矿山地下采空区膏体充填理论与技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文矿山地下采空区膏体充填理论与技术研究姓名：丁德强申请学位级别：硕士专业：安全技术及工程指导教师：王新民20070101中南大学硕士学位论文摘要摘要胶结充填技术作为深井、复杂、特殊条件矿床的一种行之有效的开采技术，已有约半个世纪的历史，经历了低强度混凝土胶结充填、低浓度尾砂胶结充填、全尾砂高浓度胶结充填、全尾砂膏体胶结充填、高水速凝尾砂胶结充填等。本文针对地下采空区膏体充填理论与技术进行了系统、深入的研究，主要内容和结论如下：(1)从膏体料浆的重量浓度、屈服应力、流变曲线、可泵性等多方面揭示了膏体的特性。膏体充填料浆在管道中无明显的浓度梯度和速度梯度，是非牛顿流体，其流变模型近似于宾汉姆体，其流动状态为结构柱塞流。(2)膏体充填料浆配合比的优化、充填材料的替代创新、外加剂的添加以及磁化水技术与活化搅拌技术的应用，既保证了膏体充填管道输送的平稳顺利和充填质量，又使整个充填系统取得了较好的经济效果。(3)深井条件下充填体能有效降低围岩能量耗散率和平均矿柱应力，通过建立能量控制采场围岩失稳风险预测的理论模型，计算采场围岩能量，从而实现对采场围岩失稳风险预测，该方法不仅是深井开采安全程度评价的有效手段，也也合理设计和选择深井采场结构参数、充填工艺及材料提供了重要的理论依据。(4)对膏体充填矿山可供选择的两种充填系统的适应性进行了深入分析，并通过临界流态浓度的界定与料浆流态的转化措施的研究，充分论证了膏体自流充填系统将是我国膏体充填矿山应优先选择应用与发展的充填系统。(5)全面分析了自由降落料浆对深井垂直管路的冲击作用机理，建立了料浆在垂直管路中运动的理论模型。满管流输送系统由于料浆对管道的磨损率小、管道所受的压力低，尤其适合深井矿山充填需要。(6)运用数值模拟的方法对膏体满管流输送系统进行了分析研究，重点研究了满管流膏体输送的阻力损失：阻力损失值随管道长度、膏体入口速度、膏体容重和有效粘度的增加而增大，但随管道内径的增加而减小。分析结果与膏体输送理论与现场实践相符合，证明了A N S Y S 软件中的C F D 模块是膏体管道输送的阻力损失计算的有效工具，从而为矿山膏体充填带来了一种全新的直观的数值模拟方法。关键词；膏体充填，两相流，重量浓度，满管流，A N S Y S 数值模拟中南大学硕士学位论文英文摘要A b s t r a c tC e m e n t e db a c k f i l l i n gt e c h n o l o g yi sa ne f f e c t u a lm i n i n gt e c h n o l o g yu n d e rt h ed e e p，c o m p l e x，e s p e c i a ld e p o s i t,w h i c hw a sm o r et h a nh a l fc e n t u r yt h a tg ot h r o u g hl o w-c o n c e n t r a t i o nc o n c r e t ec e m e n t e db a c k f i l l i n g，l o w-c o n c e n t r a t i o nt a i l i n gc e m e n t e db a c k f i l l i n g，t a i l i n gh i g h-c o n c e n t r a t i o nc e m e n t e db a c k f i l l i n g，h i g hw a t e rq u i c ks e H m gt a i l i n gc e m e n t e db a c k f i l l i n g A i m i n ga tp a s t eb a c k f i l l i n go fu n d e r g r o u n dO p e n-s t o p o，t h i sp a p e rp u tu ps y s t e m a t i ca n dd e e pr e s e a r c ht ot h e o r ya n dt e c h n o l o g y M a i nc o n t e n t sa n dm a i nc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ra g es u m m a r i z e da sf o l l o w s：(1)C h a r a c t e r i s t i c so fp a s t es l u r r ya r eo p e n e do u ta ta s p e c t so fd e