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采矿技术 | 矿山充填采矿技术工艺、设备和发展

2024-05-28 09:37:36 来源:采矿工程
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简介:随着深入建设绿色矿山的同时,我国也面临着技术层面更加严峻的考验。国家已出台多个政策,鼓励和引导矿山充填技术采矿发展和应用。
充填技术采矿是一种将废弃物和尾矿通过填充方法回填到矿井中的技术。它可以减少矿山废弃物的堆放量,提高矿石的回收率,并减少对地表和水体的污染。与传统开采方式相比,充填技术采矿具有更低的环境影响,更高的资源利用率和更好的安全性能。

随着深入建设绿色矿山的同时,我国也面临着技术层面更加严峻的考验。国家已出台多个政策,鼓励和引导矿山充填技术采矿发展和应用。

但伴随经济发展,我国已探明的优质矿产资源接近枯竭,原材料总量供应短缺,复杂低品位矿石资源或二次资源将逐步成为主体原料,对传统的地质、采矿、选矿、冶金、材料、加工、环境等科学技术提出了巨大挑战;同时,不少矿业企业开采深度增大,深部矿床开发固有的高应力、高地压、高地温等特点逐渐显露。

矿山采矿使用的胶结充填采矿技术、工艺及设备

(1)胶结充填采矿法由于在确保安全的情况下兼具环境保护和提高矿石回收率的双重功效,充填工艺涉及矿山安全与经济效益,因此引起国内外采矿界的广泛关注,在有色、黄金等矿山得到越来越广泛的应用,取得了不少研究成果。

胶结充填的主要难题是充填成本过高,胶结充填材料成本中,水泥费用占将近60%-80%,因此降低胶结充填成本的一个重要途径就是寻找水泥替代品,以降低水泥消耗。国内外的研究及应用实践表明,冶炼厂水淬炉渣、火力发电厂粉煤灰、铝厂赤泥,都是性能良好的水泥替代品。尤其是粉煤灰,除了可部分替代水泥降低充填成本外,还可以改善浆体流动性能、提高浆体悬浮性,因此应用更为广泛。

(2)通过高水速凝全尾砂胶结充填新工艺试验,采用高水速凝材料,与全尾砂浆混合制成质量浓度30%-70%的充填料浆,充入采场后,不需脱水,8h即可上设备作业。尽管所使用的高铝型高水速凝材料还存在不足之处,但该材料基本解决了尾砂分级脱泥、井下脱排水、采场接顶等技术难题,为更好利用全尾砂充填开辟了一个全新的领域,也为研制材料来源广泛、成本较低、性能更好的新型高水速凝材料奠定了基础。

(3)块石胶结充填新工艺已得到推广应用。该工艺即井下掘进废石不出窿,直接充入采空区或采场,废石与水泥砂浆交替下料,自然混合构筑块石胶结充填体,由于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,与混凝土胶结充填相比,充填效率提高,工艺更为简单,工人劳动强度大大降低,取得了良好的技术经济效果。

(4)应用分级尾砂管道水力输送的充填工艺技术已相当成熟。为解决分级尾砂脱泥后堆库困难及尾砂分级工艺复杂的难题,近来不少矿山推广了全尾砂胶结充填技术,但该工艺需用机械方法进行浓缩、过滤,工艺复杂,成本较高。近年来,全尾砂膏体泵压胶结充填工艺推动了全尾砂胶结充填技术的进步,为尾砂产率低、充填料来源不足的矿山提供了成功的实例。

(5)添加化学外加剂是一种改善流体流动性能的有效途径,在混凝土工程中得到广泛应用。添加少量外加剂可以改善混凝土的工作性能,提高硬化混凝土的物理力学性能和耐久性能。

(6)管道自流输送属于典型的固-液两相流。管道自流输送系统的设计要求对浆体的流动性能、管道的阻力损失(水力坡度)等作出定量的分析计算。为满足生产实际需求,国内外对两相流理论进行了较深入的研究。根据不同的物料性质及输送条件,提出了各种水力坡度计算的经验公式,比较著名的如尤芬公式、纽伟特(Newitt)公式、卡尔斯公式等;根据浆体在管道中的悬浮状态对浆体输送性能的影响,提出了改善浆体流动特性的途径;充填系统设计所需要的临界管道直径、临界浆体流速、输送能力等指标都有比较可靠的计算方法。

矿山充填采矿技术、工艺、设备的研究与发展趋势

1 充填材料

澳大利亚芒特艾萨矿块石膏体充填研究的最新结果,提出了块石膏体充填的设计原则。通过几次大规模搅拌试验和自由落体试验表明,块石膏体充填能形成均匀的充填体。块石膏体充填料由分级尾砂胶结料浆与一定比例的块石组成,表现出类似的粘结膏体特性。在平均添加水泥 1.5%~2%的条件下,抗压强度超过1 Mpa。

