充填技术与装备应用和研究现状及未来发展趋势.ppt

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,留设大量永久矿柱,资源损失大,地表塌陷、灾害和环境破坏严重,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；8090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,中南大学,中南大学,1.4、充填采矿法应用现状,有色金属矿山充填法成为主要采矿方法；铁矿应用比重越来越大；煤矿应用势头强劲，推进力度大于金属矿；化工矿山（磷矿、硫铁矿等）应用比重逐渐加大；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,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,1-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1.54，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35mm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,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:2.53.8m/s。料浆质量浓度:68%。充填管公称管径:80125mm。,中南大学,1.6.3、细砂胶结充填,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。,1.6.3、细砂胶结充填,分级尾砂充填,中南大学,典型矿山的尾砂分级效果,中南大学,1.6.3、细砂胶结充填,分级尾砂充填,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,分级尾砂充填,1-1000 m3砂仓；2-450t水泥仓；3-放砂口；4-电动管夹阀；5-射线密度计；6-电磁流量计；7-2m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,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,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,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,煤矸石胶结充填,孙村煤矿充填系统,中南大学,1.6.3、细砂胶结充填,煤矸石胶结充填,孙村煤矿充填系统,1.6.3、细砂胶结充填,磷石膏胶结充填,中南大学,中南大学,1.6.3、细砂胶结充填,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,棒磨砂胶结充填,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56；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2.83.5m/s；膏体充填一般0.51.8m/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：0.51.8m/s。料浆质量浓度：78%85%。充填管公称管径：100mm150mm。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,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）,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、充填料浆制备设备,卧式双轴搅拌机、立式搅拌桶、强力活化搅拌机,中南大学,2.3、充填料浆输送设备,自流充填：钻孔+管道。泵送充填：充填工业泵+钻孔+管道,德国普茨迈斯特(Putzmeister)公司生产的KOS系列高压泵的主要技术性能,中南大学,2.3、充填料浆输送设备,飞翼产的HGB系列充填工业泵的主要技术性能,中南大学,2.3、充填料浆输送设备,中南大学,2.4、计量设备,立式砂仓砂浆计量：电磁流量计、密度计、核辐射浓度计（尽量少用）。卧式砂仓或堆场骨料计量：充填与输送设备相一致：螺旋电子称、皮带秤。胶凝材料计量：螺旋电子称：冲板式流量计、转子秤、核子秤（尽量少用）水计量：电磁流量计。搅拌桶砂浆浓度：密度计、核辐射浓度计（尽量少用）。充填流量计量：电磁流量计。,中南大学,2.5、系统控制设备,立式砂仓、搅拌桶液位控制：压差式和超声波液位计。水泥仓料位控制：超声波料位仪。控制系统：集散型控制系统DCS，设定充填参数（灰砂比、质量浓度等），自动检测各物料流量，比对设定值自动调节。,中南大学,2.6、环保设备,放射源（核辐射浓度计等）：铅防护层屏蔽放射源。水泥和粉煤灰储仓顶部：除尘器。水泥、粉煤灰下料口处：安设高压喷雾器。搅拌桶：除尘器。,中南大学,2.7、充填管道,充填钻孔：高锰钢管。水平管道：高锰钢管、普通钢管、钢编复合管、陶瓷内衬管、金属内衬管。采场充填管道：钢编复合管、PVC管、软管。,3、充填采矿方法应用与研究现状,3.1 充填采矿法分类应用情况3.2 上向水平分层充填法3.3 上向分层进路充填法3.4 下向分层进路充填法3.5 空场嗣后充填法,中南大学,中南大学,3.1、充填采矿法分类应用情况,中南大学,3.2、上向水平分层充填法,划分矿房和矿柱，两步骤回采，先采矿柱，胶结充填形成人工矿柱，在人工矿柱保护下，第二步回采矿房，进行非胶结充填或低强度胶结充填。