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1、1 中心简介国际矿业形势发展日新月异，矿业科学技术不断创新，但矿山生态环境和矿业安全问题是困扰我国矿业可持续发展的两大顽疾。“国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）”明确指出：“重点研究深层和复杂矿体采矿技术及无废开采综合技术，强化废弃物的减量化、资源化利用与安全处置”；2012 年，国家安监总局等五部委联合下发了关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见（安监总管一201232 号），要求矿山优先推行充填采矿法。膏体充填采矿技术具有安全、环保、经济、高效等优点，是全球矿业领域的研究热点和发展趋势，是国家建设绿色矿山和无废矿山的重要手段。为了研究全尾膏体充填采矿技术的基础理
2、论，并努力解决膏体充填采矿技术的关键技术，北京科技大学膏体充填采矿技术研究中心(The Research Center of Paste Backfill and Mining，USTB)于 2012 年 12月经北京科技大学批准，正式挂牌。膏体充填技术研究中心充分利用北京科技大学土木与环境工程学院、金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室的科研和人才等综合优势及基础条件而成立。本中心先后承担了包括国家科学支撑计划在内的几十项膏体充填采矿技术研究课题，在充填作用机理、充填材料散体力学特性、管道输送流体力学、尾矿脱水与膏体制备技术、绿色开采综合技术等研究中获得重要研究成果。获得了多项国家发明专利，
3、发表了百余篇学术论文。在本中心，拥有教授 10 余名，其中教育部“”1 名，杰出青年基金获得者 1 名，教育部新世纪人才3 名，全国百篇优博论文获得者 1 名。本中心的总体目标是促进中国矿业产业发展，搭建膏体技术开发平台、汇聚人才、激励创新、发展产业。围绕膏体充填采矿技术进行新技术研发和集成，缩短膏体科研成果转化周期、刺激膏体充填采矿技术的自主创新研发、提升现有膏体研究成果的成熟性、配套性和工程化水平。努力建成具有国际先进水平的国家级膏体充填采矿技术研究中心，为推进我国尾矿膏体研究技术进步、大幅度地提高经济和社会效益做贡献。2 研究条件连续动态浓密实验间歇实验适合于在实验室研究尾矿的沉降性能，
4、但无法模拟实际生活过程中进料、稀释、絮凝、沉降、搅拌、压缩、循环等多工艺环节。连续动态浓密实验能够避免上述问题，而将整个实验过程模拟的更真实。动态沉降浓密实验通过现场运行过程中多影响因素的还原与再现，实现浓密过程的小型半工业化实验，获得更加可靠的底流浓度预测、生产能力预测等，为工业浓密机选型和系统设计提供精确的指导。实验采用专用尾矿动态连续实验装置进行。该装置与传统静态沉降装置主要有两点不同，一是顶部有专门的填料口；二是采用微电机技术，在沉降筒内部添加了一个转速可调的耙架。经过一年多时间的运行，成功完成了大量尾矿动态压密室内试验，结果显示，该装置对于膏体浓度、膏体浓密时间等参数预测具有较高的可
5、靠性。动态沉降实验不仅能更精确的获得静态沉降实验所获得的参数，而且能够确定搅拌参数对浓密机底流浓度的影响，为下一步浓密机设计中搅拌耙架结构、搅拌动力参数等的确定提供支撑。另外一个重要的方面是动态实验可以研究尾矿颗粒沉降时间对于底流浓度的影响，从而为浓密机设计和系统整体设计提供数据。静态沉降工程上利用沉降进行悬浮液的固液分离，使悬浮液分成澄清液和浓缩矿浆。重力浓缩是借悬浮液中的固体颗粒在重力作用下发生沉降而提高浓度的。在浓缩过程中细颗粒可通过絮凝达到较好的沉降效果。因此，重力浓缩在固液分离过程中占有非常重要的地位，并得到广泛应用。在实验室多利用量筒进行间歇静态沉降实验来研究其脱水性能。利用搅拌器
