礦山充填技術(shù)回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展孫恒虎教授清華大學建筑設計研究院UniversityofthePacific,USA2013年5月27日1礦山充填技術(shù)回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展孫恒虎教授1充填技術(shù)與綠色開采感想本課題組礦山充填技術(shù)研發(fā)工作的回顧本課題組目前礦山充填技術(shù)進展現(xiàn)狀匯報提綱

高水速凝材料充填技術(shù)全尾砂固結(jié)充填技術(shù)凝石似膏體充填技術(shù)結(jié)語與展望2充填技術(shù)與綠色開采感想本課題組礦山充填技術(shù)研發(fā)工作的回顧本課俄羅斯煤礦地表塌陷（Berezniki）TVAKingston粉煤灰潰壩山鋁赤泥壩鐵尾礦庫俄羅斯煤礦地表塌陷（Berezniki）TVAKingst3一、充填技術(shù)與綠色開采感想1992年澳大利亞國際充填采礦大會大會總結(jié)報告指出：中國將是未來礦業(yè)的源泉“Chinawillbethesourceoffutureminingbackfill”2011年，在我們完成的美國能源部項目-煤基固廢資源化利用結(jié)題驗收會上，專家認為“礦山充填是解決礦山綠色開采的重要途徑”

本人認為：由長沙礦山研究院為主組織的“中國充填采礦技術(shù)與裝備大會”對綠色礦山采礦技術(shù)發(fā)展意義重大!什么叫綠色開采？一種行之有效的礦山充填技術(shù)應是礦山綠色開采的主流技術(shù)！4一、充填技術(shù)與綠色開采感想1992年澳大利亞國際充填采礦大會二、本課題組礦山充填技術(shù)研發(fā)工作的回顧

高水速凝材料固結(jié)充填技術(shù)1

全尾砂固結(jié)充填技術(shù)2

凝石似膏體充填技術(shù)3三個階段5二、本課題組礦山充填技術(shù)研發(fā)工作的回顧高水速凝材料固結(jié)充高水速凝充填材料（高水材料）

90%水+10%固體材料(體積百分比)漿料A(90%體積水)漿料B(90%體積水)混合高水材料充填系統(tǒng)采場充填30分鐘后整體固化，不脫水高水速凝材料固結(jié)充填技術(shù)16高水速凝充填材料（高水材料）90%水+10%固體高水速凝充填現(xiàn)場實例高水速凝材料固結(jié)充填技術(shù)1高水速凝充填現(xiàn)場實例高水速凝材料固結(jié)充填技術(shù)17地下采礦充填高水速凝材料固結(jié)充填技術(shù)1地下采礦充填高水速凝材料固結(jié)充填技術(shù)18高水速凝材料固結(jié)充填技術(shù)1

鋁釩土原料緊缺，成本偏高；兩種料漿匹配操作易失控；耐久性問題。存在問題：9高水速凝材料固結(jié)充填技術(shù)1鋁釩土原料緊缺，成本偏高；存膠凝材料制備：以工業(yè)廢渣(礦渣)為主要原料，加入適量的天然礦物及化學添加劑，像制造水泥一樣，經(jīng)配料、磨細、均化等工藝制備成充填膠凝材料;

膠凝材料特點：對含粘土量高的砂土及工業(yè)垃圾（如礦山尾砂）具有很強的固結(jié)能力，因此特別適合固結(jié)全尾砂用于礦山充填;

使用效果：實現(xiàn)全尾砂充填，其充填濃度范圍65-75%，流動性好，易于泵送和自流輸送，充填效率高，井下幾乎不需脫水即可凝結(jié)成固體，充填體早期強度高，采礦周期短，井下作業(yè)環(huán)境好，綜合充填成本低。

