全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)用和改造實施膏體充填探討

1、全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)用全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)用和改造實施膏體充填探討和改造實施膏體充填探討馮英俊濟南鋼城礦業(yè)有限公司2013年12月主要內(nèi)容 企業(yè)基本情況 全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)及應(yīng)用 高爐水渣代替部分水泥充填 全尾砂膠結(jié)充填應(yīng)用綜合評價 需要改進完善的問題 改造全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)實施膏體充填的探討1.企業(yè)基本情況企業(yè)基本情況 濟南鋼城礦業(yè)有限公司原為濟南張馬屯鐵礦，位于濟南市的東郊，1966年11月建礦，因水文地質(zhì)條件復(fù)雜,1977年11月部分投產(chǎn)，形成年產(chǎn)20萬噸礦石的生產(chǎn)規(guī)模。1990年并入濟南鋼鐵集團公司，稱為濟鋼張馬屯鐵礦，2000年根據(jù)濟鋼股份公司上市需要，注冊為有限責任公司，是濟南鋼鐵

2、集團有限公司的全資子公司。礦山在19931997年實施擴產(chǎn)工程后，生產(chǎn)能力達到年產(chǎn)原礦50萬噸、鐵精礦33萬噸?，F(xiàn)已發(fā)展成以自有礦山采選生產(chǎn)為主，外購礦石、煤炭加工并舉的綜合型資源企業(yè)，成為濟鋼集團公司的重要原料基地。 建礦以來一直開采的張馬屯鐵礦床，屬矽卡巖型磁鐵礦床，位于礦區(qū)中部濟南輝長巖體東部接觸帶，是濟南鐵礦區(qū)中規(guī)模較大的一個隱伏礦床，由、號兩個主要礦體和少量零星礦體組成。礦體范圍內(nèi)為平原地形，地勢平坦，標高在2933m之間。地表為村莊農(nóng)田，又緊鄰膠濟鐵路和公路，無河流通過，無匯水體，礦體埋藏深。累計探明儲量2883.8萬噸，平均地質(zhì)品位54%，屬高硫半自熔高爐富礦。 張馬屯鐵礦床是國

3、內(nèi)罕見的大水礦床，水文條件張馬屯鐵礦床是國內(nèi)罕見的大水礦床，水文條件極其復(fù)雜，先后投入巨大資金進行水文地質(zhì)勘探極其復(fù)雜，先后投入巨大資金進行水文地質(zhì)勘探和地下水治理工程。和地下水治理工程。 在19701975年對該礦床進行了大規(guī)模的水文地質(zhì)勘探，表明該礦床水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，礦坑涌水量特別大，預(yù)測360（最低開采水平）坑道涌水量41.4萬m3/d。 確定采用“以堵為主，排、堵結(jié)合”的防治水方法。1975年12月至1979年9月對7勘探線以東、水文地質(zhì)條件相對簡單的號礦體實施了小帷幕注漿堵水試驗工程。 借鑒小帷幕注漿堵水的成功技術(shù)經(jīng)驗，于1993年3月到1996年12月，對礦床西段（7勘探線以

4、西）的礦體實施大帷幕注漿堵水工程。 堵水效果達85%以上，保障了礦床的安全開采，開辟了我國特大水礦山帷幕注漿治水的先河。 1993年礦山與長沙礦山研究院合作成功研究應(yīng)用了具有國際領(lǐng)先水平的全尾砂膠結(jié)充填綜合技術(shù)，建成了國內(nèi)第一個全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)和高爐水渣細磨系統(tǒng)，實現(xiàn)了選礦不設(shè)尾礦庫的綠色選礦目標。在此基礎(chǔ)上，進一步完善采礦工藝，形成了不留礦柱的分段空場嗣后充填采礦新工藝，提高礦石回采率20%以上。資源化綜合利用廢石和礦坑水，將采礦的廢石加工成建筑用的石子，將礦坑水輸送到集團供冶煉使用。實現(xiàn)了采礦、選礦、充填互為原料、綜合平衡的良性閉路循環(huán)，建成了年產(chǎn)礦石50萬噸，鐵精粉33萬噸的安全、高效

