矿山充填技术回顾、现状及发展

矿山充填技术回顾、现状及发展孙恒虎教授清华大学建筑设计研究院UniversityofthePacific,USA2013年5月27日12充填技术与绿色开采感想本课题组矿山充填技术研发工作的回顾本课题组目前矿山充填技术进展现状汇报提纲高水速凝材料充填技术全尾砂固结充填技术凝石似膏体充填技术结语与展望俄罗斯煤矿地表塌陷（Berezniki）TVAKingston粉煤灰溃坝山铝赤泥坝铁尾矿库4一、充填技术与绿色开采感想1992年澳大利亚国际充填采矿大会大会总结报告指出：中国将是未来矿业的源泉“Chinawillbethesourceoffutureminingbackfill”2011年，在我们完成的美国能源部项目-煤基固废资源化利用结题验收会上，专家认为“矿山充填是解决矿山绿色开采的重要途径”本人认为：由长沙矿山研究院为主组织的“中国充填采矿技术与装备大会”对绿色矿山采矿技术发展意义重大!什么叫绿色开采？一种行之有效的矿山充填技术应是矿山绿色开采的主流技术！5二、本课题组矿山充填技术研发工作的回顾高水速凝材料固结充填技术1全尾砂固结充填技术2凝石似膏体充填技术3三个阶段6高水速凝充填材料（高水材料）•90%水+10%固体材料(体积百分比)浆料A(90%体积水)浆料B(90%体积水)混合高水材料充填系统采场充填30分钟后整体固化，不脱水高水速凝材料固结充填技术1高水速凝充填现场实例高水速凝材料固结充填技术1地下采矿充填高水速凝材料固结充填技术19高水速凝材料固结充填技术1•铝钒土原料紧缺，成本偏高；•两种料浆匹配操作易失控；•耐久性问题。存在问题：胶凝材料制备：以工业废渣(矿渣)为主要原料，加入适量的天然矿物及化学添加剂，像制造水泥一样，经配料、磨细、均化等工艺制备成充填胶凝材料;胶凝材料特点：对含粘土量高的砂土及工业垃圾（如矿山尾砂）具有很强的固结能力，因此特别适合固结全尾砂用于矿山充填;使用效果：实现全尾砂充填，其充填浓度范围65-75%，流动性好，易于泵送和自流输送，充填效率高，井下几乎不需脱水即可凝结成固体，充填体早期强度高，采矿周期短，井下作业环境好，综合充填成本低。全尾砂固结充填技术2全尾砂固结充填技术2地面充填站INCO镍矿采场充填作业过程INCO镍矿充填24小时后的效果全尾砂固结充填技术2尾矿细粒级含量和养护温度、时间对充填体抗压强度的影响细粒级(%)抗压强度/MPa12℃养护20℃养护25℃养护30℃养护1d7d28d1d7d28d1d7d28d1d7d28d00.10.220.40.100.340.480.20.460.520.220.530.6100.120.30.480.140.641.020.230.640.860.240.720.72150.150.340.520.200.681.080.260.720.920.260.840.80200.150.320.560.160.801.120.300.761.00.300.900.92250.120.30.600.190.821.120.250.760.940.260.821.02300.10.260.640.180.641.00.240.760.880.30.941.20350.10.240.620.200.741.100.160.720.880.30.921.10400.10.220.620.140.661.00.160.720.880.240.941.08450.10.20.580.160.700.940.180.720.820.220.861.12凝石—硅铝基绿色水泥:利用地壳上最为丰富的原材料，包括大量的固体废弃物；由多种天然矿物组成的“成岩剂”；“仿地成岩”；环境友好，低能耗；新型绿色水泥混凝土。凝石似膏体充填技术3凝石似膏体充填工艺系统图细粒级固废细粒级固废固体废物3-5%凝石充填系统加水凝石似膏体充填料浆采场充填粗粒级固废凝石似膏体充填技术3胶凝剂惰性材料细粒级养护温度料浆浓度化学特性强度流动度脱水量充填成本“六因素”与“四目标”优化控制关系凝石似膏体充填技术3胶凝材料--凝石用量：3-5%；泵送充填料浆浓度：72-78%；固废（包括矿山尾矿，煤燃烧废弃物等）占充填材料的比例：95-97%；养护时间：1-7天可控，不需井下脱水；充填体早期强度高，采充循环周期短。凝石似膏体充填特点：凝石似膏体充填技术3不同骨料制备的充填体的抗压强度/MPa浓度充填骨料龄期（天）普通水泥凝石70%焦家金矿分级尾砂30.060.2270.10.36280.20.7焦家金矿全尾砂30.060.3470.120.74280.221.175%焦家金矿分级尾砂30.080.2970.140.4280.220.8焦家金矿全尾砂30.060.3470.120.74280.221.1680%中砂(含土10%)30.020.570.121.01280.21.6细砂(含土10%)30.10.7270.161.12280.241.8备注胶凝材料含量为3%，养护温度20℃，中砂的细度模数为2.9，细砂的细度模数为1.66。