膏体充填技术的现状与展望.doc

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1、膏体充填技术的现状与展望***************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，尤其是在加拿大、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。我国也不例外，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。一、膏体充填技术提出的背景矿山开采一直有两大问题：安

2、全生产与环境保护。安全问题，主要是从地下采出矿石后留下空场，空场上部的岩石垮落造成人员伤亡和财产损失；环保问题，主要是矿石中有用金属提取后剩下的固体废弃物。据统计，我国现有大大小小的尾矿库12000多座，金属矿山堆存的尾矿达到80亿t以上，且以每年6亿t的速率增长。目前，全尾处置方式主要分为井下充填与地表堆存，其共同特征是尾矿制备与输送浓度低。在进行低浓度胶结充填时，砂浆浓度较低，需要以较高的流速输送，管道磨损严重；进入采场后，由于含水率较高，料浆凝固时间长，容易离析分层，强度低，脱水困难；一些固体废弃物含有大量的有害物质，如氯离子、铜离子、砷

3、离子等，可能影响到人们的用水安全。另外，尾矿浆低浓度地表排放使得尾矿库中含有大量的水，尾砂固结时间长，尾矿库浸润线高，增加了尾砂振动液化的可能性，降低了安全等级；同时，排入的尾砂浆浓度低使得尾矿库的有效库容降低，缩短了使用年限。为了解决上述问题，使用尾砂时必须提高其浓度，因此提出膏体充填技术。二、膏体充填技术的定义、分类将一种或多种充填材料与水进行优化组合，制备成具有良好稳定性、流动性和可塑性的牙膏状胶结体，在重力或外加力作用下以柱塞流的形态输送到采空区完成充填作业的过程称为膏体充填。当砂浆的体积浓度大于50%时，料浆呈稳定的粥状膏体，并像塑性

4、结构体一样在管道中作整体运动，膏体中的固体颗粒一般不发生沉淀，层间也不出现交流，而呈现“柱塞状”的运动状态。膏体柱塞断面上的速度和浓度的变化为常数，只是润滑层的速度有一定的变化。细粒物料像一个圆环，集中在管壁周围的润滑层慢速运动，起到“润滑”的作用。由于膏体料浆的塑性粘度和屈服切应力均较大，因而必须施加外力克服膏体屈服应力后，方可流动。膏体充填的实质在于膏体材料的胶质性及保水性。一方面，这种胶质特性使膏体通过钻孔或管道输送时不存在临界流速，同时允许膏体在管道中滞留一段时间；另一方面，材料的胶质粒子可使所有的水分子都保留在膏体中，膏体充填到采空区

5、后不会出现脱水现象。根据物料组成不同，膏体可分为细粒级膏体、粗粒级膏体和改性膏体。细粒级膏体是由全尾砂、水及胶结材料组成的，其中胶结材料可以是普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。粗粒级膏体是在全尾砂中添加粗颗粒物料，如风砂、棒磨砂、水淬碴、碎石等，在某种程度上来讲，膏体充填应该包括块石充填技术，其目的是为了提高充填体强度，改善膏体流动性。改性膏体是在粗粒级膏体的基础上添加改性材料，如粉煤灰、早强剂、减水剂、减阻剂等。三、膏体的三个技术条件和充填特点膏体的三个技术条件：i.稳定性。充填物料具有抵抗分层、离析的能力，使膏体在输送管

6、道中停留数小时不沉淀、不分层、不离析，能顺利地进行输送。ii.流动性。膏体能在外力或重力作用下在输送管道中或采空区顺利流动。iii.可塑性。膏体能够在克服屈服应力后产生非可逆变形的能力，也就是膏体在通过输送管道弯道部位、变形锥形管、管接头等管件时，形状发生变化而内部结构不变。膏体充填特点：膏体料浆像塑性结构体一样在管道中作整体运动，固体颗粒一般不发生沉淀，呈柱塞状流动。管壁处的速度梯度与摩擦阻力和表面润滑层的粘度有关。膏体充填料的内摩擦角较大，凝固时间短，能迅速对围岩和矿柱产生作用。尾砂膏体充填的料浆重量浓度一般在75%以上，尾砂利用率高，一般

7、为90％～95％。由于膏体充填料浆浓度高，无需脱水，因此减少了井下充填污染及排水费用；充填体强度高且水泥耗量少，可以适当降低充填成本；充填体易于接顶，有利于采场稳定和采矿作业安全性；膏体的稳定性、和易性和可泵性，决定了进行长距离输送时不会造成堵管，从而解决了实际操作中长距离输送的问题。四、膏体的流变性质及充填技术的优缺点真实物体在荷载外力的作用下都将发生物质流动与变形，而流变学是研究荷载下物质流动与变形的科学。对于膏体的流变模型，可用下式表示：式中τ为剪切应力，为剪切速率，膏体充填料的流变模型属于宾汉塑性体，故为屈服剪应力，为塑性粘度系数。膏体

8、流变力学物理模型为膏体泵送胶结充填的主要优点：尾砂利用率高，可节省大部分采集、加工充填料的费用；减少尾矿库基建、经营和维护费用；水泥用量减少，充填主要