生产能力达到240吨/天。
1 北矿带地质概况
对于武山铜矿北矿带来说, 东西走向, 长度1600m, 矿体平均厚度和倾角分别为8-15m和45°-55°, 并且处于地表以下800m, 在这样的环境下, 可以进行控制的钻孔比较少, 需要进行深部探矿, 因此可控采矿一般在-400m。对于矿体来说, 以Cupy为主, 并且主要集中在1-7号矿体, 一些不稳固的煌斑岩穿插在中央, 氧化自燃现象容易发生在0米以上揭露后的矿石上, 该矿石的特点是缺乏粘性和完整性。对于深部矿体来说, 其主要成分以含铜碳酸盐为主, 铜、硫的含量平均在0.8%-1.1%和11%, 在上部矿体中, 铜品位比较高, 并且在一定程度上行伴有金、银、砷、碲等贵重金属和稀有元素等。
2 工程布局及采矿工艺流程[1,2]
2.1 开拓布局与矿块划分
对武山铜矿通过竖井加斜坡道的方式进行开拓, 通常情况下开拓工程蛀牙主要集中在矿体的下盘, 采用沿脉加穿脉对主运输巷进行处理, 中段高度和-160m的中段一般为50m、40m, 每10m设一无轨分段铲运道。
2.2 采矿方法
对于北矿带来说, 曾经使用过多种采矿方法, 但是, 从2004年以来, 初步改造设计为5000吨/天, 通过胶结充填采矿法代替原有的下向进路式水沙充填采矿方法, 如图1所示。
2.3 下向胶结充填采矿工艺流程
对于凿岩, 通常情况下借助YT-27钻机进行处理, 孔径和深度分为38mm-42mm和2-2.4m, 炮孔利用率和进尺分别为86%和1.8-2m, 采用乳化炸药、通过半秒差管和激发火雷管进行起爆爆破。
在通风方式方面, 刚开始通过局扇压入式进行通风。在进行通风的过程中, 通过溜矿井将污风排至上中段进行稀释处理, 通过泄水井下部运输巷将新鲜风源源不断地引入。受水泥水化作用的影响和制约, 工程技术人员通过对现场进行不断的摸索, 在一定程度上将通风导硐预埋在每个采场, 上部抽风通过抽风机实现, 效果较为理想, 如图2所示。
采用2m3内燃铲运机对采场出矿处理, 按照采一隔一回的顺序进行回采, 与矿房矿柱回采方式类似。
3 采场充填工艺流程[3,4,5]
3.1 底筋铺设
采矿分条到位后, 需要对空区进行清理和整平, 同时清除相邻分条充填体中的夹石矿等, 并且需要铺设10公分的碎矿, 钢筋网和竖筋的铺设需要根据按设计要求进行。充填胶结的初期, 按照原先工艺需要铺设300mm厚钢筋砼假底, 通过充填分条的方式对首层胶结进行处理, 在采空区进行胶结充填前, 依据1m×1m布设∮25mm、长1.5-1.8m的螺纹钢竖筋, 将一块150mm×150mm、厚10mm的钢板焊接在下部;对于后面分层通过钢筋网加竖筋的方式进行充填, 将规格为∮6.5mm、200mm×200mm的钢筋网铺设在空区底板上。
3.2 充填管吊挂
通常情况下, 通过厚10mm的高分子聚乙烯复合管处理充填管, 该管可以重复利用, 在布设过程中, 由上部、沿溜井充填主巷, 然后通过采联道及切割、回采分条的方式进入待充采空区。在充填过程中, 为了确保充填管路的顺畅性, 在巷道壁上必须用锚杆充填管进行固定, 将充填管末端与待充采空区掌子面的距离控制在5m。为了便于回收, 吊挂过程中, 通常沿着隔壁未开采分条的一侧, 不要充待充区内有接头。为了避免发生充填堵管, 在对管路进行充填时, 进行充填前需要进行通水洗管, 否则影响充填体强度。
3.3 隔水
在施工过程中, 为了避免流失胶结充填浆料, 通常情况下, 通过混凝土空心砖砌筑砖墙进行处理, 同时对砖墙进行抹面隔水, 进而在一定程度上提高待充区高度, 并在该墙中部预留一个观察口, 观察口的规格为400mm*400mm, 在一定程度上便于充填过程中查看采空区内充填情况, 如图3所示。
3.4 排水
