2 018中国矿业科技大会 深部金属矿床开采过程充填材料与工艺 优化技术 “ 十二五” 国家科技支撑计划支持课题(2013BAB02B02) 郭利杰 教授、主任 北京矿冶研究总院 2 018年8月10日 北京矿冶研究总院 BGRIMM 报告提纲 1 2 3 4 课题背景与研究目标 研究任务与考核指标 课题取得的创新技术成果 工业示范应用 5 产业化应用情况及效益 BGRIMM 1 课题背景与研究目标 我国有近30余座金属矿山进入地下1000m以下深部开采，其中有近 1 0座矿山将进入1300~2000m深部开采。 安庆 铜矿 冬瓜山 铜矿 会泽 铅锌矿 红透山 铜锌矿 新城 金矿 三山岛 金矿 玲珑 金矿 金洲 矿业 矿山 开拓深 度/m 1 004 1100 1377 1357 1063 1225 1124 1085 我国浅部矿产资源已逐步枯竭，深部矿产资源正逐步成为开发重 点。据统计，在未来10~15年内，我国的有色金属矿山将有1/3进入千米 以下的开采深度，部分矿山已规划开采深度达2000~3000m。 深部充填开采已成为矿业发展的必然趋势。 BGRIMM 1 课题背景与研究目标 围绕深部金属矿床安全高效充填开采共性技术问题，攻克充填材料 与工艺关键技术，突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，更好地控制深井开采的岩爆与高温灾害。 深井充填料浆稳态制备与安全可靠输送问题。 深部金属矿床开采过程的采场充填体质量评价与控制问题。 BGRIMM 1 课题背景与研究目标 针对深部金属矿床安全高效充填开采的共性关键问题，立足自主 创新，开展深部金属矿床开采过程充填材料与工艺优化技术研究， 创新充填技术、工艺与装备，开发满足深井开采的充填新材料，优 化充填工艺，控制与提高大规模采场的充填质量，实现深部金属矿 床开采的有效充填，确保深部金属矿床安全高效开采。 以安庆铜矿为工程依托，建立示范工程，为我国同类大型深部金 属矿床安全高效充填采矿提供技术支撑。 BGRIMM 2 研究任务 深部金属矿床开采过程 充填材料与工艺优化技术 充填体 材料特性要求 充填体 强度要求 充填工艺 优化匹配 吸能隔热 多孔介质材料 强度模型 与设计方法 料浆制备输送 与质量控制 BGRIMM 3 课题取得的创新成果 创新成果一：低弹减震性、低热传导性 高强度充填材料 北京矿冶研究总院 BGRIMM 根据尾砂充填体的特性，创新性的 提出充填体内部精准自发泡调控技术， 使充填体内部形成均质、稳定的气孔。 依此技术研发出具有体积膨胀性、低弹 减震性、低热传导性、且与深部岩体相 匹配的高强度新型充填材料，其性能指 标如下表所示： 发泡剂 添加量 发泡率 热导率 28d强度 料浆 砂灰比 /W·m ·K-1 - 1 /MPa /% 浓度/% 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 发泡剂 膨胀率 热导率 -1 /W·m ·K 28d强度 -1 浓度 比 添加量 .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 试验结果表明：该发泡剂对安庆铜矿充填材料具有 0 h 8h 20h 良好的适应性，充填材料膨胀效果、强度和导热率均达 到预期目标，可以利用此配方开展半工业试验。 新型充填发泡剂与充填材料匹配试验 新型发泡充填材料性能验证测试 新型充填材料试验半工业试验平台 BGRIMM 新型发泡充填材料半工业试验过程 最终界面 初始界面 沉缩界面 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具有配 方可靠、发泡率可控性高、发泡均匀、强度和导热性能稳定等特点。 BGRIMM 3 课题取得的创新成果 创新成果二：充填体-岩体共同作用机制 及充填体强度结构优化 北京矿冶研究总院 BGRIMM 围岩 应力 强度 稳定性 充填体 出矿后巷道封闭 滑动趋势 （ （ 1）充填体-岩体界面接触行为与应力成拱效应 2）实际采场充填体-岩体共同体力学作用模式    充填体强度需求合理 胶充成本(水泥单耗)低 采充过程中安全稳定 （ （ 3）深井采场充填体强度计算模型与设计方法 4）采场充填体强度结构优化与现场应用研究 北京矿冶研究总院 BGRIMM 实际采场充填体-岩体共同体力学作用模式 开展了采场围岩的边壁特征扫描与分析，抽象提出了一种围岩表面粗糙度的定量评 价模型及其表征参数，研究了深部采场不同围岩表面粗糙度条件下充填体拱应力的分布 模式，进而测试分析和数值研究了充填体-岩体共同作用下充填体揭露稳定性规律。 