尾矿充填技术综述

张晓铜

(铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿,安徽铜陵 244001)

尾矿充填技术综述

张晓铜

(铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿,安徽铜陵 244001)

为充分回收地下资源,加大生态保护力度,充填法采矿已成为采矿业发展的趋势。因此,通过对尾矿性态、尾矿输送技术、低热高强胶凝材料机理研究和必要的检测手段来降低充填成本,对提高尾矿制备和充填能力,实现尾矿高浓度连续充填,进一步提高胶结充填体强度,有着极其重要的意义。

似膏体;构造;料浆;离析;级配;低热高强材料

1 前言

随着人们环境保护、资源不可再生意识的提高和循环经济的不断发展,充填法采矿己是今后采矿业发展的趋势。为充分回收地下资源,多数井下矿山在回采顺序上,采用多步骤回采,因此,降低矿山充填成本,提高充填体强度,控制地压并保护地表及矿区周边环境,是矿山安全生产,提高矿山生产能力的重要保障。

2 矿山充填技术背景

由于地表资源的日益减少和资源不可再生,地下和深井矿山在今后的矿山中所占比例越来越大,深部采矿、开采贫矿是矿业发展过程中的必然趋势和不可回避的问题。随着现代化矿山向环保、规模和高强度方向发展,矿山充填能力有待提高、尾矿资源利用率低、充填过程中高硫尾矿有毒有害气体的产生和充填体强度受到影响、充填成本高等己是制约矿山发展的重要因素,因此,有必要对尾矿充填技术进行全方位、深入的研究以满足矿山安全生产和实现生态矿山的需要[1,2]。

2.1 尾矿制备

最近的研究表明,充填体的抗压强度与输送充填料浆的浓度有关,而如何制备全尾矿似膏体是提高充填体强度和节约金属矿山充填制备成本的重要途径(特别是硫铁矿),同时提高尾矿制备浓度是节约矿山充填成本,也是实现清洁矿山的基本保证[3]。

提高尾矿浓度的方法比较多,主要方法有两种,即压滤和浓缩。压滤成本太高,占地面积较大,系统繁杂,而浓缩方法尾矿制备成本低,生产过程便于实现控制和调节。浓缩的主要方法也有两种,即通过浓密机浓缩和建立砂仓自然浓缩(或添加絮凝剂浓缩)。浓密机和卧式砂仓的浓缩成本较立式砂仓也很高,且占地面积较大,尾矿浓度不高,相对于浓密机和卧式砂仓的尾矿浓缩方法,通过立式砂仓对尾矿进行浓缩,不仅成本低,而且制备砂浆的浓度较浓密机高,其浓度可达到75-83%。进行自然沉降(絮凝浓缩)的关键技术,就是通过对尾矿性态的分析与机理研究,加速尾矿沉降与浓缩。

在一定条件下,尾矿浓度的提高,只与尾矿在立式砂仓的砂位高度有关,而与其砂仓容积无关。要保证尾矿制备质量、实现全尾矿的顺利输送,就必须防止尾矿在砂仓内的自然分级,使制备的尾矿有良好的级配。要实现真正意义上的全尾矿膏体(似膏体)充填,一是要求砂仓溢流澄清,二是高浓度,特别是立式砂仓受砂仓直径的制约,溢流跑浑己是十分普遍的现象,严重影响了料浆输送和充填体质量。因此,要实现全尾充填的溢流澄清,就必须延长沉降路径[4]。

2.2 尾矿性态

大量的试验表明,尾矿制备与输送浓度与尾矿中矿物颗粒的粒径、泥性物质的含量,尾矿的细度及粘度有着密切关系,通过对尾矿级配和尾矿输送参数的研究,砂浆粘度、浓度与流速之间存在着十分密切的关系。

在尾矿输送过程中,粘度这一特性对确定充填料输送方法是十分重要的。对于粘度低的充填料,换言之,对于含水量过高的充填料,固体将沉淀而引起堵塞。对于粘度高或含水量很低的充填料,摩擦阻力过大也会引起堵塞。这就是说在自流输送过程中,选择适宜的似膏体浓度是十分重要的。膏体或高浓度尾砂具有固体兼液体的特性,利用上述关于体现固体和固体以及牛顿液体之间滑动规律的摩擦定律和牛顿内摩擦定律,并参考力学中的一些观点和方法,本文提出了一种新的流体力学模型,如方程所述:

式中:τ为切应力(Pa);τo为屈服值(Pa);u为孔隙压力(Pa);σ为总法向应力(Pa);φ为内摩擦角(°);μ为粘度(Pa·s);ηs为动力粘滞系数; du/dy为剪切速率(S-1)。

充填浆体由很多固体颗粒组合成,部分固体颗粒彼此接触,其中的间隙充满或充有液体或水,这样就存在着孔隙压力的问题,即总法向应力σ一部分通过固体颗粒直接传递给固体颗粒,另一部分应力(大小为u)由固体传递给液体,或再由液体传递给固体。前一部分力按固体相对滑动来考虑,后一部分力可以类似按牛顿流体来考虑。