ProgressReportofDOEProjectResearchandDevelopmentofaNewSilica-AluminaBasedCementitiousMaterialLargelyUsingCoalRefuseforMineBackfill,MineSealingandWasteDisposalStabilizationProjectPI:Dr.HenghuSunPacificResourcesResearchCenterSchoolofEngineeringandComputerScienceUniversityofthePacificMay11,2011U.S.DEPARTMENTOFENERGYRawmaterialsOn-sitecollectionatcoalmineofArchCoalInc.WestVirginia美国能源部：煤基固废制备硅铝基胶凝材料及充填材料研究EquipmentandLabSet-upMultifunctionRoomCuringRoomStorageRoomLab102Lab104Lab106LayoutandUsageofthePRRCLabLAB102LAB104MultifunctionRoomCuringRoomLAB106StorageRoom应邀到白宫与美国政府官员及专家座谈放上清晰照片May1st,2009Groundflyash+CoarseflyashGroundflyash+CoalrefuseActivatedmaterialAggregateCementBlastfurnaceslagFGDGypsumBackfillmaterialAB1.BackfillmaterialAcouldbealsousedasControlledLowStrengthMaterial(CompressivestrengthofControlledlowstrengthmaterialislessthan8.27MPa).2.BackfillmaterialBisanexcellentmaterialforminingbackfillandwastestabilization.DOE3Day7Day28Day90DayPulpDensityBindercontentA10.400.981.713.1773%3%A21.662.063.935.0375%5%B0.420.671.402.7573%3%ExistingTechnologyTotaltailing0.340.741.16-75%3%BackfillMaterialDevelopmentCompressivestrengthofbackfillbody/(Mpa)Note:Totaltailingbackfillisthestateofarttechnologyinminingbackfill.AllthesamplesinAandBinthistestmeetwiththeflowabilityrequirement(200-300mm)23凝泰克充填技术—凝泰克A(一种高膨胀性新型高水材料)凝泰克A使用工艺示意图技术特点：料水比可高达2-10倍；甲、乙两种浆液混合前可长达20多小时不凝固、不结底，混合后很快发生反应，1-30分钟内完成初凝；早期强度高，增长速度快。三、本课题组目前矿山充填技术进展现状正在输送液浆图已做好的密闭墙凝泰克充填技术—凝泰克A凝泰克A特性：分为加固、充填、密闭和堵漏型；膨胀倍数高（可达5倍）、充填用量小、经济适用性好；阻燃、无毒、无害、无腐蚀、泵送性能好。充填技术应是绿色开采的主流技术，是集材料装备工艺于一体的系统化集成技术，需同行们携手共进，共创未来！本课题组在清华大学建筑设计研究院绿色建材与循环经济研究中心直接指导下，在国内组成了由北京清山怡和新材料技术开发有限公司、北京科技大学和河北筑盛建材科技有限公司的紧密合作团队，正在研发一种能够适合矿山绿色充填开采的新一代矿山充填技术-凝泰克GH;在绿色水泥和充填技术相结合的基础上，相关技术的应用范围已不仅局限于矿山充填，还在道路工程、水利工程、市政建设、环境修复、荒漠化改造及其它重要工程上已得到了广泛的应用。四、结语与展望26本课题组已在美国、加拿大、南非、葡萄牙、哥伦比亚、越南等开展了国际化工作；本团队也竭诚探索与各位专家和同行的合作之路，以期为我国矿山的绿色开采做出贡献！27五、相关著作、论文、专利与奖励著作5本、发表论文150余篇、授权专利13项相关专著近期论文[1]Early-agecharacteristicsofredmud-coalganguecementitiousmaterial.JournalofHazardousMaterial,2009,167:927-932[2]Sialitetechnology—sustainablealternativetoPortlandcement.CleanTechnologiesandEnvironmentalPolicy,2009,12(5):503-516[3]Studyonmicrostructureandmechanicalpropertyofinter-facialtransitionzonebetweenlimestoneaggregateandSialitepaste.ConstructionandBuildingMaterials,2009,23(11):3393-3397[4]InnovativemethodologyforcomprehensiveutilizationofironoretailingsPart1:Therecoveryofironfromironoretailingsusingmagneticseparationaftermagnetizingroasting.JournalofHazardousMaterials,2010,173(1-3):71-77[5]InnovativemethodologyforcomprehensiveutilizationofironoretailingsPart2:Theresiduesafterironrecoveryfromironoretailingstopreparecementitiousmaterial.JournalofHazardousMaterials,2010,174(1-3):78-83[6]Investigationontheactivationofcoalganguebyanewcompoundmethod.JournalofHazardousMaterials,2010,179(1-3):515-520[7]Areview:Thecomparisonbetw