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1、充填理论及技术 班级：采矿 121 姓名：赖波学号： 201210111319 摘要：矿产资源所提供的矿物原料、能源和建筑材料等， 是人类赖以生存和 社会发展中不可缺少的前提条件。 矿业开发是人类进步和社会发展活动中一个重 要的组成部分， 它对人类社会的发展与文明进步产生着巨大的推动作用。人类在 生产和生存活动中，有900,6的工业产品和 17的消费品是用矿物原料生产的； 我国 95的能源、800,6的工业原料以及 70以上的农业生产资料也都取自矿产 资源。 然而，随着矿业的进一步开发，“环境与发展” 成为人类所面临的一个两难 的选择，矿业开发一方面促进经济发展和社会进步，而另一方面却又造成了
2、环境 污染，危及社会发展。面对能源消耗与日剧增，地球环境负荷一天天加重，某些 矿产资源濒于枯竭，中国 2l 世纪议程已明确将目标确定在“建立可持续发展 的经济体系、社会体系和保持与之相适应的可持续利用的资源和环境基础”之上， 形成良性循环，实行开源与节流并重的战略，变害为利，变废为宝，持续利用。 充填采矿法由于在确保安全的情况下兼具环境保护和提高矿石回收率双重 功效，在有色、黄金等矿山得到越来越广泛的应用。虽然我国矿山胶结充填技术 起步较晚，但最近十几年发展相当迅速。目前，尾砂胶结充填，混凝土及块石胶 结充填、高浓度尾砂胶结充填、 全尾砂细石膏体泵送充填及高水速凝固化充填技 术已在许多矿山推广
3、应用。 有些矿山的充填工艺和技术指标也已经达到了国际先 进水平。 随着科学技术的发展和浅部矿体的逐渐消耗，开采深度逐年增大， 世界最深 矿井已达 50GOrel41，国内某些矿山开采深度也已经超过1300m。深部矿床开发 固有的高应力、高地压、高地温特点，使充填采矿法成为首选方法。解放初期在 金属矿山广泛应用的干式充填采矿法，例如鞍山钢铁公司的弓长岭铁矿、七道沟 铁矿应用黄土充填上向分层充填采场，落矿前在充填面上铺5cm 厚木板来隔离 崩落矿石与已充废石， 减少矿石的贫化损失； 在煤炭系统的抚顺老虎台煤矿、京 西门头煤矿应用块石水力充填或水砂充填。1965 年年金川有色金属公司龙首矿 和凡口铅
4、锌矿同时开始实验上向分层胶结充填采矿法，随后得到全面的推广应 用。 一大批有色金属地下矿山和黄金矿山都采用充填采矿法进行技术改选并组织 生产。据 1997 年的统计资料显示，充填采矿法在我国有色金属地下矿山所占比 重已达到 2237，在黄金地下矿山中采用充填采矿法的比例更高。 一、充填技术发展历程 由于充填工艺涉及矿山安全与经济效益，已成为采矿领域最引人注目的前沿 研究课题。围绕充填材料、充填料浆制备、充填工艺参数、充填体力学性能 及承载特性、 充填体作用机理、 充填体质量评价等方面展开了全方位的研究，取 得了不少研究成果。 充填工艺和设备日臻完善， 许多新型充填材料相继问世，如 废石充填、
5、块石胶结充填、 分级尾砂和碎石水力充填、 以分级尾砂和天然砂作为 充填料的细砂胶结充填、 高浓度全尾砂胶结充填、 高水速凝固化充填、 膏体泵送 充填等充填技术在国内外矿山得到广泛应用61；为降低胶结充填成本，扩大充 填应用范围，近年来研究人员致力于水泥替代品研究并取得了一定成果。粉煤灰、 冶炼炉渣、铝厂赤泥等来源广泛、 成本低廉的工业固体废料已在部分矿山推广应 用，大大降低了矿山胶结充填成本，提高了矿山经济效益和社会环境效益。各种 充填技术发展历程大致如图1-1所示：二、新型充填技术 1、全尾砂充填 国内外全尾砂充填的现状及评述 选矿尾砂历来是矿山充填的首选材料。将尾砂充填于井下不但可提高矿石
