冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨.doc

冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨报告题目： 冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨报告人：惠林1冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 一、研究好尾矿的物理化学性质是搞好胶结充填的前提二、尾矿特性决定制备设施的选择三、控压助流技术是实现全尾高浓度连续充填的关键四、絮凝剂添加及对放砂浓度的影响五、充填体强度的确定及其影响因素六、采场接顶技术的探讨七、新型胶凝材料与添加水泥的试块强度比较与研究主要内容2冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 充填材料的物理力学性能及化学成份不仅对充填参数，如全尾砂比重、容重、孔隙率、全尾砂粒级组成，全尾砂化学成份，稠度、粘度等，有着重要影响，而且若其中存在有害成份，污染井下环境，则不能用作充填料。 一、研究好尾矿的物理化学性质是搞好胶结充填的前提 因此准确测定尾砂充填料物理力学性能和化学成份及其含量，得出正确的结论，并据此对充填料作出定性分析，选择适宜的制备、输送设备、脱水设施和输送方法，是尾砂充填最重要的基础工作。3冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 充填材料的比重、容重、粒级组成和孔隙率，对水力输送、充填质量和充填能力都有直接的影响。 充填料的容重和孔隙率是随着充填料的压缩程度不同而发生变化，孔隙率越大，压缩系数也越大，而物料强度则越小。 自然堆积的充填料，其松散容重最小，孔隙率最大；充入采空区形成充填体后，随着水的排出和时间的延长，并在自重作用下，充填体逐渐沉缩，孔隙率相应减小，而容重增大。4冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 良好级配的充填料，应该是孔隙率最小，密实性最大，并能保证有良好的承载特性和必要的渗透率，从而使充填料细颗粒成分损失最小。1、普遍认为，粒级组成的最佳级配应该符合塔博方程式： d60/d10=45 式中:d60-粒经为60m的颗粒含量； d10-粒经为10m的颗粒含量。2、对于尾矿粒级组成比较均匀，而不均匀系数（d60/d10，粒级组成曲线上累积含量60%时对应的颗粒粒径与累积含量10%时对应的颗粒粒径之比）为23时，属均匀的粘土类，制浆时易于混合，便于管道输送，充入采场后，将有利于减少水泥的离析；5冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 在自流输送过程中，选择适宜的高浓度料浆对于充填过程中顺利的输送是十分重要的。 对于粘度低的充填料，或说对于含水量过高的充填料，固体将因沉淀而引起堵塞；而对于粘度高或含水量很低的充填料，摩擦阻力过大也会引起堵塞。6冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨二、尾矿特性决定制备设施的选择 常见的固液分离技术主要分为二类，即沉降分离与过滤。其中，重力沉降借助自然力，少用能源，最为经济，是较好的固液分离工艺技术，虽系弱沉降分离，但广泛作为固液分离的首选手段；离心沉降、真空过滤、压滤、离心过滤等都是较强的分离手段，但因需借助外力，要消耗较多的能源，从长远看，不可取。 极细粒级的尾矿由于其饱和浓度较低，在充填设备的选择上一般宜采用卧式砂仓或深锥浓密机，对于较多的金属矿山，如有色金属和铁矿因选矿工艺和尾矿特性大多数采用立式砂仓较多。 为降低能源消耗，立式砂仓料浆的固液分离主要是采用重力沉降，立式砂仓类似选厂的浓缩池或沉降槽，与之相比，其高度增加、直径变小。这二者的变化，一利一弊。有利的一面是立式砂仓高度增加，使砂仓底部尾砂压缩区增大，尾砂沉降后可延长尾砂压缩时间，提高仓底尾砂浓度，即增大仓底放砂浓度，该浓度远大于浓缩池或沉降槽底的浓度；弊的一面是立式砂仓直径减小，给仓顶尾砂的固液分离增加了难度。7冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 现代选矿工艺要求尾砂粒级组成越来越细，选厂尾砂由仓顶进入立式砂仓后，由于砂仓沉降面积不大，仓顶周边溢流中常含有大量细颗粒，特别是当沉降面逐渐上升后，溢流浓度将越来越高，严重影响仓顶溢流的排放。因此，在尾矿制备过程中注重以下几个问题： 延长沉降路径+絮凝沉降是实现全尾充填的有效途径； 实现静态沉降是实现极细粒级尾矿沉降充填的重要方法； 溢流澄清是检验全尾充填的重要标准为提高尾砂的沉降速度，在尾砂浆中加入了絮凝剂，确保仓顶溢流澄清脱水效果。8冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨三、控压助流技术是实现全尾高浓度连续充填的关键 高浓度尾砂具有固体兼液体的特性，如果总试图用牛顿流体的类似方法通过确定某种特定状态下流体的粘度来描述流体的流变性能，就容易在理论上和实践上造成一些误解或困难。如宾汉流体方程，在某些情况下，流体的本质内因被隐含起来，不利于对流体力学属性本质进一步深入认识。式中：管壁切应力(Pa)； o 初始剪切应力(Pa)； s 粘性系数（Pas） u孔隙压力(Pa)； 内摩擦角（）； 总法向应力(Pa)式中： 管壁剪切应力(Pa)； 0 初始剪切应力(Pa)； 粘性系数(PaS)； du/dy 剪切速率(S-1) 利用一些基本力学规律，并参考土力学中的一些观点和方法，提出了一种新的流体力学模型：9冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 孔隙压力可以分为三种基本类型，分别为初始静孔隙压力、初始超孔隙压力、剪切作用产生的孔隙压力。 新的流体力学模型可以理解为，浆体由很多固体颗粒组合成，部分固体颗粒彼此接触，其中的间隙充满或充有液体或充有水，这样就存在着孔隙压力的问题，即总法向应力一部分通过固体颗粒直接传递给固体颗粒，另一部分应力（大小为u）由固体传递给液体，或再由液体传递给固体。前一部分力按固体相对滑动来考虑，后一部分力可以类似按牛顿流体来考虑。控压助流的关键技术是： 1、进出平衡是全尾砂高浓度连续充填的关键； 2、弱化风水造浆有助于充填浓度的提高； 3、在一定条件下，充填能力与立式砂仓容积无关； 4、自动化控制程度决定充填质量；10冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨四、絮凝剂添加及对放砂浓度的影响 根据尾矿性质的不同，为尽量的减少水的二次污染，通常采用有机高分子絮凝剂进行水处理，这是由于絮凝剂的分子结构决定的，由于絮凝剂架桥能力强而显示出在水处理中的优越性。 实验表明，添加絮凝剂可提高水质的纯净度，降低水中附着物的含量，可提高尾矿料浆的沉降速度， 但不能提高尾矿的饱和浓度，试验得知，添加絮凝剂的尾矿饱和浓度不会高于不加絮凝剂的尾矿饱和浓度，11冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 在絮助凝剂的情况下，矿浆能以最快的速度形成较大絮体并沉降，达到快速沉降的目的，与此同时，获得了清澈的溢流口出水，也正因为获得了大量的絮体，使矿浆的沉降时间延长，从而最终获得了连续且稳定的高浓度底流矿浆，给下一步充填工作提供了较高矿浆浓度的保证。12冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨13冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨14冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨15冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨五、充填体强度的确定及其影响因素 胶结充填体的强度和成本，主要是尾矿自身的性质、充填料浆浓度、胶结材料的选择等多方面因素决定的，因此，深入的进行不同类型的尾矿研究，选择不同的胶凝材料是非常重要的，而对充填体强度而言，不同的采矿方法和不同的采矿步骤对充填体强度要求是不同的，总体而言，研究发现，充填体的强度要求，应根据不同采矿方法和不同的回采步骤，确立充填体高度、宽度、密度之间的函数关系。16冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨1、根据不同的采矿方法和采矿步骤时，在考虑是否是最大有效垂直高度还是有效高度增加值时，要考虑破坏的方位是否是垂直（沿倾斜方向）的重要还是垂直/倾斜兼有的重要。通过大量的试验和实践证明，对于深孔崩矿采场的充填体非侧限抗压强度取700kPa。这一强度可使充填体的自立支撑高度达60m左右。2、尾砂胶结充填体抗压强度符合弹塑性模型，达到强度极限破坏后，仍可维持相对较高的残余强度，有利于采矿安全，但其劈裂强度得力应变曲线基本没有塑性变形阶段，达到极限劈裂强度值即破坏，丧失继续承载能力。因此，在采场布置和回采顺序确定时，应尽量避免在充填体中出现拉应力集中。3、对于尾矿胶结充填来说，传统意义上认为分级尾砂的强度比全尾砂充填体强度要高，这一结论是不正确的。通过对大量的分级尾砂和全尾砂进行试验表明，尾砂的级配是否合理，是胶结体强度高低的又一重要影响因素，对于级配合理的胶结体强度不一定低于分级尾砂，这就相当于制备混凝土过程中要获取较高强度的混凝土，就必须添加不同粒径的骨料，道理是一样的。17冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 由曲线图可以直观的看出，随着组成颗粒比表面积的增大，充填体强度有增大的趋势。其原因在于随着比表面积增大，尾砂吸附能力增强，水泥活性物质的大量附着增加了充填体凝结硬化的效果，从而表现出具有相对较高的强度。在大体上比表面积较大的情况下，含有一定级配条件下，可使充填体颗粒级配得到优化，孔隙得到填塞，形成较为稳定的力学构架，因而充填体强度可以得到相应的提高。18冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨4、灰砂比的概念（重量比）：对于胶结充填来说灰砂比对胶结充填体的强度有着重要影响，灰砂比大，充填体的强度越高，灰砂比越小，则强度越低，但是对于细粒级的尾矿来说，同样的灰砂比其强度值却大大降低，这是因为对于单位体积的充填体来说由于孔隙率的原因，胶凝材料含量不一样。5、充填体要有足够的弹性，特别是对大孔采矿来说，以便经得起直径165mm炮孔的爆破效应。5、在充填过程中，特别是高硫尾矿，硅酸盐水泥不是好的胶凝材料，在高硫尾矿中，由于硫的存在而使充填体强度大大下降。6、充填体必须有足够的强度，以确保生产井随回采的进展而总体稳定。在深孔崩矿采区，由于矿体宽度达1040m，所以整个充填体发生应力重新分布，事实上，这是不可能的。随着回采的进展，应力将分布到倾向稳定主矿柱、未采部分矿体和边界围岩。19冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨充填体试样单轴压缩的最终破坏形式可归纳为以下四种：（1）充填体试样沿轴向存在相当多的劈裂面，但有一个贯穿整个充填体试样的剪切破坏面。某些充填体试样除主剪切面之外还存在少量的局部剪切破坏面。由于充填体的抗拉强度很低，所以就破坏面而言以张拉为主，有时甚至掩盖了剪切破坏面；（2）两个相互连接的剪切面共同实现对充填体试样的贯穿，充填体试样中也存在沿轴向的劈裂面；（3）充填体试样一端为破裂圆锥面，在锥顶产生沿轴心的张裂破坏。这种情况较少，充填体试样两端同时出现破裂圆锥面的情况是很少发生的；（4）充填体试样侧面出现类似于“压杆失稳”的岩片折断破坏。20冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨六、采场接顶技术的探讨 充填采空区是地压管理的重要方法，很多矿山由于采空区充填过程中，未能接顶导致围岩移动，地压活动频繁，片帮冒落严重，给矿山安全生产带来极大的难度，特别在多步骤地下开采活动中，因采空区不能接顶，造成采切工程施工难度大，资源贫化损失大，安全生产受到极大的威胁，因此，通过自流输送解决采空区接顶技术难题，消除安全隐患，有着极其重要的意义。1、 尾矿性态对充填接顶的影响2、 全尾砂自流接顶技术和充填体承载技术的研究3、可采用的接顶方法21冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨1、 尾矿性态对充填接顶的影响 在尾砂充填过程中，特别是胶结充填接顶过程中，为达到充填体与采空区顶板做到无缝连接，它要求在接顶前必须对胶结充填料浆的组份、性能、流动性、和易性、孔隙率、渗透系数、凝结时间等性能进行大量的试验，掌握和分析尾矿充填料浆详实的各类物化参数，对浆体的流动性能、管道的阻力损失（水力坡度）等作出定量的分析计算，通过试验和分析计算结果，设计出充填接顶所需要的充填接顶临界管道直径、临界浆体流速、输送能力等指标，通过添加不同的添加剂或胶凝材料，调节和改善浆体在管道中的悬浮状态、改善浆体流动特性。22冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨2、 全尾砂自流接顶技术和充填体承载技术的研究 管道自流接顶属于典型的固-液两相流，两相流理论成为指导充填系统设计和充填接顶的重要理论基础，管道自流输送系统的设计要求对浆体的流动性能、管道的阻力损失（水力坡度）等作出定量的分析计算。为满足生产实际需求，国内外对两相流理论进行了较深入的研究。 根据不同的物料性质及输送条件，提出了各种水力坡度计算的经验公式，比较著名的如尤芬公式、纽伟特（Newitt）公式、卡尔斯公式、金川公式、鞍山黑色金属矿山设计院公式、陕西水科所公式等；根据浆体在管道中的悬浮状态对浆体输送性能的影响，提出了改善浆体流动特性的途径。23冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨3、可采用的接顶方法 充填系统设计所需要的临界管道直径、临界浆体流速、输送能力等指标都有比较可靠的计算方法，在取得可靠的计算数据后，可采用以下方法进行接顶。对于粒度较细，尾矿比重较大、流动性较好的充填料浆充填浓浆浓度可增大至75%左右，这类采空区的接顶可采用高浓度，分多次接顶，为防止充填挡墙受到剪切破坏，挡墙位置一次充填高度限定为1.3m。，采场充填至采场顶板0.30.5m时停止充填一段时间到充填体完全凝结，为保证料浆的流动性和强度，其灰砂比以1：61：10为宜；无论是采用何种方法接顶，其接顶充填管必须悬挂在安全的采空区最高地点，在设计充填孔时必须根据尾砂的流动性，保证充填接顶密实，采空区必须在最高点设计两个以上充填钻孔；采场充填接顶时，要严格控制充填量，为加强充填空区的料浆排水和养护，充一天养护一天，限量充填。24冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨3、可采用的接顶方法接顶时，可根据胶结面的平整度适时调换充填钻孔，充填时应保证充填面水平，保证胶结面（或砂面）平整；采场充填结束后，应对采场是否接顶进行确认，确认的主要方法有二种，即根据充填设计，通过充填钻孔对接顶地点进行实测，如采用测绳，辅助方法有：检测钻孔内是否有空气流；详见下图25冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 采用上述接顶方法，冬瓜山铜矿的采场接顶率达到98%以上，基本上每个采场都达到了无缝接顶的效果，有效的保证了二步骤及三步骤的回采安全。3、可采用的接顶方法采场接顶时，要加强对充填空区的观测，如检测充填钻孔（含空区冒落情况）、检测充填体水平，检查空区内空气流动情况，一般来说，空区充填接顶的特征是，除测量钻孔外，还有钻孔内无空气流动，最后一次充填接顶时间不超过十分钟，即似原料浆浓度溢出。26冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨七、新型胶凝材料与添加水泥的试块强度比较与研究 通过大量的实验室实验，利用工业废渣钢渣、粉煤灰、矿渣、粉煤灰、硅灰和一些建筑垃圾等配制的新型胶凝材料抗压强度，在同一环境、同一灰砂比、同一浓度条件下，其胶结充填体的抗压和抗剪强度高于水泥，这是由于这种胶凝材料各组份之间的级配和胶凝材料水化所生成的硅酸钙凝胶较多，浆体密实性好，减少了水泥的水化热，抗硫酸盐侵蚀性好，特别是在集料含硫时(如含硫尾砂)，具有更强的与全尾砂的胶凝能力，充填集料粒径越小，这种优势越明显。新型胶结材料具有四种效应：火山灰活性效应形貌效应微充效应叠加效应新型胶结材料的三大主要功能 各组份的叠加功能改善充填料浆的流变功能提高充填体强度和抗硫酸盐功能27冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨 因此，对于胶凝充填来说，利用工业废渣和炼铜炉渣不失为一种降低水化热、提高充填体强度的重要方法,低温高强的胶凝材料是保证井下工作环境、降低充填作业成本，提高充填质量的一条重要途径。28冶金矿山尾矿胶结充填关键技术的探讨谢谢大家！29