2
018中国矿业U技大会
深部金属矿床开采过E充填材料与工艺
优化技?
?
十二五?国家U技支撑计划支持N(2013BAB02B02)
郭利?教授、主?
北京矿冶研究总院
2
018q??0?
北京矿冶研究总院
BGRIMM
报告提纲
1
2
3
4
N背景与研I目?
研究d与考核指标
N取得的创新技术成?
工业C应用
5
产业化应用情况及效益
BGRIMM
1
N背景与研I目?
我国有近30余金属矿山q入C1000m以下深部开采,其中有近
1
0座矿山将q入1300~2000m深部开采?
安庆
铜矿
冬瓜?
铜矿
会泽
铅锌?
U透山
铜锌?
新城
金矿
三山?
金矿
玲珑
金矿
金洲
矿业
矿山
开拓深
?m
1
004
1100
1377
1357
1063
1225
1124
1085
我国部矿资源已逐步枯竭Q深部矿产资源正逐步成ؓ开发重
炏V据l计Q在未来10~15q内Q我国的有色金属矿山有1/3q入千米
以下的开采深度,部分矿山已规划开采深度达2000~3000m?
深部充填开采已成ؓ矿业发展的必然趋ѝ?
BGRIMM
1
N背景与研I目?
围绕深部金属矿床安全高效充填开采共性技术问题,d充填材料
与工艺关键技术,H破制约深部金属矿充填开采技术瓶颈?
?
?
?
研发高性能充填材料Q更好地控制׃开采的岩爆与高温灾実?
׃充填料浆Ex制备与安全可靠输送问题?
深部金属矿床开采过E的采场充填体质量评价与控制问题?
BGRIMM
1
N背景与研I目?
针对深部金属矿床安全高效充填开采的共性关键问题,立自主
创新Q开展深部金属矿床开采过E充填材料与工艺优化技术研IӞ
创新充填技术、工Z装备Q开发满x井开采的充填新材料,?
化充填工艺,控制与提高大规模采场的充填质量,实现深部金属?
床开采的有效充填Q确保深部金属矿床安全高效开采?
以安庆铜矿ؓ工程依托Q徏立示范工E,为我国同cd型深部金
属矿床安全高效充填采矿提供技术支撑?
BGRIMM
2
研究d
深部金属矿床开采过E?
充填材料与工Z化技?
充填?
材料Ҏ要?
充填?
强度要求
充填工艺
优化匚w
吸能隔热
多孔介质材料
强度模型
与设计方?
料浆制备输?
与质量控?
BGRIMM
3
N取得的创新成?
创新成果一Q低弹减震性、低热传导?
高强度充填材?
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BGRIMM
Ҏ充填体的Ҏ,创新性的
提出充填体内部精准自发调控技术,
使充填体内部形成均质、稳定的气孔?
依此技术研发出h体积膨胀性、低?
减震性、低热传导性、且与深部岩体相
匚w的高强度新型充填材料Q其性能?
标如下表所C:
发?
d?
发?
热导?
28d强度
料浆
砂灰?
/W·m ·K-1
-
1
/MPa
/%
度/%
0
.6%
0.8%
.0%
17.22
21.42
23.39
1.29
0.97
0.84
3.45
3.29
2.63
7
4%
4
1
北京矿冶研究总院
BGRIMM
料浆 砂灰
发?膨胀?
热导?
-1
/W·m ·K
28d强度
-1
度
?
d?
.6
0.8
.0
/%
/MPa
0
15.31
20.12
22.42
1.46
1.23
1.08
3.68
3.36
2.87
7
4%
4
1
试验l果表明Q该发剂对安庆铜矿充填材料h
0
h
8h
20h
良好的适应性,充填材料膨胀效果、强度和导热率均?
到预期目标,可以利用此配方开展半工业试验?
新型充填发剂与充填材料匚w试验
新型发充填材料性能验证试
新型充填材料试验半工业试验^?