400 竖向σ v 和水平σ 200 h 应力 (kPa) 300 0 100 0 0 0 0 0 覆重法 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 线性平滑采场围岩边壁 非线性粗糙采场围岩边壁 实际采场围岩边壁扫描 锯齿高度对拱应力影响 竖向σ v 和水平σ 200 h 应力 (kPa) 300 0 100 400 0 覆重法 θθ==3300°° θ = 30° θθ==6600°° 1 2 3 4 0 0 0 0 θθ == 112200°° θθ == 117700°° θθ == 118800°° σv σh σh σv 锯齿顶角角度对拱应力影响 线性平滑接触单元 δ = 21° 非线性粗糙接触单元 δ = 21° 无接触单元（粗糙表面） 北京矿冶研究总院 BGRIMM 深井采场充填体强度需求模型与设计方法 探究了胶结充填体拱应力计算方法和非胶结充填体侧压作用机制及其表征，构建了 胶结充填体强度需求解析模型，基于FLAC3D开展了采充时序过程模拟和强度需求数值 解搜索，提出了前壁揭露-后壁受压胶结充填体强度需求理论计算的最优模型及方法。 H′ Pb = γuhLdh = 12 γu L ( H − B tanα ) 2 ∫ 0 H′ H H − h dh tanα Ss = τs Bdh + τs ∫ ∫ 0 H′ − 2Kh tanδs L −2Kh tanδs L      σh = 2 γL tanδs    1− e + Kp0e ∗ Ss = BH rsc + X    − p0  X = LB γL 2Ktanδs ∗ γH −       2   2 L −2K tanδ s H′ −2K tanδ s H  γL        L L 两步骤阶段空场嗣后 充填的典型采充单元 一步骤采场胶结 充填体受力分析 + 4   − p0 e − e K tanα tanδs 2Ktanδs  北京矿冶研究总院 BGRIMM 胶结充填体粘聚力 c (kPa) 总位移云图 等效安全系数云图 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 稳定 c = 228 kPa (稳定) c = 225 kPa (破坏) 临界强度值 (粘聚力) c = 225kPa（破坏） c = 228kPa（稳定） 研究获取了单侧揭露胶结充填体强度需求临界值（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 数值模拟 解析模型 1 解析模型 2 解析模型 3 解析模型 4, 推荐 数值模拟 解析模型 1 解析模型 2 解析模型 3 解析模型 4, 推荐 数值模拟 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值解的综合对比，研究推荐了 单侧揭露胶结充填体强度需求理论解（FS=1.0)的最优解析模型及方法 北京矿冶研究总院 BGRIMM 采场充填体强度结构优化与现场应用研究 以安庆铜矿为工程依托，开展了典型采场尺寸和充填体参数下强度需求理论解计算，并 重点结合原位采场充填体钻孔取芯和强度测试的数理统计分析，获取了矿山不同时段整体充 填技术水平的定量评价，据此定义推荐了一种浮动安全系数的选取方法，得出了矿山采场充 填体实际强度需求和结构设计的计算优化模型。 6 室内配比试验，砂灰比4 室内配比试验，砂灰比6 5 4 3 2 1 0 原位取芯试样强度测试值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 孔深（m） 原位采场充填体取芯过程和实测强度散点图 北京矿冶研究总院 BGRIMM 理论模型与方法的工程应用示例 0 0 0 .6 .4 .2 0 依托矿山充填体力学参数表 容重 弹模 体积模量 剪切模量 单轴抗压 粘聚力 内摩 泊松比 砂灰比 / 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 非胶结 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 典型矿房矿柱采场尺寸：长L=25m、宽B=12m、高H=40m 根据强度需求解析模型得出理论解（FS=1) ：0.5433 MPa 5 0 1 2 3 4 原位取芯试样单轴抗压强度 （MPa） 定义并推荐了一种矿山采场充填 UCSp FS = x − 2ϖ 取芯实测强度样本的正态分布统计 体实际强度需求计算时浮动安全系数 FS 的计算选取方法。 