尾礦充填技術綜述

張曉銅

(銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦,安徽銅陵 244001)

尾礦充填技術綜述

張曉銅

(銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦,安徽銅陵 244001)

為充分回收地下資源,加大生態保護力度,充填法采礦已成為采礦業發展的趨勢。因此,通過對尾礦性態、尾礦輸送技術、低熱高強膠凝材料機理研究和必要的檢測手段來降低充填成本,對提高尾礦制備和充填能力,實現尾礦高濃度連續充填,進一步提高膠結充填體強度,有著極其重要的意義。

似膏體;構造;料漿;離析;級配;低熱高強材料

1 前言

隨著人們環境保護、資源不可再生意識的提高和循環經濟的不斷發展,充填法采礦己是今后采礦業發展的趨勢。為充分回收地下資源,多數井下礦山在回采順序上,采用多步驟回采,因此,降低礦山充填成本,提高充填體強度,控制地壓并保護地表及礦區周邊環境,是礦山安全生產,提高礦山生產能力的重要保障。

2 礦山充填技術背景

由于地表資源的日益減少和資源不可再生,地下和深井礦山在今后的礦山中所占比例越來越大,深部采礦、開采貧礦是礦業發展過程中的必然趨勢和不可回避的問題。隨著現代化礦山向環保、規模和高強度方向發展,礦山充填能力有待提高、尾礦資源利用率低、充填過程中高硫尾礦有毒有害氣體的產生和充填體強度受到影響、充填成本高等己是制約礦山發展的重要因素,因此,有必要對尾礦充填技術進行全方位、深入的研究以滿足礦山安全生產和實現生態礦山的需要[1,2]。

2.1 尾礦制備

最近的研究表明,充填體的抗壓強度與輸送充填料漿的濃度有關,而如何制備全尾礦似膏體是提高充填體強度和節約金屬礦山充填制備成本的重要途徑(特別是硫鐵礦),同時提高尾礦制備濃度是節約礦山充填成本,也是實現清潔礦山的基本保證[3]。

提高尾礦濃度的方法比較多,主要方法有兩種,即壓濾和濃縮。壓濾成本太高,占地面積較大,系統繁雜,而濃縮方法尾礦制備成本低,生產過程便于實現控制和調節。濃縮的主要方法也有兩種,即通過濃密機濃縮和建立砂倉自然濃縮(或添加絮凝劑濃縮)。濃密機和臥式砂倉的濃縮成本較立式砂倉也很高,且占地面積較大,尾礦濃度不高,相對于濃密機和臥式砂倉的尾礦濃縮方法,通過立式砂倉對尾礦進行濃縮,不僅成本低,而且制備砂漿的濃度較濃密機高,其濃度可達到75-83%。進行自然沉降(絮凝濃縮)的關鍵技術,就是通過對尾礦性態的分析與機理研究,加速尾礦沉降與濃縮。

在一定條件下,尾礦濃度的提高,只與尾礦在立式砂倉的砂位高度有關,而與其砂倉容積無關。要保證尾礦制備質量、實現全尾礦的順利輸送,就必須防止尾礦在砂倉內的自然分級,使制備的尾礦有良好的級配。要實現真正意義上的全尾礦膏體(似膏體)充填,一是要求砂倉溢流澄清,二是高濃度,特別是立式砂倉受砂倉直徑的制約,溢流跑渾己是十分普遍的現象,嚴重影響了料漿輸送和充填體質量。因此,要實現全尾充填的溢流澄清,就必須延長沉降路徑[4]。

2.2 尾礦性態

大量的試驗表明,尾礦制備與輸送濃度與尾礦中礦物顆粒的粒徑、泥性物質的含量,尾礦的細度及粘度有著密切關系,通過對尾礦級配和尾礦輸送參數的研究,砂漿粘度、濃度與流速之間存在著十分密切的關系。

