永平铜矿厚大矿体采矿方案优选及采场充填工艺研究.pdf

中图分类号 旦墨5 3U D C硕士学位论文学校代码 Q 至3 圣密级垒珏永平铜矿厚大矿体采矿方案优选及采场充填工艺研究M i n i n gS c h e m eO p t i m i z a t i o na n dF i l l i n gT e c h n i c a lR e s e a r c ho fT h eL a r g ea n dT h i c kO r eB o d yi nT h eY o n g p i n gC o p p e rM i n e作者姓名学科专业研究方向学院 系、所指导教师魏威矿业工程采矿工程资源与安全工程学院李夕兵教授论文答辩日期一丝 竺』 答辩委员会中南大学二零一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。作者签名塑题日期韭年』塑日学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适应本声明。作者签名 万方数据 硕士学位论文摘要永平铜矿厚大矿体采矿方案优选及采场充填工艺研究摘要永平铜矿露天转地下开采后，地下开采技术与管理经验相对匮乏，为保证矿山正常生产，必须对厚大矿体的安全高效回采和充填工艺进行系统的研究，本文通过理论研究、室内试验、数值模拟等手段对永平铜矿厚大矿体回采方案与采场充填工艺进行了深入研究。主要研究工作和结论如下 1 结合开采技术条件，在原有方案的基础上提出2 种新的方案，对3 种方案利用模糊数学方法进行定量评价，优选出最佳方案为原岩出矿中深孔房柱嗣后充填采矿法，该方案将矿房矿柱底部出矿结构均布置在原岩中，使二步回采作业更加安全，具有采场生产能力大、采矿工效高、回收率高、生产成本低等优点。 2 结合数值模拟手段，对原回采方案和优选方案的矿房矿柱回采进行稳定性分析，通过对比，优选方案的应力、位移、塑性变形区均显著减小，能够保障二步回采的安全进行，进一步验证优化方案的可行性。 3 结合室内试验研究，对充填材料的物化性质、不同配比胶结充填体强度等进行了全面的分析，得到了相应的物化参数和不同条件下的充填体强度，推荐经济合理的充填配比。 4 针对现场实际情况，结合国内外矿山经验，对采场的充填挡墙、脱滤水、充填工艺流程等方面进行了研究，确定了合理的挡墙类型及参数，设计了适合采场实际的脱滤水设施，对采场充填工序进行了优化。图4 9 副，表2 4 个，参考文献8 6 篇。关键词优化配比、采矿方法、数值模拟、充填工艺分类号T D 8 5 3 万方数据 硕士学位论文M i n i n gS c h e m eO p t i m i z a t i o na n dF i l l i n gT e c h n i c a lR e s e a r c ho fT h eL a r g ea n dT h i c kO r eB o d yi nT h eY o n g p i n gC o p p e rM i n eA b s t r a c t T h et r a n s i t i o nt ou n d e r g r o u n dm i n i n gf r o mo p e n p i ti nt h eY o n g p i n gc o p p e rm i n el e a d st ot h ed e f i c i e n c yo ft h eu n d e r g r o u n dp r o d u c t i o nt e c h n i q u ea n dm a n a g e r i a le x p e r i e n c e ．T og u a r a n t e et h er e g u l a rp r o d u c t i o n ，s y s t e m a t i cr e s e a r c hw a sn e e d e df o rt h es a f ea n de f f i c i e n tm i n i n ga n df i l l i n gp r o c e s so ft h el a r g ea n dt h i c ko r eb o d y ．T h ep r o d u c t i o nt e c h n i q u eo fl a r g ea n dt h i c ko r eb o d yi nt h eY o n g p i n gc o p p e rm i n ew a si n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e db yt h e o r e t i c a la n a l y s e s ，l a b o r a t o r yt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n si nt h ed i s s e r t a t i o n ．