工程依托矿山现阶段的充填技术水平条件下，计算选取的浮动安全系数指标为FS = 2.455 依托矿山现阶段的采场充填体实际强度需求为0.5433 MPa×2.455 = 1.33 MPa 北京矿冶研究总院 BGRIMM 3 课题取得的创新成果 创新成果三：基于立式砂仓的尾砂高浓 度稳态制备技术 北京矿冶研究总院 BGRIMM 关键技术   立式砂仓风水两级分时绕壁造浆技术 低动能防扰动长路径仓顶稳定进料技术 解决的主要问题   放砂浓度、流量不稳定 砂仓放砂易区易被拉空，砂 仓有效容积小 板结区 放砂 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 1）低动能防扰动长路径仓顶稳定进料 料浆缓冲槽 消力扩散板 溢流面高度 环形溢流槽及 溢流锯齿 防扰动料浆沉降桶 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 2）立式砂仓风水两级分时绕壁造浆技术 一级高压风造浆：用于松动造浆，采用淋浴式喷 放砂前造浆 放砂中造浆 头，防止磨损，降低对仪表干扰 风水两级分时 造浆 二级高压水造浆：用于流态化造浆，采用高弹性 耐磨喷咀 北京矿冶研究总院 BGRIMM 3 课题取得的创新成果 创新成果四：深井大规模采场充填工艺 与质量控制 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 1）充填体中水泥含量检测方法试验研究 基于元素守恒原理，研发了一种胶结充填体中水泥含量检测方法-元素 检测法，并通过试验验证了该方法的可靠性。 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 2）充填体整体质量分析方法研究-充填料浆离析程度检测与评价 ε≤0.5时，充填料浆均匀性好 0 1 1 2 .5 ＜ ε ≤1时，充填料浆均匀性较好 ＜ ε ≤1.5时，充填料浆均匀性一般 .5＜ ε ≤2时，充填料浆均匀性较差 ＜ ε ≤2.5时，充填料浆均匀性差 ε＞2.5时，充填料浆均匀性很差 发明了一种胶结充填体中水泥含量检测方法与矿山胶结充填料浆离析程度检测与 评价方法，提出了充填料浆离析程度定量评价指标离析度，该发明为矿山充填质量定 量评价提供了技术手段。 基于充填体水泥含量检测技术，建立了采场原位充填体强度不均匀分布特征表述 方法，在此基础上，提出了充填体均匀性改善的具体措施与结构优化方法。 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 3）充填体整体质量分析方法研究-原位充填体取样评价    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。 原充填体强度离散明显，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，平均强度（3.37MPa）、方差（0.16）和标准差（0.39） 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 4）与采矿工艺相协调的充填优化设计方法-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、充填体原位取样评 价的充填优化设计方法，对传统矿山充填设计与管理进行了创新，为充填设 计提供了依据。 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 4）与采矿工艺相协调的充填优化设计方法-采场封闭与接顶 最终界面 初始界面 沉缩界面   通过充填挡墙受力分析，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，接顶效果良好 北京矿冶研究总院 BGRIMM 4 工业示范应用 深部金属矿床安全高效充填 示范工程 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 1）安庆铜矿充填系统技术改造 （ 充填工艺） 分级尾砂充填改高浓度结构流充填 0 0 1 2 造浆系统改造 如何制备高 高浓度结构流 充填料性能？ 浓度结构流？ 