在尾礦輸送過程中,粘度這一特性對確定充填料輸送方法是十分重要的。對于粘度低的充填料,換言之,對于含水量過高的充填料,固體將沉淀而引起堵塞。對于粘度高或含水量很低的充填料,摩擦阻力過大也會引起堵塞。這就是說在自流輸送過程中,選擇適宜的似膏體濃度是十分重要的。膏體或高濃度尾砂具有固體兼液體的特性,利用上述關于體現固體和固體以及牛頓液體之間滑動規律的摩擦定律和牛頓內摩擦定律,并參考力學中的一些觀點和方法,本文提出了一種新的流體力學模型,如方程所述:

式中:τ為切應力(Pa);τo為屈服值(Pa);u為孔隙壓力(Pa);σ為總法向應力(Pa);φ為內摩擦角(°);μ為粘度(Pa·s);ηs為動力粘滯系數; du/dy為剪切速率(S-1)。

充填漿體由很多固體顆粒組合成,部分固體顆粒彼此接觸,其中的間隙充滿或充有液體或水,這樣就存在著孔隙壓力的問題,即總法向應力σ一部分通過固體顆粒直接傳遞給固體顆粒,另一部分應力(大小為u)由固體傳遞給液體,或再由液體傳遞給固體。前一部分力按固體相對滑動來考慮,后一部分力可以類似按牛頓流體來考慮。

3 采礦方法-膠凝材料與充填體強度之間關系

膠結充填體的強度和成本,主要是由尾礦自身的性質、充填料漿濃度、膠結材料的選擇等多方面因素決定的。因此,深入的進行不同類型的尾礦研究,選擇不同的膠凝材料是非常重要的,而對充填體強度而言,不同的采礦方法和不同的采礦步驟對充填體強度要求是不同的。研究發現,充填體的強度要求,應根據不同采礦方法和不同的回采步驟,確立充填體高度、寬度、密度之間的函數關系。

(1)大量的實驗及生產實踐證明:認為充填體是在自身重量下破壞,而要求充填體的強度是高度、寬度和密度和函數。重要的是破壞力學和破壞表面的形狀。在考慮是否是最大有效垂直高度還是有效高度增加值時,要考慮破壞的方位是否是垂直的重要還是垂直/傾斜兼有的重要。結合有關充填體定向垂直破壞的計算,并參考有關其它礦山充填經驗的文獻,先確定充填體強度要求。基于上述要求,建議深孔崩礦采場的充填體非側限抗壓強度取700kPa。這一強度可使充填體的自立支撐高度達60m左右[6]。

(2)對于尾礦膠結充填,傳統意義上認為分級尾砂的強度比全尾砂充填體強度要高,這一結論是不正確的。通過對大量的分級尾砂和全尾砂進行試驗,研究表明,全尾砂的級配優于分級尾砂,其膠結體強度不低于分級尾砂,這就相當于制備混凝土過程中要獲取較高強度的混凝土,就必須添加不同粒徑的骨料的道理是一樣的。

(3)充填體要足夠彈性,特別是對大孔采礦來說,以便經得起礦柱165mm炮孔的爆破效應。充填體彈性隨水泥含量的提高而降低。基于判據1確定700kPa的充填體強度,實際上所需的水泥含量比推薦的稍高一些(按固體重量百分比,是1∶13比1∶20)。

(4)充填過程中,特別是高硫尾礦,硅酸鹽水泥不是好的膠凝材料,在高硫尾礦中,由于硫的存在而使充填體強度大大下降。

(5)加入煉銅爐渣和石膏粉這是澳大利亞Mount Isa礦和Queensland礦的共同做法,研究表明,在我國,有色冶煉爐渣豐富,因此,在我國采礦工業應考慮有色冶煉爐渣在充填混合料中的利用問題。研究表明,礦山充填料使用50%的銅冶煉爐渣可取代硅酸鹽水泥,這種配比的膠結料尚未在我國采礦工業中大范圍應用。