在采空区进行施工时, 通常情况下, 需要充满充填物, 并且在一定程度上确保充填料浆的固结时间, 进而需要分三次进行充填。进行第一次充填时, 将充填物充填到采空区高度的一半, 沉淀一个班, 然后排水, 水排干后, 开始进行第二次的充填, 进行充填需要充填到观察口, 沉淀固结一个班, 再次进行排水, 水排干后, 封闭观察口, 最后进行第三次的充填。
3.5 制备充填料浆
在北矿带建立一套立式砂仓给料系统, 如图4所示, 按照设计要求, 在砂仓中贮存分级尾砂, 通过高压风和水将造浆给料送入工艺系统, 通常情况下充填料主要以分级尾沙为主, 按照1:4、1:8灰沙比进行配制填充料, 充填料浆浓度控制在70%以上。采用高耐磨气室逆止喷嘴对武山铜矿进行处理, 在一定程度上解决了磨损和连续供风问题, 用锲型流量计, 如图5所示。
高耐磨气室逆止喷嘴优点: (1) 保证立式砂仓内尾砂均匀翻动。 (2) 保证喷嘴连续工作60天不磨损和腐蚀。
通过对伯奴利方程进行变形得到锲型流量计的基本流量方程式。通过锲型件产生差压, 由差压变送器检出, 输出与流量值成平方根关系的电流信号4-20m ADC。
式中:qv为体积流量, m3/s;
C为流出系数;
ε为可膨胀性系数;
m为节流面积比。
3.6 充填中存在的问题和解决措施
通过研究分析充填体脱层冒落、水泥离析等, 本文认为是充填不稳定、给料不均匀, 以及充填前采空区有积水。通常情况下, 采取的措施包括: (1) 对包括造浆和给料系统进行改进, 安装双闸阀控制充填洗管水进采空区, 实行多点给料工艺; (2) 对于隔离墙跑浆问题, 通过内外喷浆对松软矿采场进行处理, 通过砼加固隔离墙的方式对稳固矿体的采场进行处理; (3) 通过在充填管关键拐点装设摄像监控, 沿主充填管布一路高压水管供堵管的方式, 对管道磨损跑浆产生堵管现象进行处理。
4 胶结充填应用效果
(1) 采场单产大大提高了采矿生产能力, 从100吨/天提高到200吨/天; (2) 使用木材的数量减少, 从原来的129立方/万吨矿下降到28立方/万吨矿; (3) 大幅度提高了工班效率, 从7.4吨/工班提高到14.6吨/工班, 同时降低了工人的劳动强度; (4) 尾砂消耗每年40多万吨, 江沙成本节约500多万元。
摘要：武山铜矿从2004年开始在南矿带推行了下向胶结充填试验, 成功后在2007年推广到北矿带, 不仅为井下开采提供了安全保证, 同时大大提高了采矿生产能力。主要是采用分级尾砂和普通硅酸盐水泥按不同比例进行胶结充填。最大的特点是给料采用立式砂仓风水造浆给料、采场用锚杆方式竖向布筋、对采空区充填时采取少量多次的方法。结果表明该方法在强化充填体的稳定性, 扩大采矿进路的断面、减少顶板的支护成本及改善作业环境等方面取得了很好的效果。
关键词：胶结充填,竖筋,分级尾砂
参考文献
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胶结充填采矿工艺 篇2
西部铜业有限公司的获各琦铜矿位于内蒙古巴彦淖尔市狼山山脉中段北麓,2005年实施露天转地下开采以来,前期主要以浅孔留矿采矿法和分段空场法为主,效果很好。但是随着开采深度和强度的增大,发现原有采矿方法的安全性差,贫化损失大,很难满足采矿的需求。若继续采用原来的采矿方法,不仅造成高品位铜矿资源的严重浪费,而且还将影响下盘铅锌矿体的回采,从而影响整个矿山的经济效益。因此,矿山与相关科研单位共同试验研究,选择损失贫化率更低的胶结充填采矿法回采深部的富铜矿体。
2 开采技术条件
矿体呈层状、似层状产出,走向为近东西向,向南倾,倾角在60°～80°,矿区主构造总体走向为80°,向南倾斜,倾角65°～80°,地下涌水量小[1]。铜矿体赋存于上盘,产于石英岩中,品位高,厚度大;而铅锌矿体赋存于铜矿体下盘,矿体上盘围岩为云母石英片岩;下盘围岩为千枚岩和黑云母石英片岩。经过开采后发现铜矿体上盘和局部矿段下盘都有破碎带。在以前开采过程中,出现许多矿房上盘和矿柱围岩垮塌等现象。
3 充填采矿方法的应用
