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中国金属矿山充填技术发展现状与未来
2018-04-09
中国金属矿山充填技术发展现状与未来——北京矿冶研究总院郭利杰报告
2 016年有色金属资源清洁利用与节能减排研讨会 中国金属矿山充填技术发展 现状与未来 主任、博士、副教授、硕士生导师 郭利杰 加拿大采矿、冶金与石油学会会士 北京矿冶研究总院 Tel:13801211304 Email:ljguo264@126.com 北京矿冶研究总院 2016年7月 提纲 矿山充填工艺技术发展概况 矿山充填材料的应用 充填设备发展与革新 充填技术工程案例分析 充填技术与装备发展趋势 结 语 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1 1 1 1 1 950s 干式充填 960s 水砂充填 970s 立式砂仓分级尾砂低浓度充填 980s 立式砂仓分级尾砂高浓度充填 990s 全尾砂膏体充填 ( 1994 金川镍矿;1999铜绿山铜矿) 2000s 基于立式砂仓的全尾砂高浓度充填 基于深锥浓密机的全尾砂膏体充填 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1.1 分级尾砂充填技术 l 分级尾砂充填技术仍是目前应用最广泛的充填工艺技术 , 以自流输送为主。 尾砂分级界限一般为37um,充填料浆的渗透系数应达到 0cm/h,分级尾砂的利用率在50%左右。 l l 1 分级尾砂充填主要采用旋流分级与立式/卧式砂仓水力 联合造浆技术,其制备料浆质量浓度一般为65%~72% 。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1.2 高浓度全尾砂充填技术 l 高浓度全尾砂充填技术是上世纪末本世纪初发展起来的矿 山充填技术。 l l l 高浓度全尾砂充填技术的特点是以全尾砂作为充填骨料, 通过活化搅拌, 在高浓度状态下输送到采场。 冬瓜山铜矿充填系统是目前国内较为先进的高浓度全尾砂 胶结充填系统。 突破了细粒级高浓度全尾砂浆的立式砂仓制备技术和深井 开采全尾砂高浓度充填料浆自流管输降压的关键技术,形 成了立式砂仓流态化全尾砂高浓度连续充填技术。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 冬瓜山铜矿高浓度全尾砂充 填系统 l 有6套相互独立的容积 9 70m3 (有效容积为 79m3)的立式砂仓 6 l l 有3座1200t的水泥仓 单套充填能力100m3/h, 充填料浆浓度72%~76%。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 冬瓜山铜矿高浓度全尾砂充 填系统 l 工艺流程: ( ( ( ( ( 1)立式砂仓: 2)尾砂高效絮凝沉降; 3)仓底特殊的活化喷咀; 4)高压水/气高效造浆; 5)自流输送。 提出了“边壁流”概念,实 现了高浓度全尾砂连续充填 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1.3 膏体充填技术 l 膏体充填料是一种不离析、不沉淀、不脱水、可流动的 非牛顿塑性流体。 l 会泽铅澳门银河官网膏体充填系统是我国目前最先进的全尾砂充 填系统。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 会泽铅澳门银河官网全尾砂膏体充填系统 l 充填系统能力60m3/h,充填 料浆浓度78%~81%。 充填工艺: l (1)深锥浓密机 ( 2)尾砂高效浓缩(底流72%~ 78%) (3)利用水淬炉渣作为粗骨料 ,将浓度提高至80%以上。 (3)膏体两级连续搅拌 (4)泵送至采场 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1.4 废石胶结充填技术 Ø块石(碎石)胶结充填(基德克里克矿、丰山铜矿等) Ø废石尾砂胶结充填(铜坑锡矿、安庆铜矿等) 废石尾砂胶结充填具有更大的现实意义! 