6、回 收率,防止矿山上覆岩层崩落及地表塌陷从而保护矿区地表,还可大幅度减少尾矿 堆放占地及减轻或消除尾矿库等遗留的安全隐患。国内外广泛运用的充填方式是 分级尾砂充填 ,即将选厂尾砂 (总尾或全尾砂 )进行分级 ,粗颗粒用于井下充填,而 细颗粒则排放至尾矿库。 该种充填方式虽可使充填料渗透系数满足生产技术要求, 但细颗粒尾砂未能得到利用,且细颗粒尾砂堆存困难,尾矿库建设要求高 ,在尾砂 产率较低或磨矿细度小的条件下,尾矿充填利用率低 ,还需用其它材料 (如河砂、山 砂、棒磨砂、戈壁集料等)进行补充。 全尾砂充填则不对尾砂进行分级而充入井下,从而可避免尾砂分级所带来的 上述问题。在尾砂产率较高的高品
7、位铁矿山、多金属共存的铅锌矿山等,选矿尾 砂可全部充入井下 ,从而可不设尾矿库而实现尾废“零排放” 。高质量的全尾砂充 填能给采矿作业提供良好的作业条件,能有效地保护矿区地表及周边环境,矿山整 体技术经济效益高 ,社会环境效益好 ,所以越来越受到矿山企业的重视和运用。可 以预见 ,随着对矿产资源不可再生的认识加深及对环境保护的要求越来越严格,全 尾砂充填在金属矿山的运用将越来越普遍。 由于全尾砂含有细颗粒,与分级尾砂充填相比,技术要求更高 ,其突出的特点 是必须提高充填料浆浓度,否则充填料浆充入采空区后,细粒级尾砂将悬浮于充填 体表面 ,凝固缓慢 ;充填体渗透性差 ,充填料浆脱水困难 ,若溢流
8、脱水 ,则大量细颗粒及水泥将涌入井下巷道,造成巷道污染 ;充填料浆离析造成充填质量差,给采矿作 业带来困难。 所以,当采用全尾砂充填时 ,必须实现高浓度 ,以避免充填料浆的离析 及跑浆现象。为了提高全尾砂充填料浆浓度,国内外进行了大量的研究,目前应用 最为广泛的充填工艺是对全尾砂进行浓密-过滤两段脱水 ,使全尾砂滤饼含水率降 至 10%12%或更低 ,全尾砂滤饼经计量后供料给强制搅拌机,在搅拌机中添加水 泥、其它充填集料及浓度调节后,搅拌制备成膏体充填料 , 然后用液压双缸活塞泵加压或通过自然压头经充填钻孔及井下管网输送至 井下进行充填。 2、全尾砂充填技术 全尾砂结构流体胶结充填是指采用选矿
9、全尾砂作为主要充填集料,以水泥或 水泥代用品为胶结剂 ,充填料中 -20m颗粒含量不低于 15%20%;充填料浆坍落 度为 2325cm;充填料浆在管道及采场中呈结构流动;充填料浆在采场空区中不 产生离析脱水 ;充填料流平性好 ,坡积角小于3 5;凝固硬化后充填体整体性 及均匀性好 ,充填体强度满足采矿方法要求的一种充填方式。 (1)全尾砂和胶结剂的充填料粒级组成含有15%20%以上的 -20m 极细颗 粒。在管道输送过程中,极细颗粒在压力作用下而趋于管壁,在管壁形成润滑层 , 从而一方面减轻管壁磨损,另一方面可降低管道输送阻力,给料浆的顺利输送创造 条件。 (2)充填料浆坍落度为2325cm
10、。膏体充填一般设定坍落度为1523cm。 实验室试验及理论分析计算表明,坍落度小于 22cm 时,充填料浆流动阻力较大 ,在 充填倍线较小的条件下 (23)难于实现自流输送 ,而需采用泵压输送。坍落度小, 充填料各组分特别是全尾砂浓密-过滤、 计量供料工艺复杂 ,充填料制备难度较大。 而将充填料浆坍落度提高至2325cm,可使充填料浆制备输送工艺大为简化,从 而使充填更易于实施。 （3）充填料浆在管道及采场中呈结构流动。即充填料浆在管道及采场中流动 的过程中粗细颗粒之间不存在速度梯度,而呈整体结构流动。当充填料浆坍落度 小于 25cm时,自身即具有初始抗剪力 0,由于0 的存在 ,充填料浆在管
11、道中可实 现低速满管流 ,静止一段时间不会产生离析现象,短时间静止后还可重新启动而不 产生堵管 ,这与分级尾砂充填料浆的两相流管道输送具有本质的区别。 （4）充填料浆在采场中不产生离析脱水现象。呈结构流性态的充填料浆自身 可不脱水 ,加之可实现低流速管道输送,充填前不需引管水而只用少量水润滑管道, 充填结束只需 23m3 水即可冲洗管道 ,从而可使水的影响减小到最低限度。 整个 充填作业可使充填料浆在采场中不产生离析及脱水现象。少量泌水及洗管水可通 过充填体自身吸收和采场围岩裂隙渗透,采场中不存在积水 ,更不会产生溢流等现 象,从而使采场及井下巷道作业条件大为改善。 (5)充填体平整性好。 由
