基于崩落法采矿尾矿综合利用与无害化处置研究.ppt

,基于崩落法采矿尾矿综合利用与无害化处置研究,南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司杨龙2017年3月,汇报提纲,1,2,3,4,现状,尾矿综合利用研究,综合利用与微细粒级固化干堆,小结,目录页 CONTENTS PAGE,04 小结,01 现状,02 尾矿综合利用研究,03 综合利用与微细粒级固化干堆,南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司隶属于宝武集团旗下的梅钢公司。其前身是梅山铁矿，1995年改制为上海梅山矿业有限公司，2010年变更为分公司，是我国自行设计、自主建设的大型黑色金属重点地下矿山。经过50年的建设与发展，形成了500万吨/年采选综合生产能力，拥有铁精矿、硫精矿、尾矿砂、机电加工四类产品。,1 矿业分公司简介,01 现状,梅山铁矿是国内大型地下矿山之一，地位南京市郊，紧邻雨花区软件园、两桥观光带，土地资源十分珍贵，尾矿库选址、建设和管理都十分困难，即使要建尾矿库必须到距离矿山几十公里以外的地方进行建设，这样对尾矿的输送设备要求高，经营维护费用高、安全管理难度大。,1 矿业分公司简介,01 现状,江苏省南京市雨花台区南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司,2 采矿方法,采用1820m无底柱分段崩落法进行采矿,无底柱分段崩落法典型方案,无底柱分段崩落法,梅山矿业公司塌陷区地形图,截止2016年底，已形成地表塌陷面积为63.32万平方米，塌陷区域最深处深度约110米，塌陷区域覆盖层厚度最薄处约为200米，其中黄土层的厚度20-30米不等，主要分布在塌陷区域的西北部。,将阶段用分段回采巷道划分为若干分段，由上向下逐个分段进行回采，随后由崩落围岩充填采空区，分段下部不设出矿的底部结构，以小的崩矿步距爆破下来的矿石在崩落围岩的覆盖下直接由回采进路端部放出。,01 现状,3 选矿工艺,01 现状,采用三段两闭路破碎，分粒级磁重预先抛尾，两段闭路磨矿，浮选脱硫、强磁选脱磷，精矿采用盘式过滤机脱水，尾矿长距离输送堆存工艺。,选矿工艺流程图,3 尾矿-矸尾用途,01 现状,尾矿中的矸尾可作为石料的替代品，是混凝土搅拌的原材料之一。因地处南京，城区周边禁止石料开采。矸尾矿销售倍受市场青睐。重选2-0.5湿尾脱水改造工程于2014年投产，实现细砂与现有废石分离单独销售，进一步提高销售价值并减少湿尾量。,尾矿=矸尾+湿尾,2016年:尾矿总量=229.10万吨 矸尾产量=84.71万吨,3 尾矿-湿尾利用,01 现状,工艺流程图,在湿尾综合利用方面，采用大井浓缩、高频细筛隔渣、FX150旋流器浓缩分级、陶瓷机过滤流程，建成了年处理尾矿80万吨的尾矿综合利用生产线。回收的铁尾砂TFe含量在18%22%，水分约13%，代替水泥原料中铁粉供生产水泥使用。,目录页 CONTENTS PAGE,04 小结,01 现状,02 尾矿综合利用研究,03 综合利用与细粒级固化干堆,1 尾矿生产微晶玻璃研究与产业化,02 尾矿综合利用研究,梅山与某某合作，建设了年产1万m2微晶玻璃厂，由于尾矿中sio2含量低，碳酸盐类矿物含量高加之尾矿组分变化较大，造成微晶玻璃生产控制难度大，成材率低成品色差大等问题，导致尾矿无法在实际生产中加以利用微晶玻璃。,尾矿生产微晶玻璃简介,2 尾矿生产发泡陶瓷研究,02 尾矿综合利用研究,充分利用梅山尾矿中碳酸盐类矿物含量高的特点，与山东工陶院合作开发发泡陶瓷，具有防火阻燃，变形系数小，抗老化，性能稳定，生态环保性好，与墙基层和抹面层相容性好，安全稳固性好，可与建筑物同寿命。更重要的是材料防火等级为A1级，克服有机材料怕明火，易老化的致命弱点。,发泡陶瓷简介,3 尾矿制陶粒、路面透水砖研究,02 尾矿综合利用研究,生产方法：与南京工业大学合作开发陶粒，通过添加尾矿在内的聚合物、加入吸水性高强页岩陶粒这两种手段对无砂多孔水泥混凝土进行改性，在不影响混凝土的抗压强度的基础上改善水泥浆体的弹性以及水泥浆体与骨料的粘结，从而改善了多孔混凝土的力学性能和耐久性；但对尾矿粒度要求高，无法解决细粒湿尾的利用问题。,4 尾矿生产烧结砖研究与产业化,02 尾矿综合利用研究,与山东工陶院及南京一家砖厂合作开发尾矿生产烧结砖，并建成了年产15万吨尾矿的压滤脱水生产线，后由于尾矿脱水成本超过60元/吨，产线运行2年后停产。,目录页 CONTENTS PAGE,04 小结,01 现状,02 尾矿综合利用研究,03 综合利用与细粒级固化干堆,1 尾矿物理化学性能研究,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,尾矿多元素分析：梅山尾矿中全铁品位为18.78%，其他主要元素为硅、钙、铝、镁等。