n s i t y,y i e l ds t r e s s，f l o wC 1 H V e$,p u m p i n g-s u i t a b i l i t ya n ds oo n P a s t es l u r r yh a s h te v i d e n td e n s i t y-g r a d i e n ta n dv e l o c i t y-g r a d i e n t I t sn o n-N e w t o ns l u r r y,c l o s et oB i n h a m-s l u r r yo f s t r u c t u r e-f l o w(2)C a l m-t r a n s p o r t a t i o n,h i g hb a c k f i l l i n gq u a l i t ya n dg o o de c o n o m i ce f f e c ti sg u a r a n t e e db yo p t i m a lp a s t es l u r r yr a t i o，i n n o v a t i o no fb a c k f i l l i n gm a t e r i a l sa n da p p l i c a t i o no f c h e m i c a la d d i t i v e s(3)E n e r g yr e l e a s er a t eo fs u r r o u n d i n gr o c k sa n da v e r a g es t r e s so fp i l l a r sc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yf i l l i n gb o d yi nd e e pm i n e s C o l l a p s er i s ko fs u r r o u n d i n gr o c k sc a nb ef o r e c a s tb ye n e r g yc a l c u l a t e da c c o r d i n gt or i s kf o r e c a s t i n gm o d e li nt h ev i e wo fe n e r g yc o n t r 0 1 T h ef o r e c a s t i n gm e t h o ds u p p l i e sa ne f f e c t i v em e a l a st oe v a l u a t es a f e t yo fd e e pm i n i n ga n de s t a b l i s h e sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s eo fd e s i g na n dc h o i c eo f d e e ps t o p es t r u c t u r e，f i l l i n gm a t e r i a l sa n df i l l i n gs y s t e m s(4)A d a p t a b i l i t i e so fs e v e r a la l t e r n a t i v ef i l l i n gs y s t e m st od e e pm i n e sa l ea n a l y z e d S m d i 懿a b o u tc a l c u l a t i o no fs l u r r yd e n s i t yc o r r e s p o n d i n gt oc r i t i c a lf l o wr e g i m ea n dt r a n s f o r m i n gm e a s u r e so ff l o wr e g i m ep r o v et h a tp a s t eg r a v i t yf l o wt r a n s p o r t a t i o nw i l lb et h em o s ts u i t a b l ed e e pf i l l i n gs y s t e m sw o r t hp o p u l a r i z i n gi nC h i n e s ed e e pm i n e s(5)I m p a c t i n gm e c h a n i s mo ff r e ef a l ls l u r r yt od e e pv e r t i c a lp i p ei sc l a r i f i e d,a n dm o v e m e n tm o d e lo