充填技术与装备应用和研究现状及未来发展趋势

张钦礼中南大学资源与安全工程学院，教授、博导湖南中大设计院有限公司冶金综合设计所，所长2013年06月29日，西宁充填技术与装备应用和研究现状及未来发展趋势交流主要内容4.充填技术未来发展趋势3.充填采矿方法应用与研究现状2.充填设备应用现状1.充填技术应用与研究现状中南大学1、充填技术应用与研究现状中南大学1.1充填技术应用背景1.2充填法优势（作用）1.3充填技术发展历程1.4充填采矿法应用现状1.5充填材料应用现状1.6充填技术应用现状1.7充填技术研究现状1.1、充填技术应用背景中南大学浅地表矿产资源逐渐开采枯竭采深剧增使开采环境更加严峻众多矿床的开采条件复杂多变“三下”和城镇附近的矿床众多大量开采废料地表堆积污染严重政府对环境保护要求越来越高中南大学1.1、充填技术应用背景空场采矿法留设大量永久矿柱,资源损失大崩落采矿法地表塌陷、灾害和环境破坏严重充填采矿法资源回采率高，贫化率低，环境友好。中南大学1.2、充填法优势（作用）支护岩层，控制地压活动，保护地表地物改善矿柱受力状态，最大限度回收资源保证安全回采有内因火灾危险的高硫矿床控制深井开采岩爆，降低深部地温保证露天和地下联合开采的安全生产处理固体废料，保护地表环境中南大学1.3、充填技术发展历程上世纪50年代以前，废石干式充填；60年代开始采用水砂充填；70年代开始发展细砂胶结充填技术；80~90年代全尾砂充填、废石胶结充填、高水充填等；21世纪，膏体充填废石干式充填水砂充填胶结充填以水泥作为胶结材料的胶结充填新型的胶凝材料的胶结充填尾砂胶结充填块石胶结充填全尾砂胶结充填膏体泵送充填高水胶结充填全砂土胶结充填赤泥胶结充填中南大学中南大学1.4、充填采矿法应用现状①有色金属矿山充填法成为主要采矿方法；②铁矿应用比重越来越大；③煤矿应用势头强劲，推进力度大于金属矿；④化工矿山（磷矿、硫铁矿等）应用比重逐渐加大；⑤建材矿山也开始涉足传统上不用充填法中南大学1.5、充填材料应用现状类别充填骨料胶凝材料改性材料名称废石、卵石、碎石、河砂、戈璧集料、粘土、重介质尾砂、全粒细尾砂、分级尾砂、水淬炉渣、山砂、人造砂等水泥、磨细的高炉矿渣、磨细的炼铜炉渣、磨细的烧粘土、生石灰、熟石灰、石膏、粉煤灰、磁黄铁矿、硫化矿物等水、絮凝剂、速凝剂、缓凝剂、减水剂、早强剂等。1.6、充填技术应用现状中南大学1.6.1、干式充填因其效率低、生产能力小和劳动强度大，已不能满足“三强”（强采、强出、强充）采矿生产的需要。因而，使用比重逐年下降，到1963年在有色矿山担负的产量仅占0.7%，处于被淘汰的地位。部分矿山使用的掘进废石不出窿充填也属于干式充填范畴，但多与细沙胶结充填配合使用。中南大学1.6.2、水砂充填17161514101112131234578691-采石场；2-充填料破碎站；3-砂仓；4-注砂室；5-充填井；6-充填管；7-供水管；8-储水池；9-排水管；10-水泵房；1l-密闭泥仓；12-压气排泥罐；13-中央沉淀池；14-副井；15-充填钻孔；16-选厂；17-主井输送浆体的质量浓度低，用水量大，水与砂的充填体的体积比为1.5~4，增大了矿井的供水能力和排水能力，还需增加主要巷道水沟横断面积。充填体无自立能力，需留设矿柱，接顶效果差，已较少采用。中南大学1.6.3、细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，20世纪70年代，中国开始开发和应用细砂胶结充填技术。细砂胶结充填多采用管道自流输送方式。细砂包括：尾砂、棒磨砂、天然砂、其他粒径小于3~5mm的骨料，如磷石膏、破碎煤矸石、粉煤灰等。中南大学1.6.3、细砂胶结充填①分级尾砂充填分级尾砂充填的材料特性与工艺参数□充填骨料:分级粗尾砂或-3mm的细粒充填材料。□胶凝材料:水泥、磨细的矿渣、粉煤灰、高水材料、全水胶固材料。□料浆流态特性:固液两相流。□料浆流速范围:2.5~3.8m/s。