XRD分析：尾矿中主要的矿物为石英、高岭石、方解石、菱铁矿和赤铁矿。密度分析：采用比重瓶法测得尾矿密度为3.06g/cm3。,多元素及物相分析,梅山尾矿化学多元素分析,尾矿XRD分析结果,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,1 尾矿物理化学性能研究,实验方法：采用标准筛湿式筛分和激光粒度分析等测试方法，对尾矿的粒度组成进行了分析。实验结果：尾矿中-0.074mm含量为55.17%，但微细粒级含量较高，-0.010mm含量达到28.07%。,粒度分析,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,2 技术路线,2.固化尾矿塌陷区堆存技术研究 以塌陷坑尾矿固化回填与井下开采的相互影响过程为研究对象，通过室内岩石力学实验、相似模型试验和数值模拟试验，研究塌陷坑回填前、回填中、回填后覆盖层的演化规律，通过实验探索固化尾矿在风化作用和雨蚀作用下的变化规律，形成塌陷坑直接利用尾矿固化充填的技术方法。,1.尾矿分级回收及固化技术研究 从尾矿高效分级回收再利用研究入手。首先，采用负倾角高频细筛隔出低品位（TFe10-13%）的粗粒尾矿（粗砂）做为建筑材料，同时提高筛下尾矿铁品位；再次，采用超长变锥旋流器提高沉砂产率和浓度，减少超细尾矿的排放量，也便于沉砂（细尾矿）的回收再利用；然后，开发以大高径比无耙膏体浓密机为核心的膏体浓缩技术，针对超细尾矿开展膏体浓缩研究；进而，研制适用于超细尾矿固结的胶凝材料，实现超细尾矿的低成本固结；最后，通过对膏体尾矿流变特性的研究，提出超细尾矿膏体固结料浆管道输送沿程阻力的计算方法。,图1 技术路线图,细粒级尾矿：150mm超长锥型旋流器在给矿压力和沉砂口分别为0.25MPa和18mm条件下的溢流产品。多元素分析：细粒级尾矿中全铁品位为21.22%，其他主要元素为硅、钙、铝、镁等。粒度分析：采用标准筛筛析的方法，对旋流器溢流进行了筛析试验，结果表明旋流器溢流中-0.010mm含量达到85.61%，溢流中主要由微细矿泥组成。,表 旋流器溢流多元素分析结果,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,3 微细粒级膏体制备,1 膏体浓缩系统200024000柱式无耙膏体浓密机（总高度26.7m、总容积78.2m3）、2.5m3浓密机底流缓冲槽等；2 胶固粉计量添加及活化搅拌系统15T胶固粉仓、螺旋输送机和星型卸料器、10001000高浓度活化搅拌槽。3 固结料浆输送及堆存系统固结料浆输送泵、输送管路及流量、压力等检测装置，固化堆存场地。4 主要流程,微细粒级膏体制备流程及装备,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,3 微细粒级膏体制备,超细尾矿膏体性能,旋流器溢流属超细粒尾矿，以-20m超细颗粒为主，d95约为26m、d50约为4.80m，-2m含量仍有24.46%，中性条件下（pH=7），zeta电位为-20.47mv。,尾矿自然沉降性能研究表明，该样品在自然状态下极难沉降，自然沉降速度为0.22cm/min。,絮凝剂可以有效提高沉降速度，推荐采用阳离子型聚丙烯酰胺（分子量500万）作为絮凝剂，随着絮凝剂用量由50g/t增大到200g/t，絮凝沉降速度由0.44cm/min提高至2.27cm/min。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,3 微细粒级膏体制备,胶凝材料：梅山高炉矿渣。实验条件：固结浓度是保证固结效果的非常重要的参数，在灰砂比为1:6和1:8的条件下，考察了固结浓度对固结强度的影响。固结浓度取52%、50%和48%。试验结论：自然养护状态下，尾矿浓度达到48%以上，灰砂比1:8的条件下，长期（28d）强度达到0.52Mpa，可以满足固结干堆的要求。,4.1固结浓度试验研究,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,泥化方式：梅山高炉矿渣固结体浸泡泥化。试验结论：浸泡47天，没有出现泥化现象。,4.2固结体泥化试验,图 固结试块浸泡试验,浓度55%：依次为 普硅水泥灰砂比:1：5；材料C，灰砂比:1：4；材料B，灰砂比:1：4,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,泥化方式：梅山高炉矿渣固结体破碎后泥化。颚式破碎机破碎至-10mm。