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深部金屬礦床開采過程充填材料與工藝 優化技術
2018-11-14
深部金屬礦床開采過程充填材料與工藝優化技術——北京礦冶研究總院郭利杰專家報告
2 018中國刺激窩在線視頻科技大會 深部金屬礦床開采過程充填材料與工藝 優化技術 “ 十二五” 國家科技支撐計劃支持課題(2013BAB02B02) 郭利杰 教授、主任 北京礦冶研究總院 2 018年8月10日 北京礦冶研究總院 BGRIMM 報告提綱 1 2 3 4 課題背景與研究目標 研究任務與考核指標 課題取得的創新技術成果 工業示范應用 5 產業化應用情況及效益 BGRIMM 1 課題背景與研究目標 我國有近30余座金屬刺激窩在線視頻免費視頻進入地下1000m以下深部開采,其中有近 1 0座刺激窩在線視頻免費視頻將進入1300~2000m深部開采。 安慶 銅礦 冬瓜山 銅礦 會澤 鉛鋅礦 紅透山 銅鋅礦 新城 金礦 三山島 金礦 玲瓏 金礦 金洲 刺激窩在線視頻 刺激窩在線視頻免費視頻 開拓深 度/m 1 004 1100 1377 1357 1063 1225 1124 1085 我國淺部礦產資源已逐步枯竭,深部礦產資源正逐步成為開發重 點。據統計,在未來10~15年內,我國的有色金屬刺激窩在線視頻免費視頻將有1/3進入千米 以下的開采深度,部分刺激窩在線視頻免費視頻已規劃開采深度達2000~3000m。 深部充填開采已成為刺激窩在線視頻發展的必然趨勢。 BGRIMM 1 課題背景與研究目標 圍繞深部金屬礦床安全高效充填開采共性技術問題,攻克充填材料 與工藝關鍵技術,突破制約深部金屬礦充填開采技術瓶頸。 研發高性能充填材料,更好地控制深井開采的巖爆與高溫災害。 深井充填料漿穩態制備與安全可靠輸送問題。 深部金屬礦床開采過程的采場充填體質量評價與控制問題。 BGRIMM 1 課題背景與研究目標 針對深部金屬礦床安全高效充填開采的共性關鍵問題,立足自主 創新,開展深部金屬礦床開采過程充填材料與工藝優化技術研究, 創新充填技術、工藝與裝備,開發滿足深井開采的充填新材料,優 化充填工藝,控制與提高大規模采場的充填質量,實現深部金屬礦 床開采的有效充填,確保深部金屬礦床安全高效開采。 以安慶銅礦為工程依托,建立示范工程,為我國同類大型深部金 屬礦床安全高效充填采礦提供技術支撐。 BGRIMM 2 研究任務 深部金屬礦床開采過程 充填材料與工藝優化技術 充填體 材料特性要求 充填體 強度要求 充填工藝 優化匹配 吸能隔熱 多孔介質材料 強度模型 與設計方法 料漿制備輸送 與質量控制 BGRIMM 3 課題取得的創新成果 創新成果一:低彈減震性、低熱傳導性 高強度充填材料 北京礦冶研究總院 BGRIMM 根據尾砂充填體的特性,創新性的 提出充填體內部精準自發泡調控技術, 使充填體內部形成均質、穩定的氣孔。 依此技術研發出具有體積膨脹性、低彈 減震性、低熱傳導性、且與深部巖體相 匹配的高強度新型充填材料,其性能指 標如下表所示: 發泡劑 添加量 發泡率 熱導率 28d強度 料漿 砂灰比 /W·m ·K-1 - 1 /MPa /% 濃度/% 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 北京礦冶研究總院 BGRIMM 料漿 砂灰 發泡劑 膨脹率 熱導率 -1 /W·m ·K 28d強度 -1 濃度 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 試驗結果表明:該發泡劑對安慶銅礦充填材料具有 0 h 8h 20h 良好的適應性,充填材料膨脹效果、強度和導熱率均達 到預期目標,可以利用此配方開展半工業試驗。 新型充填發泡劑與充填材料匹配試驗 新型發泡充填材料性能驗證測試 新型充填材料試驗半工業試驗平臺 BGRIMM 新型發泡充填材料半工業試驗過程 最終界面 初始界面 沉縮界面 充填體取樣俯視圖 充填體取樣主視圖 半工業試驗結果表明:低彈減震性、低熱傳導性高強度充填材料具有配 方可靠、發泡率可控性高、發泡均勻、強度和導熱性能穩定等特點。 BGRIMM 3 課題取得的創新成果 創新成果二:充填體-巖體共同作用機制 及充填體強度結構優化 北京礦冶研究總院 BGRIMM 圍巖 應力 強度 穩定性 充填體 出礦后巷道封閉 滑動趨勢 ( ( 1)充填體-巖體界面接觸行為與應力成拱效應 2)實際采場充填體-巖體共同體力學作用模式 充填體強度需求合理 膠充成本(水泥單耗)低 采充過程中安全穩定 ( ( 3)深井采場充填體強度計算模型與設計方法 4)采場充填體強度結構優化與現場應用研究 北京礦冶研究總院 BGRIMM 實際采場充填體-巖體共同體力學作用模式 開展了采場圍巖的邊壁特征掃描與分析,抽象提出了一種圍巖表面粗糙度的定量評 價模型及其表征參數,研究了深部采場不同圍巖表面粗糙度條件下充填體拱應力的分布 模式,進而測試分析和數值研究了充填體-巖體共同作用下充填體揭露穩定性規律。 