矿山固体废物胶结充填技术

矿山固体废物胶结充填技术国家金属采矿工程技术研究中心主任第八届国际充填委员会主席中国有色金属采矿学术委员会主任国家863计划固体矿产资源主题专家周爱民博士联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]提纲矿山充填体作用矿山充填发展背景结构流全尾砂胶结充填技术膏体泵送充填技术废石胶结充填技术充填技术发展趋势矿山充填体作用结构作用力学作用增效作用辅助作用吸收热和隔热接触支撑作用矿柱保护作用采场作业平台应力隔离作用减少废石提升预防控制岩爆爆破降震作用充填体的作用区域地压控制矿山充填体作用采场底板采场顶板构筑采场结构矿山充填体作用充填体力学作用矿柱地压胶结充填体地压矿房回采过程拉底上采总变化量矿柱应力变化量（kg/cm2）20～4010～2530～60占总变化量（%）62～6733～38100矿山充填体作用充填体力学作用矿山充填发展背景矿山充填与资源利用矿山充填与矿区安全矿山充填与生态环境矿山充填与矿山效益矿山充填发展需求复杂难采矿床开采矿山区域安全矿山企业效益两型开采提高资源回采率保护表外资源保护远景资源固体废物资源化利用矿山充填与资源利用矿山充填发展背景消除尾矿库溃坝和废石场泥石流灾害减少尾矿库与废石场灾害机率控制区域地压和采场地压活动消除采空区塌陷事故减少采场片帮事故控制岩爆矿山充填与矿山安全矿山充填发展背景矿床开采的固有属性破坏地球和生态传统的企业经济观开采资源、丢弃资源与废料崩落法、空场法开采技术的固有属性造成地表破坏、废石场和尾矿库排放废料环境治理方案末端治理矿山充填发展背景矿山充填与生态环境保护地表不遭受塌陷破坏与废物堆存破坏生态环境保护原生化大宗量资源化利用固体废物废物减排最大化生态修复实时化矿山充填发展背景矿山充填与生态环境矿山充填与矿山效益充分条件提高回采率增量，降低贫化率获益利用废料增量，减少或消除尾矿库、废石场构筑和减少末端治理工程获益在经济平衡，甚至新增效益的经济条件下，才能有效地促进矿山充填的推广应用矿山充填发展背景y=P×D－C/γ+E不考虑E项：单方充填体成本60元/m3、吨矿价值为250元/t、采矿贫化率减量8％时，矿山充填可实现效益平衡E项：尾矿库、废石场构筑与末端治理费、搬迁费用D(%)0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.0000.050.10.150.20.25P(元/t)C=60不考虑EP=200不考虑ED（％）02040608010012014000.050.10.150.20.25C(元/立方米）矿山充填发展背景矿山充填与矿山效益以充填采矿为基础，建立协调发展的矿产开发目标与评价模型以最小的废料排放量和对环境的破坏量，获取最大资源量和企业经济效益，最大限度地减少矿业对环境的负面影响，最大限度地减少资源损失和最大限度地实现资源循环利用资源与环境最小损益率评价模型QqQQ)(1矿山充填与矿山效益矿山充填发展背景理想开采模式矿业开发系统以完全循环的方式运行，真正成为可持续的形态现实应用模式把矿山的各个工序作为一个系统对待，结合开采工艺过程，将矿山充填作为提高资源利用率、循环利用矿山废物和减少矿床开采对环境造成破坏的有效手段矿山充填发展背景全尾砂充填特点全尾砂脱水结构流料浆活化制备结构流料浆输送结构流全尾砂胶结充填技术全尾砂充填基体特性物料特性：理化、沉缩胶结特性：固结、活化工业特性：流态、胶结结构流全尾砂胶结充填技术全尾砂充填料理化特性细粒物料比表面积大容易离析分级颗粒黏着力强水的渗透率低管道磨损力弱结构流全尾砂胶结充填技术包括：矿物成份、粒级组成、渗透系数、密度、体积密度、孔隙率等硫化物影响增加尾砂的稠度，自胶结作用使胶结充填体获得较