全尾砂固結(jié)充填技術(shù)2膠凝材料制備：以工業(yè)廢渣(礦渣)為主要原料，加入適量的天然10

全尾砂固結(jié)充填技術(shù)2地面充填站全尾砂固結(jié)充填技術(shù)2地面充填站11

INCO鎳礦采場充填作業(yè)過程

INCO鎳礦充填24小時后的效果

全尾砂固結(jié)充填技術(shù)2INCO鎳礦采場充填作業(yè)過程INCO鎳礦充填12尾礦細粒級含量和養(yǎng)護溫度、時間對充填體抗壓強度的影響細粒級(%)抗壓強度/MPa12℃養(yǎng)護20℃養(yǎng)護25℃養(yǎng)護30℃養(yǎng)護1d7d28d1d7d28d1d7d28d1d7d28d00.10.220.40.100.340.480.20.460.520.220.530.6100.120.30.480.140.641.020.230.640.860.240.720.72150.150.340.520.200.681.080.260.720.920.260.840.80200.150.320.560.160.801.120.300.761.00.300.900.92250.120.30.600.190.821.120.250.760.940.260.821.02300.10.260.640.180.641.00.240.760.880.30.941.20350.10.240.620.200.741.100.160.720.880.30.921.10400.10.220.620.140.661.00.160.720.880.240.941.08450.10.20.580.160.700.940.180.720.820.220.861.12尾礦細粒級含量和養(yǎng)護溫度、時間對充填體抗壓強度的影響細粒級抗13凝石—硅鋁基綠色水泥:利用地殼上最為豐富的原材料，包括大量的固體廢棄物；由多種天然礦物組成的“成巖劑”；“仿地成巖”；

環(huán)境友好，低能耗；新型綠色水泥混凝土。

凝石似膏體充填技術(shù)3凝石—硅鋁基綠色水泥:凝石似膏體充填技術(shù)314凝石似膏體充填工藝系統(tǒng)圖細粒級固廢細粒級固廢固體廢物3-5%凝石充填系統(tǒng)加水凝石似膏體充填料漿采場充填粗粒級固廢

凝石似膏體充填技術(shù)3凝石似膏體充填工藝系統(tǒng)圖細粒級固廢細粒級固廢固體廢物3-5%15膠凝劑惰性材料細粒級養(yǎng)護溫度料漿濃度化學特性強度流動度脫水量充填成本“六因素”與“四目標”優(yōu)化控制關(guān)系

凝石似膏體充填技術(shù)3膠凝劑惰性材料細粒級養(yǎng)護溫度料漿濃度化學特性強度流動度脫水量16膠凝材料--凝石用量：3-5%

；泵送充填料漿濃度：72-78%；固廢（包括礦山尾礦，煤燃燒廢棄物等）占充填材料的比例：95-97%；養(yǎng)護時間：1-7天可控，不需井下脫水；

充填體早期強度高，采充循環(huán)周期短。凝石似膏體充填特點：

凝石似膏體充填技術(shù)3膠凝材料--凝石用量：3-5%；凝石似膏體充填特點：17不同骨料制備的充填體的抗壓強度/MPa濃度充填骨料齡期（天）普通水泥凝石70%焦家金礦分級尾砂30.060.2270.10.36280.20.7焦家金礦全尾砂30.060.3470.120.74280.221.175%焦家金礦分級尾砂30.080.2970.140.4280.220.8焦家金礦全尾砂30.060.3470.120.74280.221.1680%中砂(含土10%)30.020.570.121.01280.21.6細砂(含土10%)30.10.7270.161.12280.241.8備注膠凝材料含量為3%，養(yǎng)護溫度20℃，中砂的細度模數(shù)為2.9，細砂的細度模數(shù)為1.66。不同骨料制備的充填體的抗壓強度/MPa濃度充填骨料齡期（天18ProgressReportofDOEProjectResearchandDevelopmentofaNewSilica-AluminaBasedCementitiousMaterialLargelyUsingCoalRefuseforMineBackfill,MineSealingandWasteDisposalStabilizationProjectPI:Dr.HenghuSunPacificResourcesResearchCenterSchoolofEngineeringandComputerScienceUniversityofthePacificMay11,2011U.S.DEPARTMENTOFENERGY

RawmaterialsOn-sitecollectionatcoalmineofArchCoalInc.WestVirginia美國能源部：煤基固廢制備硅鋁基膠凝材料及充填材料研究ProgressReportofDOEProject19EquipmentandLabSet-upMultifunctionRoomCuringRoomStorageRoomLab102Lab104Lab106LayoutandUsageofthePRRCLabLAB102LAB104MultifunctionRoomCuringRoomLAB106StorageRoomEquipmentandLabSet-upMulti20應邀到白宮與美國政府官員及專家座談放上清晰照片May1st,2009應邀到白宮與美國政府官員及專家座談放上清晰照片May1st21Groundflyash+CoarseflyashGroundflyash+CoalrefuseActivatedmaterialAggregateCementBlastfurnaceslagFGDGypsumBackfillmaterialABBackfillmaterialAcouldbealsousedasControlledLowStrengthMaterial(CompressivestrengthofControlledlowstrengthmaterialislessthan8.27MPa).2.BackfillmaterialBisanexcellentmaterialforminingbackfillandwastestabilization.DOE3Day7Day28Day90DayPulpDensityBindercontentA10.400.981.713.1773%3%A21.662.063.935.0375%5%B0.420.671.402.7573%3%ExistingTechnologyTotaltailing0.340.741.16-75%3%BackfillMaterialDevelopmentCompressivestrengthofbackfillbody/(Mpa)Note:Totaltailingbackfillisthestateofarttechnologyinminingbackfill.AllthesamplesinAandBinthistestmeetwiththeflowabilityrequirement(200-300mm)Groundflyash+CoarseflyashG22凝泰克充填技術(shù)—凝泰克A(一種高膨脹性新型高水材料)凝泰克A使用工藝示意圖技術(shù)特點：料水比可高達2-10倍；甲、乙兩種漿液混合前可長達20多小時不凝固、不結(jié)底，混合后很快發(fā)生反應，1-30分鐘內(nèi)完成初凝；早期強度高，增長速度快。三、本課題組目前礦山充填技術(shù)進展現(xiàn)狀23凝泰克充填技術(shù)—凝泰克A(一種高膨脹性新型高水材料)凝泰克A正在輸送液漿圖