试验结论：浸泡30天，没有出现泥化现象。,4.2固结体泥化试验,图 材料A，灰砂比1:8，浓度55%破碎浸泡实验,图 浓度55%：依次为普硅水泥灰砂比:1：5；材料C，灰砂比:1：4；材料B，灰砂比:1：4；破碎浸泡实验,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,试验目的：为了模拟南京地区雨季的环境，选取了全尾矿和掺加破碎钢渣作骨料进行了水下固结试验。试验内容：分别在清水中倒入尾矿浓度50%，灰砂比1:6的固结料浆和料浆浓度50%（掺加钢渣10%），灰砂比为1:6和1:8的两种固结料。试验结论：经观察未出现泡散情况，长时间浸泡也未出现泥化现象，呈现凝固状态。,4.2尾矿水下固结试验研究,图 水下固结试验结束时状态,图 水下固结14天后状态,图 开始倾倒料浆,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.2尾矿固结研究结论,采用梅山提供的矿渣能够制备出性能良好的胶凝材料，采用该胶凝材料，自然养护状态下，尾矿浓度达到48%以上，灰砂比1:8的条件下，长期（28d）强度达到0.52Mpa，可以满足固结干堆的要求。,尾矿水下固结试验表明，在水中也可以进行固结，且固结体长时间浸泡未出现泥化现象。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.3超细尾矿固结机理,1 胶固粉配方优化及性能表征 选用硅酸盐水泥熟料作为碱激发剂，探索熟料掺量（占胶凝材料质量的百分比）对尾矿胶结体抗压强度的影响（梅山微细粒尾矿为骨料，尾矿浓度54%，灰砂比1:6）。当熟料掺量为20%时，各龄期的抗压强度均达到最大值。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.3超细尾矿固结机理,1 胶固粉配方优化及性能表征 在熟料最佳掺量20%的基础上，添加不同含量的复合活化剂。活化剂掺量为12.5%时，各龄期的抗压强度均达最大值，其3d抗压强度可达0.61MPa，较未加复合活化剂前的0.29MPa明显提高。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.3超细尾矿固结机理,2 水化产物物化分析1）X射线衍射分析 水化反应前后梅山尾矿的各衍射峰强度没有发生明显的变化，都是以结晶物质为主，主要结晶相为菱铁矿、石英、方解石、赤铁矿、绿泥石、白云石等物质，由于胶固粉的加入，水化反应后固结体中检测到AFt的衍射峰。说明，梅山尾矿在固结体中主要起骨料的作用，并没有明显的参与水化反应，固结体之所以能够展现出一定的强度主要是由于胶固粉水化后所形成的AFt等水化产物将尾矿粘结在一起而引起的。,图1 固结前梅山尾矿的XRD图谱,图2 固结3d XRD图谱,图3 固结28d XRD图谱,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.3超细尾矿固结机理,2 水化产物物化分析2）热重-微商热重（TG-DTG）分析 加入固结材料后生成新的水化产物-水化硅酸钙，并且随着养护龄期的延长，水化硅酸钙的生成量不断增大。,图1 固结前梅山尾矿的TG-DTG曲线,图2 固结3d TG-DTG曲线,图3 固结28d TG-DTG曲线,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.3超细尾矿固结机理,2 水化产物物化分析3）微观形貌-电子探针（SEM-EDS）分析 未水化前结构疏松。水化后致密程度明显提高，颗粒与颗粒不是独立的存在；在颗粒与颗粒之间充斥着一些水化产物，一方面填充了颗粒与颗粒之间的缝隙，另一方面将一些颗粒连接在一起，起到“架桥”的作用；在一些颗粒的表面还覆盖有一层凝胶状的水化产物，增加了颗粒与颗粒之间的粘结性，使颗粒更容易团聚在一起，形成一个大的整体。这种结构一旦形成，在有水的情况下就不会再变为流动的浆体，并且由于钙矾石等具有高结晶水的水化产物的生成，减少固结体的干缩，同时可有效降低固结体的吸水率。,图1 电子探针图,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.4膏体尾矿流变学参数,纯尾矿料浆性质突变点在55.7%附近。,图 粘度与屈服应力随浓度的变化曲线,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.4膏体尾矿流变学参数,按照1:8及1:10配比加入固结料后，料浆性质突变点在58%附近。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,粘度与屈服应力随浓度的变化曲线图,4.