□料浆质量浓度:68%。□充填管公称管径:80~125mm。中南大学1.6.3、细砂胶结充填①分级尾砂充填充填前需进行分级脱泥工艺除去部分细粒级。可用于尾砂脱泥的设备有脱泥斗、倾斜浓密箱、耙式分级机、螺旋分级机等，但设施最简单，配置最方便的仍属水力旋流器。64837215CBADd1d2α1.6.3、细砂胶结充填①分级尾砂充填中南大学典型矿山的尾砂分级效果矿山名称尾砂类型产出率/%分级段数+0.074mm+0.037mm-0.037mm铜录山全尾砂24.7059.3040.70一段粗尾砂40.9091.068.94凤凰山全尾砂44.2959.6243.38二段粗尾砂73.7295.694.31锡矿山全尾砂53.8863.8836.12一段粗尾砂69.6081.4518.35中南大学1.6.3、细砂胶结充填①分级尾砂充填水泥罐车水泥入仓管筛网漏斗至采场井下充填管防喷罩自卸汽车粉煤灰浆砂仓搅拌桶水皮带供砂漏斗平板闸门水泥仓收尘器地表充填管孔钻计量流式板冲水环圆盘给料机5t抓斗卧式砂仓充填工艺流程或用旋流器分级或用电耙中南大学1.6.3、细砂胶结充填①分级尾砂充填+26m±0.00m-16.7m1314151691761012115784312Φ9m1-1000m3砂仓；2-450t水泥仓；3-放砂口；4-电动管夹阀；5-γ射线密度计；6-电磁流量计；7-Φ2m搅拌筒；8-双管螺旋给料机9-冲击式流量计；10-漏斗；11-充填钻孔；12-排污泵；13-袋式收尘器；14-松动喷嘴；15-造浆喷嘴；16-主砂管；17-盘管立式砂仓充填工艺流程现多用锥形放口立式砂仓也可改用深锥浓密机中南大学1.6.3、细砂胶结充填①分级尾砂充填优点渗透系数大，凝固时间短，脱滤水速度快，强度高。缺点需脱泥，尾砂利用率低；脱除的细粒尾砂无法堆坝。中南大学1.6.3、细砂胶结充填②全尾砂充填关键:全尾砂的浓缩。(1)不同絮凝剂对比试验；(2)絮凝剂配制浓度试验；(3)絮凝剂用量试验；(4)絮凝剂与尾砂料浆作用时间试验；(5)尾砂料浆之pH值对沉降影响；(6)尾砂料浆之浓度对沉降的影响。全尾砂浓缩试验内容。1.6.3、细砂胶结充填②全尾砂充填优点尾砂利用率高，减轻尾砂排放压力缺点渗透系数小，脱滤水速度慢，凝固时间长，强度受影响。中南大学中南大学1.6.3、细砂胶结充填③煤矸石胶结充填煤矸石山电溜子电溜子1＃皮带输送机1＃皮带输送机2＃皮带输送机3＃皮带输送机，来自筛分机不合格大块返回破碎机破碎机筛分机2＃皮带输送机筛分机4＃皮带输送机，筛上料经3＃皮带输送机返回破碎机4＃皮带输送机5＃皮带输送机孙村煤矿充填系统中南大学1.6.3、细砂胶结充填③煤矸石胶结充填水泥仓粉煤灰仓煤矸石堆场煤矸石喂料仓圆盘给料机6#皮带运输机水泥仓粉煤灰仓螺旋输送机下料口搅拌桶减水剂桶计量泵孙村煤矿充填系统1.6.3、细砂胶结充填④磷石膏胶结充填中南大学中南大学1.6.3、细砂胶结充填④磷石膏胶结充填稳料仓皮带运输机来自双轴搅拌机活化搅拌机下至充填钻孔自制打散机来自稳料仓地表堆场双轴搅拌机来自打散机中南大学1.6.3、细砂胶结充填⑤棒磨砂胶结充填天车砂仓灰仓灰仓汽车或火车采场圆盘给料机皮带运输机螺旋输送机双管喂料机螺旋输送机圆盘给料机浓度计机电磁流量计电动阀搅拌桶金川二矿棒磨砂充填系统中南大学1.6.4、块石胶结充填实质废石干式充填+细砂胶结充填。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，但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。中南大学1.6.4、块石胶结充填新桥硫铁矿块石胶结充填系统中南大学1.6.5、膏体充填实质与普通管道自流输送的两相流不同，膏体属于结构流，即沿管道长度方向任意断面上两点之间的距离保持不变，整个浆体像一个稳定结构一样向前流动。