BGRIMM
新型发充填材料半工业试验过E?
最l界?
初始界面
沉羃界面
充填体取样俯视图
充填体取样主视图
半工业试验结果表明:低弹减震性、低热传导性高强度充填材料h?
方可靠、发泡率可控性高、发泡均匀、强度和导热性能E_{特炏V?
BGRIMM
3
N取得的创新成?
创新成果二:充填?岩体共同作用机制
及充填体强度l构优化
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BGRIMM
围岩
应力 强度
E_?
充填?
出矿后道封?
滑动势
Q?
Q?
1Q充填体-岩体界面接触行ؓ与应力成拱效?
2Q实际采场充填体-岩体共同体力学作用模?
?
?
?
充填体强度需求合?
胶充成本(水惔单??
采充q程中安全稳?
Q?
Q?
3Q深井采场充填体强度计算模型与设计方?
4Q采场充填体强度l构优化与现场应用研I?
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BGRIMM
实际采场充填?岩体共同体力学作用模?
开展了采场围岩的边壁特征扫描与分析Q抽象提Z一U围岩表面粗p度的定量评
h型及其表征参敎ͼ研究了深部采Z同围岩表面粗p度条g下充填体拱应力的分布
模式Q进而测试分析和数值研I了充填?岩体共同作用下充填体揭露E_性规律?
400
竖向σ
v
和水q\?
200
h
应力 (kPa)
300
0
100
0
0
0
0
0
覆重?
hth=t =0 0mm
hht t==00.2.2mm
hht t==00.3.3mm
hht t==00.6.6mm
1
2
3
4
σv
σ
h
σh
σv
U性^滑采场围岩边?
非线性粗p采场围岩边?实际采场围岩边壁扫描
锯高度Ҏ应力影响
竖向σ
v
和水q\?
200
h
应力 (kPa)
300
0
100
400
0
覆重?
θθ==3300
θ = 30
θθ==6600
1
2
3
4
0
0
0
0
θθ == 112200
θθ == 117700
θθ == 118800
σv
σh
σh
σv
锯ə角角度Ҏ应力影响
U性^滑接触单?δ = 21 非线性粗p接触单?δ = 21 无接触单元(_糙表面Q?
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BGRIMM
׃采场充填体强度需求模型与设计Ҏ
探究了胶l充填体拱应力计方法和非胶l充填体侧压作用机制及其表征Q构Z
胶结充填体强度需求解析模型,ZFLAC3D开展了采充时序q程模拟和强度需求数?
解搜索,提出了前壁揭?后壁受压胶结充填体强度需求理的最优模型及Ҏ?
H?
Pb = uhLdh = 12 u L
(
H ?B tan
)
2
?
0
H?
H
H ?h dh
tan
Ss = τs Bdh + τs
?
?
0
H?
?
2Kh tanδs
L
?Kh tanδs
L
P?
P?
P?
P?
P?
σh = 2 L
tanδs
P?
P?
P?
1?e
+ Kp0e
?
Ss = BH rsc + X
P?
P?
PӞ
?p0 P?
X = LB
L
2Ktanδs
?
H ?P?
P?
P?
P?
P
P?
2
P?
P?
2
L
?K tanδ
s H?
?K tanδ
s H
P?
L
PӞ
PP
P
P?
P?
P?
P?
L
L
两步骤阶D늩场嗣?
充填的典型采充单?
一步骤采场胶结
充填体受力分?
+ 4
P?
P?
?p0 PPe
?e
K tan tanδs
2Ktanδs
P?
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BGRIMM
胶结充填体粘聚力 c (kPa)
MUM?{效安全pL云图
1
90
210
230
250
270
290
310
0
.5
1
0
Depth 1
深度 h0m= 10 m
epth 20m= 20 m
epth 30m= 30 m
D
深度 h
D
深度 h
1
.5
2
破坏
E_
c = 228 kPa (E_)
c = 225 kPa (破坏)
临界强度?