已做好的密閉墻凝泰克充填技術(shù)—凝泰克A凝泰克A特性：分為加固、充填、密閉和堵漏型；膨脹倍數(shù)高（可達5倍）、充填用量小、經(jīng)濟適用性好；阻燃、無毒、無害、無腐蝕、泵送性能好。正在輸送液漿圖24充填技術(shù)應是綠色開采的主流技術(shù)，是集材料裝備工藝于一體的系統(tǒng)化集成技術(shù)，需同行們攜手共進，共創(chuàng)未來！本課題組在清華大學建筑設計研究院綠色建材與循環(huán)經(jīng)濟研究中心直接指導下，在國內(nèi)組成了由北京清山怡和新材料技術(shù)開發(fā)有限公司、北京科技大學和河北筑盛建材科技有限公司的緊密合作團隊，正在研發(fā)一種能夠適合礦山綠色充填開采的新一代礦山充填技術(shù)-凝泰克GH;在綠色水泥和充填技術(shù)相結(jié)合的基礎上，相關(guān)技術(shù)的應用范圍已不僅局限于礦山充填，還在道路工程、水利工程、市政建設、環(huán)境修復、荒漠化改造及其它重要工程上已得到了廣泛的應用。四、結(jié)語與展望四、結(jié)語與展望25本課題組已在美國、加拿大、南非、葡萄牙、哥倫比亞、越南等開展了國際化工作；本團隊也竭誠探索與各位專家和同行的合作之路，以期為我國礦山的綠色開采做出貢獻！26本課題組已在美國、加拿大、南非、葡萄牙、哥倫比亞、越南等開展五、相關(guān)著作、論文、專利與獎勵著作5本、發(fā)表論文150余篇、授權(quán)專利13項相關(guān)專著27五、相關(guān)著作、論文、專利與獎勵著作5本、發(fā)表論文150余篇、

近期論文[1]Early-agecharacteristicsofredmud-coalganguecementitiousmaterial.JournalofHazardousMaterial,

2009,167:927-932[2]Sialitetechnology—sustainablealternativetoPortlandcement.CleanTechnologiesandEnvironmentalPolicy,2009,12(5):503-516[3]Studyonmicrostructureandmechanicalpropertyofinter-facialtransitionzonebetweenlimestoneaggregateandSialitepaste.

ConstructionandBuildingMaterials,2009,23(11):3393-3397[4]InnovativemethodologyforcomprehensiveutilizationofironoretailingsPart1:Therecoveryofironfromironoretailingsusingmagneticseparationaftermagnetizingroasting.JournalofHazardousMaterials,2010,173(1-3):71-77[5]InnovativemethodologyforcomprehensiveutilizationofironoretailingsPart2:Theresiduesafterironrecoveryfromironoretailingstopreparecementitiousmaterial.JournalofHazardousMaterials,2010,174(1-3):78-83[6]Investigationontheactivationofcoalganguebyanewcompoundmethod.JournalofHazardousMaterials,2010,179(1-3):515-520[7]Areview:Thecomparisonbetweenalkali-activatedslag(Si+Ca)andmetakaolin(Si+Al)cements.