T h ep r i m a r yr e s e a r c hw o r k sa n dc o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 C o m b i n e dw i t ht h em i n i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n s ，t w on e ws c h e m e sw e r ep r o p o s e db a s e do nt h eo r i g i n a ls c h e m e ．F u z z ym a t h e m a t i c a lm e t h o dw a st h e ni n t r o d u c e dt oq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t et h et h r e es c h e m e s ．T h em i d d l e - d e e ph o l er o o ma n dp i l l a ra f t e r w a r d sf i l l i n gm i n i n gm e t h o dw i t ho r er e m o v a lf r o mt h eb o R o mo f t h eo r i g i n a lr o c kw a ss e l e c t e da st h eo p t i m a ls c h e m e ，w h i c hl o c a t e st h eb o a o ms t r u c t u r eo fb o t ht h er o o ma n dp i l l a ra tt h eo r i g i n a lr o c kt og u a r a n t e et h es a f e t yo ft h et w o s t e pe x t r a c t i o n ，a n dt oa c h i e v el a r g ep r o d u c t i o nc a p a c i t y , g r e a tm i n i n ge f f i c i e n c y , h i g hr e c o v e r yr a t ea n dl o wp r o d u c t i o nc o s t ． 2 S t a b i l i t ya n a l y s e so ft h ec h a m b e ra n dp i l l a re x t r a c t i o nw e r ec o n d u c t e df o rb o t ht h eo r i g i n a la n do p t i m i z e ds c h e m eb yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．B yc o m p a r i s o n ，t h es t r e s s ，d i s p l a c e m e n ta n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n eo ft h eo p t i m i z e ds c h e m ed e c r e a s en o t a b l y , w h i c hg u a r a n t e e st h es a f e t yo f t h et w o s t e pe x t r a c t i o na n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h eo p t i m i z e ds c h e m e ． 