5、、無廢排放的生態(tài)文明礦山。 公司在帷幕注漿堵水和全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)方面積累了比較豐富的經(jīng)驗，為國內(nèi)地下金屬礦山提供了范例，在一些同類型礦山已得到了很好的應(yīng)用；也被教材、專家學(xué)者研究引用。2.全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)及應(yīng)用全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)及應(yīng)用2.1項目背景 礦山擴產(chǎn)，將原礦生產(chǎn)能力提高到50萬噸，同時建設(shè)選礦廠。擴產(chǎn)帶來兩個問題：一個是充填料的來源。礦山地表為村莊農(nóng)田，又緊鄰膠濟鐵路和公路，不能塌陷變形，必須充填。礦山年產(chǎn)原礦50萬t,每年形成約12萬m3的采空區(qū)，需充填料20萬t，而井下產(chǎn)生廢石只有34萬t，大量充填料靠外購或建采石場解決，經(jīng)濟上不合理，也難以實施。另一個是尾礦的堆存。為了滿足煉

6、鐵的精料需求，建設(shè)選礦廠，生產(chǎn)品位65以上的鐵精礦。而礦山緊鄰高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，在礦區(qū)內(nèi)或附近無建尾礦庫的合適場地，無法解決尾礦排放問題。 如果將選廠產(chǎn)出的尾礦，全部充入井下采空區(qū)，既解決了地表無法設(shè)尾礦庫的難題，又滿足了井下充填料的需求。同時在尾礦中再加入一定量的膠凝材料，保證充填體達到適宜的強度，使回采礦柱成為可能，提高了礦石綜合回收率，充分利用礦產(chǎn)資源，可獲得更好的技術(shù)經(jīng)濟效果。 經(jīng)過慎重決策，礦山從1993年6月開始與長沙礦山研究院合作，共同試驗研究和應(yīng)用全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，目標主要有兩個：其一是解決充填料的不足和地表無法建造尾礦庫，選廠尾砂須返回井下充填采空區(qū)，實現(xiàn)采、選、充的綜合平衡

7、；其二是回采礦柱，提高礦石的回收率。全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)的成功研究應(yīng)用實現(xiàn)了預(yù)期的目標。2.2難點 張馬屯鐵礦的充填材料是選場的脫水不分級尾砂。受礦石中含有的綠泥石、矽卡巖等成分影響，尾砂泥化嚴重，粒級極細，200目的顆粒約占60%，特別是400目的顆粒所占比例達40%；尾砂的比重為2.8t/m3，松散容重1.17-1.2t/m3。2.3全尾膠結(jié)料漿制備系統(tǒng)2.3.1全尾砂膠結(jié)充填工藝 采用高速活化攪拌工藝，將濃密脫水后的選礦尾砂按一定的灰砂比，與適量的水泥和水混合，先經(jīng)雙軸攪拌機初步攪拌后，再經(jīng)高速攪拌機進行強力活化攪拌，制成濃度60左右的全尾砂料漿，通過125mm充填管自流輸送充填采空區(qū)，形

8、成的充填體自立高度可達60m，具有良好的穩(wěn)定性。2.3.2全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng) 根據(jù)試驗結(jié)果，設(shè)計建設(shè)了全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，于1994年7月建成投產(chǎn)， 受場地的限制，系統(tǒng)全部建在礦區(qū)院內(nèi)，由充填料漿制備系統(tǒng)由尾砂輸送線；水泥輸送線；供水線和砂漿制備線四條生產(chǎn)線組成。全尾砂膠結(jié)充填料制備站工藝流程圖2.4料漿輸送 經(jīng)過計算充填倍線在3.5以內(nèi)可以實現(xiàn)自流輸送；在充填倍線大于3.5區(qū)域當時選用混凝土輸送泵加壓輸送。經(jīng)過試驗混凝土輸送泵間歇輸送與連續(xù)制漿不匹配，應(yīng)用不成功，后來放棄了，全部采用自流輸送充填料漿。全尾砂膠結(jié)充填料漿通過125mm充填管沿25的斜井自流到井下充填水平，進入采空區(qū)充填。2.5

