全尾砂胶结充填技术应用和改造实施膏体充填探讨

全尾砂胶结充填技术应用和改造实施膏体充填探讨冯英俊济南钢城矿业有限公司2013年12月主要内容•企业基本情况•全尾砂胶结充填技术及应用•高炉水渣代替部分水泥充填•全尾砂胶结充填应用综合评价•需要改进完善的问题•改造全尾砂胶结充填系统实施膏体充填的探讨1.企业基本情况•济南钢城矿业有限公司原为济南张马屯铁矿，位于济南市的东郊，1966年11月建矿，因水文地质条件复杂,1977年11月部分投产，形成年产20万吨矿石的生产规模。1990年并入济南钢铁集团公司，称为济钢张马屯铁矿，2000年根据济钢股份公司上市需要，注册为有限责任公司，是济南钢铁集团有限公司的全资子公司。矿山在1993～1997年实施扩产工程后，生产能力达到年产原矿50万吨、铁精矿33万吨。现已发展成以自有矿山采选生产为主，外购矿石、煤炭加工并举的综合型资源企业，成为济钢集团公司的重要原料基地。•建矿以来一直开采的张马屯铁矿床，属矽卡岩型磁铁矿床，位于矿区中部济南辉长岩体东部接触带，是济南铁矿区中规模较大的一个隐伏矿床，由Ⅰ、Ⅱ号两个主要矿体和少量零星矿体组成。矿体范围内为平原地形，地势平坦，标高在29～33m之间。地表为村庄农田，又紧邻胶济铁路和公路，无河流通过，无汇水体，矿体埋藏深。累计探明储量2883.8万吨，平均地质品位54%，属高硫半自熔高炉富矿。•张马屯铁矿床是国内罕见的大水矿床，水文条件极其复杂，先后投入巨大资金进行水文地质勘探和地下水治理工程。•在1970～1975年对该矿床进行了大规模的水文地质勘探，表明该矿床水文地质条件极为复杂，矿坑涌水量特别大，预测﹣360（最低开采水平）坑道涌水量41.4万m3/d。•确定采用“以堵为主，排、堵结合”的防治水方法。1975年12月至1979年9月对7勘探线以东、水文地质条件相对简单的Ⅰ号矿体实施了小帷幕注浆堵水试验工程。•借鉴小帷幕注浆堵水的成功技术经验，于1993年3月到1996年12月，对矿床西段（7勘探线以西）的矿体实施大帷幕注浆堵水工程。•堵水效果达85%以上，保障了矿床的安全开采，开辟了我国特大水矿山帷幕注浆治水的先河。•1993年矿山与长沙矿山研究院合作成功研究应用了具有国际领先水平的全尾砂胶结充填综合技术，建成了国内第一个全尾砂胶结充填系统和高炉水渣细磨系统，实现了选矿不设尾矿库的绿色选矿目标。在此基础上，进一步完善采矿工艺，形成了不留矿柱的分段空场嗣后充填采矿新工艺，提高矿石回采率20%以上。资源化综合利用废石和矿坑水，将采矿的废石加工成建筑用的石子，将矿坑水输送到集团供冶炼使用。实现了采矿、选矿、充填互为原料、综合平衡的良性闭路循环，建成了年产矿石50万吨，铁精粉33万吨的安全、高效、无废排放的生态文明矿山。•公司在帷幕注浆堵水和全尾砂胶结充填技术方面积累了比较丰富的经验，为国内地下金属矿山提供了范例，在一些同类型矿山已得到了很好的应用；也被教材、专家学者研究引用。2.全尾砂胶结充填技术及应用2.1项目背景•矿山扩产，将原矿生产能力提高到50万吨，同时建设选矿厂。扩产带来两个问题：一个是充填料的来源。矿山地表为村庄农田，又紧邻胶济铁路和公路，不能塌陷变形，必须充填。矿山年产原矿50万t,每年形成约12万m3的采空区，需充填料20万t，而井下产生废石只有3～4万t，大量充填料靠外购或建采石场解决，经济上不合理，也难以实施。另一个是尾矿的堆存。为了满足炼铁的精料需求，建设选矿厂，生产品位65％以上的铁精矿。而矿山紧邻高新技术开发区，在矿区内或附近无建尾矿库的合适场地，无法解决尾矿排放问题。•如果将选厂产出的尾矿，全部充入井下采空区，既解决了地表无法设尾矿库的难题，又满足了井下充填料的需求。同时在尾矿中再加入一定量的胶凝材料，保证充填体达到适宜的强度，使回采矿柱成为可能，提高了矿石综合回收率，充分利用矿产资源，可获得更好的技术经济效果。