矿山充填技术新进展与工程实践

1、北京矿冶研究总院 矿山充填技术新进展与工程实践2015年4月北京矿冶研究总院北京矿冶研究总院 郭利杰郭利杰TelEmail：博士、高级工程师博士、高级工程师BGRIMM 提纲提纲矿山充填工艺技术发展概况矿山充填材料的应用充填设备发展与革新充填技术工程案例分析BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况1950s 干式充填1960s 水砂充填1970s 立式砂仓分级尾砂低浓度充填1980s 立式砂仓分级尾砂高浓度充填1990s 全尾砂膏体充填 （1994 金川镍矿；1999铜绿山铜矿）2000s 基于立式砂仓的全尾砂高浓度充

2、填 基于深锥浓密机的全尾砂膏体充填BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况1.1 分级尾砂充填技术分级尾砂充填技术l分级尾砂充填技术仍是目前应用最广泛的充填工艺技术，以自流输送为主。l尾砂分级界限一般为37um，充填料浆的渗透系数应达到10cm/h，分级尾砂的利用率在50%左右。l分级尾砂充填主要采用旋流分级与立式/卧式砂仓水力联合造浆技术，其制备料浆质量浓度一般为65%72%。BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况1.2 高浓度全尾砂充填技术高浓度全尾砂充填技术l高浓度全尾砂充填技术是上世纪

3、末本世纪初发展起来的矿山充填技术。l高浓度全尾砂充填技术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。l冬瓜山铜矿充填系统是目前国内较为先进的高浓度全尾砂胶结充填系统。l突破了细粒级高浓度全尾砂浆的立式砂仓制备技术和深井开采全尾砂高浓度充填料浆自流管输降压的关键技术，形成了立式砂仓流态化全尾砂高浓度连续充填技术。BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况冬瓜山铜矿高浓度全尾砂充冬瓜山铜矿高浓度全尾砂充填系统填系统l有 6 套 相 互 独 立 的 容 积970m3（有效容积为679m3）的立式砂仓l有3座1200t的水泥

4、仓l单套充填能力100m3/h,充填料浆浓度72%76%。BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况冬瓜山铜矿高浓度全尾砂充冬瓜山铜矿高浓度全尾砂充填系统填系统l工艺流程：（1）立式砂仓：（2）尾砂高效絮凝沉降；（3）仓底特殊的活化喷咀；（4）高压水/气高效造浆；（5）自流输送。提出了“边壁流”概念，实现了高浓度全尾砂连续充填BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况1.3 膏体充填技术膏体充填技术l膏体充填料是一种不离析、不沉淀、不脱水、可流动的非牛顿塑性流体。l会泽铅锌矿膏体充填系统是我国目前最

5、先进的全尾砂充填系统。BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况会泽铅锌矿全尾砂会泽铅锌矿全尾砂膏体充填膏体充填系统系统l充填系统能力60m3/h，充填料浆浓度78%81%。l充填工艺：（1）深锥浓密机（2）尾砂高效浓缩（底流72%78%）（3）利用水淬炉渣作为粗骨料，将浓度提高至80%以上。（3）膏体两级连续搅拌（4）泵送至采场BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况l1.4 废石胶结充填技术废石胶结充填技术块石（碎石）胶结充填（基德克里克矿、丰山铜矿丰山铜矿等等）废石尾砂胶结充填（铜坑锡矿铜坑

6、锡矿、安庆铜矿等、安庆铜矿等）废石尾砂胶结充填具有更大的现实意义！废石尾砂胶结充填具有更大的现实意义！l可以实现井下掘进废石不出坑可以实现井下掘进废石不出坑l充填尾砂量不足，用废石补充充填骨料充填尾砂量不足，用废石补充充填骨料BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况l北京矿冶研究总院在安庆铜矿开展的废石尾砂胶结充填技术试验研究，利用井下掘进的自然级配废石与地表充填站制备的尾砂胶结料浆，采用多元化的混合方式充入采场。BGRIMM 北京矿冶研究总院 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况1.5 其他充填技术其他充填技术l棒磨砂胶