(_聚?
c = 225kPaQ破坏)
c = 228kPaQ稳定)
研究获取了单侧揭露胶l充填体强度需求界|FS=1.0)的数值搜索方法和判定准则
5
00
解析模型 1
解析模型 2
解析模型 3
解析模型 4, 推荐
数值模?
解析模型 1
解析模型 2
解析模型 3
解析模型 4, 推荐
数值模?
解析模型 1
解析模型 2
解析模型 3
解析模型 4, 推荐
数值模?
6
5
4
3
2
1
00
00
00
00
00
00
0
5
4
3
2
1
00
00
00
00
00
0
400
300
2
1
00
00
0
2
4
6
8
10
12
14
16
5
10
15
20
25
30
3515
20
25
30
35
40
45
50
55
宽度 B (m)
长度 L (m)
高度 H (m)
通过不同采场充填体尺寸条件下强度需求解析解和数D的综合对比,研究推荐?
单侧揭露胶结充填体强度需求理QFS=1.0)的最优解析模型及Ҏ
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BGRIMM
采场充填体强度结构优化与现场应用研究
以安庆铜矿ؓ工程依托Q开展了典型采场寸和充填体参数下强度需求理计算Qƈ
重点l合原位采场充填体钻孔取芯和强度试的数理统计分析,获取了矿׃同时D|体充
填技术水q的定量评hQ据此定义推荐了一UQ动安全系数的选取ҎQ得Z矿山采场?
填体实际强度需求和l构设计的计优化模型?
6
室内配比试验Q砂灰比4
室内配比试验Q砂灰比6
5
4
3
2
1
0
原位取芯试样强度试?
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
孔深QmQ?
原位采场充填体取芯过E和实测强度散点?
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BGRIMM
理论模型与方法的工程应用CZ
0
0
0
.6
.4
.2
0
依托矿山充填体力学参数表
定w
Ҏ
体积模量 剪切模量 单u抗压 _聚?内摩 泊松?
砂灰?
/
kN/m3 / MPa
/Mpa
377.5
90.9
/MPa
205.1
46.9
8.9
强度/ MPa / MPa 擦角
4
21.08
20.52
非胶l?19.64
521
120
23
3.11
0.88
0.12
0.89
0.30
0.04
30 0.27
30 0.28
20 0.29
1
0
18.3
典型矿房矿柱采场寸Q长L=25m、宽B=12m、高H=40m
Ҏ强度需求解析模型得出理QFS=1) Q?.5433 MPa
5
0
1
2
3
4
原位取芯试样单u抗压强度 QMPaQ?
定义q推荐了一U矿山采场充?
UCSp
FS = x ?2ϖ
取芯实测强度h的正态分布统?
体实际强度需求计时动安全pL
FS 的计选取Ҏ?
工程依托矿山现阶D늚充填技术水qx件下Q计选取的Q动安全系数指标ؓFS = 2.455
依托矿山现阶D늚采场充填体实际强度需求ؓ0.5433 MPa×2.455 = 1.33 MPa
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BGRIMM
3
N取得的创新成?
创新成果三:Z立式砂仓的尾砂高?
度稳态制备技?
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关键技?
?
?
立式砂仓风水两分时l壁造浆技?
低动能防扰动长\径仓稳定进料技?
解决的主要问?
?
?
攄度、流量不E_
砂仓攄易区易被拉空Q砂
仓有效容U小
板结?
攄
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BGRIMM
Q?
1Q低动能防扰动长路径仓顶E_q料
料浆~冲?
消力扩散?
溢流面高?
环Ş溢流槽及
溢流锯
防扰动料沉降桶
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BGRIMM
Q?
2Q立式砂仓风水两U分时绕壁造浆技?
一U高压风造浆Q用于松动造浆Q采用淋式?
攄前造浆
攄中造浆
_防止损Q降低对仪表q扰
风水两分时
造浆
二高压水造浆Q用于流态化造浆Q采用高Ҏ?