加拿大Williams 矿使用了一种名为DELVO的稳定剂,将其用于块石胶结充填工艺中,结果是DELVO 稳定剂有利于减少堵管现象,提高强度。使用此种稳定剂后,地表搅拌桶的清洗次数也减少了45%。

南非Savuka 矿使用了BF98增塑剂,此增塑剂含有石膏,其作用是提高充填料浓度,降低水与细颗粒的损失。增塑剂还能保证在高浓度时提高流速,减少管道磨损与维护费用。

美国Hecla 公司研究用Pozzlith344N等掺和剂降低充填胶凝剂的用量,改善充填料流动性,其结果是节省 20%的水泥用量,不会影响充填料强度和流动性。

2 充填体力学

加拿大蒙特利尔大学研究了一种测试现场充填体应力应变新方法。传统的方法是通过钻孔取样与室内模型试验相结合。新的方法是利用一套新的装置,它能够自行钻孔,钻头内安装应力应变传感器,信号通过电缆传回工作面,钻头刀具与传感器之间有保护层,防止钻进过程中对传感器产生干扰。平均钻孔速度为 0.1 m/min,按每班 8 h 计算,每班可完成7 组数据的测量。此方法的优点是不影响采矿作业。

美国职业安全与健康研究院研究了幸运星期五矿(Lucky Friday Mine)下向采场围岩的相对位移、胶结充填载荷与钢筋锚杆之间的相互作用。收集了8 个分层的数据,显示出围岩位移引起充填体变形,从而对充填体中垂直锚杆施加载荷。结果分析表明配有钢筋锚杆的充填体支护系统是有效的。

俄罗斯Sergey N. Zhurin 进行了井下排放尾砂的孔隙压力控制试验。试该验是在 Gubkin铁矿完成的,将含水超过 80%的尾砂浆泵送至两个试验采场,观测充填盘区内的孔压分布情况,同时也用数字 FEM 模型分析充填体内的孔压分布。现场调查结果揭示相邻采场内的孔压不存在关联,充填挡墙水压主要取决于通过挡墙过滤网的速度。

南非对于现有充填设计标准用于超深井采矿的研究,提出了新的充填设计标准,建议60%~70%的采空区应该充填。

3 膏体充填

澳大利亚芒特艾萨矿在开发膏体充填技术时,采用了两个简单、经济有效的试验方法研究膏体特性,为膏体充填料搅拌设计提供帮助,即流动锥试验和小坍落度锥试验。通过这些试验可预测膏体的流动特性。流动锥由一个锥体和一段出口管组成,锥体的锥角为14°、容积 2 L,出口管内径 30 mm,长 150 mm,与锥体相连。小坍落度锥试验是借鉴建筑上标准的坍落度试验。资料显示典型的膏体坍落度为 150~250 mm,混凝土的坍落度是30~60 mm,泵送混凝土的坍落度是100~125 mm。

澳大利亚柯林顿矿膏体充填系统在在投入运行的前 18个月中,系统运行不正常,出现的问题大多与管道磨损有关,后来在易磨损地段采用陶瓷和橡胶衬垫,减少磨损,从而大大减少停运时间。在充填开始时,制备两批不添加水泥的料浆,充入管路,目的是浸湿管道,然后再添加水泥。在作业结束时,同样充入2~3 批不加水泥的料浆,然后用水和空气清洗管路。在地表安装有空气压力表,用来确定管道是否清洗干净。在开始送入空气时,由于管道中有料浆和水,压力达到700 kPa,此压力值逐渐降低至200 kPa,此时管道中的料浆和水已清洗干净。如果在20 min 内膏体还没有进入管路,将进行人工或自动清洗管路。由于膏体是分批进入管路,在井下管道中产生高的动载荷,在前18 个月的运行中,由于此动载荷的作用,导致管道接头处常常发生破坏,为此采取以下措施:采用knife-gate(gate knife 墁刀)型阀来限制流速,保证管道中的膏体形成半连续流;在易受高动载荷作用处用法兰盘代替企口管;降低膏体坍落度;在适当的地方安装双法兰管。柯林顿矿制定了一个标准,当膏体的屈服应力为800 Pa(大约固体浓度85%),膏体能成功地充填。该矿是澳大利亚的矿山首次应用膏体充填技术,取得了许多成功的经验。