•经过慎重决策，矿山从1993年6月开始与长沙矿山研究院合作，共同试验研究和应用全尾砂胶结充填技术，目标主要有两个：其一是解决充填料的不足和地表无法建造尾矿库，选厂尾砂须返回井下充填采空区，实现采、选、充的综合平衡；其二是回采矿柱，提高矿石的回收率。全尾砂胶结充填技术的成功研究应用实现了预期的目标。2.2难点•张马屯铁矿的充填材料是选场的脱水不分级尾砂。受矿石中含有的绿泥石、矽卡岩等成分影响，尾砂泥化严重，粒级极细，﹣200目的颗粒约占60%，特别是﹣400目的颗粒所占比例达40%；尾砂的比重为2.8t/m3，松散容重1.17-1.2t/m3。2.3全尾胶结料浆制备系统2.3.1全尾砂胶结充填工艺•采用高速活化搅拌工艺，将浓密脱水后的选矿尾砂按一定的灰砂比，与适量的水泥和水混合，先经双轴搅拌机初步搅拌后，再经高速搅拌机进行强力活化搅拌，制成浓度60％左右的全尾砂料浆，通过Φ125mm充填管自流输送充填采空区，形成的充填体自立高度可达60m，具有良好的稳定性。2.3.2全尾砂胶结充填系统•根据试验结果，设计建设了全尾砂胶结充填系统，于1994年7月建成投产，•受场地的限制，系统全部建在矿区院内，由充填料浆制备系统由尾砂输送线；水泥输送线；供水线和砂浆制备线四条生产线组成。全尾砂胶结充填料制备站工艺流程图2.4料浆输送•经过计算充填倍线在3.5以内可以实现自流输送；在充填倍线大于3.5区域当时选用混凝土输送泵加压输送。经过试验混凝土输送泵间歇输送与连续制浆不匹配，应用不成功，后来放弃了，全部采用自流输送充填料浆。全尾砂胶结充填料浆通过Φ125mm充填管沿25°的斜井自流到井下充填水平，进入采空区充填。2.5灰砂比和料浆浓度•在料浆浓度为54～67％，张马屯铁矿的灰砂比1：4，1：5，1：6，60天龄期单轴抗压强度在0.85～2.38MPa，大部分在1.0～1.68Mpa。•张马屯铁矿的全尾砂胶结充填设计为高浓度充填，浓度在60-65%。但生产难以达到。通过斜井自流输送浓度最高只能到62%，超过既发生堵管。生产应用55-57%，由于尾砂给料不均匀，再高极易堵管。试验表明在灰砂比不变时，随浓度的增加，其强度的增加还是比较显著的。2.6生产应用效果•设计尾砂胶结充填料浆制备能力为40m3/小时，实际制浆能力为45～60m3/h，平均充填能力51m3/h。灰沙比一步矿房1︰4～1︰6，二步矿房1︰10，平均灰砂比1：5，单位水泥消耗190kg/m3。料浆浓度最高60%，一般55％，在充填倍线大于3.5时料浆浓度50%。充填体试块180天的平均强度为1.42MPa(强度低于1MPa占33.3％，在1～2MPa之间的占49.1％，2～3MPa之间的占15.8％)。充填成本77.65元/m3（当时水泥价格190～200元/t）；现在充填成本105元/m3。3.高炉水渣代替部分水泥充填3.1高炉水渣细磨的胶凝性•试验表明：高炉水渣细磨至﹣0.047mm（﹣200目）颗粒占60％以上时，有良好的胶凝性。在灰沙比和浓度相同的情况下，炉渣代替水泥30％以上时，强度比不用炉渣高，而且28天和90天的抗压强度均随炉渣的用量增加而上升；炉渣代替水泥量小于30％时，试块的抗压强度不稳定。说明在一定条件下，用炉渣代替部分水泥，对充填体的抗压强度增长和后期有利，随着炉渣替代水泥量的增大提高。•将高炉水渣细磨至﹣200目（﹣0.047mm）颗粒占60％以上时，有良好的胶凝性，可代替水泥50～70％，而且充填体的抗压强度均随炉渣的用量增加而上升，是一种廉价的水泥代用品。3.2高炉水渣细磨系统•3.2.1工艺流程•工艺是将高炉水渣磨细、分级，﹣200目占60％以上的合格产品送至充填制浆站，与水泥、尾砂混合搅拌，制备全尾砂充填料浆。•炉渣用自卸汽车从炼铁厂运至炉渣料仓，其容积为24m3，经GZD-30振动给料机，均匀地卸入TD75-5050胶带运输机（长31.5m，坡度18º），经微电脑多功能电子皮带称，送入球磨机（MQG-1500×3000）,由流量计计量加水磨细，自流到螺旋分级机（FLG-1500）进行分级，粗颗粒再返回到球磨机再磨，合格产品（-200目占60％以上），从分级机溢流经管道（DN-100mm）由两台渣浆泵（一台备用）运至双轴搅拌机，与水泥、尾砂混合制浆，自流至井下充填。