fs l u r r yw i t h i nv e r t i c a lp i p e l i n ei sd e v e l o p e d W h o l ep i p ef l o wt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma d a p tt od c 印m i n e sb e c a u s eo fl o wp i p ew e a ra n dl o wp i p cp r e s s u r e(6)I ti sa p p m v c db yr e l a t i o n a ls t u d yb e t w e e ni n i t i a lc o n d i t i o n sa n dr e s i s t a n c el o s sv a l u e st h a tt h el a t t e ri n c r e a s e s1)v i t l li n c r e a s i n gl e n g t ho fp i p e，a n de n t r a n c e中南大学硕士学位论文英文摘要v e l o c i t y,u n i tw e i g h ta n de f f e c t i v ev i s c o s i t yo fs l u r r y,b u td e c r e a s e sw i l l li n c r e a s i n gp i p e l i n ed i a m e t e r R e s i s t a n c el o s sv a l u es i m u l a t e db yA N S Y SF L O T R A NC F Dm o d e lc o n f o r m sn i c e l yt ot h eb a c k f i l l i n gp r a c t i c e s，s u g g e s t i n gt h a tA N S Y SF L O T R A NC F Di saf a s ta n de f f e c t i v em e a n sc a l c u l a t i n gt h er e s i s t a n c el o s so fp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m I ti sb e l i e v e dt h a ta p p r o a c he m p l o y e di nt h i sp a p e rc o u l dg i v eav a l u a b l er e f e r e n c ef o rr e l a t e dm i n e s K e yW o r d s：p a s t eb a c k f i l l i n g t w o p h a s ef l u i d,m a s sd e n s i t y,w h o l ep i p ef l o w,A N S Y Sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n中南大学硕士学位论文第一章绪论1 1 研究背景第一章绪论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9 0 0,6 的工业产品和1 7 的消费品是用矿物原料生产的；我国9 5 的能源、8 0 0,6 的工业原料以及7 0 以上的农业生产资料也都取自矿产资源【l】。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2 l 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【2】”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 3 1。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5 0 G O r e l 4 1，国内某些矿山开采深度也已经超过1 3 0 0 m。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5 c m 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。1 9 6 5 年年金川有色金属公司龙首矿和凡口铅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1 9 9 7 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2 2 3 7，在黄金地下矿山中采用充填采矿法的比例更高1 5 J。