供料与计量 系统改造 充填 材料 如何 配置 系统 工艺 如何 实现 充填 料浆 流变 性能 充填 体力 学性 能 0 0 3 4 搅拌与输送 系统改造      充填材料基础参数测试； 尾砂沉降试验； 充填料浆流变试验； 充填配比试验； 充填体均匀试验； 充填系统自 动化控制  立式砂仓充填系统现场模拟试验 验证并优化充填关键工艺技术方案 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 1）安庆铜矿充填系统技术改造 立式砂仓 锥形底造浆效果 雷达料位计 自控中心 球形底造浆效果 仓顶稳料系统 BGRIMM 北京矿冶研究总院 （ 1）安庆铜矿充填系统技术改造 安庆铜矿充填系统技自控界面 连续稳定的充填浓度 为深入研究本课题内容，从项目启动以来，在示范矿山安庆铜矿开展了大量 工作。在基础实验研究的基础上，采用了结构流充填方案。针对原充填系统供料 、 造浆、放砂、搅拌、输送与控制等子系统进行了系统的升级改造，安庆铜矿充 填系统技术改造升级成功应用了“立式砂仓风水两级分时绕壁造浆”、“低动能 防扰动长路径仓顶稳定进料”等技术，彻底解决了该矿山充填系统造浆效果差、 放砂不稳等技术难题，提高了充填系统放砂的稳定性，实现单套充填浓度74%， 充填能力140m³/h～160m³/h。 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 2）基于安庆铜矿实际采矿工艺的充填方案设计 确定工业采场 1 .工业采场规模：长40m，宽15m，高60m； 采用本课题研究结果 修正米歇尔法）计 算充填采场极限状态 所需强度 2. 采用修正米歇尔法计算极限状态下采场 （ 所需强度：0.487～0.539MPa； 3. 综合确定安全系数：FS=2.0；，则采场所需 强度确定为1.0MPa 确定安全系数FS 砂灰比 4 6 8 10 12 2 8d单轴抗压 强度/MPa 3 .89 3.08 1.98 1.27 0.96 实验确定充填物料配方 （ 强度、流变特性等） 根据计算结果设计充填采场：充填 浓度74%，底部砂灰比4，中部砂灰比10 上部砂灰比12，顶部采用泡沫充填 充填方案设计 论证方案 实施 ， 据修正米歇尔法并考虑综合安全系数，确定空区所需充填体强度， 经实验室配比实验确定物料配合组成，在此基础上结合研制的新型泡沫 充填材料性能，提出试充方案，试充方案采用新建立的充填系统，确保 充填料浆工艺参数满足设计，实现连续稳定充填。 充填体质量评价 北京矿冶研究总院 BGRIMM （ 3）井下充填采场工业试验 井下充填采场试验 充填管线敷设方案优化 试 验 采 场 ： 采 空 区 高 度 约 管道优化：基于沿程阻力计算、充 填倍线计算分析，减租增压措施等提出 马头山矿段大倍线自流充填技术方案 6 1 2 0m，平均长度约40m，宽度约为 5m ， 充 填 空 区 的 总 体 积 为 7882m³ 北京矿冶研究总院 BGRIMM 4 产业化情况以及效益 本课题研发的深部金属矿高效充填成套关键技术已成功应用于安庆铜矿，并建 立了深部金属矿床安全高效充填开采示范工程。新技术应用后，2016年3月-12月工 业试验运行阶段共计充填18万m3，其中试验采场充填27882m3，实现充填浓度提高 5 -10%，实现单套充填能力提升50-80m3/h，矿山充填成本节约14.16元/m3，年节约 充填成本约400万元/年。 课题技术成果应用后，矿山充填质量显著提高，矿山回采安全性提高的同时， 矿石回采率提高约5%，矿石贫化率降低约5%，产生间接经济价值约2000万元。 同时，本项目研究成果已在我国甲玛铜多金属矿、香炉山钨矿、草楼铁矿、凡 口铅锌矿等矿山得到推广应用，经济社会效益显著。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 结 语 课题团队经过4年的攻关研究，取得了“一个创新、两个突破” 搞清楚了深部充填开采过程对充填体材料特性的要求，实现了充 。 填材料创新；搞清楚了深部开采对充填体强度性能要求，实现了深 部充填体强度设计方法的技术突破；搞清楚了影响传统立式砂仓充 填系统充填质量的本质因素，实现了高浓度充填料浆稳态制备与质 量控制的技术突破，通过安庆铜矿示范工程验证与技术完善，建立 了深部金属矿床开采过程充填材料与工艺优化技术体系，实现了典 型深部金属矿床开采的有效充填。 十三五期间，我国将有一大批金属矿山进入千米以下深部充填 开采，该课题技术成果将能为我国同类大型深部金属矿安全高效开 采提供技术支撑，具有广泛应用前景，全面提升我国深部资源获取 能力，开辟深部金属矿山充填采矿新时代。 北京矿冶研究总院 BGRIMM 谢 谢 大 家！ 北京矿冶研究总院欢迎您。 北京矿冶研究总院 BGRIMM