3 C o m b i n e dw i t ht h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sw a sc a r r i e do u to nt h ep h y s i c o - c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h ef i l l i n gm a t e r i a l sa n dt h es t r e n g t ho fc e m e n t e df i l l i n gb o d yw i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o n s ．T h ec o r r e s p o n d i n gp h y s i c o - c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r e n g t hI I 万方数据 o fc e m e n t e df i l l i n gb o d yu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d ．a n dt h ee c o n o m i ca n dr e a s o n a b l ef i l l i n gr a t i ow a sr e c o m m e n d e d ． 4 4C o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i e n c ea th o m ea n da b r o a d ，t h ef i l l i n 2r e t a i n i n gw a l l s ，t h ed e h y d r a t i o na n df i l t r a t i o no fw a t e rw e r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e a s o n a b l et y p ea n dp a r a m e t e r so fr e t a i n i n gw a l l sw e r ed e t e n n i n e d ．t h ed e w a t e r i n ga n dd r a i n a g ef a c i l i t i e sm e e t i n gt h ep r a c t i c a lw o r k i n ge n v n o n m e n tw e r ed e s i g n e d ，af e a s i b l es c h e m eo ft h ef i l l i n gp r o c e s sw a so p t i m i z e d ．K e y w o r d s o p t i m i z e dp r o p o r t i o n ；m i n i n gm e t h o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i l l i n gt e c h n o l o g yC l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 3I I ／ 万方数据 硕士学位论文目录目录1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21 ．2 ．1 充填技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2I ．2 ．2 采场充填工艺研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 ．2 ．3 厚大矿体矿柱回采技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 31 ．3 研究内容和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 62 采矿方法优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 72 ．1 矿山开采技术条件与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 72 ．1 ．1 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 72 ．1 ．2 矿床开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 72 ．1 ．