微细粒级尾矿固化试验,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,输送阻力的理论计算1、垂直管道压差由于管段4的料浆输送起点和终点之间存在高差，则垂直管道压差按下式计算：PH=gH 其中：PH 垂直管道压差，Pa；矿浆密度，kg/m3；g重力加速度，9.81 kg/s2；H垂直高度，m。2、管道输送沿程阻力计算方法 前述研究表明，尾矿料浆在一定范围内可近似地视为宾汉黏塑性体，其管道输送的流变方程可用布金汉方程描述。料浆管道输送的流体阻力损失计算公式为：,4.5管道输送沿程阻力的计算,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.5管道输送沿程阻力的计算,现场固结膏体输送阻力的计算方法1、管道长度折算 连接件折算为实际的管道长度，根据选矿厂设计（冯守本，冶金工业出版社），相关的折算系数，管段4的折算长度。2、不同浓度的固结料浆所产生的输送阻力 根据工业试验结果，不同浓度和流量下固结料浆输送阻力的计算值和测定值的对比。修正系数不尽相同，波动范围为，但主要集中在之间，修正系数平均值为1.63。,4.6 塌落度变化规律,1）纯尾矿料浆塌落度及扩展度的突变临界浓度在55.7%左右。,59.1%,55.7%,52.6%,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,4.6 塌落度变化规律,2）加入胶固粉后，混合料浆塌落度及扩展度的突变临界浓度在55%左右。,55.1%,52.9%,61.9%,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,4.微细粒级尾矿固化试验,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5 固化干堆塌陷区堆存研究,1 岩石力学实验与岩体力学参数折减,2 塌陷坑堆存尾矿前的稳定状态分析与分区,2 固化尾矿覆盖层安全结构特性,4 固化尾矿塌陷坑堆存及安全技术研究,1,2,3,4,实验内容：岩石物理性质(密度)试验；岩石单轴抗压强度试验；岩石单轴 变形试验；岩石抗拉强度试验；规则抗剪断试验。实验结果：如下表。,岩石力学实验,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.1 岩石力学实验与岩体力学参数折减,403线,402线,403勘探线以南地表：初期回采：地表出现塌陷；-100m至-186m回采：地表位移和塌陷范围逐渐增大；-186m以下回采：范围基本保持不变，西侧部分的位移有所增大。,403至402勘探线之间地表：-198m回采：地表位移变化最大，呈现跳跃式增长；主要表现在：中部地表位移增大，东西部两边剪切和拉升塑性区变大；后续分层回采：西面塑性区范围和地表位移逐渐变大。,402勘探线以北地表：初期回采：几无变化；-112m回采：地表出现塌陷；后续回采：塌陷范围及位移逐渐增大；-366m回采至结束：范围基本保持不变，但地表位移仍逐渐增大。,塌陷坑平面动态发展规律,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.1 岩石力学实验与岩体力学参数折减,安全区域：所处位置为开采影响范围之外，人员可安全作业。,亚安全区域：开采影响范围边界附近，地表可能产生裂隙。,危险区域：开采塌陷影响范围内，随时可能产生塌陷。,南部稳定塌陷区域：塌陷区内覆盖层基本呈整体盆地式下沉趋势。,北部持续塌陷范围：从南至北倾覆式下沉，南部覆岩先于北部覆岩下沉，向北持续推进。,中部渐扩塌陷范围：塌陷区内覆盖层基本呈漏斗状下沉趋势，两边渐扩塌陷。,基于塌陷坑动态变化的地表安全等级区域划分,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.2 塌陷坑堆存尾矿前的安全等级区域划分,区域划分平面图,区域划分剖面图,平面图,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.2 塌陷坑堆存尾矿前的安全等级区域划分,稳定性分析,地表分区,地表环境,选择在亚安全区域,可利用地形优势使部分固化尾矿流至南部塌陷区域，此区域内的覆盖层只产生整体式下沉，有利于保护尾矿固化效果。另外，此部分区域对应的井下回采已经结束，后期扰动较小。,南部稳定塌陷区,基于区域划分的固化尾矿堆存场地选择,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.2 塌陷坑堆存尾矿前的安全等级区域划分,堆场精确划分,将区域划分为14个小区段，每个区段宽度为20m。