3.1 上向水平分层充填胶结采矿法
3.1.1 上向水平分层充填采矿法结构参数
上向水平分层充填采矿法见图1。
1一采区斜坡道;2—分段平巷;3—采场分层联络巷;4—充填天井; 5—脉外溜井;6—溜矿井;7—管缆井;8—充填体;9一间柱;1.0-—作业平台
中段高度为60m或70m。矿块沿矿体走向布置。其中间柱4m,矿房46m,宽度为矿体厚度,当矿体厚度>20m时,采场宽度25m,采场长为矿体厚度,分段高度为10m或15m,底柱高6.6m,顶柱高10m。回采时,一般在采场内均匀留2～3个4m×4m点柱。
3.1.2 采切工作
采用脉内外联合采准,在矿体下盘布置采区斜坡道连接各分段平巷,再布置一条采场联络巷连接采场各分层,在采场的中央布置一条充填回风井,根据运输距离在脉外布置溜矿井,采场内架设采场溜矿井,某中段3～6线采场结构示意图见图2。
3.1.3 回采和充填工作
采用自下而上逐层回采,采高3.3m或3m,分层控顶高度为5.3m左右,第一层设计采高5.3m,以后每个分层回采3.3m或3m,用浅孔爆破的方法进行回采,孔深2m,孔距1.0～1.2m,最小抵抗线0.8～1.5m。在一个分层采完后,加高溜矿井,并加高充填挡墙[2],进行胶结充填,并为下一循环留2.0m的工作空间。第一分层以1:4的灰砂比充填下部3m,全尾砂料浓度为69%～71%。以后分层下部2.5m采用1:12的灰砂比,并充填一定比例的废石,上部0.5m依然采用1:4的灰砂比。
3.2 分段空场嗣后充填胶结采矿法
3.2.1 主要结构参数
中段高度60m,分段高10m左右,顶柱高7.5m,垂直矿体走向划分矿块,宽26m,长为矿体厚度。
3.2.2 采切工作
同上向分层相似,采用脉内外联合采准,通过施工一条采区斜坡道,与各分段凿岩巷贯通。在最上一个分层按6m的间距布置矿房,在矿房中央施工断面规格为3m×3m的切顶护顶充填平巷,建议采用注浆长锚索与短锚杆锚网联合支护方式加强支护[3]。主要工程布置见图3。
3.2.3 回采和充填工作
中段回采从上至下,利用YGZ-90型钻机凿上向扇形炮孔,排距为1.2～1.4m,孔底距为2.6～3.0m,崩矿步距2.4～2.8m。在矿房采完后,砌筑充填挡墙,然后充填,下部4m充填体灰砂比为1:4,过渡层2m充填体灰砂为1:8,并充填一定比例的废石,其他充填体灰砂比为1:12。
3.3 主要技术经济指标
胶结充填采矿法主要技术经济指标见表1。通过使用充填采矿法采矿后,发现与以往不充填的浅孔溜矿法和分段空场法相对比,胶结充填采矿法具有以下技术特点。
(1)主要优点:①矿石损失贫化小,废石混入少。其中上向水平分层充填采矿法贫化率为6%,由于回收了1～2 m的间柱,损失率实际只有8%～1 0%;空场嗣后充填采矿法贫化率为7%,损失率为1 3%,而以前采矿方法的损失率为18%,贫化率为19%。②安全系数高,管理方便。胶结充填后的采场不用处理空区,采矿时容易发现和处理采场顶板的安全隐患,安全系数高,可以在多个采场、多工作面、多中段同时作业。③尾砂和废石的回收利用。使用选厂尾砂作为充填骨料,能大量节省充填成本,还减轻尾矿排放压力。充填采场充填完第一分层后,就开始利用废石进行采场充填,即减少充填费用,又减少废石的提升运输费用,矿山固体废弃物的排放量也相应的减少。④矿石含水率小。采用铲运机出矿后,可将新崩落矿石直接倒入溜矿井,减少了电耙耙运过程中泥水的混入,从而使矿石含水率降低2%[4]。
1一沿脉;2—穿脉;3—采:区斜坡道;4一分段联络巷;5—分层联络巷;6—充填回风井;7—溜矿井;8—脉外溜矿井;9一充填体; 10—矿柱;11一顶柱;12—充填挡墙
(2)主要缺点:①充填成本高,充填工艺复杂。主要是需要消耗大量的水泥,并要进行采、出、充衔接的工作,协调难度大。②材料消耗多,劳动强度大。在采完之后,还需要加高溜井,施工挡墙,施工1～3个人工点柱,且人工点柱、间柱和采场顶板管理难度较大,尤其是在采场接顶的时候难度很大。③采切工程量大,废石多,为达到矿山产量,必须提前做好开拓采准工程。