3 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 82 ．2 永平铜矿采矿方法优选研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 02 ．2 ．1 采矿方法选择原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 02 ．2 ．2 采矿方法初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l2 ．2 ．3 采矿方法优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 83 回采方案稳定性数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 33 ．1 数值模拟方法选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 33 ．2 原回采方案稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 43 ．2 ．1 开挖模拟建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 43 ．2 ．2 矿柱开采阶段采场的稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 43 ．2 ．3 矿柱充填阶段采场的稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 63 ．2 ．4 矿房开采阶段采场的稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 73 - 3 优选方案稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 03 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 34 厚大矿体采场充填工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 44 ．1 充填材料特性及强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 44 ．1 ．1 充填料选择及性能测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 44 ．1 ．2 分级尾砂物化性能测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8V 万方数据 硕士学位论文目录4 ．2 不同配比胶结充填体强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 44 ．2 ．1 胶结充填材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 44 ．2 ．2 国内矿山分级尾砂胶结料浆的配比评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 44 ．2 ．3 充填体配比试验及强度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 64 ．3 充填隔墙工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 94 ．3 ．1 永平铜矿充填隔墙选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 94 ．3 ．2 充填隔墙受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 14 ．3 ．3 挡墙厚度设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 34 ．3 ．4 充填隔墙施工与步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 54 ．4 采场脱水方法与滤水设旌设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 64 ．4 ．1 充填采场脱水概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 64 ．