金礦充填采礦固廢資源化利用研究

金川硫鐵礦是我國大型硫鐵礦。它分布在龍頭山腳下，長6.5公里，寬500米。目前，資源儲量為5.64億噸，銅銅儲量為550萬噸。金川硫鐵礦地質條件較差，礦場壓活動嚴重，巖石變形破壞難以控制。為了控制采場壓，實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)，金川銅礦對地壓控制技術和生產(chǎn)管理進行了研究，并對性質進行了探討。采用水泥和研磨砂作為填充材料，采用1.4高官砂與78%-80%濃度的“雙高”管道自流輸送技術。填充成本為158元/m。針對金川鎳礦復雜多變的不良礦巖條件與開采環(huán)境，低品位資源開發(fā)利用，開展了開采技術與冶煉渣資源綜合利用攻關，建成了我國多金屬礦資源綜合利用示范基地，在低品位難處理貧礦開發(fā)與綜合利用、難采礦床安全高效和低耗開采、廢棄物在充填采礦中綜合利用等方面，均獲得了突破性進展，不僅減少礦山廢棄物排放量，而且還顯著降低生產(chǎn)成本，提高了資源開發(fā)的經(jīng)濟、環(huán)保與社會效益，大力促進了金川企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展．本文全面分析和總結固體廢棄物在金川礦山充填采礦中利用的研究與進展，并針對深部和貧礦開采面臨的技術與經(jīng)濟難題，提出固廢在充填采礦中安全、高效和環(huán)保利用的關鍵技術，展望金川礦山固廢棄資源研究與發(fā)展方向．1充填采礦成本研究金川鎳礦埋藏深、地應力高、圍巖破碎，是一座典型的難采礦床．經(jīng)過技術攻關與工程實踐，采用下向分層進路膠結充填采礦法．以棒磨砂骨料和水泥膠凝材料進行高強度膠結充填，導致充填采礦成本居高不下．為降低充填成本，金川鎳礦在提高棒磨砂粒徑的基礎上，先后開展廢石、全尾砂、戈壁集料等混合粗骨料充填技術研究．為了降低膠凝材料成本，利用高爐渣、粉煤灰等火山灰了質材料，開展部分或全部替代水泥的新型充填膠凝材料的開發(fā)利用，顯著降低了礦山充填采礦成本．1.1廢石-棒砂混合充填技術研究由于棒磨砂生產(chǎn)成本高，采用廢石部分替代棒磨砂骨料是降低充填成本的途徑之一．為此，金川礦山在將-3mm棒磨砂提高到-5mm充填技術基礎上，進一步開展廢石-棒磨砂混合骨料充填技術研究．針對混合骨料充填料漿分層離析問題，分別開展了廢石-尾砂、廢石-粉煤灰以及廢石-銅選尾砂等混合骨料充填技術研究，不僅解決廢石粗骨料充填料漿離析的問題，而且還為尾砂和銅選尾砂等低品質固廢物資源化利用探索出一條途徑．1.1.1關于廢除砂漿石-砂漿和骨料的研究針對棒磨砂充填成本高，金川礦山開展了廢石-棒磨砂混合骨料充填研究．王永定等1.1.2廢石-全尾砂混合充填骨料研究廢石粗骨料顆粒大，易造成料漿分層離析堵管、爆管，而高濃度或膏體是解決料漿離析的重要途徑之一．研究表明，高濃度料漿形成的充分和必要條件是骨料中含有一定的細骨料和料漿達到臨界濃度．為了補充廢石中的細骨料，選用尾砂作細骨料，開展廢石-全尾砂混合骨料充填技術研究．楊志強等1.1.3摻加粉煤灰混合充填材料研究粉煤灰屬于潛在活性的火山灰質固廢物，但由于活性低，需要在堿環(huán)境中激發(fā)才能發(fā)生水化硬化反應．粉煤灰作為細骨料，在充填料漿水化早期起到填充孔隙，提高充填體密實度作用．隨著粉煤灰摻加量增加，其早期強度降低，限制在金川礦山充填采礦中應用．但作為廢石-棒磨砂混合骨料的細顆粒在充填中應用，粉煤灰起到物理與化學的雙重作用．