中南大学硕士学位论文第一章绪论1 1 1 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、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 6 1；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 1 7 所示：1 1 2 传统充填技术图1-I 充填技术发展历程(1)废石充填中国早在2 0 世纪5 0 年代以前就采用了以处理废弃物为目的的废石干式充填2中南大学硕士学位论文第一章绪论工艺，废石干式充填法曾在5 0 年代初期成为中国主要的采矿方法之一，如1 9 5 5年有色金属地下开采矿山中该方法应用比例高达5 4 8。随着充填技术的发展，废石干式充填因其效率低，生产能力小和劳动强度大嘲，已不能满足“三强”(强采、强出、强充)采矿生产的需要。因而，自1 9 5 6 年开始，国内干式充填法所占的比重逐年下降，到1 9 6 3 年在有色矿山担负的产量仅占0 7，处于被淘汰的地位。(2)水砂充填1 8 6 4 年在美国宾夕法尼亚的一个煤矿区进行了第一次水砂充填试验，以保护一座教堂的基础安全。随后南非、德国、澳大利亚等国家也先后试验并成功运用了水砂充填工艺。进入2 0 世纪后，美国和加拿大开发了基于采用选厂分级尾砂进行水砂充填的充填工艺，在悬浮液输送固体物料、水力旋流器脱泥等方面取得了进步，实现了低浓度(3 5 刁O)泵压或自流输送的水力充填采矿嘲。我国的水砂充填工艺是从2 0 世纪6 0 年代开始采用，1 9 6 5 年在锡矿山南矿为了控制大面积地压活动，首次采用了尾砂水力充填采空区工艺，有效地减缓了地表下沉；湘潭锰矿为防止矿坑内因火灾，从1 9 6 0 年开始采用碎石水力充填工艺，取得了较好的效果；7 0 年代铜绿山铜矿、招远金矿和凡口铅锌矿等矿山都先后成功应用了尾砂水力充填工艺；孙村煤矿在8 0 年代前后，曾应用水砂充填进行浅部煤层开采；进入8 0 年代后，分级尾砂充填工艺与技术应用更加广泛，安庆铜矿、张马屯铁矿、三山岛金矿等6 0 余座有色、黑色和黄金矿山都推广应用了该项工艺技术【l o】。(3)尾砂胶结充填由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，2 0 世纪6 0,-7 0 年代，中国开始开发和应用尾砂胶结充填技术。在这一阶段尾砂胶结充填技术研究内容主要包括充填骨料的物理力学性质和化学成分对充填体的影响、充填料与围岩的相互作用、充填体的稳定性和充填胶凝材料。这一时期的胶结充填均为传统的混凝土充填，即完全按建筑混凝土的要求和工艺制备和输送胶结充填料，如凡口铅锌矿从1 9 6 4 年开始采用压气缸风力输送混凝土，充填体水泥单耗为2 4 0 k g m 3；金川龙首镍矿亦于1 9 6 5 年开始应用戈壁集料作为充填骨料的胶结充填工艺，并采用电耙接力输送，其充填体水泥单耗为2 0 0 k g m 3。这种传统的粗骨料胶结充填输送工艺复杂，且对物料的级配要求较高，因而一直未获得大规模推广使用，到2 0 世纪7 0-,8 0 年代，几乎被细砂胶结充填完全取代(如凡1：3 铅锌矿、招远金矿和焦家金矿等)1 1 1。细砂胶结充填以尾砂、天然砂和棒磨砂等材料作为充填骨料，以水泥为主要胶结剂，集料与胶结剂通过搅拌制备成料浆后，以两相流管道输送方式输入采场进行充填。因细砂胶结充填兼有胶结3中南大学硕士学位论文第一章绪论强度和适于管道水力输送的特点，自8 0 年代开始在凡口铅锌矿、小铁山铅锌矿、康家湾铅锌矿、黄沙坪铅锌矿、铜绿山铜矿等2 0 多座有色金属矿山得到广泛推广应用【1 2 1。1 1 3 新型充填技术尾砂胶结充填虽然具有较高的生产能力和良好的管道输送特性，但由于使用大量水泥作为胶结剂，使充填成本增加，而且受自流管道输送浓度限制，普通的尾砂胶结充填质量浓度不高(一般7 0 以下)，充入采场后，大量的水份必须通过滤水设施排出，不仅增加了排水费用、污染了井下环境，而且降低了充填体强度。为进一步降低采矿成本，提高充填质量，保护地表环境，2 0 世纪8 0,-9 0 年代，发展了块石胶结充填、高浓度全尾砂胶结充填技术和膏体充填等新型充填技术。(1)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f”】。该方法从7 0 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9 0 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。