4 ．2 充填脱水工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 64 ．4 ．3 采场脱水设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 84 ．5 采场充填准备与工业实施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 94 ．6 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 15 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 35 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 35 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2V I 万方数据 硕士学位论文绪论1绪论1 ．1研究背景永平铜矿露转坑后，实行露天和坑内联合开采，其中露天开采生产能力为5 0 0 0 t ／d ，地下开采生产能力为5 0 0 0 t ／d t l l 。为保证露天开采、地下开采的安全与边坡的稳定，露天坑底设计预留1 0 ～1 5 m 的隔离矿柱，此外在露天边坡侧面留1 5 ～2 0 m 的护坡矿柱。露天坑底柱和露天边坡矿柱在矿山地采结束后，根据矿山生产情况和进度计划，再行考虑适当方法进行回收。由于永平铜矿实行露天与地下联合开采，其地下开采的对象是永平铜矿露天开采最终境界外延深的部分矿体，且绝大部分位于露天坑底部及侧邦，因此，地下开采将对露天开采产生极大影响，矿山有可能因为地下开采的进行，导致如下重大安全隐患与灾难【2 - 3 】 1 露天开采系统破坏。由于露天开采境界位于地下开采移动境界内，地下开采的爆破震动与采空区沉降，将导致永平铜矿原来露天开采系统受损，运输系统、破碎系统受到损坏； 2 露天边坡失稳。地下开采中的任何活动，都将导致岩层的变形与移动，进而引起上覆岩层的沉降与移动，导致露天矿边坡失稳，造成大面积滑坡与岩移，严重影响露天矿生产安全，提高露天矿边坡维稳费用与开采成本； 3 生产组织与管理复杂化。露天坑内联合开采，其生产组织与调度要求考虑露坑联合开采的生产特点与技术要求，特别是考虑大药量露天爆破与地下爆破的相互影响，其爆破震动与冲击波不仅会造成采场项板岩层的冒落与移动，还会影响工人的生产安全与施工，造成生产组织管理的复杂化，降低生产效率，提高生产成本。 4 泥石流及水灾影响大规模地下开采，造成上覆岩层的沉降与岩层裂隙的大量增加，引起露天坑底内的水与细粒级矿砂渗透井下，造成泥石流灾害与井下水灾，增加排水费用与清泥清渣费用。永平铜矿长期来采用露天开采，矿山已经建立了一套完善的露天矿生产与管理系统，目前矿山从露天开采转向露天地下联合开采，其生产技术与工艺是矿山面临的全新课题。众所周知，露天与地下联合开采是一个十分复杂的生产系统，其生产与管理也是一个世界性难题，鉴于永平铜矿少有地下开采的技术 万方数据 硕士学位论文绪论与管理经验，特别是露转坑的矿山，其对地下开采的要求，比单一地下开采矿山要求与管理更严格，技术难度更大。为保证矿山露转坑的正常生产，保证露天开采系统的正常进行，保证地下开采的安全，充填采矿法是必不可少的[ 4 6 1 ，因此，永平铜矿露天与地下联合开采，不仅要求有一支很好的管理队伍，更重要的是要求掌握地下矿山的开采方法与工艺，特别是充填采矿方法与工艺。1 ．2国内外研究现状1 ．2 ．1 充填技术研究现状矿山充填技术是指利用充填材料制备符合相应要求的充填料浆来充填采空区，在空区内形成的充填体具有一定的强度来满足控制地压的需型7 。钔，从而提供安全的作业环境、减少损失贫化率、减少地表塌陷，同时还减少了废弃物在地表堆放等问题，以达到相应的回采和环保要求。矿山充填技术主要包括充填料制备技术、充填料输送技术、采场充填工艺等三部分【9 ‘1 们。1 ．充填技术的发展自进入工业社会以来，人类对矿产资源的需求量也在不断地增加，矿产资源使得人类社会得到发展和进步，为国民经济、国防工业、高新技术等众多领域提供了重要的战略物资支持。然而，矿产资源的开发的和利用带来资源浪费、地表塌陷、废物排放、安全隐患等一系列严峻问剧1 1 ‘13 1 ，与以保护生态环境、降低资源消耗、追求可循环经济的绿色矿山理念相悖[ 1 4 以5 1 ，随着采矿工业的不断发展，矿山充填技术也不断地改进创新来满足相应的要求。目前矿山充填使用最多的充填料为选厂产生的尾砂。