6、配置絮凝剂溶液，在量筒中开展沉降实验，利用天平进行计量工作。本实验可在实验室内开展絮凝剂种类优选、絮凝剂单耗优化、最大沉降速度检测等实验内容。其中，最重要的参数是最大沉降速度，从而计算单位面积固体通量，固体通量是浓密机设计的基础。流变测试流变性质的研究对深入了解膏体料浆在管道中的运动状态和变化特点、指导充填工程系统设计和工业生产、调节充填物料配比、确定管输参数、加强充填系统动态管理等具有十分现实的意义。目前，国内外主要采用浆式流变仪测试膏体的流变性，其优点在于能够有效降低壁面滑移效应，同时不破坏膏体内部絮网结构。中心已购进国际上较为先进的桨式旋转流变仪。流变实验获取浆体的屈服应力和粘度，在管道
7、输送中，用于计算膏体管道输送阻力和水力坡度；在浓密机设计中，用于计算耙架的运动阻力和放砂阻力。物理力学性质测试1 比重、容重、孔隙率（1）比重测试比重是物料的最基本参数。比重是干燥试样完全密实（没有孔隙）的重量和同体积的蒸馏水在 4时的重量之比。实验室主要采用比重瓶法测定充填物料的比重。在工程上，比重主要用于膏体密度和孔隙率计算。（2）堆积密度、孔隙率测试一般情况下，工程上检测矿堆或者尾矿堆的堆积密度。堆积密度是把粉尘或者粉料自由填充于某一容器中，测得单位体积质量，采用容量筒测量。工程上，堆积密度主要用于粉状或粒状物料计量、粉料容器容量及承载力计算等方面。孔隙率，指散粒状材料堆积体积中，颗粒之
8、间的空隙体积占总体积的比例。孔隙率等于 1-散状物料堆积密度/散状物料比重。 2 材料的粒级组成测试尾砂或者其它骨料的粒度分布是非常重要的参数。其中细颗粒的含量对于膏体流动性能、可浓缩性能有着极其重要的影响。在膏体中添加粗骨料对于提高膏体强度、降低充填成本亦有着极其重要的作用。物料中各组成颗粒的分级和搭配称为级配，级配通过筛分试验确定。筛分法的适应范围是粒度大于 35m。粒度过细，无法利用干法进行筛分，对于粒度小于 35m 的颗粒，一般采用湿筛法进行筛分。但对于 10m 以下的颗粒，筛分法一般难以获得其粒度分布，需要借助激光粒度分析仪来完成。我中心配有先进的激光粒度分析仪，能够完成 1mm 以
9、下颗粒的全粒级粒度分析。粒度分布的获取对于了解物料可浓缩性能、分级性能、堆积稳定性能、干燥固结性能有着重要的意义。3 凝结时间测定添加胶凝材料后的膏体，其凝固性能对于输送工艺和采矿工艺均具有影响。首先，膏体的初凝时间是指从添加胶凝材料拌和至开始失去流动性所需要的时间；其次，膏体的终凝时间是指从拌和开始至开始形成强度的时间实验室可测量水泥净浆和砂浆的凝结时间，主要仪器为维卡仪和砂浆凝结时间测定仪。在工程应用上，初凝时间决定了膏体在管道中能够停留的最长时间，即在管道输送的最长时间和发生堵管后的最长处理时间，否则将会发生堵管；终凝时间决定了采场内部物料形成强度的时间，从而影响采场接替周期。抗剪、抗压
10、力学测试1 抗剪强度力学实验为了探索库存尾矿力学性质与含水率之间的关系，进而确定不同含水率情况下库存尾砂的流动性，找出保证库存尾砂流动性能最佳的含水率，为库存尾砂的现场工程应用提供依据。需要进行全尾散体的固结与直剪试验。固结试验在固结仪上进行。先配制浓度不同的几组试样，分别对应不同的含水率，在固结仪上固结，并记录不同压力值下随时间变化的变形量，测量各组实验固结后的试样含水率。固结压缩特性是膏体堆存中尾矿散体的重要性质，它关系着堆积体的稳定性和尾矿库的库容等。直剪实验在电动等应变直剪仪上进行。不同含水率的试样在不同的垂直压力下，分别对其施加水平的剪切力直至减损，测得试样破坏时的剪应力，得出其抗剪
11、强度指标粘聚力 c 和摩擦角 。抗剪强度指标的获取在工程上的应用包括：粉状物料放料角度及料仓设计；粉状物料皮带输送最大角度；地表堆存角度计算；尾砂-废石混合处置稳定性计算；2 单轴抗压力学实验当试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。为通过实验方法寻求能够满足强度要求的膏体配比，需要进行单轴抗压力学实验，测量并记录不同试件的单轴抗压强度，用于后续的对比分析。在井下充填过程中，膏体的主要作用有三个方面：抵抗围岩的压力、承受人员设备的重力、抵抗爆破振动和其它震动并保持自立。而单轴抗压强度是井下充填体设计的