耐磨喷咀
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BGRIMM
3
N取得的创新成?
创新成果四:׃大规模采场充填工?
与质量控?
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BGRIMM
Q?
1Q充填体中水泥含量检方法试验研I?
Z元素守恒原理Q研发了一U胶l充填体中水泥含量检方?元素
法Qƈ通过试验验证了该Ҏ的可靠性?
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BGRIMM
Q?
2Q充填体整体质量分析Ҏ研究-充填料浆LE度与评h
ε?.5Ӟ充填料浆均匀性好
0
1
1
2
.5 Q?ε ?Ӟ充填料浆均匀性较?
Q?ε ?.5Ӟ充填料浆均匀性一?
.5Q?ε ?Ӟ充填料浆均匀性较?
Q?ε ?.5Ӟ充填料浆均匀性差
εQ?.5Ӟ充填料浆均匀性很?
发明了一U胶l充填体中水泥含量检方法与矿山胶结充填料浆LE度与
评hҎQ提Z充填料浆LE度定量评h指标L度,该发明ؓ矿山充填质量?
量评h供了技术手Dc?
Z充填体水泥含量检技术,建立了采场原位充填体强度不均匀分布特征表述
ҎQ在此基上,提出了充填体均匀性改善的具体措施与结构优化方法?
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BGRIMM
Q?
3Q充填体整体质量分析Ҏ研究-原位充填体取栯?
?
?
?
对矿山原充填体质量与工业试验采场充填体质量进行了现场取样分析?
原充填体强度L明显Q充填体强度非常不均匀
本项目工业试验采场充填体均匀性较好,q_强度Q?.37MPaQ、方差(0.16Q和标准差(0.39Q?
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BGRIMM
Q?
4Q与采矿工艺相协调的充填优化设计Ҏ-充填配比参数
建立了基于充填试验、充填体所需强度解析计算、充填体原位取样?
L充填优化设计ҎQ对传统矿山充填设计与管理进行了创新Qؓ充填?
计提供了依据?
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BGRIMM
Q?
4Q与采矿工艺相协调的充填优化设计Ҏ-采场闭与接?
最l界?
初始界面
沉羃界面
?
?
通过充填挡墙受力分析Q确定了大规模采场柔性封闭技术?
采用低弹减震、低热传导充填体材料实现了膨胀接顶Q接效果良?
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BGRIMM
4
工业C应用
深部金属矿床安全高效充填
C工程
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BGRIMM
Q?
1Q安庆铜矿充填系l技术改?
Q?
充填工艺Q?
分充填攚w度l构充?
0
0
1
2
造浆pȝ攚w?
如何制备?
高浓度结构流
充填料性能Q?
度l构?
供料与计?
pȝ攚w?
充填
材料
如何
配置
pȝ
工艺
如何
实现
充填
料浆
变
性能
充填
体力
学?
?
0
0
3
4
搅拌与输?
pȝ攚w?
?
?
?
?
?
充填材料基础参数试Q?
沉降试验Q?
充填料浆变试验Q?
充填配比试验Q?
充填体均匀试验Q?
充填pȝ?
动化控制
?立式砂仓充填pȝ现场模拟试验
验证q优化充填关键工艺技术方?
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BGRIMM
Q?
1Q安庆铜矿充填系l技术改?
立式砂仓
锥Ş底造浆效果
雯料位?
自控中心
球Ş底造浆效果
仓顶Expȝ
BGRIMM
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Q?
1Q安庆铜矿充填系l技术改?
安庆铜矿充填pȝ技自控界面
q箋E_的充填浓?
为深入研I本N内容Q从目启动以来Q在C矿山安庆铜矿开展了大量
工作。在基础实验研究的基上,采用了结构流充填Ҏ。针对原充填pȝ供料
?
造浆、放砂、搅拌、输送与控制{子pȝq行了系l的升攚w,安庆铜矿?