4 胶结充填采矿法的改进
胶结充填采矿法存在一些缺点,通过在实践中不断完善,主要措施如下。
(1)充填成本高。据获各琦铜矿生产数据统计,充填费用占采矿直接费用的30%～50%。其主要原因是需要采用1:4～1:12的灰砂比充填采矿区。实际生产中,在采用1:4的灰砂比充完第一分层之后,在能满足充填要求的条件下,废石就开始大规模进入采场充填,以减小充填所需灰砂。因此,在采矿过程中,就必须多考虑如何尽可能把废石引入采场充填。不仅要从管理上做好废石充填的工作,而且从采切设计上就要做到废石充填的准备工作。充填体脱水后,通过泵站打回高位水池循环利用,以节约充填所用水的成本。
(2)采场顶板管理难度大。由于经常有不稳固地段,给采场顶板的管理带来很大的难度。实践证明,在相同岩石结构条件下,采场顶板塌落事故的频率是与采场顶板暴露的时间是成正比的。因此,采用强采强出,尽可能减少一个采场的循环周期,以减少采场顶板的暴露时间,并加大顶板浮石的处理强度,除了用废石或低品位矿体留的点柱外,还可适当增加2～3个人工点柱,或者是采用锚索加固不稳固地段。
(3)间矿柱回采困难。我国使用充填法的矿山都积压了大量的顶底柱未采,提高人工底柱建造速度,以人工底柱代替矿石底柱是解决这个问题的有效办法。在实际中,本矿采用强采强出,偶数采场优先开采,超前基数采场两个分层以上,间隔回采,并在充填之前,尽可能回收品位较高的点柱和间柱,以便提高回收率。在顶柱回收完之后,考虑采用人工接顶或者是砂浆加压接顶等方案,具体采用何种方案还有待实际的检验。
(4)采充协调难度大。在实际采矿过程中,经常会出现2个甚至2个以上的采场同时采完需要充填,而本矿现在只有一套充填系统,影响出矿速度。这就要求必须加强采、出、充的管理。做好每个采场的采矿循环周期和具体需要充填的时间,在生产中进行协调,把每个采场充填的时间错开,从而确保生产的有序衔接。
5 结语
获各琦矿区深部已探明铜矿体的储量巨大,采矿方法多,在不同时期,采用不同的采矿方法来满足生产的需求是非常必要的。生产实践证明,胶结充填采矿法具有矿石损失贫化小,安全系数高,污染小等优点。把大部分采切的废石导入采场充填,不仅能降低充填成本,还能减少废石的提升运输费用,从而提高了矿山生产的安全系数和经济效益,还为以后深部中段能更好地回收铜矿体下盘的铅锌矿体做准备。
摘要：西部铜业公司近年来成功使用了分段空场法和浅孔留矿法。随着采矿深度、强度的不断加大,继续采用原来的采矿方法存在损失贫化大、安全性差等技术问题。通过采用灰砂和废石充填采空区的充填采矿法,合理开采利用矿产资源,降低了损失、贫化,从而提高了经济效益。
关键词：充填采矿法,灰砂,采空区,经济效益
参考文献
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胶结充填采矿工艺 篇3
下向分层胶结充填采矿法是自上而下进行的回采, 属于凭借人工混凝土保护所开展的分层回采。在最近几年, 我国采用下向分层胶结填充采矿法的例子有很多, 如山东界河金矿、河南前河金矿及山东招远灵山金矿等。可以说, 以科技工作者多年探索与研究为基础, 该项技术取得了显著突破与发展。
1 下向分层胶结充填采矿法的技术应用概况
在实践开展的实地应用过程中, 基于各地金矿开采不同的现实问题, 研究工作者在工艺技术方面获得了一定成绩。
第一, 充填作用机理应用研究。以招远灵山金矿实地开采过程中充填技术在回采中的应用为启示, 总结出了极具价值的技术重点:其一, 顶板拉应力会在首次进路未填充及填充但尚未接顶时产生;其二, 当分层数目为3-4 时, 力的作用会在充填体间发生传递, 而当分层多于4 时, 力的传递影响便可忽略[1]。从这两点可总结出, 第一分层的填充质量把关尤其重要, 关系到其他分层受力情况。另外, 在对第一分层进行回采时, 要选择楔管式锚杆护顶, 间距、排距保持约1m。在确保充填接顶效果较为理想的情况下, 可以通过对混凝土顶板受力进行改善操作而提高下一进路的回采安全度。