9、灰砂比和料漿濃度 在料漿濃度為5467，張馬屯鐵礦的灰砂比1：4，1：5，1：6， 60天齡期單軸抗壓強度在0.852.38MPa，大部分在1.01.68Mpa。 張馬屯鐵礦的全尾砂膠結(jié)充填設(shè)計為高濃度充填，濃度在60-65%。但生產(chǎn)難以達到。通過斜井自流輸送濃度最高只能到62%，超過既發(fā)生堵管。生產(chǎn)應(yīng)用55-57%，由于尾砂給料不均勻，再高極易堵管。試驗表明在灰砂比不變時，隨濃度的增加，其強度的增加還是比較顯著的。2.6 生產(chǎn)應(yīng)用效果 設(shè)計尾砂膠結(jié)充填料漿制備能力為40 m3/小時，實際制漿能力為4560m3/h，平均充填能力51m3/h?；疑潮纫徊降V房1416，二步礦房110，平均灰砂比1

10、：5，單位水泥消耗190kg/m3。料漿濃度最高60%，一般55，在充填倍線大于3.5時料漿濃度50%。充填體試塊180天的平均強度為1.42MPa(強度低于1 MPa占33.3，在12 MPa之間的占49.1，23 MPa之間的占15.8)。充填成本77.65元/m3（當時水泥價格190200元/t）；現(xiàn)在充填成本105元/m3。3.高爐水渣代替部分水泥充填高爐水渣代替部分水泥充填3.1高爐水渣細磨的膠凝性 試驗表明：高爐水渣細磨至0.047mm（200目）顆粒占60以上時，有良好的膠凝性。在灰沙比和濃度相同的情況下，爐渣代替水泥30以上時，強度比不用爐渣高，而且28天和90天的抗壓強度均隨

11、爐渣的用量增加而上升；爐渣代替水泥量小于30時，試塊的抗壓強度不穩(wěn)定。說明在一定條件下，用爐渣代替部分水泥，對充填體的抗壓強度增長和后期有利，隨著爐渣替代水泥量的增大提高。 將高爐水渣細磨至200目（0.047mm）顆粒占60以上時，有良好的膠凝性，可代替水泥5070，而且充填體的抗壓強度均隨爐渣的用量增加而上升，是一種廉價的水泥代用品。3.2高爐水渣細磨系統(tǒng) 3.2.1工藝流程 工藝是將高爐水渣磨細、分級，200目占60以上的合格產(chǎn)品送至充填制漿站，與水泥、尾砂混合攪拌，制備全尾砂充填料漿。 爐渣用自卸汽車從煉鐵廠運至爐渣料倉，其容積為24m3，經(jīng)GZD-30振動給料機，均勻地卸入TD75-

12、5050膠帶運輸機（長31.5m，坡度18），經(jīng)微電腦多功能電子皮帶稱，送入球磨機（MQG-15003000）,由流量計計量加水磨細，自流到螺旋分級機（FLG-1500）進行分級，粗顆粒再返回到球磨機再磨，合格產(chǎn)品（-200目占60以上），從分級機溢流經(jīng)管道（DN-100mm）由兩臺渣漿泵（一臺備用）運至雙軸攪拌機，與水泥、尾砂混合制漿，自流至井下充填。高爐水渣細磨工藝流程圖1、電機振動給料機 2、膠帶輸送機 3、微電腦多功能電子皮帶稱4、電動單梁起重機 5、濕式格子型球磨機 6、高堰式單螺旋分級機7、原有雙軸攪拌機 8、渣漿泵3.3生產(chǎn)應(yīng)用效果 高爐水渣細磨生產(chǎn)線于1996年9月建成投產(chǎn)，運

13、行到2002年，濟鋼集團的微粉生產(chǎn)線投產(chǎn)，水渣全部用于生產(chǎn)微粉、超細粉，沒有水渣供應(yīng)停產(chǎn) 高爐水渣細磨站平均生產(chǎn)能力為5.51t/h（濕量），當分級機溢流濃度在25左右時，能保證高爐水渣磨細粒度-200目占60以上。 在生產(chǎn)中水渣代替量為4050。凝固快，強度高，充填效果好；充填體的自立性、穩(wěn)定性好于只用水泥充填。 高爐水渣磨細單位成本為42.44元/t，比水泥充填的77.65元/t降低了35.21元/t。4.全尾砂膠結(jié)充填應(yīng)用綜合評價全尾砂膠結(jié)充填應(yīng)用綜合評價 、采用高速活化攪拌技術(shù)，實現(xiàn)了粒級細（200目占60以上）、泥化嚴重尾砂的不分級充填全部，不設(shè)尾礦庫。 、全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在張馬屯

