金矿充填采矿固废资源化利用研究

金矿充填采矿固废资源化利用研究

金川硫铁矿是我国大型硫铁矿。它分布在龙头山脚下，长6.5公里，宽500米。目前，资源储量为5.64亿吨，铜铜储量为550万吨。金川硫铁矿地质条件较差，矿场压活动严重，岩石变形破坏难以控制。为了控制采场压，实现矿山安全生产，金川铜矿对地压控制技术和生产管理进行了研究，并对性质进行了探讨。采用水泥和研磨砂作为填充材料，采用1.4高官砂与78%-80%浓度的“双高”管道自流输送技术。填充成本为158元/m。针对金川镍矿复杂多变的不良矿岩条件与开采环境，低品位资源开发利用，开展了开采技术与冶炼渣资源综合利用攻关，建成了我国多金属矿资源综合利用示范基地，在低品位难处理贫矿开发与综合利用、难采矿床安全高效和低耗开采、废弃物在充填采矿中综合利用等方面，均获得了突破性进展，不仅减少矿山废弃物排放量，而且还显著降低生产成本，提高了资源开发的经济、环保与社会效益，大力促进了金川企业的可持续发展．本文全面分析和总结固体废弃物在金川矿山充填采矿中利用的研究与进展，并针对深部和贫矿开采面临的技术与经济难题，提出固废在充填采矿中安全、高效和环保利用的关键技术，展望金川矿山固废弃资源研究与发展方向．1充填采矿成本研究金川镍矿埋藏深、地应力高、围岩破碎，是一座典型的难采矿床．经过技术攻关与工程实践，采用下向分层进路胶结充填采矿法．以棒磨砂骨料和水泥胶凝材料进行高强度胶结充填，导致充填采矿成本居高不下．为降低充填成本，金川镍矿在提高棒磨砂粒径的基础上，先后开展废石、全尾砂、戈壁集料等混合粗骨料充填技术研究．为了降低胶凝材料成本，利用高炉渣、粉煤灰等火山灰了质材料，开展部分或全部替代水泥的新型充填胶凝材料的开发利用，显著降低了矿山充填采矿成本．1.1废石-棒砂混合充填技术研究由于棒磨砂生产成本高，采用废石部分替代棒磨砂骨料是降低充填成本的途径之一．为此，金川矿山在将-3mm棒磨砂提高到-5mm充填技术基础上，进一步开展废石-棒磨砂混合骨料充填技术研究．针对混合骨料充填料浆分层离析问题，分别开展了废石-尾砂、废石-粉煤灰以及废石-铜选尾砂等混合骨料充填技术研究，不仅解决废石粗骨料充填料浆离析的问题，而且还为尾砂和铜选尾砂等低品质固废物资源化利用探索出一条途径．1.1.1关于废除砂浆石-砂浆和骨料的研究针对棒磨砂充填成本高，金川矿山开展了废石-棒磨砂混合骨料充填研究．王永定等1.1.2废石-全尾砂混合充填骨料研究废石粗骨料颗粒大，易造成料浆分层离析堵管、爆管，而高浓度或膏体是解决料浆离析的重要途径之一．研究表明，高浓度料浆形成的充分和必要条件是骨料中含有一定的细骨料和料浆达到临界浓度．为了补充废石中的细骨料，选用尾砂作细骨料，开展废石-全尾砂混合骨料充填技术研究．杨志强等1.1.3掺加粉煤灰混合充填材料研究粉煤灰属于潜在活性的火山灰质固废物，但由于活性低，需要在碱环境中激发才能发生水化硬化反应．粉煤灰作为细骨料，在充填料浆水化早期起到填充孔隙，提高充填体密实度作用．随着粉煤灰掺加量增加，其早期强度降低，限制在金川矿山充填采矿中应用．但作为废石-棒磨砂混合骨料的细颗粒在充填中应用，粉煤灰起到物理与化学的双重作用．粉煤灰在水化初期作为细骨料，优化混合骨料粒径级配，提供混合骨料形成高浓度料浆或膏体必须的细颗粒，而后期在碱环境中被激发产生水化硬化反应，由此提高了胶结充填体后期强度．针对金川矿山下向分层进路胶结充填法对强度要求，开展了掺加粉煤灰的废石混合充填材料充填技术研究．杨志强等1.1.4废石-尾渣混合充填骨料研究相对于粉煤灰，铜选尾砂活性更低，属于极低活性的固体废弃物．为利用金川铜选尾砂废弃物资源，开展了废石-尾渣混合骨料的采矿技术研究．王有团等1.2低成本新型充填胶凝材料研究为了降低金川矿山充填采矿成本，针对矿山不同时期的充填骨料，利用钢铁水淬渣、金川镍渣、粉煤灰和工业副产石膏等废弃物，开展低成本新型充填胶凝材料开发与研究．1.2.1新型充胶凝胶材料的研究针对金川矿山棒磨砂充填骨料，王有团等1.2.2混合骨料新型充填胶凝材料研究随着金川矿山逐步采用废石、尾砂、戈壁集料粗骨料，以及与铜选尾渣、粉煤灰等低质固废的混合充填骨料利用，为此开展相应的新型充填胶凝材料研究．温震江等1.2.3充填胶凝材料金川镍矿充填胶凝材料开发是采用石灰、熟料和石膏等制备激发剂，激发矿渣、粉煤灰等活性物料，制备充填胶凝材料．由于可以利用矿渣活性低，导致胶凝材料早期强度低．为此，袁国斌等1.3混合充填材料配方优化利用选矿尾砂、铜选尾砂和粉煤灰等作为细骨料，与废石、戈壁集料和棒磨砂粗骨料混合充填，是降低金川矿山充填成本的途径之一．然而混合料浆优化设计、管道输送特性以及大容量高浓度料浆搅拌技术，是实现高浓度、大流量混合骨料充填采矿的关键技术．