粉煤灰在水化初期作為細骨料，優(yōu)化混合骨料粒徑級配，提供混合骨料形成高濃度料漿或膏體必須的細顆粒，而后期在堿環(huán)境中被激發(fā)產(chǎn)生水化硬化反應，由此提高了膠結充填體后期強度．針對金川礦山下向分層進路膠結充填法對強度要求，開展了摻加粉煤灰的廢石混合充填材料充填技術研究．楊志強等1.1.4廢石-尾渣混合充填骨料研究相對于粉煤灰，銅選尾砂活性更低，屬于極低活性的固體廢棄物．為利用金川銅選尾砂廢棄物資源，開展了廢石-尾渣混合骨料的采礦技術研究．王有團等1.2低成本新型充填膠凝材料研究為了降低金川礦山充填采礦成本，針對礦山不同時期的充填骨料，利用鋼鐵水淬渣、金川鎳渣、粉煤灰和工業(yè)副產(chǎn)石膏等廢棄物，開展低成本新型充填膠凝材料開發(fā)與研究．1.2.1新型充膠凝膠材料的研究針對金川礦山棒磨砂充填骨料，王有團等1.2.2混合骨料新型充填膠凝材料研究隨著金川礦山逐步采用廢石、尾砂、戈壁集料粗骨料，以及與銅選尾渣、粉煤灰等低質固廢的混合充填骨料利用，為此開展相應的新型充填膠凝材料研究．溫震江等1.2.3充填膠凝材料金川鎳礦充填膠凝材料開發(fā)是采用石灰、熟料和石膏等制備激發(fā)劑，激發(fā)礦渣、粉煤灰等活性物料，制備充填膠凝材料．由于可以利用礦渣活性低，導致膠凝材料早期強度低．為此，袁國斌等1.3混合充填材料配方優(yōu)化利用選礦尾砂、銅選尾砂和粉煤灰等作為細骨料，與廢石、戈壁集料和棒磨砂粗骨料混合充填，是降低金川礦山充填成本的途徑之一．然而混合料漿優(yōu)化設計、管道輸送特性以及大容量高濃度料漿攪拌技術，是實現(xiàn)高濃度、大流量混合骨料充填采礦的關鍵技術．1.3.1混合粗骨材料和填充料漿的性能針對混合骨料潛在料漿分層離析問題，吳凡等1.3.2對混合粗骨材料漿管的性能的研究混合骨料充填料漿流變特性和管輸水力坡降，決定充填料漿管道輸送的安全、可靠與經(jīng)濟性．為此，吳凡等1.3.3大容量高濃度充填料漿攪拌系統(tǒng)開發(fā)混合骨料充填料漿通常采用高濃度或似膏體進行管道輸送，由此避免料漿分層離析．因此，大容量高濃度混合料漿攪拌設備與工藝，既影響充填料漿攪拌質量，也決定礦山充填生產(chǎn)能力．為此，針對金川礦山充填骨料充填料漿，開發(fā)大容量高濃度棒磨砂料漿攪拌設備設計研究，并開展工業(yè)充填試驗．針對金川礦山棒磨砂碎石骨料，開展150～180m2金川礦山充填采礦固廢資源利用存在的問題提高充填采礦的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，是金川鎳礦一直在追求的目標．自金川建礦以來，已經(jīng)開展大量科學研究與技術攻關．將-3mm細砂提高到-5mm粗砂、粉煤灰部分替代水泥、廢石、尾砂-棒磨砂混合骨料等充填技術研究與應用，均已獲得成功，并已顯著降低礦山充填采礦成本．尤其近年來，利用冶金渣和工業(yè)副產(chǎn)物開發(fā)新型膠凝材料，不僅進一步降低充填成本，而且還為固廢物資源化利用探索出一條有效途徑．然而由于固體廢棄物所固有的復雜多變性，金川礦山的資源化利用仍存在諸多困難和不確定性影響，導致金川礦山充填采礦中的固廢資源化利用仍面臨以下2個主要問題．2.1礦渣質量差，活性低下向分層進路膠結充填采礦法是工作人員在充填體頂板下作業(yè)，膠結充填體強度與整體質量對礦山安全生產(chǎn)至關重要．為了提高生產(chǎn)能力，提高充填早期強度（早強），縮短采充周期勢在必行．基于冶金渣固廢開發(fā)的膠凝材料所固有特性：水化反應慢，早期強度低；可以利用的礦渣質量差，活性低；球磨機粉磨礦渣微粉粗等問題，由此使得新型膠凝材料開發(fā)面臨早期強度低的技術難題．