7、结充填已逐步减少，主要应用在金川二矿、龙首矿。l泡沫砂浆充填是一种较新的胶结充填技术，利用泡沫技术将大量泡沫加入充填料浆中，减少水泥使用量，改善充填料浆流动性，提高充填料浆浓度，节约充填成本。目前泡沫砂浆充填技术在凡口铅锌矿的井下采场充填试验应用。BGRIMM 北京矿冶研究总院 l 澳大利亚澳大利亚Broken HillBroken Hill矿矿布罗肯希尔矿是澳大利亚佩利亚控股铅锌矿，采选能力180万t/a，采用高浓度分级尾砂充填系统，该系统的特点是基于立式砂仓+旋流器脱水浓缩的高效稳定造浆系统。（仅1座立式砂仓）1.6 1.6 澳大利亚、瑞典等发达国家矿山充填系统简述澳大利亚、瑞典等发达国家

8、矿山充填系统简述搅拌桶旋流器立式砂仓 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况BGRIMM 北京矿冶研究总院 l 瑞典新波立登公司瑞典新波立登公司KristinebergKristineberg矿矿竖井立式砂仓充填系统竖井立式砂仓充填系统该矿是瑞典波立登地区最古老的矿山，1940年开始运营投产，矿床富含铜、铅、锌、金、银，矿山采矿方式为上向水平分层充填采矿法，生产能力为70万吨/年，尾砂来自50km外的波立登集中选场，经压滤后的尾砂用卡车运输至充填站倒入竖井砂仓。1.61.6 澳大利亚、瑞典等发达国家矿山充填系统简述澳大利亚、瑞典等发达国家矿山充填系统简述井下振动放砂地表竖井

9、砂仓尾砂造浆系统控制系统 1 1、矿山充填工艺技术发展概况、矿山充填工艺技术发展概况BGRIMM 北京矿冶研究总院 2 2、矿山充填材料的应用、矿山充填材料的应用2.1 水泥水泥l水泥目前仍是矿山胶结充填的主导胶凝材料，其中应用普通硅酸盐水泥最为广泛。l水泥材料费用一般占充填成本的60%70%以上，减小水泥用量或寻求廉价胶结剂是节约充填成本主要途径。2.2 高水固化胶凝材料高水固化胶凝材料l高水固化材料是以铝矾土为主料，配以多种无机原料和添加剂等制成甲乙两种固体粉料。l高水材料具有速凝早强性能，流动性和可泵性，再生强度性能。BGRIMM 北京矿冶研究总院 2 2、矿山充填材料的应用、矿山充填材

10、料的应用2.3 新型矿渣胶凝材料新型矿渣胶凝材料l北京矿冶研究总院与加拿大矿物能源技术中心（CANMET）合作研究，正在开发的矿山充填新型胶结材料（可替代胶结剂），其利用矿山废料和冶金废渣制成，是完全可以替代水泥的胶结充填材料，且成本低廉，能减少废料排放和环境破坏。新型矿渣胶凝材料属于资源节约、环境友好型新材料，具有广阔的应用前景。BGRIMM 北京矿冶研究总院 2 2、矿山充填材料的应用、矿山充填材料的应用2.4 其他胶凝材料其他胶凝材料l粉煤灰粉煤灰在替代部分水泥能有效改善充填料活性及流动性，同时也环保节约，正逐渐得到推广应用；l冶炼炉渣冶炼炉渣已广泛应用于水泥工业制造矿渣水泥，目前国内矿

11、山用炉渣作为充填料主要是利用没经过磨细的高炉炉渣和铜、镍冶炼炉渣，作为充填骨料的一部分，能有效改善充填料浆活性和提高充填料浆浓度，譬如云南会泽铅锌矿利用全尾砂-水淬渣进行膏体充填。l地质聚合物地质聚合物是一类新的胶凝材料，主要有效成分为铝-硅酸盐，作为可替代水泥的新型胶凝材料。BGRIMM 北京矿冶研究总院 3 3、充填设备发展与革新、充填设备发展与革新3.1 膏体浓缩设备膏体浓缩设备l美国FLSmith矿业公司研制的道尔-爱姆科深锥膏体浓密机是目前世界上最先进的膏体制备浓缩设备，其制浆浓度可达到71%75%。这种浓缩机脱水效率高，适用于制备膏体充填料及尾矿干堆。会泽铅锌矿会泽铅锌矿的膏体充填