1.3.1混合粗骨材料和填充料浆的性能针对混合骨料潜在料浆分层离析问题，吴凡等1.3.2对混合粗骨材料浆管的性能的研究混合骨料充填料浆流变特性和管输水力坡降，决定充填料浆管道输送的安全、可靠与经济性．为此，吴凡等1.3.3大容量高浓度充填料浆搅拌系统开发混合骨料充填料浆通常采用高浓度或似膏体进行管道输送，由此避免料浆分层离析．因此，大容量高浓度混合料浆搅拌设备与工艺，既影响充填料浆搅拌质量，也决定矿山充填生产能力．为此，针对金川矿山充填骨料充填料浆，开发大容量高浓度棒磨砂料浆搅拌设备设计研究，并开展工业充填试验．针对金川矿山棒磨砂碎石骨料，开展150～180m2金川矿山充填采矿固废资源利用存在的问题提高充填采矿的经济效益和环保效益，是金川镍矿一直在追求的目标．自金川建矿以来，已经开展大量科学研究与技术攻关．将-3mm细砂提高到-5mm粗砂、粉煤灰部分替代水泥、废石、尾砂-棒磨砂混合骨料等充填技术研究与应用，均已获得成功，并已显著降低矿山充填采矿成本．尤其近年来，利用冶金渣和工业副产物开发新型胶凝材料，不仅进一步降低充填成本，而且还为固废物资源化利用探索出一条有效途径．然而由于固体废弃物所固有的复杂多变性，金川矿山的资源化利用仍存在诸多困难和不确定性影响，导致金川矿山充填采矿中的固废资源化利用仍面临以下2个主要问题．2.1矿渣质量差，活性低下向分层进路胶结充填采矿法是工作人员在充填体顶板下作业，胶结充填体强度与整体质量对矿山安全生产至关重要．为了提高生产能力，提高充填早期强度（早强），缩短采充周期势在必行．基于冶金渣固废开发的胶凝材料所固有特性：水化反应慢，早期强度低；可以利用的矿渣质量差，活性低；球磨机粉磨矿渣微粉粗等问题，由此使得新型胶凝材料开发面临早期强度低的技术难题．王强等金川矿山早强胶凝材料研究表明，早强型充填胶凝材料研究仍面临诸多问题：1）金川矿山下向分层胶结充填采矿法，对胶结充填体早期强度要求高，与冶金渣开发胶凝材料的水化反应慢存在根本性矛盾；2）金川矿山可利用冶金渣质量差、活性低与废石、尾砂等多种充填骨料的利用，导致充填胶凝材料开发面临诸多的不确定性因素，由此给早强型胶凝材料开发带来更多的困难和问题．总结目前研究结果发现，提高矿渣微粉细度、探索高效早强剂以及优化低成本生产工艺，是提高新型胶凝材料早期强度的关键技术．由此可见，早强充填胶凝材料开发以及在金川矿山充填采矿中应用，仍面临诸多的技术和经济问题，是金川矿山充填采矿固废资源化利用亟待解决的技术难题之一．2.2充填采矿成本问题金川矿山充填采矿长期采用棒磨砂-水泥胶结充填技术，造成充填成本居高不下．为此开展低成本新型充填胶凝材料开发以及废石粗骨料与棒磨砂混合骨料充填技术应用，已经显著降低金川矿山充填成本．但是由于金川矿山充填采矿方法对其早期强度要求以及骨料料浆离析等问题，导致新型充填胶凝材料和废石粗骨料的应用面临困难和问题，难以实现大规模的工业化应用．因此，以棒磨砂作为骨料和水泥作为胶凝材料的主要充填模式短期内仍无法改变．由此可见，充填成本居高仍导致金川矿山面临充填采矿的经济效益压力．针对金川矿山面临贫矿资源开发利用规模的日趋增加，以及矿山开采深度向深部延伸，高成本充填采矿的经济效益压力也随之增大．为了降低矿山成本，提高低品位矿石开采的经济效益，矿山已经开展崩落采矿方法研究与技术攻关，目前已经进入工业化试验阶段．为了解决废石粗骨料充填料浆分层离析问题，肖柏林等3金川矿固碳资产利用研究与开发方向3.1全固废早强充填胶凝材料发展方向胶凝材料成本占整个充填成本的重要部分．金川矿山采用高灰砂比充填，其胶凝材料成本更高．已经开发的固结粉充填胶凝材料由于存在早期强度低，目前仍难以实现大规模推广应用．降低金川矿山充填采矿成本，开发早强型固结粉胶凝材料，提高固结粉在充填采矿中规模化利用至关重要．同时，随着矿渣以及熟料、生石灰等材料利用成本提高，利用钢渣、电石渣、磷石膏、脱硫石膏等低品质固废，开发全固废胶凝材料，是进一步显著降低充填采矿成本的发展方向．李立涛等3.2废石-尾砂混合充填骨料关键技术充填骨料成本也是充填采矿成本的重要组成部分．金川开展废石-棒磨砂混合骨料充填技术研究成果，已经在龙首矿和二矿区实现工业化应用．但是由于粗骨料充填料浆存在离析以及管道磨损等问题，导致废石工业应用规模受到限制．显然，充填料浆离析机理与控制技术，是废石粗骨料实现大规模安全、可靠利用的关键．其关键技术在于2个方面：1）利用选矿尾砂作为细骨料，开展废石-尾砂混合骨料粒径分析与级配优化；2）提高混合充填料浆浓度，实现高浓度、似膏体或膏体充填．目前，金川矿山已经开展废石-尾砂混合骨料膏体充填技术的室内试验研究，并正在开展膏体充填系统改造，为粗骨料膏体充填工业化