美国充填采矿应用现状.docx

美国充填采矿应用现状 一、美国充填采矿技术的发展 1864年在美国宾夕法尼亚的一个煤矿区进行了第一次水砂充填试验，以保护一座教堂的基础安全。 进入20世纪后，美国和加拿大开发了基于采用选厂分级尾砂进行水砂充填的充填工艺，在悬浮液输送固体物料、水力旋流器脱泥等方面取得了进步，实现了低浓度（3570）泵压或自流输送的水力充填采矿。 20世纪30年代，美国的一些矿山在方框支架采矿法的采场开始使用废石充填，如内华达州弗吉尼亚的奥菲尔矿。在回采后不充填的矿山的采场中，如比特矿业公司的科姆斯托克矿、马瑟矿和霍姆斯特克矿经常发生冒顶事故，当时认为任何形式的托架支护也经不起岩体缓慢移动时的压力，因此改变了支架的结构，并在支架中充填废石。 4050年代，由于充填料输送方式的变化，美国许多矿山的采场大规模采用水砂充填取代了废石充填，水砂充填的充填料主要是选场的尾砂。原美国矿业局1964年开始投入力量进行有关水力输送方式及尾砂胶结充填的一些工程特性的研究。1961年志1970年，对水泥和尾砂制成的充填料进行了大量实验，由于受到当时输送方式的限制，所做试验的浆体质量浓度均小于70。 在加拿大，1992年萨德伯里地区Sudbary的克莱顿Creighion矿首先使用膏体充填技术，随后有10个金属矿山已建立或正在建设该充填系统；其他如美国、南非、德国、瑞典等国家，政府部门、大学、科研机构、矿业集团、设备制造公司等也都投入大量的人力物力研究膏体充填技术。 美国的采矿工业在世界市场的竞争力取决于诸多因素，但意义重大、影响深远的当属创新采矿方法的应用。自80年代以来，随着采掘设备和技术的发展，美国的主要矿山已经不用方框支架采矿法，而是转为上向分层充填、下向分层充填和大直径深孔嗣后充填等高效率的采矿方法。 在开采板状平伏矿体方面，原美国矿山局对芬兰的分条充填采矿法进行了大量的调查研究，并提出将一系列的平行分条回采间隔布置充填料矿柱，一个分层采完，设备等移到下一分层作业的矩形盘区布置形式，改变为将分条和矿柱均布置成螺旋线形，设备不必移动就能以一个连续的螺旋线采完整个盘区的布置形式。当采掘的废石作为充填料使用时一般用水砂充填以填充空隙。同时在充填材料、充填方式和充填料的输送等方面进行了大量的研究，高浓度充填和膏体充填也得到发展和应用。如幸运星期五矿在80年代早期就建成了膏体充填系统，全尾砂作充填料，尾砂用旋流器、浓密机和过滤机联合脱水，滤饼含水12左右。膏体充填料制备是将滤饼送到一台Niko5.5t 间断式搅拌机中，在此加入610的普通硅酸盐水泥，并加水搅拌30s，使塌陷落度保持在2025cm，质量浓度控制在82左右。搅拌好的充填料卸入一个料斗中，然后送入Putzmeister双活塞强制排量泵，通过92cm长、φ1mm（4in）的管道输送到井口输料管接料口，通过输料管输送到井下的充地点，输送能力约为125t/h。 美国的一些矿山在充填混合物中应用减水剂技术和水化控制技术，取得了良好的效果。如格彻尔金矿公司的格彻尔矿的块石胶结充填中应用减水剂技术，充填骨料为50mm的集料，加入610水泥，每千克水泥3.3mL减水剂，充填料混合后用汽车运到井下，使用装备有液压举升臂、臂端固定有推板的铲运机将废石胶结充填料推到需要充填的地方。加入减水剂和不加减水剂的充填料相比，充填体抗压强度明显提高，相对降低了水泥的用量和充填成本。巴里克金矿公司的梅格尔矿采用充填注浆，用66砾石、25砂和9粉砂充填的采场，注浆选用无砂混合物，要求产生8MPa的抗压强度。浆液混合物的组成为水泥860kg，水490kg，减水剂用量为水泥质量的0.5，水化控制添加剂为水泥质量的0.6。减水剂提高浆液混合物的流动性，水化控制添加剂为注浆赢得了时间，否则浆液混合物将会很快凝固，减水剂和水化控制添加剂给予了充填料混合物所需要的特性，保证采场废石全部被胶结。浆液的注入是通过一系列分布于采场的不同部位的50mm直径的钢管和高密度聚乙烯管。一旦注浆后的充填体达到充分的强度，相邻的采场就可以开始进行回采。