400 豎向σ v 和水平σ 200 h 應力 (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 線性平滑采場圍巖邊壁 非線性粗糙采場圍巖邊壁 實際采場圍巖邊壁掃描 鋸齒高度對拱應力影響 豎向σ v 和水平σ 200 h 應力 (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 鋸齒頂角角度對拱應力影響 線性平滑接觸單元 δ = 21° 非線性粗糙接觸單元 δ = 21° 無接觸單元(粗糙表面) 北京礦冶研究總院 BGRIMM 深井采場充填體強度需求模型與設計方法 探究了膠結充填體拱應力計算方法和非膠結充填體側壓作用機制及其表征,構建了 膠結充填體強度需求解析模型,基于FLAC3D開展了采充時序過程模擬和強度需求數值 解搜索,提出了前壁揭露-后壁受壓膠結充填體強度需求理論計算的最優模型及方法。 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 兩步驟階段空場嗣后 充填的典型采充單元 一步驟采場膠結 充填體受力分析 + 4 p0 e e K tanα tanδs 2Ktanδs 北京礦冶研究總院 BGRIMM 膠結充填體粘聚力 c (kPa) 總位移云圖 等效安全系數云圖 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 破壞 穩定 c = 228 kPa (穩定) c = 225 kPa (破壞) 臨界強度值 (粘聚力) c = 225kPa(破壞) c = 228kPa(穩定) 研究獲取了單側揭露膠結充填體強度需求臨界值(FS=1.0)的數值搜索方法和判定準則 5 00 解析模型 1 解析模型 2 解析模型 3 解析模型 4, 推薦 數值模擬 解析模型 1 解析模型 2 解析模型 3 解析模型 4, 推薦 數值模擬 解析模型 1 解析模型 2 解析模型 3 解析模型 4, 推薦 數值模擬 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 寬度 B (m) 長度 L (m) 高度 H (m) 通過不同采場充填體尺寸條件下強度需求解析解和數值解的綜合對比,研究推薦了 單側揭露膠結充填體強度需求理論解(FS=1.0)的最優解析模型及方法 北京礦冶研究總院 BGRIMM 采場充填體強度結構優化與現場應用研究 以安慶銅礦為工程依托,開展了典型采場尺寸和充填體參數下強度需求理論解計算,并 重點結合原位采場充填體鉆孔取芯和強度測試的數理統計分析,獲取了刺激窩在線視頻免費視頻不同時段整體充 填技術水平的定量評價,據此定義推薦了一種浮動安全系數的選取方法,得出了刺激窩在線視頻免費視頻采場充 填體實際強度需求和結構設計的計算優化模型。 6 室內配比試驗,砂灰比4 室內配比試驗,砂灰比6 5 4 3 2 1 0 原位取芯試樣強度測試值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 孔深(m) 原位采場充填體取芯過程和實測強度散點圖 北京礦冶研究總院 BGRIMM 理論模型與方法的工程應用示例 0 0 0 .6 .4 .2 0 依托刺激窩在線視頻免費視頻充填體力學參數表 容重 彈模 體積模量 剪切模量 單軸抗壓 粘聚力 內摩 泊松比 砂灰比 / kN/m3 / MPa /Mpa 377.5 90.9 /MPa 205.1 46.9 8.9 強度/ MPa / MPa 擦角 4 21.08 20.52 非膠結 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 典型礦房礦柱采場尺寸:長L=25m、寬B=12m、高H=40m 根據強度需求解析模型得出理論解(FS=1) :0.5433 MPa 5 0 1 2 3 4 原位取芯試樣單軸抗壓強度 (MPa) 定義并推薦了一種刺激窩在線視頻免費視頻采場充填 UCSp FS = x 2 取芯實測強度樣本的正態分布統計 體實際強度需求計算時浮動安全系數 FS 的計算選取方法。 