12、于充填料浆流平性好 ,坡积角小于 35,所以充填 料浆凝固硬化后平整性好,这一方面可大为改善采场作业条件,有利于减少矿石损 失贫化 ,另一方面有利于长条形采场的充填作业,更有利于各类采场空区充填接 顶。 (6)充填体整体性好 ,充填质量高。由于充填料浆在采场中呈结构流动,不存在 离析分层现象 ,所以充填体整体性好,质量均匀 ,通过调整灰砂比可获得不同强度 的充填体 ,从而满足不同采矿方法或充填部位的技术要求。 2、块石胶结充填 国外块石胶结充填已有多年的历史， 块石胶结充填技术在国外一些矿山用作空场法嗣后充填。该方法从70 年代在澳大利亚艺特艾萨矿的大规模试验取得 成功后，即在许多国家得到了全
13、面的发展，如加拿大的基德克里克矿和吉科矿、 前苏联捷格佳尔斯克矿等。国内大厂铜坑矿、新桥硫铁矿于90 年代初期率先试 验成功了块石砂浆胶结充填技术，随后红透山铜矿、鱼儿山金矿、金山金矿、东 沟坝金矿、济钢张马屯铁矿等也都相继采用了该项技术。 该技术是根据混凝土理论， 在废石干式充填和砂浆胶结充填基础上发展起来 的一种新型充填工艺。 它的实质是利用块石或井下掘进废石或将一定量的粗骨料 和胶结料浆混合作为充填骨料， 水泥砂浆填充块石间隙将其胶结成一个整体，充 填于采场或采空区，并使之成为胶结整体，以控制矿山地压、防止地表塌陷。它 可分为嗣后充填和分层充填两大类。 3、膏体泵送充填 传统的水力充填工
14、艺，料浆浓度很难提高到700,6以上，且通常需要对尾砂 进行分级脱泥， 其结果是充填尾砂的利用率低，充入采场后的充填体需脱水。脱 水时会带走充填料中的水泥， 造成水泥流失， 削弱充填体的强度， 且造成井下严 重污染。提高充填料浆的浓度是解决这类问题的关键。但由于受管道自流输送的 限制，要想进一步提高料浆浓度，必须借助适当的设备，实现膏体充填。 膏体充填技术 1979 年首先由德国格隆德铅锌矿开发成功，已先后在南非 几个大金矿陆续推广使用， 效果良好。这种新工艺的实质是将尾砂或其它用作充 填的骨料经浓密机浓缩和真空过滤机过滤后，形成浓度达85左右的膏体，用 往复式活塞泵经管道以结构流形式压送到待
15、充地点。水泥的添加方式通常有两 种，其一是将水泥制成砂浆后在井下泵站内添加，其二是在膏体出口前约30m 处安装一个 450 角的喷射头，由压风吹入干水泥，使之与膏体混合。 澳大利亚于 1997 年 8 月建成的大型矿山卡宁顿(Cannington)矿，就采用了膏 体充填系统，芒特艾萨 (Mount Isa)矿业公司为开采所属的3500矿体，也于 1998 年底建成了一个膏体充填系统；在加拿大，1992 年萨德伯里地区 (Sudbary)的克 莱顿(Creighton)矿首先使用膏体充填技术，随后有10 个金属矿山已建立或正在 建设该充填系统；其他如美国、南非、德国、瑞典等国家，政府部门、大学、
16、科 研机构、 矿业集团、设备制造公司等也都投入大量的人力物力研究膏体充填技术。 在我国，金川公司于1991年就建立和鉴定了膏体充填试验系统，并于1996 年正式建成了生产系统，随后武山铜矿也建成了膏体充填系统。4、水速凝充填 高水速凝充填是与迄今为止的充填理念完全不同的一种新型充填工艺，它不 刻意强调提高充填料浆的质量浓度， 而是利用高水速凝材料混合后形成的钙矾石 具有较强固水能力的特点，实现较广范围内浓度的胶结充填。 该工艺 20 世纪 60 年代在英国率先研制成功， 起初用于煤矿的巷旁充填支护。 我 国在 20 世纪 80 年代初，由中国矿业大学北京校区孙恒虎教授领导的课题组发明 了高水固结充填材料。一些矿山，如招远金矿、小铁山矿、新桥硫铁矿于80 年 代末开始进行了现场试验研究，取得了突破性进展。 这种工艺采用高水速凝固结材料作固化剂，使用时，将组成高水速凝固结材 料的甲、乙两种固料分别用两套管路系统与全尾砂制成浓度为30左右的充填 料浆输送到井下，在采场附近经混合器混合后充入采场，1h 实现初凝、 2h 内不