高的强度硫化矿物的氧化会产生硫酸盐，导致胶结充填体强度的损失粒级组成与渗透率具有关键作用最大沉缩浓度静置沉降时能达到的最大浓度临界沉降浓度固体颗粒由沉降转为压缩沉降、沉缩速度全尾砂沉缩特性结构流全尾砂胶结充填技术沉缩：由于颗粒细、浓度高、料浆稳定性好，充入采场后没有粗细颗粒的相对运动，只是就地沉降水泥水化胶凝：水泥颗粒均化分散在全尾砂充填料中，与水发生反应起到胶凝作用泌水密实：在缓慢的泌水过程中，部分水逐渐被析出后，充填料颗粒间的密实度提高全尾砂固结特性结构流全尾砂胶结充填技术高浓度全尾砂及其与水泥的混合物料，在相对静止状态下呈固体性质，是一种具有触变性质的分散系振动与强力机械作用，破坏全尾砂料颗浆粒赖以组成整体介质的水膜和分子间的粘结力，使颗粒间的内聚力急剧减小，将混合料浆的固体分散体系稀释成具有流动性的溶胶状态，使胶结料微粒均匀分布强力迫使水泥微粒互相碰撞，从表面逐层脱落水合产物和再结晶产物，从而暴露出新的表面层又继续产生水合作用，加速水泥颗粒的分散与水化全尾砂料浆活化特性结构流全尾砂胶结充填技术结构流全尾砂胶结充填技术胶结充填结构流、似结构流充填泌水固结：在采场不存在大量脱水，充填料浆泌水固结料浆类型充填物料的平均粒径（mm）结构流临界浓度（%）重量浓度体积浓度水泥尾砂料浆0.05470～7147水泥风砂料浆0.21376～7754.8水泥磨砂料浆0.6157755.5全尾砂充填工业特性充填料制备全尾砂脱水、全尾砂造浆、全尾砂胶结料搅拌混合充填料管道输送自流输送、井下增压输送、泵压输送采场充填工艺结构流全尾砂胶结充填技术全尾砂充填工艺特点三段脱水流程：旋流、沉降、过滤三段脱水流程：浓密、沉降、过滤两段脱水流程：浓密、过滤两段脱水流程：浓密、沉降一段沉降脱水流程一段浓密脱水流程全尾砂脱水结构流全尾砂胶结充填技术结构流全尾砂胶结充填技术浓密储存过滤搅拌转运造浆传统工艺浓密—过滤机械造浆水气造浆压气造浆盘式真空过滤机外滤式圆筒真空过滤机水平带式真空过滤机移动室带式真空过滤机固定室带式真空过滤机滤带间隙运动型和连续移动盘型真空过滤结构流全尾砂胶结充填技术结构流全尾砂胶结充填技术卧式仓沉缩脱水压气造浆立式仓浓缩脱水压气造浆结构流全尾砂胶结充填技术结构特点无耙架、自流放砂高径比大（1:2）底锥倾角大（60º）给料井深度较大，底口达到澄清界面以下工艺特点添加絮凝剂，提高沉降速度给料井自稀释作用厚压缩层保证底流浓度微细粒尾矿浓缩高浓度浓密机浓密旋流、沉降、过滤尾矿旋流器底流进入砂仓获得高浓度粗粒级尾矿旋流器溢流过滤获得滤饼高浓度粗、细粒级混合搅拌结构流全尾砂胶结充填技术全尾砂充填料活化搅拌活化搅拌机双轴搅拌机结构流全尾砂胶结充填技术料浆流变参数:τ0和μB水平环管测定法:和VLpD4BwD8340p全尾砂充填料管道输送结构流全尾砂胶结充填技术倾斜管道测定法：ν重量浓度Cw(%)69.9472.6575.7577.35密度ρ(kg/m3)1878.91945.22027.02027.0屈服应力τ0(Pa)6.503212.071314.17538.1066塑性粘度μβ(Pa·s)0.05710.09013.07734.38152220212101sin424348sin424348DghLDDDghLDDBB全尾砂充填料管道输送结构流全尾砂胶结充填技术自流输送泵压输送联合输送输送方式结构流全尾砂胶结充填技术自流输送的特点与应用条件料浆流动性定量指标：τ0和μB料浆流动性综合指标：塌落度全尾砂样品dp=0.085mmdp=0.075mm浓度（%）757880707275塌落度（cm）26～6.520～217.3～7.923.6～2420.58.0自流输送泵压输送结构流全尾砂胶结充填技术井下增压输送增压输送装置安装井下安装位置选择的原则(1)在