尾矿回填砂浆工作性的研究

尾矿回填砂浆工作性的研究第一章绪论1.1研究的背景及意义1.1.1矿山的现状{矿产资源是人类生存和发展的重要物质基础之一。我国95%的能源和85%的原材料来自矿产资源。随着生产力的发展,科学技术水平的提高,人类利用矿产资源的种类,数量愈来愈广。（赖才书）近十年来，我国矿山开发发展迅猛，矿业在国民经济中的地位和作用直线上升，生产的多种金属成品量不少品种跃居或稳居世界前茅。作为国民经济的基础产业———矿山开采业的经济贡献令人注目。然而，矿产资源开采是迄今最大规模改变地球表面景观和破坏地表生态系统的有组织的人类活动。营矿山企业8000多个，个体矿山企业达到23万多个。如此大规模的矿山开采对我国土地和环境的破坏是惊人的，使原本已稀缺的土地资源呈加速减少的趋势。（杨金燕）矿山的安全是采矿产业可持续发展得重要组成部分，做好矿山安全方面工作，对于发展经济和保持社会的稳定具有双重意义。然而近年来随着矿产资源在开发强度上的加大，以及开采水平有限，从而导致了矿山事故的不断发生，给矿山的安全生产带来了隐患。我国当前不断发生的矿山安全事故造成了很大的人员伤亡和经济损失，我国现正处于快速发展时期，资源需求日益增加，要求更多的开采矿山，可矿山的安全方面却相对落后，这便导致位于矿山周围的环境不断得遭到破坏，事故发生频率也越来越多。我国矿山事故多发，频率高，伤亡数量很大，每年发生的重大特大事故有缓慢上升的趋势，每年至少有上千起，导致的实际死亡人数每年都在万人左右。(吴宝)}｛在开采的矿山中,大多数矿山企业技术和生产设备落后,特别是个体矿山企业,多只重视自身利益,对矿山的维护和环境建设不够重视,对废弃矿山的生态恢复工作更是由于种种原因而被搁置。据统计,全国矿区累计被破坏的土地面积达2.8xl06km2，并且每年以大约467km2扩的速度增长。不仅如此,采矿及其废弃物的任意处置给周边地区带来极为严重的环境污染。目前,我国因尾矿造成的直接污染面积已达6万余公顷,间接污染土地面积60余万公顷。此外,矿业固体废弃物的污染持续时间相当长,有关模型测算表明,废石堆的污染会持续50年之。未经处置的尾矿污染也在10年以上，带来严重的经济损失。（牛一乐）｝｛矿山开发对生态环境影响具有明显的时空变化特征，随着时间的推移，矿山开发对生态环境影响逐渐形成，在矿山整个生产期是动态变化的。最明显的是露天采场、废石场(排土场、排矸场)、尾矿库、地下采空区、塌陷地、地下水降落漏斗，影响范围、影响程度逐步扩大，对地表水、地下水、土地的污染也是逐步形成的。（杨金燕第11篇参考文献）｝｛矿山开采引起的生态破坏有3个过程:（1）开采活动对土地的直接破坏，如露天开采会直接破坏地表层与植被，造成地表裸露，土质疏松，水土流失加剧，尤其在山区更为严重；地下开采可导致地层塌陷等。（2）矿山开采过程中产生大量的尾矿等固体废弃物，尾矿和采矿产生的废石废渣是矿产资源开发利用过程中产生的两大类废弃物，它们的堆积需占用大面积的堆置场地，从而导致对原有生态系统的破坏。（3）矿山开采过程中的废水、废气和固体废弃物中的有害成分，通过径流、大气交流等方式，可对矿山周围地区的大气、水体和土地造成污染，其污染影响空间远远超过矿区本身。（杨金燕第12篇参考文献）｝矿石的大量开采使得当前的矿石品位逐渐降低，在采矿和加工过程中要排放40%-60%的尾矿，这导致各类尾矿的产生和堆积量逐年增长。矿山中蕴含着大量能源物质，特别是煤炭，我国未来的发展对其的依赖还很巨大。矿山开采在带来矿产资源的同时，也产生了大量的采空区和尾矿，这些未处理的采空区和形成于地表的尾矿库给企业和社会带来了大量的重大安全隐患，是非煤矿山最主要的危险源。我国许多矿山都存在大量的采空区，致使矿山开采条件恶化，造成矿柱变形破坏，相邻作业区采场和巷道维护困难等地压现象，同时引发大面积冒落和岩移，引起地表塌陷，山体滑坡，空区突然垮塌的冲击波造成人员伤亡和设备破坏，采空区老窿的积水，形成突水隐患等，严重威胁人民生命、财产安全。如：2008年山西襄汾“9·8”尾矿库溃坝事故造成267人遇难。