可以实现井下掘进废石不出坑 充填尾砂量不足,用废石补充充填骨料 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 l 北京矿冶研究总院在安庆铜矿开展的废石尾砂胶结充填 技术试验研究,利用井下掘进的自然级配废石与地表充 填站制备的尾砂胶结料浆,采用多元化的混合方式充入 采场。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1.5 其他充填技术 l 棒磨砂胶结充填已逐步减少,主要应用在金川二矿、龙 首矿。 l 泡沫砂浆充填是一种较新的胶结充填技术,利用泡沫技 术将大量泡沫加入充填料浆中,减少水泥使用量,改善 充填料浆流动性,提高充填料浆浓度,节约充填成本。 目前泡沫砂浆充填技术在凡口铅澳门银河官网的井下采场充填试 验应用。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1 .6 澳大利亚、瑞典、加拿大等发达国家矿山充填系统简述 l 澳大利亚Broken Hill矿 布罗肯希尔矿是澳大利亚佩利亚控股铅澳门银河官网,采选能力180万 t/a,采用高浓度分级尾砂充填系统,该系统的特点是基于立式砂 仓+旋流器脱水浓缩的高效稳定造浆系统。(仅1座立式砂仓) 旋流器 立式砂仓 搅拌桶 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1 .6 澳大利亚、瑞典、加拿大等发达国家矿山充填系统简述 l 瑞典新波立登公司Garpenberg矿 该矿是瑞典依然在生产运行的最古老的铅锌银多金属矿山 , 1972年正式投产,2007年建成膏体充填系统。矿山生产能力 为250万吨/年,矿山开采深度为1000m,采用分段空场嗣后膏 体充填法。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1 .6 澳大利亚、瑞典、加拿大等发达国家矿山充填系统简述 l 瑞典新波立登公司Garpenberg矿 膏体充填系统采用深锥浓密机浓缩将尾矿浆体浓缩至70%浓度,然后泵 送到直径为6m的圆形搅拌槽,水泥、粗骨料和水也进入该搅拌槽与尾矿混 合,经一级搅拌后,充填料浆进入二级混合槽混合后,经PM泵送至井下采 场。 搅拌系统 浓密机 PM泵送系统 搅拌槽内部结构 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1 .6 澳大利亚、瑞典、加拿大等发达国家矿山充填系统简述 l 瑞典新波立登公司Kristineberg矿—竖井立式砂仓充填系统 该矿是瑞典波立登地区最古老的矿山,1940年开始运营投产,矿床富含铜、铅、锌、金 、银,矿山采矿方式为上向水平分层充填采矿法,生产能力为70万吨/年,尾砂来自 50km外的波立登集中选场,经压滤后的尾砂用卡车运输至充填站倒入竖井砂仓。 地表竖井砂仓 尾砂造浆系统 井下振动放砂 控制系统 北京矿冶研究总院 BGRIMM 1 、矿山充填工艺技术发展概况 1 .6 澳大利亚、瑞典、加拿大等发达国家矿山充填系统简述 l 加拿大基德克里克矿—膏体充填系统 该矿是加拿大安大略省最大的铜锌金属矿,矿山目前的生产能力为7000t/d,采 用分段空场采矿嗣后膏体充填采矿法,膏体充填系统是采用分批制备方式的膏体充 填,年充填能力130万t,每小时的充填能力400t。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 粗骨料 l 加拿大基德克里克矿 —膏体充填系统 尾砂 该充填系统是分别设置尾矿 和esker砂堆场,将尾矿和砂 通过计量皮带输送到尾矿搅 拌桶和esker砂集料仓,然后 将充填材料(尾砂、esker砂 水泥仓 搅拌槽 搅拌桶 计量器 、水、水泥)分别倒入各自 水计量器 尾矿计量器 水泥计量器 的计量器,使其进入分批混 合搅拌器进行充分搅拌后泵 送至井下采场。 