12、系统已经成功应用该浓缩机制备井下充填料浆。BGRIMM 北京矿冶研究总院 3 3、充填设备发展与革新、充填设备发展与革新l芬兰奥图泰公司制造的SUPAFLO膏体浓密机采用创新的自动稀释系统、科学的耙架结构设计、高效的驱动系统及精确的自控制技术，解决了尾矿物料脱水采用普通浓密机难以解决的挑战。具有絮凝有效性高、高效液压驱动、低阻力耙臂及最少压耙事故等优点，能制备出最高浓度达70%的尾矿浆体。BGRIMM 北京矿冶研究总院 3 3、充填设备发展与革新、充填设备发展与革新3.2 过滤设备过滤设备l陶瓷过滤机是目前国际上公认的细粒级矿物过滤的（固液分离）设备，是集机电、微过滤板、自动化控制、超声波清洗

13、等高新技术为一体的新型产品。l芬兰拉罗克斯公司新推出的过滤机服务产品奥图泰拉罗克斯过滤机，具有节约能源与水的消耗，过滤效率高、效果好等优点。l目前这种过滤机用于井下尾矿脱水应用，在国内尚未见诸报道，其可满足充填量小的膏体料浆制备，具有较好的推广前景。BGRIMM 北京矿冶研究总院 3 3、充填设备发展与革新、充填设备发展与革新3.3 膏体泵送设备膏体泵送设备l膏体充填泵是在建筑工程混凝土泵的基础上发展起来。l目前用于矿山充填的膏体泵，主要有德国的普茨迈斯特（Putzmeister）公司和施维因（Schwing）公司的双缸活塞泵、荷兰的奇好（Geho）的双缸隔膜泵。l金川镍矿和铜绿山铜矿膏体充填

14、分别选用的是施维因公司生产的KSP-140HDR液压双缸活塞泵和KSP80HD双缸活塞泵，云南会泽铅锌矿膏体充填系统选用奇好泵。l截止目前，国内长沙飞翼股份研发的工业充填泵基本能满足泵送膏体料浆要求。BGRIMM 北京矿冶研究总院 3 3、充填设备发展与革新、充填设备发展与革新3.3 膏体泵送设备膏体泵送设备 高密度固体泵的基本构成有两个液压油缸，两个输送缸，及一套带控制阀的泵头。一个电子液压站提供315 kW的动力，驱动HSP25100泵。泵头有一个很大的吸料口，每个输送缸有220mm截面的压力阀。BGRIMM 北京矿冶研究总院 l 什么是废石尾砂胶结充填？什么是废石尾砂胶结充填？l 采用废

15、石尾砂胶结充填的两种情况采用废石尾砂胶结充填的两种情况1、为实现井下掘进废石不出坑2、充填尾砂量不足，用废石补充充填骨料尾砂胶结充填废石充填+ 4 4、充填技术工程案例分析、充填技术工程案例分析4.1 4.1 废石尾砂胶结充填技术及其工程应用废石尾砂胶结充填技术及其工程应用BGRIMM 北京矿冶研究总院 l 废石尾砂胶结充填的意义废石尾砂胶结充填的意义1. 废石不出坑，可以节约废石的提升运输费用；减少掘进进度受提升系统的影响；增加提升系统提升矿石能力；减少地表废石堆放，节约征地费用。2. 减少水泥用量，节约充填成本。3. 增加充填骨料的供给，缓解矿山尾砂不足的矛盾，从而节约外运骨料的费用。4.