矿山坍塌事件频繁，这需要人们高度的重视，如何用可利用的尾矿资源对开采过的矿山进行填埋修补十分重要。1.1.2尾矿的现状｛尾矿,就是选矿厂在特定经济技术条件下,将矿石碎磨、选取/有用组分0后所排放的废弃物,也就是矿石经选别出精矿后剩余的固体废料,是工业固体废物的主要组成部分,其中含有一定数量的有用金属、非金属矿物,可视为一种复合的硅酸盐、碳酸盐等矿物材料,并具有粒度细、数量大、污染和危害环境的特点,但同时又是一种潜在的二次资源。换言之,尾矿具有二次资源与环境污染双重特性。（常前发）伴随着采矿产业的发展，全国工业固体废物80%以上来自矿山,每年矿山产生尾矿6亿多,t矿山尾矿累计现已达到45亿t（赖才书第一篇文献）。这些尾矿堆积不仅占用大量的土地,还对土壤和水源造成污染。｝｛尾矿突出表现在侵占土地、植被破坏、土地退化、沙漠化以及粉尘污染、水体污染等。尾矿中含有重金属离子,有毒的残留浮选药剂以及剥离废石中含硫矿物引发的酸性废水,对矿山及其周边地区环境污染和生态破坏,其影响将是持久的。尾矿堆存占用大量的土地资源,对土地的侵占和污染制约了当地的社会经济发展并危害到人体的健康等。目前,全国每年铁矿尾矿排放量约6.3亿,t以全铁11%计算,如果仅回收铁含量为61%的铁精矿,产率按2%~3%,全国每年就可以从新产生的尾矿中回收1260~1680万t的铁精矿,相当于投资建设4~6个大型采选联合企业。（常前发）尾矿的危害极大，如何有效安全的对其进行处理十分重要。｝1.1.3尾矿库｛矿产资源是国民经济重要的物质基础,随着工业化过程的加快,国民经济的发展对能源和原材料的需求越来越大。然而,随着矿山不断采深,矿石品位日趋下降,尾矿量和相应投资逐步增大,我国现有的尾矿库,直接污染土地上百万亩,间接污染土地约一千万亩,每年运费高达715亿元。（金末梅）我国目前建有几千座尾矿库,星罗棋布于矿区沟壑山谷之中,数量多、分布广,占地面积、库容规模相差很大.初步统计,具有一定规模的尾矿库约1500座,库容超过1亿m3的有10座。近年来,随着私营企业进入矿山采、选矿领域,小规模尾矿库数量增长很快。（林玉山第1篇文献）｝｛尾矿库作为矿山选矿生产的主要设施,是事故易发部位,也是隐伏巨大安全隐患的危险源。尾矿库占用大量土地,改变和破坏原有生态环境;尾矿中的污染物,通过径流和渗透,污染周围的土地、水体;最严重的当属溃坝事故,尾矿库下游通常是人口稠密的居民区.溃坝时,尾矿砂、废水倾泻而下,农田、村镇顷刻间遭受灭顶之灾,其危害比水库更为严重,造成人员伤亡、淤塞河道、严重污染土地和水体,而且这种污染灾害将是长期的,难以恢复.美国克拉克大学公害评定小组的研究表明,尾矿库事故的危害,在世界93种事故、公害隐患中,名列第18位.它仅次于核爆炸、神经毒气、核幅射等灾害,而比航空失事、火灾等其他灾害严重。（林玉山）极具威胁的污染源，尾矿砂通常含有酸性、碱性、毒性污染物及镉、砷、铅、锌、银、汞等有害重金属,是一个隐伏巨大隐患的“毒场”,其污染影响面远远超过尾矿库本身。（林玉山第7篇文献）｝我国尾矿年排量近10亿吨，现有尾矿库12718座，尾矿的大量堆存带来安全等诸多问题。截至2010年底，全国仍有1477座危、险、病库尚待治理，这些隐患治理投入高、难度大、周期长，给人民生命财产及环境安全带来严重威胁。建国以来，我国多次发生过尾矿库溃坝事故，造成大量人员伤亡。2008年“9·8”山西襄汾新塔矿业有限公司尾矿库溃坝，造成270多人死亡，更是一次血的教训。｛尾矿库有土复垦的生态恢复技术和无土复垦生态恢复技术，在矿区修复领域是相对先进、成熟的技术。该技术是针对有色金属矿山尾矿的专业技术，具有针对性符合所在地自然特点、场地及边坡稳定性好、复垦后场地稳定符合安全要求，植被覆盖度高，在缺乏土壤的地区可实施无土覆盖复垦生态恢复工程尾矿库的安全和尾矿的整体利用是密切相关的。（杨金燕第1篇参考文献）另一种方法就是利用混凝土泵将浆状尾矿输送到井下进行采空区回填,分水砂充填和胶结充填,后者加入水泥或其他胶凝材料,使松散的尾矿凝聚成具有一定强度的整体，这样既可以减少尾矿的堆积，也有防止矿山坍塌的作用。