(6)充填體必須有足夠的強度,以確保生產井隨回采的進展而總體穩定。在深孔崩礦采區,由于礦體寬度達10～40m,整個充填體發生應力重新分布,事實上,這是不可能的。隨著回采的進展,應力將分布到傾向穩定主礦柱、未采部分礦體和邊界圍巖。

4 結語

尾礦制備、尾礦性態、膠凝材料的選擇與礦山膠結充填強度的關系等相關文獻的研究結果表明[7～12]:

(1)充填濃度對膠結充填體強度有著重要作用,而選擇尾礦的最佳級配對充填體強度的提高,不適為一條重要途徑。

(2)對于高硫礦床來說,硅酸鹽水泥不是一種較好的膠結材料,由于硫的存在,充填體強度,特別是充填體的后期強度大大下降;

(3)針對不同的采礦方法,對于大孔多步驟采礦方式的礦山,膠結充填體強度是非常重要的,充填體不但要提高充填體的自立性,而且要求充填體有足夠的彈性;

(4)對于膠結充填來說,添加煉銅爐渣不失為膠凝材料的一種較好原料。

REFERENCES

[1] 薛奕忠.高階段大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦法在安慶銅礦的應用[J].中國礦山工程,2008,37(2):34-37.

[2] F P Hassani,JacquesOuellet,M Hossein.Strength development in underground high-sulphate paste backfill operation[J].Canadian Mining and Metallurgical Bulletin(Canada),2001,94 (1050):57-62.

[3] 周科平,古德生.安慶銅礦尾砂膠結充填灰砂配比的遺傳優化設計[J].金屬礦山,2001,30(7):57-60.

[4] 惠林,鄧代強.冬瓜山銅礦極細粒級全尾砂高濃度連續放砂實踐[J].有色金屬,2008,60(5):10-12.

[5] “十五”國家科技攻關課題攻關研究成果鑒定報告:深井高濃度全尾礦充填無廢開采技術研究——全尾砂脫水與充填料輸送技術研究.

[6] D A J Ross-Watt.深孔崩礦充填采場之間礦柱回采的初步經驗[C].國外大空場嗣后充填工藝研究譯文集.南非:黑山礦產開發有限公司,2005:34-37.

[7] 肖廣哲,譚艷花,何錦龍.東鄉銅礦全尾膏體充填材料與充填強度關系研究[J].江西理工大學學報,2010,31(1):23-25.

[8] 謝龍水.礦山膠結充填技術的發展[J].湖南有色金屬,2003, 19(4):1-5.

[9] 劉磊,呂憲俊,葛會超,等.鐵礦全尾礦膠結強度影響因素顯著性的研究[J].礦業快報,2008,7(26):37-39.

[10] 張欽禮,王新民,田明華.硫化物對充填體強度的影響[C].第八屆國際充填采礦會議論文集.長沙:中國有色金屬學會, 2004:168-169.

[11] 陳國山,冷述志.適應新采礦方法的需要提高充填體質量[J].中國礦業,2007,16(8):43-44.

[12] 蔡嗣經.礦山充填力學基礎[M].北京:冶金工業出版社, 2009.

Summarization of the Ta ilings Filling Technology

ZHANG Xiao-tong
(Dongguashan CopperMine,TonglingNonferrousMetal Group Co.,Ltd.Tongling 244001,China)

To recover the underground resources fully and enhance the ecological conservation,backfillminingmethod has been to the future developing trends in the mining industry.Therefore,through researching tailing character,tailing transportation,mechanis m of low-ther mal&high-strength cementitiousmaterials,necessary detectingmethods for cemented tailing filling and filling costs can be reduced.It is a great significance to improve the ability of tailings preparation&filling,realize the aim of high density continuous tailings filling and further improve the intensity of cemented filling body.

paste-like material;structure;slurry;isolation;grading;low-ther mal&high-strength material

TD853.34

:B

:1009-3842(2010)03-0016-03

2010-05-26

張曉銅(1964-),男,安徽無為人,采礦工程師,主要從事采礦應用技術工作,E-mail:zxt2008118@163.com。