通过使用注浆块石胶结充填，大大降低了采场矿石的贫化，具有胜过某些传统充填方法的优点，正在考虑推广应用。 美国部分矿山应用充填采矿技术情况见表1。 表1 美国部分矿山应用充填采矿技术情况 矿山名称 采矿方法 充填材料 灰砂比或水泥耗量/kg.m-3 霍姆斯特克金矿 VCR嗣后充填 废石、尾砂胶结 120 幸运星期五 下向分层充填 全尾砂膏体 610水泥 格彻尔矿 进路充填采矿 块石胶结充填 610水泥，每千克水泥消耗3.3ml减水剂 二、美国充填技术研究现状 由于充填工艺涉及矿山安全与经济效益，因此引起采矿界的广泛关注，围绕充填材料、充填料浆制备、充填工艺参数、充填体力学性能及承载特性、充填体作用机理、充填体质量评价等方面展开了研究，取得了不少研究成果 （1）水泥替代品研究取得重大突破 胶结充填的主要缺点是充填成本过高。胶结充填材料成本中，水泥费用占将近6080，因此降低胶结充填成本的一个重要途径就是寻找水泥替代品，以降低水泥消耗。国内外的研究及应用实践表明，冶炼厂水淬炉渣、火力发电厂粉煤灰、铝厂赤泥等，都是性能良好的水泥替代品。尤其是粉煤灰，除了可部分替代水泥降低充填成本外，还可以改善浆体流动性能、提高浆体悬浮性，因此应用更为广泛。 （2）充填骨料应用范围日益扩大 传统的充填骨料是尾砂、块石和砂石（包括棒磨砂、山砂、风砂、江砂、河砂），随着越来越多的化工矿山、煤矿采用或正准备采用充填采矿技术，充填骨料的实际应用范围日益扩大，磷石膏、黄磷渣等化工企业固体废料（如开阳磷矿、新桥硫铁矿）、煤矸石（如孙村煤矿）都已成功用作充填骨料。 （3）各种混凝土外加剂在矿山充填中得到应用 添加化学外加剂是一种改善流体流动性能的有效途径，在混凝土工程中得到广泛应用。添加少量外加剂可以改善混凝土的工作性能，提高硬化混凝土的物理力学性能和耐久性能。美国等少数国家将混凝土外加剂应用于矿山充填料浆中外，化学外加剂在矿山充填中的应用实例还比较少见。 （4）充填体承载机理研究成果丰硕 充填采场属于人工支护的范畴，类似于采用锚杆、喷射混凝土等人工措施支护采场巷道，其目的在于维护采场围岩的自身强度和支护结构的承载能力，防止采场或巷道围岩的整体失稳或局部跨冒。支护机理不是靠充填体压缩所产生的作用来决定工作中充填体的稳定效果。尽管任何一种支护机理的单独作用是极小的，但其综合作用预期可以大大增强采场围岩的稳定性。 （5）两相流理论成为指导充填系统设计的重要理论基础 管道自流输送属于典型的固液两相流。管道自流输送系统的设计要求对浆体的流动性能、管道的阻力损失（水力坡度）等作出定量的分析计算。为满足生产实际需求，国内外对两相流理论进行了较深入的研究。根据不同的物料性质及输送条件，提出了各种水力坡度计算的经验公式；根据浆体在管道中的悬浮状态对浆体输送性能的影响，提出了改善浆体流动特性的途径；充填系统设计所需要的临界管道直径、临界浆体流速、输送能力等指标都有比较可靠的计算方法。 （6）深井条件下，充填材料与充填技术研究已经取得进展，但并不系统。 在美国、南非、加拿大、巴西等深井开采的国家，已经有深井充填材料、管道减压技术、充填料冷却技术等方面的研究成果，但尚未形成系统的深井充填理论体系。 （7）管道磨损对策研究 管道磨损是充填法矿山普遍存在的难题，管道磨损原因及对策的分析与研究也是充填技术发展的一个重要内容。影响管道磨损原因很多，既有管道本身因素，也有充填料浆性能因素。威华塔斯兰得金矿的英美研究试验室（AARL）设计了一种滚筒机进行了管道磨损试验。不少矿山根据管道底部易磨损的特点，采用定时翻转管道的方法，延长管道使用寿命。耐磨损管道也已经在许多矿山得到应用。三、美国充填采矿技术实例 1、霍姆斯特克金矿 霍姆斯特克金矿是一座深部地下金矿，位于美国南达科他州北黑山，已经有开采了110多年，开采深度达到2100多米，矿石产量约170万t/a，产金11.8t/a。矿体走向约2400m，倾角5080，厚330m。该矿从800水平到2645水平有41个生产水平，各水平垂直高度为45m，两条主井作为通路，在主矿区开凿了不通地表的斜坡道系统。 霍姆斯特克金矿过去的传统采矿方法，是用人较多的方框支柱法、留矿法、上向水平分层充填法。