嗣后充填实质上是向采空区倾卸废石，同时按一定配比注入水泥砂浆或水泥浆，使料浆包裹废石形成胶结充填体。或者将块石与水泥砂浆按照一定的配比分别输送至井下，同时同点下放到采空区自行混合形成胶结体；分层充填是废石经采场充填井下放到充填工作面，用电耙或铲运机平场后，再用胶结料浆浇面以减少矿石损失和贫化。由于分层充填需电耙或铲运机平场，工艺复杂，因此，块石胶结充填更多地应用于阶段空场法、V C R 法、分段空场法、留矿法等大空场采矿法的嗣后充填。块石砂浆胶结充填的块石粒径一般小于3 0 0 m m，砂浆为尾砂浆或细砂浆。它与尾砂胶结充填相比，可以节约水泥6 0，成本降低近5 0，而同龄期抗压强度可提高1 2 倍。根据大厂锡矿的试验结果，其充填能力达2 5 0 m 3 h 左右。4中南大学硕士学位论文第一章绪论块石胶结充填由于块石与砂浆分开输送，利用砂浆的穿透性固结块石，无需搅拌，其充填体强度接近于混凝土胶结充填强度，与混凝土胶结充填相比，充填效率大大提高，工艺更为简单，工人劳动强度大大降低。(2)高浓度全尾砂胶结充填多年来，尾砂胶结充填的主要骨料是分级脱泥尾砂，尾砂分级脱泥不仅降低了尾砂利用率(一般只有5 0 左右)，而且细泥尾砂堆坝更加困难。为了提高尾砂利用率和充填浓度，7 0 年代后期，开始探索实现全尾砂高浓度充填技术的途径。8 0 年代以来，全尾砂胶结充填技术首先在德国、南非等国进行了试验研究，取得了一定成果，并在一些矿山试验应用，如南非的西德瑞方登金矿。全尾砂在井下脱水后，砂浆质量浓度达到7 0 7 8。8 0 年代末期，我国开始在金川有色金属公司和广东凡口铅锌矿分别进行了高浓度(质量浓度为7 8)全尾砂胶结充填技术的攻关试验研究，试验均取得成功，并用于工业生产【t 4 1。该工艺是以物理化学和胶体化学的理论为基础，直接采用选厂的尾砂浆，经高效浓密机和真空过滤机两段脱水获取湿尾砂，应用带破拱架的振动放矿装置和强力机械搅拌装置，将全粒级尾砂与适量的水泥和水合成高浓度的均质胶结充填料，以管路输送、宾汉流体的方式充入采场。尾砂流量、水泥流量、加水量和混合料的质量浓度等参数均由微机处理系统自动检测。全尾砂胶结充填的尾砂利用率达到9 5 以上。该技术的成功应用，解决了许多矿山充填料不足的问题，而且有效地避免环境污染，大大减少尾矿库筑坝费用。但该工艺需用机械方法进行浓缩、过滤，工艺复杂，成本较高。中南大学与水口山矿务局合作进行了立式砂仓内化学方法直接快速浓缩全尾砂工艺研究，试验获得成功，已在水口山矿务局成功应用多年，并已经申请了发明专利。(3)膏体泵送充填传统的水力充填工艺，料浆浓度很难提高到7 0 0,6 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1 9 7 9 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8 5 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3 0 m 处安装一个4 5 0 角的喷射头，由压风吹入干水泥，使之与膏体混合。中南大学硕士学位论文第一章绪论澳大利亚于1 9 9 7 年8 月建成的大型矿山卡宁顿(C a n n i n g t o n)矿，就采用了膏体充填系统，芒特艾萨(M o u n tI s a)矿业公司为开采所属的3 5 0 0 矿体，也于1 9 9 8 年底建成了一个膏体充填系统；在加拿大，1 9 9 2 年萨德伯里地区(S u d b a r y)的克莱顿(C r e i g h t o n)矿首先使用膏体充填技术，随后有1 0 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、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【1 6 I 旧。在我国，金川公司于1 9 9 1 年就建立和鉴定了膏体充填试验系统，并于1 9 9 6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【埔】。(4)高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【1 9】。该工艺2 0 世纪6 0 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2 0 世纪8 0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8 0 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3 0 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，1 h 实现初凝、2 h 内不用脱水便可凝结成固态充填体，8 h 即可上设备作业。