分批混合搅拌器 北京矿冶研究总院 BGRIMM 2 、矿山充填材料的应用 2.1 水泥 l 水泥目前仍是矿山胶结充填的主导胶凝材料,其中应用普 通硅酸盐水泥最为广泛。 l 水泥材料费用一般占充填成本的60%~70%以上,减小水 泥用量或寻求廉价胶结剂是节约充填成本主要途径。 .2 高水固化胶凝材料 2 l 高水固化材料是以铝矾土为主料,配以多种无机原料和添 加剂等制成甲乙两种固体粉料。 l 高水材料具有速凝早强性能,流动性和可泵性,再生强度 性能。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 2 、矿山充填材料的应用 2.3 新型矿渣胶凝材料 l 北京矿冶研究总院与加拿大矿物能源技术中心(CANMET ) 合作研究,正在开发的矿山充填新型胶结材料(可替代 胶结剂),其利用矿山废料和冶金废渣制成,是完全可以 替代水泥的胶结充填材料,且成本低廉,能减少废料排放 和环境破坏。新型矿渣胶凝材料属于资源节约、环境友好 型新材料,具有广阔的应用前景。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 2 、矿山充填材料的应用 2.4 其他胶凝材料 l 粉煤灰在替代部分水泥能有效改善充填料活性及流动 性,同时也环保节约,正逐渐得到推广应用; 冶炼炉渣已广泛应用于水泥工业制造矿渣水泥,目前 国内矿山用炉渣作为充填料主要是利用没经过磨细的 高炉炉渣和铜、镍冶炼炉渣,作为充填骨料的一部分 l , 能有效改善充填料浆活性和提高充填料浆浓度,譬 如云南会泽铅澳门银河官网利用全尾砂-水淬渣进行膏体充填。 地质聚合物是一类新的胶凝材料,主要有效成分为铝- 硅酸盐,作为可替代水泥的新型胶凝材料。 l 北京矿冶研究总院 BGRIMM 3 、充填设备发展与革新 3.1 膏体浓缩设备 l 美国FLSmith矿业公司研制的道尔-爱姆科深锥膏体浓 密机是目前世界上最先进的 膏体制备浓缩设备,其制浆 浓度可达到71%~75%。这 种浓缩机脱水效率高,适用 于制备膏体充填料及尾矿干 堆。会泽铅澳门银河官网的膏体充填 系统已经成功应用该浓缩机 制备井下充填料浆。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 3 、充填设备发展与革新 l 芬兰奥图泰公司制造的SUPAFLO®膏体浓密机采用创新 的自动稀释系统、科学的耙架结构设计、高效的驱动 系统及精确的自控制技术,解决了尾矿物料脱水采用 普通浓密机难以解决的挑战。 具有絮凝有效性高、高效 液压驱动、低阻力耙臂及 最少压耙事故等优点,能 制备出最高浓度达70%的 尾矿浆体。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 3 、充填设备发展与革新 3.2 过滤设备 l 陶瓷过滤机是目前国际上公认的细粒级矿物过滤的(固 液分离)设备,是集机电、微过滤板、自动化控制、超 声波清洗等高新技术为一体的新型产品。 芬兰拉罗克斯公司新推出的过滤机服务产品—奥图泰拉罗 克斯过滤机,具有节约能源与水的消耗,过滤效率高、 效果好等优点。 l l 目前这种过滤机用于井下尾矿脱水应用,在国内尚未见 诸报道,其可满足充填量小的膏体料浆制备,具有较好 的推广前景。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 3 、充填设备发展与革新 3.3 膏体泵送设备 l 膏体充填泵是在建筑工程混凝土泵的基础上发展起来。 目前用于矿山充填的膏体泵,主要有德国的普茨迈斯特( Putzmeister)公司和施维因(Schwing)公司的双缸 活塞泵、荷兰的奇好(Geho)的双缸隔膜泵。 金川镍矿和铜绿山铜矿膏体充填分别选用的是施维因公司 生产的KSP-140HDR液压双缸活塞泵和KSP80HD双缸活塞 泵,云南会泽铅澳门银河官网膏体充填系统选用奇好泵。 