[冶金矿山地质]金属矿山充填的意义、充填方式选择姚中亮.ppt

,金属矿山充填的意义、充填方式选择及典型应用实例长沙矿山研究院国家采矿工程技术研究中心姚中亮二O 一O年八月,1、充填采矿法的意义 充填采矿法是在矿产资源的地下开采过程中，随着矿石的采出，井下采空区用具有一定物理力学性能的材料进行及时填充，从而一方面对采空区围岩提供支撑，另一方面为相邻矿体的开采提供条件的一类采矿方法。充填法与崩落法或空场法相比，具有明显的甚至是本质的区别。采用充填采矿法的意义主要体现在以下几个方面：,可为矿床开采的整体安全提供支撑。地下资源的开采对地下原有物质组成形态、原岩应力场、地下水流场等不断进行破坏并达到新的平衡。当这一过程在设定控制范围内时，其生产过程是安全的。但这一过程一旦失控，则将发生诸如冒顶、突水、地表塌陷、泥石流或地表水涌入井下、大规模地压活动等安全事故。这些安全事故的发生均与采空区的存在具有密切的联系。如对采空区进行高质量充填并充分接顶，上述安全事故可得到有效的防控。,可有效地保护矿区及周边生态环境。对采空区进行高质量充填并充分接顶，矿区地表可得到有效保护。尾砂或废石是矿山首选的充填料，所以充填采矿法还给尾砂及废石等提供了最为有效的大宗资源化综合利用途径，可大幅度降低尾砂及废石堆放占地，减少对矿区及周边环境的污染和破坏。在尾砂产率较低的条件下（35%），还可实现尾废零排放。,地下矿产资源可得到充分回收利用。充填采矿法可适用各种不同的矿体赋存形态及复杂的开采技术条件，从而最大限度地回收地下矿石资源。与崩落法相比，充填采矿法可降低矿石损失及贫化1015%以上，与空场法相比，充填采矿法可降低矿石损失2030%。对于高品位及高价值矿床，采用特殊的采矿方法及高质量充填，可使矿石回收率达到95%以上。,可提高矿床开采全过程的技术经济指标。矿石回收率的提高可延长矿山服务年限，从而提高整体矿床开采的总经济效益。矿石贫化率降低可提高矿石入选品位及精矿产量，从而提高矿山年度经济效益。,随着国家对安全生产及矿山环境保护要求越来越严格，充填采矿法运用越来越普遍。同时通过几十年的研究开发及生产实践，各种高效的采矿方法及装备、各种充填工艺已在不同类型的矿山得到应用并取得了良好的技术经济及社会环境效益。充填采矿法正从高品位及高价值矿床向一般金属矿山甚至非金属矿山（如贵州开阳磷矿、湖北荆襄磷矿等）推广。,2、充填方式选择及充填系统设计要素 关于充填材料及充填方式目前国内外还没有统一的分类方法，一般可按以下要素分类：是否添加水泥或其它胶结剂：胶结充填或非胶结充填；所用的充填材料粒径：细集料或粗集料充填；充填料浆制备方式：连续制备或批量制备；充填料输送方式：管道输送或非管道输送；充填料浆在管道及采场的性态：两相流输送、结构流输送、膏体输送；根据充填料浆输送动力来源：自流输送或泵压输送,国内外矿山条件千差万别。对于某一特定矿山而言，则必须根据自身的内外部条件进行相关试验及综合技术经济比较后选择充填材料并采用合适的充填方式。充填方式选择及充填系统设计必须满足以下要求：,充填系统能力满足矿山生产能力要求。对于采用充填采矿法的矿山，充填是矿山必不可少的主要生产环节之一，为了保证矿山均衡生产，必须做到采充平衡。一旦采充失衡或充填欠帐，将使待充空区体积增大，从而带来一系列生产、安全、地压管理等问题，所以充填材料及充填方式的选择必须满足矿山生产能力要求。,充填质量满足采矿方法要求。充填质量及充填体强度与众多因素有关，不同采矿方法对充填体强度要求差别极大。对于矿岩稳固性差、矿石价值高的矿山，往往采用矿石回收率高但对充填质量要求也高的采矿方法，如上向进路充填采矿法、下向进路充填采矿法等。在常规的充填方式无法满足要求时，则必须研究采用新的充填材料及充填方式，如尾砂充填强度难于满足下向进路充填采矿法要求时，则可在充填料中添加破碎废石、戈壁集料等粗集料提高充填体强度，由两相流充填改为结构流或膏体泵送充填以提高充填料浆浓度等。,充填成本合理。对一般矿山而言，充填成本占采矿成本的1525%，目前大型金属矿山充填运营成本为60100元/m3，但对于高质量充填矿山（下向进路采矿法），充填成本可占采矿成本的2540%，达120140元/m3。,管理简单、方便。