膏体充填与尾矿处置技术研究进展NEW.ppt

膏体充填与尾矿处置技术研究进展,提 纲,1、超细全尾的概念与特征 2、全尾充填与处置技术现状 3、全尾充填与处置新技术 4、工程实例 5、发展趋势,1、超细全尾的概念与特征,1.1 全尾矿与尾矿库,全尾矿是指粒级组成未经人工干扰的选厂固体废弃物, 排放量大，是金属矿山主要的环境灾害源,1.1 全尾矿与尾矿库,尾矿库现状,尾矿库是矿山最大危险源,1.1 全尾砂与尾矿库,全国各类尾矿库共 12655 座，近40%尾矿库为非正常库 ，如同悬在人们头顶的“堰塞湖”，溃决的风险极大,2008年山西省襄汾 “9.8” 尾矿库溃坝事故死亡277人，受伤34人，是中国工业史上一次伤亡人数最多的生产事故。,四川汶川震区内尾矿库全部垮坝，为灾区的恢复重建带来极大的困难,平均粒径小于0.03mm； -800目大于50%； +200目小于10%； +400目小于30%,为了追求选矿回收率，磨尾细度越来越细，超细全尾处置面临新的问题。,赋存条件复杂，品位低,磨矿,目的矿物分离,提高回收率,1.2 超细全尾的定义及特征,原因,定义,超细全尾的特征,超细全尾沉降速度慢，不足分级必砂的1/10，浓密困难 超细全尾渗透性差，是分级尾砂的1/100，脱水困难，采场充填存在较大的安全隐患 尾矿孔隙水压力大，固结强度低，难以筑坝,浸润线高带来堤坝不安全,超细全尾沉降速度慢,1.2超细全尾的定义及特征,1.3超细全尾处置方式分类,超细全尾,地表堆存,井下充填,湿式直排,半干式堆存,分级尾砂充填,全尾砂充填,水砂充填,普通胶结充填,高浓度胶结充填,膏体充填,干式堆存,1.4 超细全尾处置演变的技术路线,湿式直排,干式堆存,半干式堆存,过滤机,浓密机,处置方式,脱水设备,产品形态,运输方式,滤饼,膏体,汽车皮带输送机,管道,地表处置,为了追求处理效率与能力，全尾处置产品从滤饼演变到膏体 使超细全尾处置发生了根本性变革,1.5 超细全尾充填演变的技术路线,2、全尾充填与处置技术现状,上游法,筑坝方法：尾矿库最常见的筑坝方法是上升坝 包括上游法、下游法和中线法三种。,定义：子坝中心线位置不断向初期坝上游方向移升，坝体由流动的矿浆逐渐沉积而成。 缺点：浸润线位置高，坝体稳定性较差。 优点：工艺简单，管理方便，成本较低，应用广泛。,2.1 地表直接排放尾矿库,下游法,定义：子坝中心线位置不断向初期坝下游方向移升。 优点：坝体尾矿颗粒粗，渗透性能好，坝体稳定性较高。 缺点：管理复杂，只适合于粒度较粗的尾矿。,2.1 地表直接排放尾矿库,中线法,定义：坝顶中心线位置始终不变，坝体垂直向上不断升高。 特点：尾矿坝均采用了内部不透水带和排水带，以减轻对坝体结构稳定性的不良影响。 优缺点：介于上游法与下游法之间，其应用范围逐渐增大,2.1 地表直接排放尾矿库,三种传统湿排方式的优缺点,2.1地表直接排放尾矿库,排放浓度低于30% 消耗大量的水,中线法的应用比例最低，但是未来尾矿湿法排放的发展方向,2.1 地表直接排放尾矿库,排放浓度,按照尾砂的利用方法和利用率，可将充填分为分级尾砂充填和全尾砂充填两大类。,2.2 井下充填,根据充填体在不同部位以及充填体的作用，充填体分为三大类，要求不同的充填类型才能满足技术要求。,2.2 井下充填,充填体质量分类,分级尾砂充填,水砂充填中，重要的是物料的渗透系数，必须超过10cm/h 胶结充填中，重要的是料浆凝结速度与充填体强度,分级尾砂充填是比较成熟的充填工艺，并逐渐退出历史舞台,2.2 井下充填,1) 尾砂量不够； 2) 超细尾砂仍需筑坝，且难度增大； 3) 水泥离析，充填体强度不均，造成水泥浪费 4) 采场需要大量脱水，污染环境。,四大问题,全尾砂高浓度胶结充填,2.2 井下充填,采用常规的充填设备与设施制备出高浓度全尾砂料浆,立式砂仓造浆系统,尾砂浓度不稳定,料浆停留时间短，影响到搅拌的均匀程度,限制浓度的进一步提高,全尾砂高浓度充填只是过渡性的技术，现已发展到全尾膏体充填技术,重力自流输送系统,立式搅拌桶制浆系统,3.