,号区段长度为65m左右。,其余区段长度为24m左右。,堆存面积为12427m2，但由于堆存场地中可以利用地形优势将固化尾矿导流至南部已有塌陷坑内，所以实际堆存面积大于此计算面积。,基于区域划分的固化尾矿堆存场地选择,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.2 塌陷坑堆存尾矿前的安全等级区域划分,固化尾矿体覆盖层物理性能,研究结论：1）随着采矿水平的逐年下降，覆盖层颗粒向下移动过程中出现分级现象，覆盖层从上至下的颗粒越来越小、越来越致密、孔隙率越来越小。2）不同条件强度试验表明，28天自然养护条件下强度最大，经固化-淋雨-晒干循环试验的强度明显降低，受环境影响大。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.3 固化尾矿覆盖层安全结构特性,固化尾矿的渗透性,研究结论：1）质量浓度为52%固化料浆渗透性很差。2）块度大的区域渗透深度要远大于块度小的区域，与块度组成呈现非线性关系。3）一般最大渗透深度为最大块度粒径的12倍。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.3 固化尾矿覆盖层安全结构特性,尾矿固化体在覆岩层上的流动性,研究结论：1）堆排厚度影响固化体破碎后的块度；2）覆盖层下沉总高度为1000mm，粒径小于10mm的细小颗粒的量比占到不足10%；3）堆排厚度小的固化体小颗粒与覆岩融合流动特性明显，最大流动深度为425mm。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.3 固化尾矿覆盖层安全结构特性,固化尾矿堆存工艺,亚安全区域。塌陷坑尾矿充填自南向北进行，沿着亚安全区域界线逐步推进，固化尾矿高于周围地表后，则转移充填地点，等地表下沉后再进行充填。固化体自流动半径为78m，每次充填的厚度为5m左右，即充填一次在地表塌陷坑内形成直径15m左右，厚度5m的充填块。充填块养护周期为14天，养护期结束后，进行循环充填。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.4 固化尾矿塌陷坑堆存及安全技术研究,灾害预防措施,1）地表移动监测网布设在尾矿初始区段。2）采用条带型观测网，布置观测点使用钢钉和混凝土埋桩的方法。3）观测仪器：全站仪，精度2，钢尺。定期将观测结果上报。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,5.4 固化尾矿塌陷坑堆存及安全技术研究,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,6 尾矿再选产业化,工艺流程图,矿业公司持续投入1000多万资金对尾矿综合利用生产线进行扩能及流程优化改造，建成了年处理尾矿80万吨的尾矿综合利用生产线，回收的铁尾砂TFe含量在18%22%，水分约13%，代替水泥原料中铁粉供生产水泥使用。工艺采用大井浓缩、高频细筛隔渣、FX150旋流器浓缩分级、陶瓷机过滤流程。改造后铁尾砂产量提升40%。2016年1-10月，累计生产铁尾砂38.77万吨，减少尾矿排放38.77万吨，创造经济效益423.76万元。,03 综合利用及细粒级固化干堆研究,2 尾矿再选产业化应用,负倾角单层高频细筛,TT-60陶瓷过滤机,FX150超长锥旋流器组,铁尾砂产品抓运现场,目录页 CONTENTS PAGE,04 小结,01 现状,02 尾矿综合利用研究,03 综合利用与细粒级固化干堆,梅山尾矿综合利用小结,04 小结,梅山尾矿综合利用项目实现了梅山全尾矿综合利用及无害化处置,并通过中国冶金矿山企业协会的专家鉴定。并形成以下主要创新点：1、研发成功150mm超长变锥旋流器。获得铁尾砂作为水泥铁质校正剂使用。2、研发成功大高径比无耙柱式膏体浓密机和超细尾矿膏体制备技术，获得浓度为55%的膏体尾矿。3、研发成功以高炉矿渣为主要原料的超细尾矿固结胶凝材料和超细尾矿固结技术，具有良好的早强性能和长龄期固结强度。4、研究超细尾矿膏体固结料浆的流变特性，建立超细尾矿膏体固结料浆管道输送沿程阻力的计算模型。5、采用实验室放矿模拟和数值仿真技术，研发了采用固化尾矿回填崩落法采矿地表塌陷区的方法及工艺，为地表塌陷区治理和生态恢复开辟了新的途径。,THANK YOU,THANK YOU,宝钢集团南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司杨 龙2017年3月,BAOSTEEL,