采场充填工艺特点要求膏体充填与混凝土不同，既要高浓度（与混凝土相似），又要有一定的流动性，因此，实际应用中多用“似膏体”充填，似膏体坍落度在230mm以上。与管道自流输送充填的比较□动力不同。管道自流充填动力来自于管道进出口之间的高差所产生的浆体势能；膏体充填来自于充填工业泵提供的外来动力。□对充填倍线要求不同。管道自流充填倍线一般小于5~6；膏体充填无严格要求。□流动形态不同。管道自流充填属两相流；膏体充填属于结构流。无严格要求流速范围：□输送浓度不同。管道自流充填一般不超过75%；膏体充填质量浓度：78%~85%。□流动速度不同。管道自流充填浆体流速一般2.8~3.5m/s；膏体充填一般0.5~1.8m/s。□停顿再启动要求不同。管道自流充填浆体运行过程中不能停顿；膏体充填浆体短暂停顿后可以再启动。中南大学1.6.5、膏体充填中南大学1.6.5、膏体充填膏体和细石混凝土的主要特点□惰性充填材料：分级粗尾砂、全尾砂、-5mm河砂、-3mm棒磨砂、-30mm的重介质尾砂或-25mm碎石。□料浆流态特性：宾汉体或屈服伪塑性体。□流速范围：0.5~1.8m/s。□料浆质量浓度：78%~85%。□充填管公称管径：100mm~150mm。□惰性材料中应有足够的细粒级，以便制成可泵性料浆。□必须使用泵送。中南大学1.6.5、膏体充填膏体充填和细石混凝土充填优缺点□采场不需排水。□相同水泥用量、充填体强度高。□未加水泥的膏体，管道停运72h，仍可继续启动，原则上不存在“堵管”。□用泵输送可以适应不利的矿体条件。□使用泵送，基建投资较高，操作管理较复杂。中南大学1.6.5、膏体充填金川二矿膏体充填系统进口泵中南大学1.6.5、膏体充填锡矿山似膏体泵送充填系统水泥、粉煤灰罐车清水池水粉煤灰仓星型给料机转子称螺旋输送机搅拌桶充填管道采场充填泵皮带运输机稳料仓卧式砂仓漏斗水泵振动给料机电耙皮带称电磁流量计密度计电磁流量计料位计料位计水泥仓料位计最大充填倍线为112.7国产泵HBT80/21-220S中南大学1.6.5、膏体充填四川汉源石沟石膏矿似膏体泵送充填系统（平硐开拓，上向输送，设计中）碎石堆场稳料漏斗粒度≤5mm装载机振动放矿机皮带输送机计量散装水泥水泥仓双管给料机单管螺旋电子称污水处理池水泵计量1575m中段大部分采场及二期工程充填采场1575m中段端部采场与1625m及以上中段充填采场搅拌桶一级充填泵二级搅拌装置二级充填泵双轴搅拌机中南大学1.6.6、高水充填实质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。中南大学1.7、充填研究现状□水泥替代品研究取得重大突破。冶炼厂水淬炉渣、火力发电厂粉煤灰、铝厂赤泥等，都是性能良好的水泥替代品。□充填骨料应用范围日益扩大。除传统的尾砂、块石和砂石（包括棒磨砂、山砂、风砂、江砂、河砂）外，磷石膏、黄磷渣等化工企业固体废料、煤矸石（如孙村煤矿）都已成功用作充填骨料。□混凝土外加剂在矿山充填中得到应用。□充填体承载机理研究更为深入。□深井条件下的充填材料与充填技术研究取得重要进展。□降低管道磨损的技术与对策取得新进展。2、充填设备应用现状2.1充填物料储存与输送设备2.2充填料浆制备设备2.3充填料浆输送设备2.4计量设备2.5系统控制设备2.6环保设备2.7充填管道中南大学中南大学2.1、充填物料储存与输送设备应用现状2.1.1、骨料储存与输送设备□尾砂立式砂仓：泥浆泵、管道。□卧式砂仓或堆场进料设备：汽车、列车。□稳料仓进料设备：铲运机、装载机、推土机、电耙、抓斗提升机、水枪。□稳料仓出料设备。振动放矿机、圆盘给料机。□骨料输送设备。螺旋输送机、皮带输送机。2.1.2、胶凝材料储存与输送设备□料仓进料设备：水泥罐车。□输送设备：星形给料机、单（双）管螺旋输送机。2.1.3、外加剂储存与输送设备□外加剂搅拌桶进料设备：人工或皮带输送机。□输送（添加）设备：微型泵。中南大学中南大学2.1.4、水储存与输送设备□储存设施：高位水池。□输送（添加）设备：管道。2.2、充填料浆