但是单纯采用选厂尾砂的话可能充填体不能达到所需要的强度或者需要排出大量的水，常常还需要在尾砂中加入一定比例的水泥等胶凝材料并进行充分混合后形成具备一定浓度的充填料浆。尾砂充填经历了分级尾砂充填到全尾砂充填，同时浓度也经历了低浓度到高浓度、膏体的发展阶段。随着充填尾砂的浓度不断提高，我国的充填技术水平也取得了长足的发展，在料浆制备方面，为达到一定的浓度，国内外主要采用或研究采用以下方法在料浆中添加其他干料，减少水分所占的比例；采用旋流器、离心机、过滤机等设备对料浆进行脱水处理，以提高其输送浓度；在进入搅拌混合前，尾砂在砂仓中事先沉淀脱水；在料浆中添加减水剂、粘稠剂等改性材料。随着近年来我国采矿产业的不断发展【l6 1 ，充填技术的理论和实践也相应得到了广泛的应用，尤其是近年来胶结充填技术的日趋完善，使得充填技术在采矿实践中的地位也越来越重要；目前在采矿业主要使用的充填技术是水力充填2 万方数据 硕士学位论文绪论和胶结充填。这些充填方法的产生，能够适用于不同矿山的自然环境，使得矿山开采中的很多难题得到解决。国内科研院所经过多年的科技攻关，在充填技术工艺和装备水平上已经大大缩小了与国外矿业先进国家的差距，同时与充填采矿法紧密配套的充填工艺与技术也得到长足发展，但国内充填工艺发展相比国外落后1 0 到2 0 年，其发展历程总体上可划分为四个阶副1 。7 ‘2 0 】 1 我国5 0 年代以前主要采用废石干式充填，该工艺以处理采矿产生的废石为目的，但是废石干式充填也伴随着充填效率低、生产能力小和劳动强度过大等缺点，随着社会的不断发展进步，相应的技术装备和回采工艺不断改进，废石干式充填已经不能满足我国矿业发展的需要，从5 0 年代起，该工艺在矿山中所占比重逐年递减，逐渐退出历史舞台。 2 6 0 年代初期，部分矿山开始首次采用水砂充填工艺，该工艺主要原理为采用水作为传送运输介质，将充填所用尾砂与水在搅拌站充分搅拌混合后通过充填管网输送到采空区进行充填。1 9 6 5 年锡矿山南矿首次采用水砂充填工艺充填采空区有效地控制了周围的地压活动，减缓了地表的下沉，保障了采场的作业安全；随后该工艺逐渐在招远金矿、凡口铅锌矿等矿山取得了成功应用。 3 7 0 年代到8 0 年代，逐渐开始研究细尾砂胶结充填技术，细尾砂充填料主要以分级尾砂、天然砂和棒磨砂为主。该技术逐渐应用于我国凡口铅锌矿、招远金矿和焦家金矿的矿山，由于细尾砂胶结充填兼顾了胶结强度和利于管道水力输送等特点，使其在8 0 年代逐渐得到广泛的推广应用。随着胶结充填技术的不断发展，逐渐开始对充填材料的性质、充填体自稳、充填体力学特性等方面进行了一定的研究，使尾砂胶结充填工艺日益成熟，到9 0 年代时，该工艺普遍应用在凡口铅锌矿、小铁山铅锌矿、凤凰山铜矿、牟平金矿等2 0 多座矿山。 4 9 0 年代以来，随着对回采工艺和环境保护要求越来越严格，充填工艺也不断地进行改进，在这期间充填采矿工艺得到全面发展，具体表现在充填料浆、充填原料和充填技术上改进，料浆采用高浓度充填、膏体或似膏体充填等；原料使用废石、全尾砂、磷石膏、矿山固废物等；技术上采用高效浓缩制浆技术、大功率泵送技术、数字化智能化调控技术等。2 ．充填技术的应用当前在国内应用的充填工艺【2 1 ．2 2 】主要有分级尾砂充填、废石胶结充填、全尾砂胶结充填、膏体泵送胶结充填、赤泥胶结充填、高水固化胶结充填、少量的天然砂胶结充填和干式充填。 1 分级尾砂充填【2 3 七5 J尾砂经过分级处理之后，可以加快料浆脱水速度，有利于料浆的固结，因此我国大部分矿山普遍采用分级尾砂充填工艺。通常采用的充填材料是脱泥尾3 万方数据 硕士学位论文绪论砂或天然砂，也有少数矿山使用人工磨砂，充填料浆的质量分数为6 5 ％至7 0 ％之间，普遍采用自流输送的方式。目前，分级尾砂充填包括分级尾砂胶结充填和非胶结充填两种。胶结剂一般为水泥、石膏、磨细的炉渣等。业界一般以3 7 u r n粒径作为尾砂的分级界限，根据此分级，尾砂的综合利用率在5 0 ％左右。 2 废石胶结充填【2 6 。2 8 】废石胶结充填通常选用自然级配的破碎料、掘进废石料作为充填原料，选用水泥或砂浆作为胶结材料；废石胶结充填由于废石粒径较大或者形状不规则，造成输送困难或者管道磨损严重，可以通过预破碎或添加柔性材料来降低摩擦阻力；废石的输送一般通过自溜输送、皮带运输机、铲运机等方式进行输送，具体采用什么方式需要结合现场的实际情况，而较大规模废石胶结充填一般采用自淋混合的方式，采场加工制备充填原料。目前该工艺应用成规模的矿山主要有铜坑锡矿、龙首镍矿和望儿山金矿等。 3 全尾砂胶结充填[ 2 9 ’3 1 ]由于分级尾砂充填需要将含泥和细尾砂剔除排放到尾矿库中，不仅增加了尾矿库的维护费用，也造成了环境污染。