CementandConcreteResearch,2010,40:1341-1349[8]Thecompositionofflyashglassphaseanditsdissolutionpropertiesapplyingtogeopolymericmaterials.JournaloftheAmericanCeramicSociety,2011,94(6):1773-1778近期論文[1]Early-agecharacteris28

近期論文[9]Pozzolanicbehaviourofcompound-activatedredmud-coalganguemixture.CementandConcreteResearch,2011,41(3):270-278[10]Evaluationofblendsbauxite-calcination-methodredmudwithotherindustrialwastesasacementitiousmaterial:Propertiesandhydrationcharacteristics.JournalofHazardousMaterials,2011,185(1):329-335[11]Structuralinvestigationrelatingtothecementitiousactivityofbauxiteresidue–redmud.CementandConcreteResearch,2011,41:847-853[12]Anovelsilicaalumina-basedbackfillmaterialcomposedofcoalrefuseandflyash.JournalofHazardousMaterials,2012,213-214:71-82[13]Characterizationofanewsilicaalumina-basedbackfillmaterialutilizinglargequantitiesofcoalcombustionbyproducts.Fuel,2012,97:329-336[14]Durabilityandleachinganalysisofacementitiousmaterialcomposedofhighvolumecoalcombustionbyproducts.ConstructionandBuildingMaterials,2012,36:97-103[15]Performanceandmicroanalysisofcementasphaltmortarwithadmixtureofcoalflyash.JournalofMaterialScienceResearch,2012,01(2):193-206[16]Improvementsonpozzolanicreactivityofcoalrefusebythermalactivation.Environment&Pollution,2012,01(2):33-38近期論文[9]Pozzolanicbehaviour29

相關(guān)專利序號專利名稱專利號1Sialitebinarywetcement,itsprepareationmethodandusagemethodPCT/CN2003/0011102Heat

added

to

underground

cemented

fill

to

obtain

both

early

and

long

term

strength

increasesUS6428107B13Systematic

method

for

making

shotcreteand

the

like

cementitious

and

such

compositionsUS59617124High

pulp

density

fast

setting

and

high

early

strength

backfill

method

and

materialCA/98/003785一種以油頁巖廢渣為主要原料的凝石膠凝材料的制備方法ZL200810247563.56惰性硅鋁質(zhì)物料的熱液蝕變預處理工藝ZL200810224502.77似膏體充填用的膠凝材料、料漿及其制備充填工藝ZL03100286.28凝石二元化濕水泥及其生產(chǎn)包裝存放運輸使用及應用方法ZL02158190.89全砂土固結(jié)充填材料、生產(chǎn)及使用方法ZL99106222.110高水固化材料及其使用方法ZL90103141.011金屬礦山高水材料膠結(jié)充填工藝ZL91103829.9相關(guān)專利序號專利名稱專利號1Sialitebinary30

相關(guān)科技獎勵序號獲獎項目獲獎等級獲獎年份1巖空留巷機械化構(gòu)筑護巷帶技術(shù)國家“八五”攻關(guān)獎1996年2礦山高水速凝充填材料及充填新工藝國家科技進步三等獎1997年3全尾砂速凝固化充填新工藝試驗研究國家黃金局一等獎1992年4煤礦長壁式開采沿空留巷巖層控制理論及高水材料巷旁充填技術(shù)的研究國家教委二等獎1993年5高水固化材料應用于巷旁泵充填沿空留巷技術(shù)的研究煤炭部科技進步二等獎1993年6全尾砂速凝固化膠結(jié)充填新工藝山東省科技進步三等獎1993年7高水速凝充填材料研究北京市科技進步一等獎1995年8金屬礦山高水材料膠結(jié)充填工藝北京市科技進步一等獎1999年9膏體似膏體充填模式的研究應用煤炭部科學技術(shù)二等獎2008年10凝石二元化濕水泥及其用途北京市發(fā)明專利二等獎2009年相關(guān)科技獎勵序號獲獎項目獲獎等級獲獎年份1巖空留31參考文獻周愛民，中國充填技術(shù)概述.第八屆國際充填采礦會議論文集.2004年9月.pp1-7.繆協(xié)興,錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現(xiàn)狀與展望.采礦與安全工程學報，2009，26(1):1-14.許家林，軒大洋，朱衛(wèi)兵.充填采礦技術(shù)現(xiàn)狀與展望.2011,11(3):24-30.馮光明，丁玉，朱紅菊，等．礦用超高水充填材料及其結(jié)構(gòu)的實驗研究．中國礦業(yè)大學學報，2010,39(6):813-819．孫恒虎,劉文永,黃玉誠,等.高水固結(jié)充填采礦.北京：機械工業(yè)出版社，1998.孫恒虎.高水速凝材料及其應用.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1994.孫恒虎，趙炳利，沿空留巷的理論與實踐.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993Sun,H.H.,Li,S.Q.,Astudyonthehigh-watermaterial--anewmaterial.Proceedings