第二, 预留碎矿石垫层薄膜加盖的应用。在结束每层回采后, 为了有效降低高品位粉矿损失, 减少爆破震动所引发的对于充填顶层的冲击影响, 提高回采完成后混凝土假顶光滑、平整度及稳定性, 需要将0.2-0.3m的碎矿石垫层铺于进路底板上, 随之加盖塑料薄膜, 并在距其10-15cm处加盖钢筋网[2]。
第三, 取消吊挂竖筋。在开展河南前河金矿下向分层胶结充填采矿法试验的基础上总结出, 将之前的在下向分层胶结充填采矿过程中设立吊挂竖筋的方法与未设立吊挂竖筋的施工效果展开对比, 发现未设立时更有利于充填工艺的简化及钢筋用量的降低, 从而使得充填成本大幅度减少。
第四, 以黄泥代替水泥铺盖于进路充填分层结构中。根据河南前河金矿下向分层胶结充填采矿过程经验可知, 将适量的黄泥加入最上层, 降低水泥含量 (~63kg/m3、通常所用的砂浆水泥含量>150kg/m3) , 能够有效提升料浆流动性, 保证充填接顶率, 从而实现水泥用量乃至成本的减少[3]。
第五, 爆破技术 ( 炮孔布置技术) 的更新。同样根据河南前河金矿下向分层胶结充填采矿过程经验得出, 顶板由绿泥岩、糜棱岩构成, 厚度为30-40cm。在对于生产工艺开展研究时, 以偏下盘布眼无掏槽非电导爆破管装置实现爆破, 这种设计能够有效降低爆破震动所引发的对于上盘岩的冲击, 降低了破坏作用, 防止了上盘围岩在震动过程中产生的冒落, 从而提升整体安全系数。值得注意的是, 要预留临时护顶矿壁于上盘围岩中上部, 并在结束回采后通过后退刷帮进行回收。
2 下向分层胶结充填采矿法在我国的应用实例 ( 以浙江省诸暨黄山金矿为例)
浙江省诸暨黄山金矿对于不稳固的脉金矿床回采所采用的是下向分层V型胶结充填采矿法, 此地脉金矿床受北东东向韧性断裂所控, 富含金、银、硫、铜等丰富成分, 含金量品味约8.8g/t。早在1985 年试生产期间, 曾以小中段空场法、留矿法进行回采, 伴随着严重的回采安全隐患, 并使矿石贫化率和损失率分别高达35.6%、30.0%。为了有效提升安全系数, 增加经济收益, 自1986 年起, 便利用下向分层V型工作面胶结充填采矿法开展回采, 最终发现通过调整回采方法, 整体矿石贫化率和损失率明显降低, 分别为4.34%、6.6%[4]。
该采场长度与中段垂高分别为53.5m、34m, 以矿体厚度为整体宽度。进路走向按矿体走向, 自上而下, 脉内双格天井为中心, V型工作面采场倾斜度为8-10°。回采工艺过程与第一部分提到的基本类似, 唯有根据该矿特殊性选用不同的支护方法、凿岩、分层回采高度、充填料配比及爆破方法等。另外, 该矿每层回采高度分别为2m及2.5-3.0m, 靠上、下盘的回采进路宽度范围为2.5-3.0m, 根据矿体厚度决定中间进路宽度 ( 但通常≤ 4m) 。特别值得注意的是, 第一分层的进路回采支护非常关键, 所采用的是变径楔形管式锚杆, 针对个别区域另加配钢筋网支护 (0.2m×0.2m) 。保障第一分层的充分界定, 在回采后, 以楔管式对于上、下围岩展开支护, 若存在个别地段空顶距过大, 则以报警木立柱辅以支护。最后, 采用简易系统开展胶结充填, 主要由混凝土制备站、废石破碎站、井下运料矿车及下料天井组成。以325°普通硅酸盐水泥作为充填胶凝材料, 骨料以破碎废石充当, 以脱泥尾砂或河砂作为细骨料, 所有材料的选择均符合充填体强度需求。实际充填过程涉及平场、铺薄膜、钢筋铺设及碎石胶结混凝土充填各个环节。
3 总结
下向分层胶结充填采矿法在我国采矿业的引入时间不长, 但已经在实践中展示出了独有的优越性, 广泛应用于开采工艺复杂、破碎难度大、矿石品位高等的黄金矿体开采中。在本文中, 笔者首先针对这一技术的应用概况进行阐述, 其次以浙江省诸暨黄山金矿成功应用为案例进行了介绍, 以期为行业提供一定借鉴。
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我国胶结充填工艺发展的技术创新 篇4
胶结充填的起源可追溯到20世纪30年代,加拿大原诺兰达公司霍恩(Horn)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(Sullivan)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1957年加拿大原鹰桥公司哈迪(Hardy)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20世纪60年代中期,1964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。1973~1975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:
式中:i0——清水水力坡度,Pa/m;
ij——料浆水力坡度,Pa/m;
g——重力加速度,m/s2;
D——管道内直径,;
v——平均流速,m/s;
γk——固体密度,×103kg/m3;
mt——体积浓度;
Cx——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。
1975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70%相对于65%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、6m3铲运机等大型无轨设备,从而使盘区生产能力从50~60t/d提高到800~1 000t/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。
20世纪70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。
20世纪80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1990年建成了我国第一个全尾砂胶结充填系统,尾砂利用率达90%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。
1994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。
1994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。1999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,加之这种工艺需要配套储仓,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。2006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 000m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。
20世纪90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20世纪60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。
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,胶结充填工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。