14、鐵礦的應(yīng)用，實現(xiàn)了采礦、選礦和充填良好的閉路循環(huán)作業(yè)，開創(chuàng)了在地表不設(shè)尾礦庫的無廢礦山先例，為我國礦山環(huán)保提供了寶貴經(jīng)驗。 、將高爐水渣細磨至200目占60%以上，代替充填水泥50%-70%，不僅凝固快，強度高，充填效果好，而且能大幅度降低充填成本。 、應(yīng)用全尾膠結(jié)充填工藝，及時充填采空區(qū)，形成的充填體直立高度接近60 m，直立性和穩(wěn)定性好，抗爆破沖擊能力強，能夠代替礦柱控制地壓，實現(xiàn)不留礦柱開采，可以大幅提高礦石回采率，延長了礦山壽命，充分利用了礦產(chǎn)資源，獲得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 公司在此基礎(chǔ)上，進一步對采礦工藝的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，將礦塊劃分成一、二步回采礦房，不留礦柱，先回采一步礦房

15、，全尾砂膠結(jié)充填后，再回采二步礦房，形成了不留礦柱的分段空場嗣后充填采礦新工藝，提高礦石回采率20%以上。5.需要改進完善的問題需要改進完善的問題 問題主要是充填濃度降低，充填體質(zhì)量差，影響礦房回采。 張馬屯鐵礦膠結(jié)充填料漿濃度并未達到設(shè)計的60%高濃度充填要求，目前只有5055%左右。造成充填體強度低，二期礦房回采時兩側(cè)的全尾砂膠結(jié)充填體塌落較多，礦石中混入充填料，直接降低了礦房回采率，同時影響了礦石的破碎篩分及選礦生產(chǎn)。因此，盡可能提高充填料漿濃度，提高充填體強度是目前礦山生產(chǎn)中的緊迫要求。 造成的原因主要有兩方面： 一是尾砂給料不均勻。由于尾砂屬于高細度有粘性物料，壓濾后呈塊狀，通過振動

16、漏斗給料極不均勻，造成皮帶秤計量誤差較大，影響灰砂比和料漿濃度。 二是自流輸送不能滿足倍線增加的需要。隨著采礦區(qū)域向遠處延伸，充填倍線不斷增加，最遠處的充填倍線將達到15，在充填倍線達到3.5以上，充填濃度55%已難以自流，為了實現(xiàn)自流，只能降低充填濃度，降低充填體質(zhì)量。6.改造全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)實施改造全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)實施膏體充填的探討膏體充填的探討6.1全尾砂膏體充填是先進、成功的充填技術(shù) 近20年來,膏體充填技術(shù)取得了很大的進步,在全世界范圍內(nèi)備受關(guān)注,尤其是加拿大、南非、澳大利亞、德國、美國等礦業(yè)發(fā)達國家得到應(yīng)用。膏體充填技術(shù)可以使用全尾砂,具有料漿不脫水離析、充填體強度高、水泥耗量

17、小等優(yōu)點,是充填技術(shù)的發(fā)展方向。 我國從上世紀80年代起就開始跟蹤研究膏體充填技術(shù),先后在金川有色金屬公司、大冶有色金屬公司、馳宏鋅鍺股份有限公司進行試驗研究,在尾砂漿濃密制備、水泥添加以及膏體攪拌制備、膏體泵壓輸送等方面取得了突破。但相對于漿體充填乃至高濃度充填而言,膏體充填所涉及的工藝環(huán)節(jié)多、控制精度高、初期投資大。同時,膏體充填還有一些關(guān)鍵技術(shù)及理論亟待解決,比如尾砂濃密制備工序的完善、管道磨損、膏體輸送理論、關(guān)鍵設(shè)備的消化與吸收等。6.2張馬屯鐵礦實施膏體充填尤為適合 在充填倍線3.5以下，充填料漿濃度60%左右時，充填料漿能夠自流輸送；當濃度大于62%時，即發(fā)生堵管現(xiàn)象。棲霞山鉛鋅銀