矿山充填系统与选厂尾砂处理方法、尾砂量的平衡及尾矿库设计、井下采矿方法等矿山主体生产环节及设施关系密切，所以在设计初期必须统一规划、统一布置。在矿山正常生产过程中，充填系统需工艺畅通，运行平稳，以达到管理简单、方便的目的。,3、国内典型充填系统介绍及生产运用概况（1）南京铅锌银矿（2）安徽霍邱地区低品位铁矿（3）甘肃金川集团公司二矿,（1）南京铅锌银矿全尾砂结构流体胶结充填 该矿地处南京市郊著名风景区栖霞山，距南京市区19公里，距长江1.5km，沪宁铁路线通过矿区，栖霞大道直达矿区。矿床位于栖霞镇及九乡河正下方。栖霞镇居民密集。九乡河最大洪峰流量为200300m3/s。是典型的三下开采矿床。,目前该矿保有矿石储量约650万t，矿石品位铅3%，锌5%，同时矿石中还含有银、硫、锰、铁等多种有用成分，矿石价值较高，资源条件优越。矿山采选生产能力35万t/年。矿山采用平峒竖井开拓，-525m及-575m为目前开采主要中段。目前主要采用点柱分层充填法。,在项目研究过程中，先后进行了以下实验室试验研究：进行了全尾砂基本物化性能参数测定及配比强度试验。全尾砂粒径-20m含量达到45.1%，但不同配比参数的试块均凝结硬化正常。进行了全尾砂料浆输送试验，结果表明当浓度从76%降至72%时，料浆的屈服剪切应力及粘性系数产生突变。通过理论计算，得出了不同浓度及流量时充填料浆沿管道的输送阻力，为充填管网参数的设计提供了理论依据。,进行了全尾砂陶瓷过滤机脱水试验、全尾砂浆压气造浆试验、全尾砂充填料浆泵压环管试验、L型管道自流输送试验。在上述试验研究的基础上，研究采用的充填系统工艺流程为：全尾砂浆在卧式砂池中自然沉降脱水后，由阶梯式排水阀排除全尾砂料面以上的澄清水，然后采用压气造浆、管道放砂至搅拌机中。水泥经散装水泥仓底部双管螺旋给料、螺旋电子秤计量后输送至搅拌机中。全尾砂浆及水泥经双卧轴搅拌机+高速活化搅拌机两段搅拌均匀后，最后通过充填钻孔及井下管网自流输送至井下采场。,南京铅锌银矿全尾砂充填系统工艺流程图,充填系统投入运行后的生产实际表明，系统工艺流程畅通，制备输送能力为6080m3/h，充填料浆浓度为最大可达72%，一般为6870%，充填成本约70元/m3。,充填站外貌,全尾砂充填料浆进入钻孔,充填料浆在空区的流动状态,充填料浆凝固硬化后充填体表面状况,该矿充填系统技术特点为：采用卧式砂池全尾砂自然沉降脱水、阶梯式排水设施排水及压气造浆后，砂池中放出的全尾砂浆浓度达到6770%且稳定均匀，从而使充填料浆浓度达到7072%，在管道及采场中呈结构流动，不产生脱水、离析及分层现象，灰砂比为16时，充填后16小时人员即可在充填体上行走，3天即可进行上向回采作业。,充填系统投入使用后，不但实现了真正意义上的全尾砂充填，结合矿石中其它有用成分的综合回收利用、生产废水处理及采矿方法研究等联合攻关，还实现了严格意义上的尾废零排放，为三下开采及环境极度敏感地区的资源开发提供了成功的范例。,（2）安徽霍邱地区低品位铁矿尾砂充填工程,安徽霍邱县是我国重要的铁矿石基地，目前已探明铁矿石储量达到17亿吨，远景储量达30亿吨。这些矿床的共同特点为：矿床储量大，单条矿脉长达13km，单个矿床储量一般达几千万吨，最大可达35亿吨；品位低，一般为2832%，部分矿床为可选性好的磁铁矿，还有一部分为赤铁矿或镜铁矿；地处淮河中下游冲积平原，其上覆第四系覆盖层厚达100m以上，且其中含有14层流砂层；矿区地势平坦，地面植被良好，人口较为密集。,由于上述开采技术条件的制约，上世纪这些矿床并未得到开发利用。但随着对铁矿石的需求越来越大及铁矿石价格走高，这些矿床近年陆续得到开发。目前已投入生产的矿山有 安徽金安矿业公司草楼铁矿 300万吨/年 安徽大昌矿业公司 400万吨/年 安徽诺普矿业公司吴集铁矿 100万吨/年 正在基建的矿山有 安徽开发矿业公司李楼铁矿 750万吨/年 安徽金德信矿业公司周油坊铁矿 500万吨/年 正在规划并准备建设的有 安徽金日盛矿业公司重新集铁矿 500万吨/年 马钢集团公司张庄铁矿 500万吨/年 预计到2015年，该地区铁矿总生产能力将达3000万吨/年以上，成为我国重要的铁矿石生产基地。,这些矿山均设计采用充填采矿法或准备改用充填采矿法。