王強等金川礦山早強膠凝材料研究表明，早強型充填膠凝材料研究仍面臨諸多問題：1）金川礦山下向分層膠結充填采礦法，對膠結充填體早期強度要求高，與冶金渣開發(fā)膠凝材料的水化反應慢存在根本性矛盾；2）金川礦山可利用冶金渣質量差、活性低與廢石、尾砂等多種充填骨料的利用，導致充填膠凝材料開發(fā)面臨諸多的不確定性因素，由此給早強型膠凝材料開發(fā)帶來更多的困難和問題．總結目前研究結果發(fā)現(xiàn)，提高礦渣微粉細度、探索高效早強劑以及優(yōu)化低成本生產(chǎn)工藝，是提高新型膠凝材料早期強度的關鍵技術．由此可見，早強充填膠凝材料開發(fā)以及在金川礦山充填采礦中應用，仍面臨諸多的技術和經(jīng)濟問題，是金川礦山充填采礦固廢資源化利用亟待解決的技術難題之一．2.2充填采礦成本問題金川礦山充填采礦長期采用棒磨砂-水泥膠結充填技術，造成充填成本居高不下．為此開展低成本新型充填膠凝材料開發(fā)以及廢石粗骨料與棒磨砂混合骨料充填技術應用，已經(jīng)顯著降低金川礦山充填成本．但是由于金川礦山充填采礦方法對其早期強度要求以及骨料料漿離析等問題，導致新型充填膠凝材料和廢石粗骨料的應用面臨困難和問題，難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應用．因此，以棒磨砂作為骨料和水泥作為膠凝材料的主要充填模式短期內(nèi)仍無法改變．由此可見，充填成本居高仍導致金川礦山面臨充填采礦的經(jīng)濟效益壓力．針對金川礦山面臨貧礦資源開發(fā)利用規(guī)模的日趨增加，以及礦山開采深度向深部延伸，高成本充填采礦的經(jīng)濟效益壓力也隨之增大．為了降低礦山成本，提高低品位礦石開采的經(jīng)濟效益，礦山已經(jīng)開展崩落采礦方法研究與技術攻關，目前已經(jīng)進入工業(yè)化試驗階段．為了解決廢石粗骨料充填料漿分層離析問題，肖柏林等3金川礦固碳資產(chǎn)利用研究與開發(fā)方向3.1全固廢早強充填膠凝材料發(fā)展方向膠凝材料成本占整個充填成本的重要部分．金川礦山采用高灰砂比充填，其膠凝材料成本更高．已經(jīng)開發(fā)的固結粉充填膠凝材料由于存在早期強度低，目前仍難以實現(xiàn)大規(guī)模推廣應用．降低金川礦山充填采礦成本，開發(fā)早強型固結粉膠凝材料，提高固結粉在充填采礦中規(guī)?；弥陵P重要．同時，隨著礦渣以及熟料、生石灰等材料利用成本提高，利用鋼渣、電石渣、磷石膏、脫硫石膏等低品質固廢，開發(fā)全固廢膠凝材料，是進一步顯著降低充填采礦成本的發(fā)展方向．李立濤等3.2廢石-尾砂混合充填骨料關鍵技術充填骨料成本也是充填采礦成本的重要組成部分．金川開展廢石-棒磨砂混合骨料充填技術研究成果，已經(jīng)在龍首礦和二礦區(qū)實現(xiàn)工業(yè)化應用．但是由于粗骨料充填料漿存在離析以及管道磨損等問題，導致廢石工業(yè)應用規(guī)模受到限制．顯然，充填料漿離析機理與控制技術，是廢石粗骨料實現(xiàn)大規(guī)模安全、可靠利用的關鍵．其關鍵技術在于2個方面：1）利用選礦尾砂作為細骨料，開展廢石-尾砂混合骨料粒徑分析與級配優(yōu)化；2）提高混合充填料漿濃度，實現(xiàn)高濃度、似膏體或膏體充填．目前，金川礦山已經(jīng)開展廢石-尾砂混合骨料膏體充填技術的室內(nèi)試驗研究，并正在開展膏體充填系統(tǒng)改造，為粗骨料膏體充填工業(yè)化