活塞回拉过程中，入口管道内料浆在垂直管道内料浆自重作用下达到足够大的移动速度，以填满输送缸的有效空腔(2)在活塞推压过程中，输送缸内的料浆只流向出口管道，使出口管道内的料浆加速向充填采场流动结构流全尾砂胶结充填技术膏体充填料配合膏体充填料可泵性充填料制备充填系统膏体泵送充填技术膏体泵送充填技术膏体泵送充填特点膏体充填物料组成粗物料+细物料+超细物料细物料+超细物料膏体充填料配合膏体泵送充填技术膏体与膏体充填料可泵送性能稳定性流平性能关键影响因素物料组成料浆浓度膏体泵送充填选用工业条件、粗骨料膏体泵送充填料的工业特性不可用于充填膏体良好工作性能膏体膏体泵送充填技术膏体充填料制备间断式搅拌连续式搅拌水泥添加方式干粉、浆料；地面、井下膏体充填系统膏体泵送充填技术膏体泵送充填技术膏体输送泵膏体泵送充填技术废石充填特点废石集料输送废石胶结料制备充填系统与采场充填废石胶结充填技术刚性充填体自然级配废石作充填集料，突破建筑混凝土的基本原理和技术强度目标用水量配合，水泥消耗量少充填系统与充填能力适应不同规模废石胶结充填体特点废石胶结充填技术自然组配废石重力混合最佳用水量配合W=KCC十KgG强度效应构架、界面、浆体胶结充填料制备废石胶结充填技术充填料输送分流输送废石散体重力输送、机械输送机械输送方式：无轨机械、机车浆料管道输送管道水力输送：自流、泵送浆体特性：低浓度废石胶结充填技术废石胶结充填方式废石水泥浆胶结充填废石砂浆胶结充填废石胶结充填技术矿渣固结材料矿渣胶结剂是利用铁渣中的硅酸钙和铝酸钙等组分，添加活性激化剂加工而成的可以完全取代水泥矿用胶结材料胶结效果优于水泥胶结剂，按1:8与全尾矿配合的试块单轴抗压强度可达2MPa以上生产成本为水泥成本的40～60％充填充填胶凝材料高炉水淬渣（简称矿渣）为主要原料，通过石灰等物质的激化，可使矿渣获得很好的胶凝性能矿渣的磨细度要求+200目(+0.071mm)所占比例不超过12%，石灰中CaO含量约为75%矿渣胶结料类型容重(g/cm3)水灰比单轴抗压强度（MPa）3d7d28d60dR11.710.653.1011.9313.7118.34R21.720.652.8311.3521.0027.00R31.710.655.3418.0024.3428.51矿渣固结材料充填充填胶凝材料矿渣胶结材料矿渣水化生成的硅酸钙凝胶较多，浆体密实性好，抗硫酸盐侵蚀性好矿渣全尾砂胶结料比水泥全尾砂胶结料试块强度有大幅提高，按1:8与全尾矿配合的试块单轴抗压强度达2MPa以上胶结充填料类型灰砂比质量分数ω/%试块体积密度/g·cm-3单轴抗压强度/MPa3d7d28d60d水泥分级尾砂1∶4722.230.881.452.624.501∶8722.260.510.761.081.54水泥全尾砂1∶4721.990.460.761.441.991∶8722.010.220.230.351.11水泥矿渣②分级尾砂1∶4722.250.831.833.424.871∶8722.270.410.731.672.06充填充填胶凝材料赤泥胶结料赤泥具有潜在活性，在赤泥中添加激化剂后，溶解于水中的活化剂离子Ca++可穿透赤泥颗粒表面的无定形沉积层，激化赤泥的活性赤泥的水化铝酸钙等在活化剂作用下生成早期强度较高的钙矾石及其它水化物，使赤泥中原存在的自由水转变为结晶水、胶凝水，最终使赤泥凝结硬化充填充填胶凝材料普通赤泥胶结料7天、28天和90天的单轴抗压强度分配为5.61、7.76和9.21MPa，初凝45min，终凝160min。高效赤泥胶结料7天和28天单轴抗压强度达15～20和20～30MPa，初凝65min，终凝120min赤泥胶结料充填充填胶凝材料赤泥胶结剂与全尾砂混合后的性能明显优于水泥。新鲜赤泥胶结剂与水泥在灰砂比均为1:4