早期的采场是用废石来充填的。留矿法采场采完、放空及回填之后留下来的顶底柱和间柱则是用空场方框支架法进行回采。20世纪40年代后期，主要采用上向水平分层充填法。1955年开始采用水平分层充填法进行回采。 20世纪70年代，由于矿山品位和生产效率的下降，促使矿山管理人员研究大规模采矿方法。经过研究，在部分地段选择了采用VCR采矿法。1978年开始试验VCR嗣后胶结充填，到1983年，霍姆斯特克金矿约有一半以上的产量是采用VCR采矿法生产的。 采场构成要素和采切工程为了有效控制采场地压，吧矿块划分为若干个小盘区，这些小盘区沿矿体走向布置，盘区长度2535m，宽度为矿体的厚度（矿体的平均厚度16m），高度为150m。采切工程主要有脉外运输平巷、穿脉装矿巷道、放矿溜井、拉底巷道、凿岩巷道等。 凿岩、爆破及出矿采切工程的凿岩采用气腿凿岩机和双臂柴油凿岩台车，回采凿岩采用Mission潜孔钻机，炮孔直径为165mm，孔网密度2.4m2.4m，凿岩效率平均47.5m/（台班）。炮孔为垂直扇形孔，排距为3m。采用分段爆破，每分段爆破，每分段爆破高度为34.5m，炸药消耗量为0.75kg/t。为了提高爆破效率，采场中部的炮孔先起爆，其余炮孔按同心圆或菱形顺序起爆。出矿设备采用1.5m3柴油铲运机，直接将矿石运到φ2m的矿石溜井中。 采空区嗣后充填为了防止采空区冒落，当矿石从采场全部放出后，采空区采用嗣后胶结充填。充填骨料主要为矿山废石和选厂尾砂。尾砂通过分级后用直径127mm衬胶管输送，废石由铲运机或翻斗车运送到钻孔输送至采场进行充填，灰砂比为120。 2、美国西北部地区银矿的地下充填开采 目前美国主要的产银区仍然是爱达荷州北部的克尔德阿连银矿区。矿床属前寒武纪富含石英的变质沉积岩型矿脉，矿脉的厚度从几厘米至30米，倾角4590。矿物分布很不均匀。原矿银品位最高超过900克/吨，目前的平均品位为700克/吨。该矿区有5个矿山正在开采。下表列出了其中4个矿山的主要指标。 克尔德阿连矿区各矿主要用水平分层水砂充填法采矿。这些矿山用平炯、竖井开拓。除一个新竖井外，其它井筒均为矩形，用木支护。因开采深度大，其维护费用很高。井巷掘进用风动双机有轨台车。只有幸运星期五矿使用液压凿岩机。爆破用硝钱炸药和浆状炸药。最近幸运星期五矿使用了阿特拉斯的立爪式装岩机，与槽式列车配套，装岩能力为10吨/分。巷道用锚杆、金属网、钢带，有时也用木文架或喷射混凝土支护。该矿正在试用履带或轨轮式锚杆台车。 中段高一般为60米，回采分层厚度为1.82.7米。老的采矿方法是从脉内沿脉平巷直接向上回采。因开采深度大，脉内巷道维护费用高。目前运输平巷布置在脉外，用穿脉与矿体连通，再由穿脉向上掘进采矿天井，从每个中段水平向上大约6米高的地方开始采矿。底柱由下一中段回采，因此第一回采分层的底板要铺设底梁和金属网，并浇灌混凝土。 采矿用气腿式凿岩机凿岩，水平炮孔落矿，回采分层为3米。薄矿体用向上式凿岩机凿岩，用电耙或风动耙矿机出矿。在宽采场有时使用风动装运机，有时用锚杆护顶。当回采最后几个分层时，使用成本高的方框支架法。 采场内两人作业，每班采下矿石50吨，回采损失小，但贫化较大。 每采完一个分层，用浓度为75的脱泥尾矿进行充填。充填料由地表或地下的料仓利用重力通过内径为75毫米衬有橡胶的钢管充入采场，溜井外围装滤袋脱水。充填两班作业，充填能力为4050吨/小时。该矿区只有克雷森特银矿仍在使用干式充填。 一个矿块的采准时间为一年，回采时间为五年。每个矿山有35个生产采场，4个采准矿块。 井下出矿和运料均采用轨道运输，井下设有破碎设备。竖井利用29吨双箕斗提升，装在箕斗上的罐笼用于运送人员和材料。有的矿山还装有专用的单罐笼提升设备。 在克尔德阿连矿区各矿，由于开采深度大，含石英岩的围岩很脆，常因岩爆导致严重灾害。测得的原岩水平应力为70兆帕。特别是在回采顶柱和残柱时易发生岩爆，因此，多数矿山都安装有US岩爆测试系统。幸运星期五矿计划采用下向分层胶结充填法，以便应付冲击地压带来的困难。 开采深度大还给通风带来困难。