工程依托刺激窩在線視頻免費視頻現階段的充填技術水平條件下,計算選取的浮動安全系數指標為FS = 2.455 依托刺激窩在線視頻免費視頻現階段的采場充填體實際強度需求為0.5433 MPa×2.455 = 1.33 MPa 北京礦冶研究總院 BGRIMM 3 課題取得的創新成果 創新成果三:基于立式砂倉的尾砂高濃 度穩態制備技術 北京礦冶研究總院 BGRIMM 關鍵技術 立式砂倉風水兩級分時繞壁造漿技術 低動能防擾動長路徑倉頂穩定進料技術 解決的主要問題 放砂濃度、流量不穩定 砂倉放砂易區易被拉空,砂 倉有效容積小 板結區 放砂 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 1)低動能防擾動長路徑倉頂穩定進料 料漿緩沖槽 消力擴散板 溢流面高度 環形溢流槽及 溢流鋸齒 防擾動料漿沉降桶 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 2)立式砂倉風水兩級分時繞壁造漿技術 一級高壓風造漿:用于松動造漿,采用淋浴式噴 放砂前造漿 放砂中造漿 頭,防止磨損,降低對儀表干擾 風水兩級分時 造漿 二級高壓水造漿:用于流態化造漿,采用高彈性 耐磨噴咀 北京礦冶研究總院 BGRIMM 3 課題取得的創新成果 創新成果四:深井大規模采場充填工藝 與質量控制 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 1)充填體中水泥含量檢測方法試驗研究 基于元素守恒原理,研發了一種膠結充填體中水泥含量檢測方法-元素 檢測法,并通過試驗驗證了該方法的可靠性。 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 2)充填體整體質量分析方法研究-充填料漿離析程度檢測與評價 ε≤0.5時,充填料漿均勻性好 0 1 1 2 .5 < ε ≤1時,充填料漿均勻性較好 < ε ≤1.5時,充填料漿均勻性一般 .5< ε ≤2時,充填料漿均勻性較差 < ε ≤2.5時,充填料漿均勻性差 ε>2.5時,充填料漿均勻性很差 發明了一種膠結充填體中水泥含量檢測方法與刺激窩在線視頻免費視頻膠結充填料漿離析程度檢測與 評價方法,提出了充填料漿離析程度定量評價指標離析度,該發明為刺激窩在線視頻免費視頻充填質量定 量評價提供了技術手段。 基于充填體水泥含量檢測技術,建立了采場原位充填體強度不均勻分布特征表述 方法,在此基礎上,提出了充填體均勻性改善的具體措施與結構優化方法。 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 3)充填體整體質量分析方法研究-原位充填體取樣評價 對刺激窩在線視頻免費視頻原充填體質量與工業試驗采場充填體質量進行了現場取樣分析。 原充填體強度離散明顯,充填體強度非常不均勻 本項目工業試驗采場充填體均勻性較好,平均強度(3.37MPa)、方差(0.16)和標準差(0.39) 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 4)與采礦工藝相協調的充填優化設計方法-充填配比參數 建立了基于充填試驗、充填體所需強度解析計算、充填體原位取樣評 價的充填優化設計方法,對傳統刺激窩在線視頻免費視頻充填設計與管理進行了創新,為充填設 計提供了依據。 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 4)與采礦工藝相協調的充填優化設計方法-采場封閉與接頂 最終界面 初始界面 沉縮界面 通過充填擋墻受力分析,確定了大規模采場柔性封閉技術。 采用低彈減震、低熱傳導充填體材料實現了膨脹接頂,接頂效果良好 北京礦冶研究總院 BGRIMM 4 工業示范應用 深部金屬礦床安全高效充填 示范工程 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 1)安慶銅礦充填系統技術改造 ( 充填工藝) 分級尾砂充填改高濃度結構流充填 0 0 1 2 造漿系統改造 如何制備高 高濃度結構流 充填料性能? 濃度結構流? 供料與計量 系統改造 充填 材料 如何 配置 系統 工藝 如何 實現 充填 料漿 流變 性能 充填 體力 學性 能 0 0 3 4 攪拌與輸送 系統改造 充填材料基礎參數測試; 尾砂沉降試驗; 充填料漿流變試驗; 充填配比試驗; 充填體均勻試驗; 充填系統自 動化控制 立式砂倉充填系統現場模擬試驗 驗證并優化充填關鍵工藝技術方案 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 1)安慶銅礦充填系統技術改造 立式砂倉 錐形底造漿效果 雷達料位計 自控中心 球形底造漿效果 倉頂穩料系統 BGRIMM 北京礦冶研究總院 ( 1)安慶銅礦充填系統技術改造 安慶銅礦充填系統技自控界面 連續穩定的充填濃度 為深入研究本課題內容,從項目啟動以來,在示范刺激窩在線視頻免費視頻安慶銅礦開展了大量 工作。