截止目前,国内长沙飞翼股份研发的工业充填泵基本能满 足泵送膏体料浆要求。 l l l 北京矿冶研究总院 BGRIMM 3 、充填设备发展与革新 3.3 膏体泵送设备 高密度固体泵的基本构成有两个液压油缸,两个输送缸,及一套带控制阀 的泵头。一个电子液压站提供315 kW的动力,驱动HSP25100泵。泵头有一 个很大的吸料口,每个输送缸有220mm截面的压力阀。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 4 、充填技术工程案例分析 4 .1 废石尾砂胶结充填技术及其工程应用 l 什么是废石尾砂胶结充填? 尾砂胶结充填 废石充填 + l 采用废石尾砂胶结充填的两种情况 1 2 、为实现井下掘进废石不出坑 、充填尾砂量不足,用废石补充充填骨料 北京矿冶研究总院 BGRIMM 4 、充填技术工程案例分析 l 废石尾砂胶结充填的意义 1 . 废石不出坑,可以节约废石的提升运输费用;减少掘 进进度受提升系统的影响;增加提升系统提升矿石能 力;减少地表废石堆放,节约征地费用。 2 3 . 减少水泥用量,节约充填成本。 . 增加充填骨料的供给,缓解矿山尾砂不足的矛盾,从 而节约外运骨料的费用。 4 . 加大采场充填能力,缩短采场充填周期。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 废石尾砂胶结充填工艺方案 1 、充填工艺方案选择 l 由充填试验知:废石尾砂胶结充填过程废石料与胶结料 浆同步下料混合模式的充填体质量最好。 l 最佳下料工艺应选择胶结料浆与废石料充分混合且同步 下料情况充填为宜。 l 充填料混合设计依据废石料充填方式分为3种方案 方案1 废石料与胶结料浆斜充填井下料混合工艺方案 方案2 废石料与胶结料浆垂直充填井下料混合工艺方案 方案3 可伸缩变速抛掷机抛掷废石料与胶结料浆同步下 料混合工艺方案 北京矿冶研究总院 BGRIMM 废石尾砂胶结充填工艺方案 2 、最佳充填工艺方案——方案一 对于方案一,充填天井是构成理 想充填的重要因素,其位置应满 足充填料均匀连续分布。充填井 方位也决定落地料堆位置,因天 井中浆料流具有一定下落速度, 这个速度决定着料流落地运动轨 迹,该轨迹可用抛物线方法求得 ,故可以根据预期废石料落地位 置及废石堆形状,反算出最佳充 填井方位。 1 -废石充填+尾砂胶结料浆(管道);2-抛掷过程中 的充填料;3-废石料堆 北京矿冶研究总院 BGRIMM 废石尾砂胶结充填工艺方案 2 、最佳充填工艺方案——方案二 对于方案二,采场跨度不大时(小 于30 m),在采场中央布置垂直充 填天井,是一种理想的布置方式。 废石料和胶结料浆通过垂直充填井 下料混合充填采空区,废石料形成 圆锥形废石堆,胶结料浆包裹废石 料,最终形成胶结料浆包裹废石料 芯充填状态。如左图所示,A区为 被包裹的废石柱芯,B区为胶结料 浆包裹层。但是实际充填过程中, 废石充填料的分凝是不可避免的现 象,应充分搞好充填质量控制,避 1 -废石充填+尾砂胶结料浆(管道);2-下落过程中 免出现大范围分凝现象。 的充填料;3-废石料堆 北京矿冶研究总院 BGRIMM 废石尾砂胶结充填工艺方案 2 、最佳充填工艺方案——方案三 对于方案三,采用可伸缩变速抛 掷机抛掷废石料进入采场,胶结 料浆通过管道输送一端同步下料 ,可实现废石均匀铺设的废石尾 砂胶结充填试验和胶结料浆包裹 废石芯的充填。可伸缩变速抛掷 机可将废石料抛掷到所设定范围 内,胶结料浆同步下料,充填体 形成A区和B区。 