3 采矿方法-胶凝材料与充填体强度之间关系

胶结充填体的强度和成本,主要是由尾矿自身的性质、充填料浆浓度、胶结材料的选择等多方面因素决定的。因此,深入的进行不同类型的尾矿研究,选择不同的胶凝材料是非常重要的,而对充填体强度而言,不同的采矿方法和不同的采矿步骤对充填体强度要求是不同的。研究发现,充填体的强度要求,应根据不同采矿方法和不同的回采步骤,确立充填体高度、宽度、密度之间的函数关系。

(1)大量的实验及生产实践证明:认为充填体是在自身重量下破坏,而要求充填体的强度是高度、宽度和密度和函数。重要的是破坏力学和破坏表面的形状。在考虑是否是最大有效垂直高度还是有效高度增加值时,要考虑破坏的方位是否是垂直的重要还是垂直/倾斜兼有的重要。结合有关充填体定向垂直破坏的计算,并参考有关其它矿山充填经验的文献,先确定充填体强度要求。基于上述要求,建议深孔崩矿采场的充填体非侧限抗压强度取700kPa。这一强度可使充填体的自立支撑高度达60m左右[6]。

(2)对于尾矿胶结充填,传统意义上认为分级尾砂的强度比全尾砂充填体强度要高,这一结论是不正确的。通过对大量的分级尾砂和全尾砂进行试验,研究表明,全尾砂的级配优于分级尾砂,其胶结体强度不低于分级尾砂,这就相当于制备混凝土过程中要获取较高强度的混凝土,就必须添加不同粒径的骨料的道理是一样的。

(3)充填体要足够弹性,特别是对大孔采矿来说,以便经得起矿柱165mm炮孔的爆破效应。充填体弹性随水泥含量的提高而降低。基于判据1确定700kPa的充填体强度,实际上所需的水泥含量比推荐的稍高一些(按固体重量百分比,是1∶13比1∶20)。

(4)充填过程中,特别是高硫尾矿,硅酸盐水泥不是好的胶凝材料,在高硫尾矿中,由于硫的存在而使充填体强度大大下降。

(5)加入炼铜炉渣和石膏粉这是澳大利亚Mount Isa矿和Queensland矿的共同做法,研究表明,在我国,有色冶炼炉渣丰富,因此,在我国采矿工业应考虑有色冶炼炉渣在充填混合料中的利用问题。研究表明,矿山充填料使用50%的铜冶炼炉渣可取代硅酸盐水泥,这种配比的胶结料尚未在我国采矿工业中大范围应用。

(6)充填体必须有足够的强度,以确保生产井随回采的进展而总体稳定。在深孔崩矿采区,由于矿体宽度达10～40m,整个充填体发生应力重新分布,事实上,这是不可能的。随着回采的进展,应力将分布到倾向稳定主矿柱、未采部分矿体和边界围岩。

4 结语

尾矿制备、尾矿性态、胶凝材料的选择与矿山胶结充填强度的关系等相关文献的研究结果表明[7～12]:

(1)充填浓度对胶结充填体强度有着重要作用,而选择尾矿的最佳级配对充填体强度的提高,不适为一条重要途径。

(2)对于高硫矿床来说,硅酸盐水泥不是一种较好的胶结材料,由于硫的存在,充填体强度,特别是充填体的后期强度大大下降;

(3)针对不同的采矿方法,对于大孔多步骤采矿方式的矿山,胶结充填体强度是非常重要的,充填体不但要提高充填体的自立性,而且要求充填体有足够的弹性;

(4)对于胶结充填来说,添加炼铜炉渣不失为胶凝材料的一种较好原料。

REFERENCES

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[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.安庆铜矿尾砂胶结充填灰砂配比的遗传优化设计[J].金属矿山,2001,30(7):57-60.

[4] 惠林,邓代强.冬瓜山铜矿极细粒级全尾砂高浓度连续放砂实践[J].有色金属,2008,60(5):10-12.

[5] “十五”国家科技攻关课题攻关研究成果鉴定报告:深井高浓度全尾矿充填无废开采技术研究——全尾砂脱水与充填料输送技术研究.

[6] D A J Ross-Watt.深孔崩矿充填采场之间矿柱回采的初步经验[C].国外大空场嗣后充填工艺研究译文集.南非:黑山矿产开发有限公司,2005:34-37.

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[8] 谢龙水.矿山胶结充填技术的发展[J].湖南有色金属,2003, 19(4):1-5.

[9] 刘磊,吕宪俊,葛会超,等.铁矿全尾矿胶结强度影响因素显著性的研究[J].矿业快报,2008,7(26):37-39.

[10] 张钦礼,王新民,田明华.硫化物对充填体强度的影响[C].第八届国际充填采矿会议论文集.长沙:中国有色金属学会, 2004:168-169.

[11] 陈国山,冷述志.适应新采矿方法的需要提高充填体质量[J].中国矿业,2007,16(8):43-44.

[12] 蔡嗣经.矿山充填力学基础[M].北京:冶金工业出版社, 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

张晓铜(1964-),男,安徽无为人,采矿工程师,主要从事采矿应用技术工作,E-mail:zxt2008118@163.com。