在基礎實驗研究的基礎上,采用了結構流充填方案。針對原充填系統供料 、 造漿、放砂、攪拌、輸送與控制等子系統進行了系統的升級改造,安慶銅礦充 填系統技術改造升級成功應用了“立式砂倉風水兩級分時繞壁造漿”、“低動能 防擾動長路徑倉頂穩定進料”等技術,徹底解決了該刺激窩在線視頻免費視頻充填系統造漿效果差、 放砂不穩等技術難題,提高了充填系統放砂的穩定性,實現單套充填濃度74%, 充填能力140m/h~160m/h。 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 2)基于安慶銅礦實際采礦工藝的充填方案設計 確定工業采場 1 .工業采場規模:長40m,寬15m,高60m; 采用本課題研究結果 修正米歇爾法)計 算充填采場極限狀態 所需強度 2. 采用修正米歇爾法計算極限狀態下采場 ( 所需強度:0.487~0.539MPa; 3. 綜合確定安全系數:FS=2.0;,則采場所需 強度確定為1.0MPa 確定安全系數FS 砂灰比 4 6 8 10 12 2 8d單軸抗壓 強度/MPa 3 .89 3.08 1.98 1.27 0.96 實驗確定充填物料配方 ( 強度、流變特性等) 根據計算結果設計充填采場:充填 濃度74%,底部砂灰比4,中部砂灰比10 上部砂灰比12,頂部采用泡沫充填 充填方案設計 論證方案 實施 , 據修正米歇爾法并考慮綜合安全系數,確定空區所需充填體強度, 經實驗室配比實驗確定物料配合組成,在此基礎上結合研制的新型泡沫 充填材料性能,提出試充方案,試充方案采用新建立的充填系統,確保 充填料漿工藝參數滿足設計,實現連續穩定充填。 充填體質量評價 北京礦冶研究總院 BGRIMM ( 3)井下充填采場工業試驗 井下充填采場試驗 充填管線敷設方案優化 試 驗 采 場 : 采 空 區 高 度 約 管道優化:基于沿程阻力計算、充 填倍線計算分析,減租增壓措施等提出 馬頭山礦段大倍線自流充填技術方案 6 1 2 0m,平均長度約40m,寬度約為 5m , 充 填 空 區 的 總 體 積 為 7882m 北京礦冶研究總院 BGRIMM 4 產業化情況以及效益 本課題研發的深部金屬礦高效充填成套關鍵技術已成功應用于安慶銅礦,并建 立了深部金屬礦床安全高效充填開采示范工程。新技術應用后,2016年3月-12月工 業試驗運行階段共計充填18萬m3,其中試驗采場充填27882m3,實現充填濃度提高 5 -10%,實現單套充填能力提升50-80m3/h,刺激窩在線視頻免費視頻充填成本節約14.16元/m3,年節約 充填成本約400萬元/年。 課題技術成果應用后,刺激窩在線視頻免費視頻充填質量顯著提高,刺激窩在線視頻免費視頻回采安全性提高的同時, 礦石回采率提高約5%,礦石貧化率降低約5%,產生間接經濟價值約2000萬元。 同時,本項目研究成果已在我國甲瑪銅多金屬礦、香爐山鎢礦、草樓鐵礦、凡 口鉛鋅礦等刺激窩在線視頻免費視頻得到推廣應用,經濟社會效益顯著。 北京礦冶研究總院 BGRIMM 結 語 課題團隊經過4年的攻關研究,取得了“一個創新、兩個突破” 搞清楚了深部充填開采過程對充填體材料特性的要求,實現了充 。 填材料創新;搞清楚了深部開采對充填體強度性能要求,實現了深 部充填體強度設計方法的技術突破;搞清楚了影響傳統立式砂倉充 填系統充填質量的本質因素,實現了高濃度充填料漿穩態制備與質 量控制的技術突破,通過安慶銅礦示范工程驗證與技術完善,建立 了深部金屬礦床開采過程充填材料與工藝優化技術體系,實現了典 型深部金屬礦床開采的有效充填。 十三五期間,我國將有一大批金屬刺激窩在線視頻免費視頻進入千米以下深部充填 開采,該課題技術成果將能為我國同類大型深部金屬礦安全高效開 采提供技術支撐,具有廣泛應用前景,全面提升我國深部資源獲取 能力,開辟深部金屬刺激窩在線視頻免費視頻充填采礦新時代。 北京礦冶研究總院 BGRIMM 謝 謝 大 家! 北京礦冶研究總院歡迎您。 北京礦冶研究總院 BGRIMM
標簽:  郭利杰 

皖公網安備 34050402000107號

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