如何处理尾矿对解决矿山存在的威胁问题相当重要，本文就对尾矿回填矿山技术进行研究探讨。｝1.1.3矿山填充研究进展矿山充填是治理矿山开采沉陷的有效手段，国内外学者对其进行了大量研究，提出了许多行之有效的方法。自20世纪50年代以来，我国矿山充填技术的发展大致经历了四个阶段：50年代为废石干式充填的全盛时期；60年代发展应用分级尾砂水力充填、碎石水力充填和混凝土胶结充填；70～80年代广泛应用以分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充填技术；90年代全面发展了全尾砂胶结充填、块石砂浆胶结充填、碎石水泥浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填等新技术，促进了我国采矿技术的进步和采矿工业的发展。进入21世纪，矿山开采将转向深部矿体、“三下矿体”以及其它复杂难采矿体。地压控制问题将日益突出，并成为深部高效、安全作业的主要障碍。胶结充填是深部及复杂应力环境下地压控制的有效途径之一，因此，充填采矿法和充填工艺技术越来越受到人们的重视，且在充填采矿法不断改造与发展的过程中得到创新与进步。一方面通过对充填材料和充填体物理力学性质的认识，研究开发来源广泛、成本低廉、便于制浆和输送、充填体强度高的新型充填材料；另一方面，通过对充填体力学作用机理的探讨，结合采矿作业要求，研究新的充填工艺和方式。尾矿利用是矿产综合利用的重要内容之一,它关系着我国矿产资源的合理开发和保护,更关系着我国矿产资源的永续从而充分保证国民经济发展的需求,同时还关系着节约土地，改善自然环境质量等一系列当今我国面临的重大问题。因此深入开展尾矿利用研究,并在尾矿产生部门推广尾矿利用技术,使尾矿利用成为矿业部门的支柱产业之一,对促进我国21世纪宏伟目标的实现,具有重要的战略意义。（丁其光）1.2尾矿回填技术的发展1.2.1国外尾矿回填技术的发展20世纪50年代，加拿大矿山采用细颗粒浮选尾砂水力充填，由于非胶结充填体缺乏内聚特性，不能形成稳固自立的充填体，1962年加拿大Food矿首次采用尾砂和水泥胶结充填；1969年澳大利亚的芒特艾萨矿开始采用尾砂胶结充填工艺回采底柱，同时进行铅锌铜冶炼炉渣代替水泥的研究；20世纪70年代，随着胶结充填技术的发展，围绕充填材料、充填料浆的制备、充填体力学性能及承载特性、充填水力输送流体力学等进行了大量的试验研究，从而使得尾砂充填工艺在金属矿山推广应用；20世纪80到90年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要。澳大利亚的坎宁顿矿，加拿大的基德克里克矿、洛维考特矿，德国的格德隆铅锌矿开始采用了全尾砂胶结充填的新技术；膏体泵送充填技术首先在德国的格隆德矿应用成功，随后又在美国、英国、澳大利亚、加拿大、土耳其和葡萄牙等主要采矿国家的金属矿山得到了广泛应用。1.2.2国内尾矿回填技术的发展我国尾砂充填工艺是20世纪60年代开始采用，1965年在锡矿山南矿为了控制大面积地压活动，首次采用了尾砂水力充填采空区工艺。由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的要求，20世纪70年代，我国开始开发和利用尾砂胶结充填技术。在这一阶段，尾砂胶结充填技术的研究内容主要包括充填骨料的物理化学性质和化学成分对充填体的影响，充填体与围岩的相互作用、充填体的稳定性和充填胶凝材料等。这一时期的胶结充填均为传统的混凝土充填，即完全按照建筑混凝土的要求工艺制备和输送胶结充填料，这种传统的粗骨料胶结充填输送工艺复杂，且对物料的级配要求较高，因而一直未获得大规模的推广使用，后来几乎被细砂胶结充填完全取代，细砂胶结充填以尾砂和棒磨砂等材料作为充填骨料，以水泥作为胶结剂，集料与胶结剂通过搅拌备成料浆后，以两相流管道输送方式输入采场进行充填，因细砂胶结充填具有胶结性强和适于管道水力输送