自下而上分层回采，依次充填以维护上下盘围岩，并创造不断上采的作业条件,中南大学,3.2、上向水平分层充填法,中南大学,3.2、上向水平分层充填法,中南大学,3.2、上向水平分层充填法,中南大学,3.2、上向水平分层充填法,凡口盘区机械化上向水平分层充填采矿法,中南大学,3.2、上向水平分层充填法,凡口盘区机械化上向水平分层充填采矿法,凿岩：HS150X型上向接杆台车装药：NT30/NBB150型井下装药车起爆：导爆索毫秒雷管非电复式网络出矿：ST-311/2型3m3铲运机充填：灰砂比1:4 的-3mm棒磨砂,3.2、上向水平分层充填法,新桥硫铁矿机械化上向水平分层充填采矿法,中南大学,中南大学,3.2、上向水平分层充填法,新桥硫铁矿机械化上向水平分层充填采矿法,参数：矿柱8m、矿房14m凿岩：Boomer 281凿岩台车炸药：乳化炸药出矿：1.5m3铲运机充填：矿柱及矿房胶面：1:41:6江砂胶结，第二步矿房充填：非胶结或1:101:15江砂胶结。,中南大学,3.3、上向分层进路充填法,实质 一种由下而上，以巷道掘进的方式进行回采，在进路掘至设计位置后并进行充填的采矿方法。它是在每一水平分层布置若干条进路，按间隔或逐条进路的顺序回采，整个分层各条进路回采充填后，再统一升层回采上分层进路。,中南大学,3.3、上向水平进路充填法,优缺点 适应性强；顶板暴露面积较小，安全性好；矿石损失与贫化低；生产效率低；采场为独头巷道型通风，通风效果较差。,中南大学,矿体厚度不小于2m，以及厚大矿体,形态复杂和产状变化大的矿体,适用条件,矿岩不够稳固，矿石品位较高的矿体和稀有、贵重金属矿床,其他充填采矿法的矿柱回采,3.3、上向进路充填法,中南大学,3.3、上向分层进路充填法,国内外部分矿山的采场布置和构成要素,中南大学,3.3、上向分层进路充填法,焦家金矿机械化上向水平进路充填采矿法,中南大学,3.3、上向水分层进路充填法,姑山铁矿矿机械化上向水平进路充填采矿法-193m分层图,中南大学,3.3、下向分层进路充填法,实质 一种由上而下，以巷道掘进的方式进行回采，在进路掘至设计位置后并进行人工假顶充填的采矿方法。整个分层各条进路回采充填后，再在人工假顶保护下回采下分层。人工假顶充填体28d强度不低于45MPa，并需铺设钢筋网。,中南大学,3.3、下向分层进路充填法,金川二矿区机械化下向水平分层进路充填法,凿岩：COP1032HD液压凿岩台车装药：PT45A装药车型井下装药车起爆：非电导爆管一次点火起爆出矿：928LHD型6.1m3铲运机充填：-3mm棒磨砂灰砂比1:4 打底充 填，1:61:8普通充填,中南大学,3.4、空场嗣后充填法,3.4.1、分段空场嗣后充填法,划分矿房和矿柱，分两步骤回采，先用分段空场法中深孔回采矿柱，采后一次胶结充填，第二步回采矿房并进行非胶充填或不划分矿房和矿柱连续回采，即回采工作空间暴露面积达到一定极限值时，充填空区控制地压活动,中南大学,3.4.1、分段空场嗣后充填法,新桥硫铁矿两步骤分段回采嗣后充填法,凿岩：YGZ90液压凿岩机；装药：BQF-50装药器；起爆：导爆管毫秒雷管起爆；出矿：30kW电耙；充填：块石嗣后充填(灰砂比1:15),中南大学,3.4.1、分段空场嗣后充填法,适用于矿体轮廓比较规则的任何倾角、厚度的矿体，一般应用于矿岩相对稳固或矿岩不稳固，人员不宜进入空场作业的情况同时具有充填法和空场法优点，矿石损失贫化较小，采场生产能力和工人劳动生产率高，充填成本低,中南大学,3.4.2、阶段空场嗣后充填法,划分矿房和矿柱，分两步骤回采，先用大直径深孔崩落回采矿柱，采后一次胶结充填，第二步回采矿房并进行非胶充填或不划分矿房和矿柱连续回采，即回采工作空间暴露面积达到一定极限值时，充填空区控制地压活动,中南大学,3.4.2、阶段空场嗣后充填法,安庆铜矿高阶段大直径深孔崩矿嗣后充填法,中南大学,3.4.2、阶段空场嗣后充填法,凿岩：Sinba-261型潜孔钻装药：矿渣堵孔、乳化炸药不耦合装药崩矿：大直径炮孔分层微差爆破崩矿出矿：SCT-5C型铲运机充填：尾砂胶结（325号水泥1:412,质 量浓度72%）与尾砂非胶结交替,安庆铜矿高阶段大直径深孔崩矿嗣后充填法,中南大学,3.4.2、阶段空场嗣后充填法,适用于矿体轮廓比较规则的倾至极倾中厚至厚大矿体;凿岩、装药在硐室内进行，安全性程度高;高阶段大直径深孔爆破集中出矿，效率高;采矿成本低;凿岩技术要求高、爆破成本高、矿石损失贫化相对较大。,4、充填技术未来发展趋势,中南大学,（1）全尾砂充填。关键技术：全尾砂快速浓缩，重点开发高效浓缩设备，如深锥浓密机;单立式砂仓连续动态放砂技术，不刻意强调立式砂仓容积;与细粒全尾砂相适应的特殊胶凝材料（极细全尾砂采用普通硅酸盐水泥效果差）。,中南大学,4、充填技术未来发展趋势,（2）膏体（似膏体）泵送充填。理由：矿山生产能力越来越大，要求充填体初凝时间尽可能短，以缩短回采作业循环时间，需要提高充填浆体浓度;膏体、似膏体接顶效果好;充填倍线不受限制。,中南大学,4、充填技术未来发展趋势,中南大学,（3）大能力充填。理由：随着充填法矿山生产规模的扩大，年充填能力越来越大，如果充填系统能力小，同时运行的充填系统将越来越多，增加了管理难度，降低了系统可靠性，因此，建立大能力充填系统成为当前充填领域的一个发展方向。,4、充填技术未来发展趋势,河北钢铁司家营南矿2000万t/a采选规模要求年充填量必须达到600万m3。如果采用国内现用80100m3/h单系统能力，则每天需要1520套充填系统同时工作，现正在研究单系统200m3/h能力的充填系统。,谢谢大家！希望多提宝贵意见!,中南大学,