16、 加大采场充填能力，缩短采场充填周期。 4 4、充填技术工程案例分析、充填技术工程案例分析BGRIMM 北京矿冶研究总院 废石尾砂胶结充填工艺方案废石尾砂胶结充填工艺方案1 1、充填工艺方案选择、充填工艺方案选择l 由充填试验知：废石尾砂胶结充填过程废石料与胶结料浆同步下料混合模式的充填体质量最好。l 最佳下料工艺应选择胶结料浆与废石料充分混合且同步下料情况充填为宜。l 充填料混合设计依据废石料充填方式分为充填料混合设计依据废石料充填方式分为3 3种方案种方案 方案1 废石料与胶结料浆斜充填井下料混合工艺方案 方案2 废石料与胶结料浆垂直充填井下料混合工艺方案 方案3 可伸缩变速抛掷机抛掷废石

17、料与胶结料浆同步下料混合工艺方案BGRIMM 北京矿冶研究总院 废石尾砂胶结充填工艺方案废石尾砂胶结充填工艺方案2 2、最佳充填工艺方案、最佳充填工艺方案方案一方案一1-废石充填+尾砂胶结料浆（管道）；2-抛掷过程中的充填料；3-废石料堆对于方案一，充填天井是构成理想充填的重要因素，其位置应满足充填料均匀连续分布。充填井方位也决定落地料堆位置，因天井中浆料流具有一定下落速度，这个速度决定着料流落地运动轨迹，该轨迹可用抛物线方法求得，故可以根据预期废石料落地位置及废石堆形状，反算出最佳充填井方位。BGRIMM 北京矿冶研究总院 废石尾砂胶结充填工艺方案废石尾砂胶结充填工艺方案2 2、最佳充填工艺

18、方案、最佳充填工艺方案方案二方案二1-废石充填+尾砂胶结料浆（管道）；2-下落过程中的充填料；3-废石料堆对于方案二，采场跨度不大时（小于30 m），在采场中央布置垂直充填天井，是一种理想的布置方式。废石料和胶结料浆通过垂直充填井下料混合充填采空区，废石料形成圆锥形废石堆，胶结料浆包裹废石料，最终形成胶结料浆包裹废石料芯充填状态。如左图所示，A区为被包裹的废石柱芯，B区为胶结料浆包裹层。但是实际充填过程中，废石充填料的分凝是不可避免的现象，应充分搞好充填质量控制，避免出现大范围分凝现象。BGRIMM 北京矿冶研究总院 废石尾砂胶结充填工艺方案废石尾砂胶结充填工艺方案2 2、最佳充填工艺方案、最

19、佳充填工艺方案方案三方案三1-抛掷废石料；2-尾砂胶结料浆（管道）；3-抛掷过程中的废石料；4-废石料堆对于方案三，采用可伸缩变速抛掷机抛掷废石料进入采场，胶结料浆通过管道输送一端同步下料，可实现废石均匀铺设的废石尾砂胶结充填试验和胶结料浆包裹废石芯的充填。可伸缩变速抛掷机可将废石料抛掷到所设定范围内，胶结料浆同步下料，充填体形成A区和B区。BGRIMM 北京矿冶研究总院 废石尾砂胶结充填工程应用废石尾砂胶结充填工程应用l安庆铜矿废石尾砂胶结充填工业试验安庆铜矿废石尾砂胶结充填工业试验-8R-8R采场充填采场充填T2b dX=90800X=90850552 孔501 孔867463543 孔4

20、 孔5 孔6 孔7 孔充 填 孔观 测 孔挡 杆尾 砂 胶 结 充 填灰 砂 比 ： 1 46.0m8.0m35.0m10.5m5.0m废 石 尾 砂 胶 结 充 填灰 砂 比 ： 1 6胶 充 与 废 石 比 ： 3.5 1废 石 尾 砂 胶 结 充 填灰 砂 比 ： 1 8胶 充 与 废 石 比 ： 3.5 1废 石 尾 砂 胶 结 充 填灰 砂 比 ： 1 10胶 充 与 废 石 比 ： 3.5 1尾 砂 胶 结 充 填灰 砂 比 ： 1 4脱 水 管 （ 1、 2）8#矿 房 纵 剖 面 图 No.5BGRIMM 北京矿冶研究总院 l安庆铜矿废石尾砂胶结充填工业试验安庆铜矿废石尾砂胶结