填系l技术改造升U成功应用了“立式砂仓风水两U分时绕壁造浆”、“低动能
防扰动长路径仓顶E_q料”等技术,d解决了该矿山充填pȝ造浆效果差?
攄不稳{技术难题,提高了充填系l放砂的E_性,实现单套充填度74%Q?
充填能力140m/h?60m/h?
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BGRIMM
Q?
2Q基于安庆铜矿实际采矿工艺的充填Ҏ设计
定工业采场
1
.工业采场规模Q长40mQ宽15mQ高60mQ?
采用本课题研I结?
修正cx法Q计
充填采场极限状?
所需强度
2. 采用修正cx法计算极限状态下采场
Q?
所需强度Q?.487?.539MPaQ?
3. l合定安全pLQFS=2.0Q,则采场所需
强度定?.0MPa
定安全pLFS
砂灰?
4
6
8
10
12
2
8d单u抗压
强度/MPa
3
.89
3.08
1.98
1.27
0.96
实验定充填物料配方
Q?
强度、流变特性等Q?
Ҏ计算l果设计充填采场Q充?
度74%Q底部砂灰比4Q中部砂灰比10
上部砂灰?2Q顶部采用沫充?
充填Ҏ设计
Ҏ
实施
Q?
据修正米歇尔法ƈ考虑l合安全pLQ确定空区所需充填体强度,
l实验室配比实验定物料配合l成Q在此基上结合研制的新型泡沫
充填材料性能Q提充方案,试充Ҏ采用新徏立的充填pȝQ确?
充填料浆工艺参数满设计Q实现连l稳定充填?
充填体质量评?
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Q?
3Q井下充填采场工业试?
井下充填采场试验
充填线敯Ҏ优化
????Q??I????U?
道优化Q基于沿E阻力计、充
填倍线计算分析Q减U增压措施等提出
马头qD大倍线自流充填技术方?
6
1
2
0mQ^均长度约40mQ宽度约?
5m Q???I?????U??
7882m
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BGRIMM
4
产业化情况以及效?
本课题研发的深部金属矉K效充填成套关键技术已成功应用于安庆铜矿,q徏
立了深部金属矿床安全高效充填开采示范工E。新技术应用后Q?016q??12月工
业试验运行阶D共计充?8万m3Q其中试验采场充?7882m3Q实现充填浓度提?
5
-10%Q实现单套充填能力提?0-80m3/hQ矿山充填成本节U?4.16?m3Q年节约
充填成本U?00万元/q?
N技术成果应用后Q矿山充填质量显著提高,矿山回采安全性提高的同时Q?
矿石回采率提高约5%Q矿矌化率降低U?%Q生间接经h值约2000万元?
同时Q本目研究成果已在我国甲玛铜多金属ѝ香炉山钨矿、草楼铁ѝ凡
口铅锌矿{矿山得到推q应用,l济C会效益显著?
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l??
N团队l过4q的d研究Q取得了“一个创新、两个突破?
搞清楚了深部充填开采过E对充填体材料特性的要求Q实C?
?
填材料创斎ͼ搞清楚了深部开采对充填体强度性能要求Q实C?
部充填体强度设计Ҏ的技术突_搞清楚了影响传统立式砂仓?
填系l充填质量的本质因素Q实C高浓度充填料稳态制备与?
量控制的技术突_通过安庆铜矿C工程验证与技术完善,建立
了深部金属矿床开采过E充填材料与工艺优化技术体p,实现了典
型深部金属矿床开采的有效充填?
十三五期_我国有一大批金属矿山q入千米以下深部充填
开采,该课题技术成果将能ؓ我国同类大型深部金属矿安全高效开
采提供技术支撑,hq泛应用前景Q全面提升我国深部资源获?
能力Q开辟深部金属矿山充填采矿新时代?
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BGRIMM
???Ӟ
北京矿冶研究总院Ƣ迎您?
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