12、基础，只有达到一定的单轴强度之后才能满足上述要求。流动性测试1 塌落度测试塌落度是指膏体料浆因自身重力而流动、因内部阻力而停止的最终变形量。它的大小反映膏体料浆的和易性，是指料浆拌和物是否易于施工操作和均匀密实的性能，是一个综合性能，其中包含流动性、粘聚性和饱水性。塌落度是在工程作业中简单直观的参考指标，塌落度的高低，直接反映了膏体的流动状态和摩擦阻力大小。塌落度过小的必然管道输送阻力大，要有很高的泵送压力，使分配阀和液压系统磨损增大；但是，塌落度太大又会泌水离析堵塞管道。塌落度检测仪器是一个截头圆锥桶，上部直径 10cm，下部直径 20cm，高度30cm。将物料装满塌落度桶，并振实后，均速提
13、起桶体，物料在无侧限重力作用下向塌落，初始高度与最终高度之间的差值即为塌落度值。2 稠度测试稠度又叫流动度，表示料浆体以胶质体的形态流动，还可以表示料浆内部固体颗粒之间的相对运动。用实验来检测稠度指标的主要目的一是来判断料浆内部固体颗粒之间的相对运动状态和不同浓度浆体的形态；其次稠度的检测是分层度测试分析的基础，分层度是稠度随时间的变化量。砂浆的稠度是用一定几何形状和重量的标准圆锥体以其自身的重量自由地沉入砂浆混合物中沉度的厘米数来表示。3 分层度测试分层度是料浆离析程度的技术指标，指构成膏体充填料的固体颗粒之间产生了相对运动，导致了固体颗粒在垂直断面上的分布不均匀性即浓度梯度。 水泥砂浆的保
14、水性指标，水泥砂浆装入分层度桶前，测定砂浆的稠度，将静止一定时间并去掉分层度桶上面三分之二的砂浆，再做一次稠度，两次的稠度差即分层度，分层度越小，浆体物料稳定性越好，分层度太大则保水性不良，易离析。分层度桶内径为 15 厘米，由上下两节组成，上节高 20 厘米，下节高 10 厘米，带底，用金属板制成，上下节用螺栓连接。沿程阻力测试沿程阻力是指流体流经一定管径时，由于流体内摩擦力而产生的阻力，阻力的路径与管长成正比。沿程阻力的计算对于评价膏体料浆输送性能及泵送设备选型具有重要意义。由于具有与工业系统相似的规模，因此环管实验是膏体料浆流变参数测试的最有效手段，能够还原工业实验中的各项影响因素，达到
15、小型试验无法达到的效果。该装置主要包括：管道输送系统、泵送系统、自动控制系统、数据采集系统。能够系统地研究膏体料浆浓度、料浆级配、水泥掺量等对其流变特性的影响，能够充分考虑管道内径、粗糙度等因素对膏体料浆输送的影响规律，为矿山膏体充填系统设计提供重要的参考依据。建立环管实验测试平台，采用环管试验主要测量参数是测量段上的压力降P 和料浆的流量 Q，通过数据计算确定各系列不同料浆浓度条件下的水力坡度值，从而确定工业管道的各项关键参数。3 业务范围技术研发本中心拥有一批长期从事充填采矿工艺研究和新技术开发的研究人员，科研实验仪器设备数十台套，包括 MTS 刚性压力机、激光粒度仪、破碎筛分设备、软固体
16、流变仪、扫描电镜、尾矿动态浓密系统等先进实验仪器与系统，具备充填材料物理化学性质试验测试、力学测试、充填料浆流变参数及输送性能测定的条件与能力。通过多年的科研积累，本中心可开展破碎复杂难采矿体开采及膏体充填相关技术研究与开发。技术研发版块的主要内容包括：（1） 全尾高效浓密技术（2） 膏体大流量制备技术（3） 高黏性尾矿膏体泵压输送技术（4） 充填管道减磨降阻技术（5） 充填系统技术改造（6） 膏体充填采矿方法（7） 不良岩层加固与控制技术设备选型本中心与国内外相关设备厂家保持密切联系，可根据矿山实际需求，通过室内试验、理论计算、经验对比等手段对膏体制备及处置过程中的关键设备进行选型。（1） 深锥浓密机；（2） 膏体输送泵；（3） 尾矿输送泵；（4） 膏体搅拌机；（5） 充填系统计量与监测设备；（6） 粉料添加与控制设备；（7） 粗骨料添加与控制设备；（8） 湿式喷射混凝土施工设备；（9） 树脂锚杆施工设备；（10） 长锚索加固施工设备；（11）