葡萄牙 Neves Corvo矿研究了膏体充填矿房的强度以及实验室试验值与现场值之间的关系。并研究了充填第二步骤矿房时膏体的液化问题,实验室试验和现场试验结果表明,添加2%的水泥,膏体充填的液化可能性较小,而添加0.5%的水泥时,则液化可能性大,因此,一般是添加1%的水泥,以避免液化。最大限度地降低液化风险时,28 天单轴抗压强度应达到 172 kPa,此时的水泥添加量约为1.5%,充填体自立高度可达到10 m。

加拿大 Brunswick 矿于 1997 年 7 月决定建设膏体充填系统,在此之前,完成了尾砂试验,环管输送试验和预可行性研究。整个系统投资2410 万加元。充填站用一套可编程逻辑控制器(PLCS)混合计算机系统和一套Fisher Provox分布控制系统(DCS)控制。PLCS处理数字信息,开启电机和阀门的顺序,而 DCS处理模拟信息,为操作人员提供界面。采用一个处理信息系统(PI)作为数据库,并提供感应器走向,供充填站操作人员和技术人员作分析用。在充填管道出口处安装 5 台移动摄像机监控充填情况。视频信号通过一套(Leaky feeder)通信系统和光纤送到地表充填站。如果充填料是经过钻孔进入采场,则尽可能靠近出口安装超声波流量计,监控充填情况。在井下管道中,安装有18 个感应器,连续监测管路中的压力,压力信号通过井下PLCS 监控,然后通过一条数据电缆和光纤网络传回地表充填站。系统还装有一套(Leaky feeder)无线电通讯系统,用于语音通讯。Brunswick 矿的膏体搅拌采用叶片式搅拌机,连续作业,不同于传统的分批搅拌方式。实践证明,叶片式搅拌机工作可靠。水泥是湿式添加。

在可行性研究阶段,试验结果是,固体重量含量81%~83%,相应坍落度 178~254 mm,适合于制备和输送。实际生产中,固体重量浓度为78%~80%。根据搅拌机的电流变化,可精确地添加水泥,坍落度保持在140~165 mm 之间。

日本介绍了Toyoha矿计划引进膏体充填技术,主要目的是阻止来自采空区的热流,改善井下气候。该矿井下温度是日本诸岛平均温度的 10~20 倍,在钻孔内测的最高温度达到242℃。该矿只完成地表环管试验,第二次试验计划在井下进行。

加拿大某矿山研究了膏体的流变特性与充填管网之间的相容性问题,研究的结论是膏体充填出现的问题来源于下列一个或多个方面,即管网设计,骨料级配设计,水灰比或生产过程。在设计阶段能够将这些问题减少到最低程度。膏体的流变特性与管网不相容时,将产生大量的故障。在管网设计阶段,管径、骨料级配和水灰比确定了系统的作业状态,因此在设计阶段就应考虑系统的适应性。应该同时做强度和流变特性试验,不仅要满足强度的要求,还要保证流变特性与管网相容。设计的基本原则并且必须做到的就是保证管网与膏体流变性相容。

4 充填设备与运行

典型例子是充填设备对希腊 Stratoni矿高浓度充填的优化。该矿位于希腊东北部,采用下向进路充填法开采铅、锌矿体。由于输送存在困难,造成充填体梁常常发生破坏。因此,依靠多添加水泥来解决,造成充填成本增加,而新建一个充填站,在经济上又不合理。解决的办法是对现有充填系统进行优化并加以改造,大约只需要投资 3.5 万美元。水泥消耗占作业成本相当大的比例,节省1%的水泥,矿山每年可节省 5 万美元。优化措施包括将竖井内的管径改为100 mm,平巷内的管径改为125 mm ,以防止管道内颗粒发生沉淀。此外,为了改善充填料稠度,在充填站内增加控制设施,通过计量盘式搅拌机的电流控制料浆稠度,在充填系统上安装有程序逻辑控制器(PLC)。

德国研究了先进的充填设备减少或消除充填设备的磨损和腐蚀方法。充填管道主要采用玄武岩衬里钢管,此种钢管耐压,管道用法兰连接。内衬防止磨损和腐蚀,提供几乎是抛光的表面。

澳大利亚Olympic Dam矿采用深孔空场法,空区用碎石胶结充填以及块石充填。充填料通过钻孔从地表进入采场顶部,由于采场粉尘和潮湿空气的不利影响,肉眼不能观察充填过程。为此研制一种毫米波雷达,用此雷达观察充填过程,得到不同充填体相对位置的实时数据,是一种控制采场充填的有效手段。

总之,随着深入建设绿色矿山,我国在技术层面上面临着更加严峻的考验。通过推广和应用充填技术采矿,可以减少矿山对环境的影响,提高资源利用率,实现矿山的可持续发展。然而,充填技术采矿仍然面临一些问题和挑战,需要政府 、企业和科研机构共同努力,加大科研投入,加强监管和管理,推动充填技术采矿的创新和发展。
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