为解决高水速凝充填需双管路输送，甲、乙两种固料配比要求严格的技术难题，北京有色研究院等科研院所携手合作，研制成功了高水基单浆胶凝材料。这种胶凝材料由磨细(细度不大于4 0 0 m 2 k g)的硫铝酸盐特种水泥熟料、硬石膏、生石灰及各类添加剂按一定比例混合拌匀而成，简化了工艺流程，成本降低3 0 左右1 2 0 。中南大学开发了铁铝型高水速凝材料，解决了硫铝酸盐特种水泥来源有限的难题。实践证明，高水速凝充填虽然存在许多不足之处，如充填料输送、混合工艺复杂；高水材料配比要求严格，否则会造成不凝固的现象；在干燥条件下充填体易失水粉化；高水材料来源困难，充填成本高(1 0 0 1 2 0f r d m 3)等。但该材料可以有效地解决金属矿山水泥胶结充填采矿中长期存在的胶结充填作业中分级制浆复杂，井下采场脱水困难，不易平场，充填体强度低，矿石损失贫化率高，采场生产能力低等一系列技术难题，为更好利用全尾砂充填开辟了一个全新的领域，也为研制材料来源广泛、成本较低、性能更好的新型高水速凝材料奠定了基础。6中南大学硕士学位论文第一章绪论1 2 国内外膏体充填技术的应用与研究现状及发展趋势1 2 1 国内外膏体充填技术的应用与研究现状【2 1】2 0 世纪6 0 年代初期，胶结充填技术已开始在金属矿山应用。1 9 5 9 年加拿大镍矿开始在上向分层充填采场内试验用水泥砂浆取代充填料上的铺板做工作底板；1 9 6 0 年加拿大国际镍公司开始试验用波特兰水泥固结水砂充填料的技术，并于1 9 6 2 年在F r o o d 矿投入生产应用。在此以后的6 0 年代，世界掀起了试验研究胶结充填技术的浪潮，围绕充填材料选择、优化配比组合、物理化学特性、充填料管道水力输送流体力学、充填体与围岩相互力学作用机理等进行了大量的试验研究，推动了胶结充填采矿技术的长足发展和广泛应用。特别要强调的是，胶结充填采矿技术与无轨自行设备相结合，不仅使古老的充填采矿法面貌一新，还使其进入了高强度、高效率、高回收率(即“三高”)的现代化采矿之列。到了2 0 世纪8 0 年代发达国家对环境保护要求越来越严，纷纷制定了环境保护法，要求露天矿坑采后复垦，井下开采的矿区固体废物(尾矿、废石等)必须妥善处理，违者罚款、停产治理。例如由于生态环境保护要求澳大利亚几乎不用崩落法采矿。特别重视环境保护的国家制定了对有利于生态环境保护的举措给予奖励的法规，例如德国煤矿发展坑口电站，将产生的粉煤灰回填到井下，每吨奖励5 马克。世界上采矿业比较发达的国家，采用胶结充填采矿法的比例迅速增长，如加拿大采用充填采矿法的比例已经达到4 0 以上，加上空场法嗣后充填，总量达到7 0-8 0。世界上著名的南非金矿开采深度已达3 0 0 0 r a 以上，岩爆十分频繁，现在大多采用充填采矿法和长壁空场嗣后充填采矿法进行回采和实施“区域性支护”措施来控制上下盘闭合，以减少岩爆事故的发生圈。8 0年代中期以来，膏体泵送充填技术发展很快，南非库克3 号等四大金矿在生产中大规模使用了膏体充填。矿山膏体充填技术在国内外日益引起注意和重视。在我国，金川公司正在建设一套生产运行的部分分级尾砂加碎石集料的膏体泵送充填系统 2 3 1，设计地表制备7 0 重量浓度的水泥浆经P M 泵送至井下混合，并又一次从德国斯维茵公司引进2 台K S P-1 4 0 H D R 型裙阀充填泵，采用串联布置，泵送距离2 4 0 0 m。出口泵压1 3 M P a，理论排量1 2 8 m 3 h。武山铜矿也在建设碎石全尾砂膏体泵送系统 2 4 1，引进了2 台P M 公司K O S 2 1 6 0 型S 阀充填泵。铜禄山铜矿采用全尾砂加水淬渣的膏体泵送充填工艺，引进了2 台德国S c h w i n g 公司生产的K S P 5 0 R 型盘阀充填泵。一般来说，对全尾砂而言固体重量浓度在7 0 以下为水砂充填料，浓度在7中南大学硕士学位论文第一章绪论7 0 0 一7 5 为高浓度充填料，浓度在7 6,-8 2 才成为膏体充填料。但由于各矿山尾砂颗粒级配的差异以及尾砂物理性质的不同，上述分类是相对的。有的全尾砂并不能形成膏体充填料，此时需要与天然砂或碎石等其他物料相混合，坍落度应在1 0 1 5 e m，对碎石与全尾砂相混合的膏体，坍落度应在1 5-2 0 e m。膏体充填系统有一系列优点，如可使用全尾砂，充填体不需要脱水，因而井下无充填污染，也节省了排水费用，充填体强度高且水泥消耗量少，充填体易于接顶，有利于采场稳定和采矿作业安全等等。但该系统目前也存在一些缺点，如充填系统投资高，充填倍线要求大或需大功率泵送设备，充填管道容易堵塞等瞄】。