自上世纪9 0 年代初期，国内部分矿山开始尝试全尾砂胶结充填工艺，随着工艺的不断革新，在实践中日益成熟，该工艺也得到广泛的应用。该技术的特点是将选矿厂排放的废弃物作为充填原料，经过均匀搅拌，在高浓度状态 7 0 ％～7 8 ％ 以自流或者泵送方式输送到采场。该工艺将全部尾砂作为充填料，无需额外构筑尾矿库，在节约成本的同时避免了对环境的破坏，为无废开来实现奠定了一定的基础，符合目前绿色矿山建设的理念。 4 膏体泵送胶结充填[ 3 2 - 3 4 l由于膏体充填料具有低污染、短周期、高强度等优点，膏体充填技术日益引起国内外的重视；针对全尾砂，一般来浓度在7 6 ％～8 2 ％才成为膏体充填材料。膏体充填工艺利用全尾砂、胶结材料和水按照一定的比例优化组合，制备成浓度较高的似牙膏状的料浆，借助膏体泵送技术将料浆通过充填管路以较高的泵送压力输送到采空区进行充填。膏体充填技术结合了现代工业多项新技术，如颗粒浓缩脱水技术、膏体泵送技术、计算机自动化控制技术等，从矿山长期发展角度来看，由于膏体充填的发展潜力，膏体充填技术将会成为未来采矿工艺的发展的主攻方向。 5 赤泥胶结充填【35 。弘J赤泥是氧化铝生产过程中排放的废渣，每生产I t 氧化铝伴随着产生1 ．5 ～1 ．8 t的赤泥，烧结法产生的赤泥中含有硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙均属于水硬性胶凝矿物，这使赤泥具有潜在的胶结特性，因此可以在添加适量激化剂以4 万方数据 硕士学位论文绪论达到替代水泥的目的。目前应用比较多的为赤泥粉煤灰胶结充填、赤泥全尾砂胶结充填，其中赤泥全尾砂胶结充填原料主要是赤泥和全尾砂，在充填工艺流程中充填制各站控制泥浆和灰浆输送量，中间调节阀控制全尾砂供料量，然后充填料在搅拌桶中混合均匀，制成的料浆通过钻井和充填管道采用自流输送方式输送采空区进行充填。 6 高水固化胶结充填【3 7 。9 】高水固化充填主要是采用高水固化材料来代替水泥等胶结材料，高水固化材料是英国在8 0 年代初期研制的由甲乙两种组分构成的新型胶凝材料，该材料具有可以短时间胶结固化大量水的特性，将该材料与水、充填骨料混合后能在短时间内迅速水化、凝结、硬化，高水固化充填正是利用上述特性实现采场不需要脱水、早期强度高等特点，对于缩短充填作业周期、提高生产效率等具有重要意义。目前，全尾砂高水固化充填工艺武山铜矿得到了广泛应用，劳动强度得到降低，开采周期减短，生产效率提高，带来良好社会、经济效益。该工艺也在鸡冠嘴金矿、焦家金矿得到较大规模的应用。1 ．2 ．2 采场充填工艺研究现状1 ．国内外充填隔墙种类与评价在人工充填工艺中，由于刚刚进入充填采场的充填料成似流体状态，具有较强的流动性，需要砌筑挡墙将充填区与巷道隔离开来，一是防止料浆流失造成井下污染，同时，利用充填挡墙将充填料浆与相邻工作面隔开，以免造成料浆涌入采场造成事故，造成矿石损失贫化；二是由于充填料浆下放到充填采场后，需要脱水，以使充填体尽快达到预期的强度，所以充填挡墙还应具有滤水作用。由于传统方式的自重式挡墙抗弯能力差【4 们，易发生倒塌跑砂现象，为了解决上述问题就需要设置加厚挡墙，但是这样一来容易造成充填体脱水困难，而且增加了额外的产成本。随着现代工业技术的不断进步，新技术、新理论不断地应用到挡墙构筑工艺中，传统方式的挡墙将逐渐被各种新型挡墙所取代。目前在我国使用的挡墙主要有木挡墙、空心砖充填隔离挡墙、混凝土挡墙、临时挡墙、新型柔性密闭滤水挡墙以及新型轻质材料混合挡墙等。 1 空心砖充填隔离墙新疆喀拉通克铜镍矿二期富矿开采是采用下向进路胶结充填采矿法，充填时，需在进路口构筑充填滤水挡墙【4 卜4 2 1 。挡墙可用木材或空心砖等材料构筑。而空心砖挡墙具有节省木材、坚固、滤水性能好，施工方便，废料利用等优点。该矿综合利用冶炼过程中产生的炉渣外加其它材料混台配制空心砖，逐步取代5 万方数据 硕士学位论文绪论了木质挡墙，该工艺简单，操作方便。经室内工业性试验，该方案达到预期目的，对降低采矿充填成本有较好的经济效益。挡墙结构如图1 ．1 所示。rIlL T上I I1 一预制块2 - 砂浆图1 1 空心砖充填隔离墙图 2 木挡墙白银厂小铁山铅锌矿[ 4 3 】在矿岩比较稳固的块状矿地段应用上向进路充填采矿法开采，充填前在进路口用立柱、木板建筑挡墙，每块木板之间留有5 m m的空隙，在挡墙内侧用编织袋内侧衬以蛇皮编织袋或草袋作滤水层，同时要用水泥砂浆封堵进路与挡墙之间的间隙，以免造成漏浆、跑砂。然后从充填井内把充填管沿进路顶部吊挂。一般第一期回采的进路充1 4 的水泥尾砂浆，第二期进路充l 8 - - - - 1 0 的水泥尾砂浆，或不放水泥。