在井深1500米处测得的岩石温度为了70℃。在高温作业区装设了致冷设备，但气温仍超过30℃，空气湿度为100。采场回采和巷道掘进都要进行局部通风，有时还要通冷气。 采矿和充填一般是两班作业，夜班进行维修。 四、美国充填技术发展趋势 从充填工艺的发展历程可以看出其技术不断完善和成熟，以满足矿山开采工艺的需求，提高开采经济效益，确保作业安全。未来充填工艺技术的发展趋势是 （1）全尾砂充填 传统的水泥胶结充填采用分级尾砂，泥质及细粒级尾砂被排放到尾砂库，不仅增加了库坝的维护费用，而且造成环境污染。现代充填技术不仅要考虑采矿工艺的需要，还要考虑矿山开采废弃物的综合利用与处理、环境保护和减少污染的社会要求，实现无废开采。因此，应完全、彻底地将全部尾砂用于井下回填。 （2）高浓度输送充填 高浓度充填可以减少胶凝剂的用量，降低充填成本，减少采场的脱水量，增大充填料浆的有效利用率，提高实际充填能力，明显改善充填体的物理力学性质，提高充填体强度，有效控制地压，提高充填作用效果，同时减少井下环境污染。 （3）研制新型胶结材料 新型胶结材料既要满足使用全尾砂充填要求，又要达到采矿工艺所需的强度，同时材料来源要广泛，生产成本要低。因此，新型胶结剂的开发与研制将是未来充填技术进步中地位最重要、发展潜力最大、前景最广阔的研究内容，是充填技术发展水平的重要标志。目前已开始应用有一定活性的工业废弃物如炉渣，粉煤灰等为胶结剂的主要组分，既满足了充填技术要求，又综合利用了工业废弃物，走上了良性循环的发展道路 充填技术的实验研究主要内容是 （1） 充填材料物化性质、配比试验及充填新材料的研究； （2） 充填料管道输送试验及减阻试验； （3） 提高充填管（钻孔）寿命及充填耐磨管道的研究； （4） 新型充填专用设备设计及单体优化实验； （5） 充填系统井下管网设计及遥控监测； （6） 充填体作用机理及充填接顶技术的研究等。 例如，美国矿务局研制了一台膏体泵送环路模拟器，企图代替全规模的膏体泵送环路系统。该模拟器将直接与管道直径相对应的4活塞泵组件固定到双连杆液压缸一端的横向底座上，活塞内的膏体“柱塞”有计算机控制。对照程控速度测量压差。测量压力时为保持速度不变，每个行程可控制活塞组件加速、恒速和减速。每次试验只需0.11m3物料，而全规模的膏体泵送环路系统每次试验需要5.35m3。 发展方向 （1）充填采矿向无轨机械化、回采连续化方向发展 （2）新型充填材料、化学添加剂逐步扩大应用。例如，美国Hecla 公司研究用Pozzlith344N 等掺和剂降低充填胶凝剂的用量，改善充填料流动性，其结果是节省20的水泥用量，不会影响充填料强度和流动性。 （3）充填设施、机械、监测仪表将会得到更新的发展。比如，美国职业安全与健康研究院T.Williams等人研究了幸运星期五矿Lucky Friday Mine下向采场围岩的相对位移、胶结充填载荷与钢筋锚杆之间的相互作用。收集了8 个分层的数据，显示出围岩位移引起充填体变形，从而对充填体中垂直锚杆施加载荷。结果分析表明配有钢筋锚杆的充填体支护系统是有效的。Corson 1971年的报告，对美国幸运星期五银矿的充填压实情况进行了现场评价。此次监测同时在-1000m深、相隔30m的两个充填采场内进行。两个采场均使用胶结充填法，但一个采场使用传统充填方式,而另一个采用了振动充填。每个采场均布置了6个测压仪及一个机械闭合装置来测量脉壁的移动，并采用了一个检查导管来测量3个不同标高处的充填密度与湿度。 （4）充填力学研究向现场连续监测与预报方向发展。例如，现场监测工作包括对美国爱达荷州Coeur’Alene区的一座矿山记录其充填过程中的压力聚升及脉壁变形情况。这项研究主要是评估采场侧壁变形所产生压力对充填的影响，研究表明留在采空区内的未受损的岩柱及矿体顶柱对保证采场稳定性起主要作用。更好地理解充填效能与矿山回采空间稳定性的关系，将意味着可减小矿柱的尺寸并提高矿石的回收率。 参考文献 [1] 刘同友，等编著．充填采矿技术与应用[M]．北京冶金工业出版社，2001． [2] Ｗ．海尔姆斯．美国西北部地区银矿的地下开采．