1 2 2 膏体充填技术与理论的发展趋势(1)膏体主要材料替代研究在国内外充填采矿中，传统的低浓度胶结充填和近十几年出现的高浓度全尾砂胶结充填、块石砂浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填，其胶结剂主要是普通硅酸盐水泥。使用普遍水泥作充填胶结剂的矿山，充填成本过高，其主要原因就是使用了大量高价的水泥作胶结材料。据统计，充填成本占采矿成本的1 3 左右，充填成本中充填材料又占8 0 以上，而水泥在胶结充填成本中占3 0 6 0。昂贵的充填成本不仅给矿山造成很大的经济压力，而且严重制约了充填采矿技术的应用和发展。因此，在不降低充填体强度的情况下，降低水泥单耗量或寻求水泥代用品，是充填技术的主攻方向阑 2 7 1 例。国内外的研究及应用实践表明，冶炼厂水淬炉渣、火力发电厂粉煤灰、铝厂赤泥，都是性能良好的水泥替代品。尤其是粉煤灰，除了可部分替代水泥降低充填成本外，还可以改善浆体流动性能，提高浆体悬浮性，因此应用更为广泛。目前，芬兰奥托昆普公司所属的维汉蒂等矿，已用高炉渣取代了9 0 的波特兰水泥。在另一些情况下则用粉煤灰取代7 0 的水泥；加拿大基德克里克矿的试验与应用表明，高炉渣或粉煤灰至少可取代3 0 6 0 的普通硅酸盐水泥；前苏联国家和南非的一些矿山也在研究水泥替代品方面取得重大成果。根据中南大学在安徽铜陵新桥硫铁矿、湖南柿竹园有色金属矿、湖南水口山矿务局、贵州开阳磷矿等进行的试验研究成果，添加粉煤灰后，充填体固水性能明显提高，泌水率仅为4 左右，与普通胶结充填(泌水率一般为1 2 1 5)相比，降低6 0 左右。(2)充填技术发展趋势【2 9】从充填工艺的发展历程，可以看出其技术不断推陈出新，以满足矿山开采工艺的需求，提高开采经济效益，确保作业安全。未来充填工艺技术的发展趋势是：1)全尾砂充填方向传统的水泥胶结充填采用分级尾砂，含泥及细粒级尾砂被排放到尾砂库。一8中南大学硕士学位论文第一章绪论方面增加了库坝的维护费用，另一方面造成环境污染。现代充填技术不仅考虑采矿工艺的需要，还要考虑矿山开采废弃物的综合利用与处理，环境保护，减少污染的社会要求，实现无废开采。因此，应完全、彻底地将全部尾砂用于井下回填【3 0】。2)高浓度输送充填方向高浓度充填可以减少胶凝剂的用量，降低充填成本，减少采场的脱水量，增大充填料浆的有效利用率，提高实际充填能力，明显改善充填体的物理力学性质，提高充填体强度，有效控制地压，提高充填作用效果，同时减少井下环境污染【3 l l。3)研制新型胶结材料，新型胶结材料既满足使用全尾砂充填要求，又要达到采矿工艺所需的强度，同时要材料来源广泛，生产成本低廉。因此，新型胶结剂的开发与研制将是未来充填技术进步中地位最重要，发展潜力最大，前景最广阔的研究内容，它是充填技术发展水平的重要标志，目前已开始应用有一定活性的工业废弃物如炉渣，粉煤灰等为胶结剂的主要组分。既满足了充填技术要求，又综合利用了工业废弃物，走上了良性循环的发展道路【3 2 l 3 3 1。(3)充填管道水力输送理论的发展刚 3 5 1近2 0 年来由各大专院校科研设计院所编著出版了一批矿山充填专著，结合矿山尾矿输送和充填工艺技术特点，都有专门章节重点论述了管道水力输送的基本理论和计算方法，特别是对高浓度浆体和膏体(结构流)管道输送理论有了新的发展。因此深井充填的物料输送方式选择以管道输送浆体物料方式为主，其他输送方式为辅。选择充填输送方法要遵循以下原则：1)满足采矿安全的要求；2)有利于环境保护；3)充填材料来源应就地就近取材：4)充填工艺流程合理，运行可靠；5)经济效益最优。水力输送是将固体物料制成浆体或膏体，在重力或外加力的作用下输送，输送距离从几十米到数百公里不等。具有效率高、成本低、占地少、无污染、不受地形、季节和气候影响等特点。近2 0 年来，我国浆体管道输送的试验研究特别是高浓度料浆管道自流输送工艺技术，已达到国际先进水平。随着短距离(矿山充填)与长距离浆体管道输送技术的发展，浆体管道输送理论亦得到发展并日渐成熟。矿山充填料管道输送不同于其他管道输送，有其自身的特点：1)所输物料成分复杂，既有单一物料输送，又有多种物料混合输送，还9中南大学硕士学位论文第一章绪论有掺有胶结材料的胶结料浆输送。运输物料除分级尾砂和全尾砂外，还有河砂、海砂、冲击砂、风砂、棒磨砂、水泥、粉煤灰、冶炼炉渣等；2)充填骨料粒径变化范围大，水砂充填的骨料粒径为0 8 0 m m，砂浆充填的骨料粒径为O l O m m，尾砂充填的骨料粒径为0 O 1 m m；3)输送浓度差别大，一般水砂充填的质量浓度为3 0 5 0，尾砂充填料的质量浓度为7 4,-,7 8 膏体充填的输送浓度达到7 5-8 8；4)输送距离长，相对高差大，尾砂供料管路长度通常在5 k m 以内，最长不超过2 0 k i n，充填管路的高差从6 0 0 m 到两三千米不等；5)井下充填绝大多数采用重力自流；6)浆体正常流动的持续时间