1 -抛掷废石料;2-尾砂胶结料浆(管道);3-抛掷 过程中的废石料;4-废石料堆 北京矿冶研究总院 BGRIMM 废石尾砂胶结充填工程应用 l 安庆铜矿废石尾砂胶结充填工业试验-8R采场充填 3 #孔 2#孔 1#孔 观测孔 86° 充填孔 7 #孔 6#孔 5#孔 4#孔 尾砂胶结充填 灰砂比:1∶4 挡杆 废石尾砂胶结充填 灰砂比:1∶10 脱水管(1、2) 胶充与废石比:3.5∶1 废石尾砂胶结充填 灰砂比:1∶8 b' 胶充与废石比:3.5∶1 δd 废石尾砂胶结充填 灰砂比:1∶6 胶充与废石比:3.5∶1 尾砂胶结充填 灰砂比:1∶4 北京矿冶研究总院X=90800 BGRIMM X=90850 8#矿房纵剖面图 No.5 废石尾砂胶结充填工程应用 l 安庆铜矿废石尾砂胶结充填工业试验-8R采场充填 废石锥形堆放的废石尾砂胶结充填 北京矿冶研究总院 BGRIMM 4 、充填技术工程案例分析 4.2 六苴铜矿井下天井立式砂仓高浓度连续充填系统 u采选生产能力120 万t/a u低浓度充填质量不能 满足深部采矿的要求 u 深部采用胶结充填 l 矿体似飘带状,走向短(170~200m),倾向长,延伸约 000m。 4 l 缓倾斜矿体,在22°~35°之间,充填倍线大,13.9。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 4 、充填技术工程案例分析 低浓度供砂地下高浓度制备的大倍线自流输送充填技术 l 地下建立立式砂仓 制备站 l 实现13.9大倍线 的高浓度充填 供砂浓度:50%~55% 充填倍线:13.9 l 充 填 浓 度 7 2%~74% 充填浓度:72%~74% 北京矿冶研究总院 BGRIMM 4 、充填技术工程案例分析 地表-井下联合高浓度连续充填系统 BGRIMM 4 、充填技术工程案例分析 地下天井立式砂仓 l 立式砂仓直径7m,总高30m,容积 000m3 1 l 利用井下天井中深孔爆破成仓 l 仓内衬砌形成混凝土仓壁 l 仓底采用钢板焊接,利于造浆设施安 装布置 优点:施工简单,投资小,可作为地 下高浓度尾砂制备设施。 立式砂仓井建施工 BGRIMM 4 、充填技术工程案例分析 Ø稳定的充填浓度大于72%。 Ø实现了最大13.9充填倍线的高浓度自流充填。 Ø解决了六苴铜矿地表工业场地紧张、充填倍线大的问题, 实现了矿山的高浓度稳定自流充填 BGRIMM 5 、充填技术与装备发展趋势 l 无废开采是一种理想的生态采矿模式 ,膏体全尾砂充填技术及废石胶结充 填技术或将成为无废开采的核心技术 载体。 l 未来,高浓度/膏体全尾砂充填技术与 废石胶结充填技术互相结合、协同处 理地表尾矿与井下废物的可持续性融 合技术。它们将成为最大限度减少废 物、资源和能源极致利用、环境污染 与破坏最小的可持续采矿范例。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 5 、充填技术与装备发展趋势 l 未来,低成本、环保的新型胶结材料的创新研究与开 发或将越来越受到重视。随着新型胶凝材料制备技术 研究的不断深入,能更多消纳矿业废物、具备更低成 本的新型复合胶结材料(炉渣胶结剂和地聚物胶凝剂 ) 的强度性能将能得到显著改善,从而推动高浓度/膏 体全尾砂胶结充填技术在更广范围的矿山推广应用。 更有效、更具成本效率并能适应更极端环境的尾矿膏 体浓缩设备、泵送设备的研究开发将不断得到创新发 展;更精准、更智能的充填参数自动检测仪表与自控 系统、通信系统将能达到同步协调。 l 北京矿冶研究总院 BGRIMM 6 、对矿山充填的几点认识 l 矿山充填是解决大宗矿冶固废综合利用的主要途径。 l 关于充填系统方案与设计 1 2 3 、充填系统方案要因地制宜,要结合矿山实际 、充填方案设计要以试验为基础,要进行充分的研究论证 、充填系统设计不仅要满足采矿的要求,也要与银河博彩娱乐网站大全及尾矿库的工 艺流程相协调,要进行总体设计 l 充填浓度的稳定性比充填浓度本身更重要,稳定可靠的 工艺流程比复杂的自动控制更有效。 l 国内对充填体的作用机理认识不够,缺乏充填体强度设 计的系统理论。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 谢谢大家! 北京矿冶研究总院欢迎您。 北京矿冶研究总院 BGRIMM
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