18、礦的試驗結(jié)果也證明充填倍線為3.2時，76的料漿輸送濃度難于實現(xiàn)自流輸送，當充填倍線加大至4.2時，無論是否添加水泥，料漿重量濃度73.6的料漿流速極低，不能實現(xiàn)自流輸送。 張馬屯鐵礦最遠礦體的充填倍線達到了15以上，接近20，根據(jù)管路布置及尾礦的性質(zhì)，高濃度充填料漿依靠自流輸送是很難實現(xiàn)的，必須加壓輸送。 膏體充填由于采用泵加壓輸送不受充填倍線的限制，對張馬屯鐵礦細粒級的尾砂尤為適合，能夠解決張馬屯鐵礦現(xiàn)有充填技術(shù)工藝存在的問題和不足。結(jié)合國內(nèi)外成功的技術(shù)經(jīng)驗，利用膏體充填技術(shù)進行升級改造，提高充填料漿濃度和充填體強度及輸送距離，降低充填成本，是十分必要和可行的。6.3改造原則及目標 本著充

19、分利用已有的尾礦濃密脫水等工藝設(shè)備設(shè)施、井巷工程，盡可能減少投資，實現(xiàn)膏體充填的原則進行改造。 根據(jù)張馬屯鐵礦尾礦的實際特點，確定膏體充填改造的指標： 濃度達到70-75%，塌落度為2025 cm的膏體；充填能力50m3/h，利用充填泵加壓輸送，滿足最遠礦體開采的需要；降低充填成本，充填體強度滿足分層充填采礦的要求。6.4工藝流程6.4.1充填材料 膏體由全尾砂水膠結(jié)材料粗骨料改性材料五大部分組成。尾砂為選場濃密脫水的不分級全尾砂；膠結(jié)材料采用普通硅酸鹽水泥；粗骨料用高爐水渣、廢石破碎后的碎石；改性材料用粉煤灰。粉煤灰的膠凝性： 國內(nèi)外對粉煤灰的膠凝性和代替部分水泥充填，做了系統(tǒng)的研究，應(yīng)用廣

20、泛，技術(shù)成熟。粉煤灰中SiO2、Al2O3含量比較高，具有一定的潛在膠凝性能，可作為水泥代用品替代部分水泥；粉煤灰密度小，當摻入一定量后,可減輕充填體體重，利于降低水泥消耗，節(jié)約充填成本。添加粉煤灰的平均抗壓強度要比不加粉煤灰的充填體強度高出許多，而且粉煤灰能大幅度提高充填體后期強度。 這次膏體充填改造，也利用粉煤灰代替部分水泥，借鑒兄弟礦山的技術(shù)經(jīng)驗，按水泥與粉煤灰的重量比1 1.01 0.5，具體將來按試驗結(jié)果確定。6.4. 2改造工藝流程 膏體充填工藝主要由全尾濃密、膏體制備、膏體輸送組成。 6.4.2.1全尾砂濃密脫水 現(xiàn)脫水工藝為：全尾砂經(jīng)過30m、12m濃密機濃密至濃度4045%，輸送到板框式壓濾機壓濾脫水成含水含水率為1820的濾餅，堆存在尾砂池作充填使用。 尾砂含水率能夠滿足膏體充填要求，擬用壓濾后的尾砂直接充填，不過要改進振動漏斗的下料方式，實現(xiàn)均勻給料且給料量達到膏體制備要求。 6.4.2.2膏體制備 制備方式采用臥式多級連續(xù)攪拌混合。全尾砂通過皮帶，水渣、碎石經(jīng)圓盤給料機及皮帶秤計量輸送，水泥、粉煤灰經(jīng)雙螺旋給料機及沖板流量計計量輸送，5種物料共同進入雙軸葉片式攪拌機和雙螺旋攪拌輸送機中進行二級攪拌，制備成濃度70%7