高炉水渣细磨工艺流程图1、电机振动给料机2、胶带输送机3、微电脑多功能电子皮带称4、电动单梁起重机5、湿式格子型球磨机6、高堰式单螺旋分级机7、原有双轴搅拌机8、渣浆泵3.3生产应用效果•高炉水渣细磨生产线于1996年9月建成投产，运行到2002年，济钢集团的微粉生产线投产，水渣全部用于生产微粉、超细粉，没有水渣供应停产•高炉水渣细磨站平均生产能力为5.51t/h（湿量），当分级机溢流浓度在25％左右时，能保证高炉水渣磨细粒度-200目占60％以上。•在生产中水渣代替量为40～50％。凝固快，强度高，充填效果好；充填体的自立性、稳定性好于只用水泥充填。•高炉水渣磨细单位成本为42.44元/t，比水泥充填的77.65元/t降低了35.21元/t。4.全尾砂胶结充填应用综合评价•⑴、采用高速活化搅拌技术，实现了粒级细（﹣200目占60％以上）、泥化严重尾砂的不分级充填全部，不设尾矿库。•⑵、全尾砂胶结充填技术在张马屯铁矿的应用，实现了采矿、选矿和充填良好的闭路循环作业，开创了在地表不设尾矿库的无废矿山先例，为我国矿山环保提供了宝贵经验。•⑶、将高炉水渣细磨至﹣200目占60%以上，代替充填水泥50%-70%，不仅凝固快，强度高，充填效果好，而且能大幅度降低充填成本。•⑷、应用全尾胶结充填工艺，及时充填采空区，形成的充填体直立高度接近60m，直立性和稳定性好，抗爆破冲击能力强，能够代替矿柱控制地压，实现不留矿柱开采，可以大幅提高矿石回采率，延长了矿山寿命，充分利用了矿产资源，获得巨大的经济效益和社会效益。•公司在此基础上，进一步对采矿工艺的结构参数进行优化，将矿块划分成一、二步回采矿房，不留矿柱，先回采一步矿房，全尾砂胶结充填后，再回采二步矿房，形成了不留矿柱的分段空场嗣后充填采矿新工艺，提高矿石回采率20%以上。5.需要改进完善的问题•问题主要是充填浓度降低，充填体质量差，影响矿房回采。•张马屯铁矿胶结充填料浆浓度并未达到设计的60%高浓度充填要求，目前只有50～55%左右。造成充填体强度低，二期矿房回采时两侧的全尾砂胶结充填体塌落较多，矿石中混入充填料，直接降低了矿房回采率，同时影响了矿石的破碎筛分及选矿生产。因此，尽可能提高充填料浆浓度，提高充填体强度是目前矿山生产中的紧迫要求。•造成的原因主要有两方面：•一是尾砂给料不均匀。由于尾砂属于高细度有粘性物料，压滤后呈块状，通过振动漏斗给料极不均匀，造成皮带秤计量误差较大，影响灰砂比和料浆浓度。•二是自流输送不能满足倍线增加的需要。随着采矿区域向远处延伸，充填倍线不断增加，最远处的充填倍线将达到15，在充填倍线达到3.5以上，充填浓度55%已难以自流，为了实现自流，只能降低充填浓度，降低充填体质量。6.改造全尾砂胶结充填系统实施膏体充填的探讨6.1全尾砂膏体充填是先进、成功的充填技术•近20年来,膏体充填技术取得了很大的进步,在全世界范围内备受关注,尤其是加拿大、南非、澳大利亚、德国、美国等矿业发达国家得到应用。膏体充填技术可以使用全尾砂,具有料浆不脱水离析、充填体强度高、水泥耗量小等优点,是充填技术的发展方向。•我国从上世纪80年代起就开始跟踪研究膏体充填技术,先后在金川有色金属公司、大冶有色金属公司、驰宏锌锗股份有限公司进行试验研究,在尾砂浆浓密制备、水泥添加以及膏体搅拌制备、膏体泵压输送等方面取得了突破。但相对于浆体充填乃至高浓度充填而言,膏体充填所涉及的工艺环节多、控制精度高、初期投资大。同时,膏体充填还有一些关键技术及理论亟待解决,比如尾砂浓密制备工序的完善、管道磨损、膏体输送理论、关键设备的消化与吸收等。6.2张马屯铁矿实施膏体充填尤为适合•在充填倍线3.5以下，充填料浆浓度60%左右时，充填料浆能够自流输送；当浓度大于62%时，即发生堵管现象。栖霞山铅锌