21、充填工业试验-8R-8R采场充填采场充填废石锥形堆放的废石尾砂胶结充填废石锥形堆放的废石尾砂胶结充填废石尾砂胶结充填工程应用废石尾砂胶结充填工程应用BGRIMM 北京矿冶研究总院 4 4、充填技术工程案例分析、充填技术工程案例分析4.2 六苴铜矿井下天井立式砂仓高浓度连续充填系统六苴铜矿井下天井立式砂仓高浓度连续充填系统l 矿体似飘带状，走向短（170200m），倾向长，延伸约4000m。l缓倾斜矿体，在2235之间，充填倍线大，13.9。u采选生产能力120 万t/au低浓度充填质量不能满足深部采矿的要求u 深部采用胶结充填BGRIMM 北京矿冶研究总院 4 4、充填技术工程案例分析、充填技

22、术工程案例分析低浓度供砂地下高浓度制备的大倍线自流输送充填技术低浓度供砂地下高浓度制备的大倍线自流输送充填技术l 地下建立立式砂仓制备站l 实现13.9大倍线的高浓度充填l 充填浓度72%74%供砂浓度：供砂浓度：50%55%充填倍线：充填倍线：13.9充填浓度：充填浓度：72%74%BGRIMM 地表-井下联合高浓度连续充填系统 4 4、充填技术工程案例分析、充填技术工程案例分析BGRIMM 立式砂仓井建施工 地下天井立式砂仓地下天井立式砂仓l 立式砂仓直径7m，总高30m，容积1000m3l 利用井下天井中深孔爆破成仓l 仓内衬砌形成混凝土仓壁l 仓底采用钢板焊接，利于造浆设施安装布置优点

23、：施工简单，投资小，可作为地下高浓度尾砂制备设施。 4 4、充填技术工程案例分析、充填技术工程案例分析BGRIMM 稳定的充填浓度大于72%。实现了最大13.9充填倍线的高浓度自流充填。解决了六苴铜矿地表工业场地紧张、充填倍线大的问题，实现了矿山的高浓度稳定自流充填 4 4、充填技术工程案例分析、充填技术工程案例分析BGRIMM 北京矿冶研究总院 5 5、对矿山充填的几点认识、对矿山充填的几点认识l 关于充填系统方案与设计关于充填系统方案与设计1、充填系统方案要因地制宜，要结合矿山实际、充填系统方案要因地制宜，要结合矿山实际2、充填方案设计要以试验为基础，要进行充分的研究论证、充填方案设计要以

24、试验为基础，要进行充分的研究论证3、充填系统设计不仅要满足采矿的要求，也要与选矿及尾矿库的工艺流、充填系统设计不仅要满足采矿的要求，也要与选矿及尾矿库的工艺流程相协调，要进行总体设计程相协调，要进行总体设计l 充填浓度的稳定性比充填浓度本身更重要，稳定可靠的充填浓度的稳定性比充填浓度本身更重要，稳定可靠的工艺流程比复杂的自动控制更有效。工艺流程比复杂的自动控制更有效。l 国内对充填体的作用机理认识不够，缺乏充填体强度设国内对充填体的作用机理认识不够，缺乏充填体强度设计的系统理论。计的系统理论。BGRIMM 北京矿冶研究总院 国家科学技术学术著作出国家科学技术学术著作出版基金资助版基金资助入选入选“十二五十二五”国家重点国家重点图书图书作者：作者：孙忠铭教授孙忠铭教授北京矿冶研究总院研究员，北京矿冶研究总院研究员，全国全国“五一五一”劳动奖章获得劳动奖章获得者，我国地下金属矿床开采者，我国地下金属矿床开采著名专家，是我国金属矿床著名专家，是我国金属矿床地下大直径深孔高效率、高地下大直径深孔高效率、高强度采矿新技术的开拓者，强度采矿新技术的开拓者，为我国采矿技术进步做出了为我国采矿技术进步做出了突出贡献。突出贡