在已投产的矿山中，草楼铁矿及安徽诺普矿业公司已率先实现了尾砂充填，其中草楼铁矿北区充填站于2008年6月投入使用，南区充填站于2009年10月投入运行，吴集铁矿充填站于2009年2月投入使用。经实验室试验及方案比较，该两个矿山均采用全尾砂结构流体胶结充填，充填系统工艺流程如图。,安徽草楼铁矿充填系统工艺流程图,全尾砂沉降造浆放砂：选厂全尾砂经输送泵加压后输送至充填站立式砂仓中自然沉降，充填前排除全尾砂料面上的澄清水，然后采用压气造浆。砂仓中全尾砂造浆均匀后，再由放砂管向搅拌机供给全尾砂浆。水泥供料线：散装水泥运至充填站后卸入散装水泥仓，水泥经双管螺旋给料及电子秤计量后向搅拌机供料。,充填料制备与输送：搅拌机选用双卧轴搅拌机+高速活化搅拌机两段连续搅拌。全尾砂浆及水泥搅拌均匀后制备成具有结构流特性的充填料浆，通过充填钻孔及井下输送管道自流输送至采场空区充填。,系统运行参数：单套系统制备能力 80100m3/h 充填料浆浓度 7072%灰砂比 14120可调 充填体强度（28天）灰砂比为14时 3MPa 灰砂比为112时 1.0MPa,草楼铁矿北区充填站外貌,草楼铁矿南区充填站仪表室,草楼铁矿充填料浆进入充填钻孔,草楼铁矿首充采场（17#矿房）原位充填体钻孔取芯样品,（3）甘肃金川集团公司二矿 该矿为世界知名的高品位高价值难采矿床，其富矿段镍品位达到1%以上，同时含有铜、钴等有用成分。开采难度大主要体现在矿岩破碎及原岩应力大两方面，加之矿体水平厚度达100m以上，所以大面积开采后，地压显现十分突出，开拓采准巷道变形（包括底鼓）严重，大量巷道必须定期翻修方能维持使用。,该矿2009年采矿量420万吨，全部采用下向进路充填采矿法，充填总量140万m3。为了满足下向进路充填采矿法及高地应力条件下采矿的要求，充填灰砂比全部采用1：4。充填方式有两种：一种为高浓度棒磨砂自流输送胶结充填，充填量约120万m3；另一种为膏体泵送充填，充填量20万m3。,高浓度棒磨砂自流输送胶结充填工艺流程,金川公司周边戈壁集料十分丰富，将戈壁集料经棒磨机磨细成-3mm的细砂作为充填料（称棒磨砂）。棒磨砂在磨砂车间脱水后经火车运至充填站的砂仓中，充填时由抓斗起重机卸入中间料斗，经圆盘给料机给料后，由皮带输送机向高浓度搅拌桶供料，核子秤计量。水泥经双管螺旋给料机给料及冲量流量计计量后添加至到搅拌桶。水通过计量调节系统添加至搅拌桶。充填料浆制备输送浓度7779%，流量100m3/h，最大120m3/h，充填料浆通过充填小井中的下料管、井下充填钻孔及管网自流输送至井下采场进路中。,膏体泵送充填系统工艺流程,充填站砂仓中棒磨砂及少量河砂由抓斗起重机卸入中间料斗，料斗底部经圆盘给料机定量给料后，经皮带输送机输送至一段搅拌机中。而选厂全尾砂输送至充填站的立式砂仓中沉降脱水，充填时对砂仓中尾砂进行造浆，然后放砂至立式搅拌桶。水泥通过其定量给料系统添加至立式搅拌桶中。立式搅拌桶搅拌好的尾砂水泥浆再用软管泵或渣浆泵输送至一段搅拌机中，尾砂水泥浆、棒磨砂及河砂通过一段搅拌机后，再进入二段双螺旋搅拌输送机搅拌而制备成膏体充填料浆，最后通过KSP-140HDR型液压双缸活塞泵加压输送至井下。,金川二矿制备好的尾砂棒磨砂膏体充填料浆,金川二矿膏体泵送充填核心设备液压双缸活塞泵,甘肃金川公司二矿下向进路充填法揭露的充填体顶板,（4）小结 以上三个矿山矿石品位及价值相差极大，开采技术条件各不相同，生产规模大小不一，但充填采矿法均能适用各自复杂的开采技术条件，并均获得了良好的经济及社会环境效益，从而为类似矿山提供了成功的范例。,4.结论 我国矿业的特点是点多面广、多种经营模式并存、技术水平参差不齐，既有技术装备水平高、生产能力大、作业效率高的现代大型矿山，同时又存在大量技术装备落后、对资源及环境破坏严重的落后矿山。随着社会经济的快速发展，我国矿业一方面还将为社会生产提供大量的基础原料并获取一定的经济效益，另一方面则必须承担相应的社会责任，合理利用和保护不可再生资源、保护矿区及周边的生态环境，与矿区周边共建和谐社会等。,充填采矿法具有矿床整体开采安全性好、能充分回收矿石资源、地表可得到有效保护、尾废等废弃物可得到最大资源化利用等优点，是将来矿山企业优选的采矿方法，必将得到广泛推广应用。,谢谢,