但第二期回采的进路充填挡墙要移至分层联络道口。挡墙结构如图1 ．2 所示。6 万方数据 硕士学位论文绪论图1 - 2 采场充填隔离墙示意图 3 混凝土挡墙混凝土充填挡墙一般分为重力式和半重力式挡墙，其中重力式混凝土挡墙采片石混凝土、混凝土进行整体浇注，半重力式挡墙采用混凝土或少量筋混凝土浇筑，其具有就地取材、施工简单、挡墙强度高等有点。我国云南驰宏随着矿山开采深度的不断加大，带来一系列地压问题，其深部矿体开采采用上向进路膏体充填采矿法，采用的混凝土挡墙工艺为预先用木板制模，之后利用现场制作的混凝土进行浇模，辅以斜拉钢索，对挡墙进行养护4 0 h 以上，之后对采场进行1 一木立撑2 - 木板模3 一混凝土4 - 堆渣；5 _ 斜撑；6 - 充填体7 - 斜拉钢索图1 3 混凝土挡墙结构图 4 临时挡墙临时挡l 者t 4 5 1 具有易于安装、拆卸和运搬，可以重复利用，节约成本。由于尾砂胶结材料经过养护后具有一定的支撑强度可以省去构筑永久性挡墙，但在7 万方数据 硕士学位论文绪论其胶结凝固并产生支撑作用之前需构筑临时挡墙，以免发生漏浆、跑砂现象，待其产生支撑作用后，临时挡墙可以转移至下一采场继续使用。加拿大皇后大学的研究人员针对大规模的地下采矿作业研究设计了两种可移动式挡墙钢结构组合挡墙和车载式临时挡墙 见图1 ．4 ，并对其性能进行了一定的研究。1 一平巷楣线；2 - 加筋气囊3 硝} 水孔4 - 支撑盘5 - 钻孔锚撑图1 - 4 可移动式临时挡墙 5 柔性密闭滤水挡墙锡矿山南矿和会泽铅锌矿均有采用，会泽采用的是钢丝绳金属网密闭滤水挡墙，锡矿山南矿则利用钢筋、楔形短锚杆、废旧金属网、滤水材料等柔性构成挡墙。柔性密闭挡墙构筑【4 0 】的一般工序为①在选定的挡墙砌筑点四周的围岩设固定锚杆；②在设定好的锚杆端部焊接钢筋，形成O ．3 O ．5m 2 的钢筋网格；③在挡墙内侧将废旧金属网、塑料编织袋和草席捆扎在钢筋网上，形成一个具有完全密闭的柔性挡墙，该挡墙主要结构见图1 ．5 。燃憋闷／]弋．◇立’吣X蕊．／。＼一／■．／叭一‘、．1 _ 锚杆2 - 钢筋3 - 上部矿体4 - 滤水材料；5 - 废旧金属同6 - 底部岩石图1 5 柔性密闭滤水挡墙以下将对几种常用的挡墙进行比较，详见表1 ．1 ，国内部分矿山挡墙使用见表l 一2 所示；8 万方数据 硕士学位论文绪论9 万方数据 洳1 _ 圃丑凿审肆按鼙商J 啊毒≈L l J 榆替≈窨浑甜} 青岛斟真斟冉彗燕窝黹涛料瞄赫皑亘萄蘸排瞳昂圜鼢肆穹弈盍净磐q 0 ．∞Ⅵ．j 丘≈圈Ⅶ碉嘲汛蛘f A o 乱，≈试澍河着；蜷潞讲二F 冉斟真* 堂寐肆盛汛薛导№} } 耳辞惜畸黼落芎耋呈≥} 胁肆襄肆窨孚辫} 踮蒋≈嚣卅酚肆玲铺肆鬟肆窑茸窨赢盐槲妄茄汁，汁鬻冷游u o o _ 。。．岭肆湖什_ o - 1 协，卜1 静圈诳霄4 - a ．咎爿藩研。肆辞什∞0 l _ o ．齑瀹乱Ⅵ。0 _ A 。．询溥N 0 乱m ’肆辞澍煎什u痢茼f ∞0 】．o ．≈窨崭漆薛苇。齑净，7 u 。_ 左斟，圈雌雌霹藩世，氨煎雌m ＆髂薛凿巅河鎏窨呻希煎雌赳。≈雌潜葛．毫窨齑盐A Ⅵ。阱斟．肆窨闻卜静国姬f ∞0 _ 。．叫静肆州汩函雌什1 _ o0 _ ．赢胄I 乱o0 ∞o 。≈窨询河1 _ 0 u m ，卡蓝询沸．5 m ’肆窨凿叫讳圈站寻嘏恭圃。卜讳爿嚣国肆科洋离箭阿一0 0 0 时o 。墨P a 。肆窨泗圈雌溯窜安潞藕。Ⅲ菇爵过晰，肆雌野泄莶i 告闻西瞄泄露 串潍斟。刃Q 1 v 泮A o 摹0 峙1 _ 摹．书蓝认孓．世誓洋济懿河苷_ ∞0 a 。孓P a≈窨赢独协u 。0 乱_ 。．z K 卡询河1 _ ．50 _ ∞m ，讲辞潘斟圈昌耐潜蒋盏潍汁S 葛j 告。z K H 藩海淞率黼沿，；| ；急础南盖逐辫№。亩毫州墨迫滟蕊蒎_ 度遗莒．肆雌器盏圊萍爿案埘窘，遍湘肖甜丹习嚣沸睁卑州藩赫凿勘碧咖赫z K 枣斟真，斟酵冉若矶_ 退潞斟j 真。叫冉斟士真玲痢粤坌占蔷簖癣辞斟赫海坌占斟士真痢粤爵辞斟滴潘坌占斟j 真聃窖露宝占凿隅削累吩斟土真 H 嵩肆滟油睐雌彗＼辩斟料＼E l i 彗惜汛月j 眯郎彗睬虾．肆埘臣肆睬雌箸滕啦。谁葡彗旺肆 H ，J 、惜，E l i 凿，耄产碌彗眯雌酚情，游擀惜，睾产碌彗汁越冲笋彗落斗滟，痊油麟雌玲柑，烯斟_ 车，啭葡苎嘏商丑眯雌彗蚪睬诳吩柑．布葡彗啦* 煎时料辞革* 料啦辞瓣＼蘸卡于／钢醇盈＼瓣爆箭灏卜嘏监玲料带溥辞盈添玲蚪啦筒昂箭辩卜莲舞簿卡f ，沭蘸排料啦船窨计莆苷时．簿莆H 书法赫萄瓣卜蘸* 菏凿瓣溜潞雌z K 箭烩辩斟士真掌游磬爵莳曲辩井圭干西斟赫彗潜箭瓣卜藤蘸