全尾充填与处置新技术,膏体充填概念,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.,膏体在管道中停留数小时不沉淀、 不分层、不离析 膏体在重力或外力作用下能够在采场或管道内顺利流动 膏体在输送过程中尽管其形状发生了变化，但其结构基本保持不变,膏体形态,稳定性,流动性,可塑性,3.1 膏体充填,3.1 膏体充填,膏体组成,全尾砂水胶结材料（粗骨料）（改性材料）,胶结材料：普通硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、钢渣水泥、全砂土胶固材料 粗骨料：冶炼水淬渣、棒磨砂、废石等 改性材料：粉煤灰、早强剂、减水剂、减阻剂等,细粒级膏体,粗粒级膏体,改性膏体,膏体充填概念,3.1 膏体充填,膏体充填工艺,3.1 膏体充填,以过滤设备为核心的多段脱水方式,浓密方式,以深锥浓密机为核心的一段脱水方式,压滤机,快速脱水浓缩是膏体充填工艺成功应用的前提,深锥浓密机,全尾砂浆浓密方式,3.1 膏体充填,多段脱水工艺,工艺复杂，可靠性差 能耗大，运营成本高， 设备多，投资大 处理能力小 浓度调节环节多，先脱水后加水,存在的问题,滤饼技术是为精矿处理而研制的专用技术，用于尾矿处理具有许多局限性,一段脱水工艺,3.1 膏体充填,选厂尾砂浆直接进入深锥浓密机中进行浓缩脱水。,工艺简单，只一段脱水； 底流浓度大，76%84%； 回水质量高； 对设备操作要求极为严格,深锥浓密技术是处理超细全尾的专用技术，具有良好的发展前景。,深锥浓密机理,浓度越向下越高,立柱的作用是在运动过程中打破压密层颗粒与水之间的静力平衡，为水的向上排出提供通道。,锥部浓度分布示意,颗粒间距越向下越小,全尾砂借助絮凝作用快速沉降至锥部，进行压密脱水,3.1 膏体充填,3.1 膏体充填,膏体搅拌工艺,使所有物料混合均匀，实现流态化，为管道输送提供条件,制备方式,立式高速活化搅拌混合 卧式多级连续搅拌混合 立式卧式串联制备,难点：超细颗粒含量高，表面积大大增加，全尾矿与水泥混合均匀难度大。,膏体输送工艺,3.1 膏体充填,膏体输送方法,自流输送： 利用垂直管段膏体提供的势能来克服整个管线内的阻力,泵压输送： 利用泵压克服管道阻力,随着开采深度的不断延伸，为自流输送提供了有利条件，自流输送是膏体充填的发展方向,3.1 膏体充填,膏体输送理论,流核区的厚度半径：,膏体存在流核结构，这是是膏体输送特性之一。,r0,低浓度时，轻微剪切变稠；高浓度时，明显剪切变稀。,低剪切速率时，轻微剪切变稠；高剪切速率时，明显剪切变稀。,尾矿经过脱水处理后产出的一种高浓度/膏体尾矿砂形成非饱和致密稳固的尾矿堆。,3.2 尾矿膏体排放,尾矿堆存,新西兰尾矿干堆效果图,尾矿堆存,干式： 滤饼的形式 汽车、皮带运输,半干式： 膏体的形式 管道输送,发展趋势,工艺更简单成本更经济,3.2 尾矿膏体排放,尾矿高效浓密 尾矿管道输送 尾矿快速蒸发,蒸发量大于降水量的干燥条件； 尾砂细度足以形成可堆积的膏体而不需要使用太多的絮凝剂； 堆积场大、较平，可借助阳光快速干燥。,技术关键,适用条件,3.2 尾矿膏体排放,尾矿堆存方式分类,可泵送,不可泵送,膏体尾矿,浓缩尾矿,尾矿浆,湿滤饼,干滤饼,水资源消耗大 渗流状况取决于库型 需要建坝 运行费用低 环境影响大,水资源消耗小 无渗流 建坝费用低 运行费用高,建坝费用低 运行费用低 环境影响小 渗流量小,传统湿排,膏体排放,干堆,3.2 尾矿膏体排放,尾矿膏体排放与尾矿直排技术对比,3.2 尾矿膏体排放,4、工程实例,4.1 膏体充填国内外应用概况,80年代中期，膏体充填技术迅速在美国、加拿大、澳大利亚、南非等许多国家得到应用。 尾矿膏体处置成为国际研究前沿，已经召开了13届关于膏体与尾矿浓密技术的国际学术会议。,4.1 膏体充填国内外应用概况,中国膏体充填技术研究紧随其后，目前已经在金属矿、煤矿、铁矿与铝工业上开始应用研究。 大多处于工业试验阶段，商业化生产较少，主要在关键技术、主要设备、监测技术方面受到制约。,开采特点,水：该矿为含水岩脉，每天从地下开采区抽出的用水量约为9800m3。 深：库克3号矿井的深度为1373m，目前回采深度到达地表以下800m。 地层构造复杂： 1）由地壳隆起造成的张断层 2）由裂缝网造成的局部褶皱,库克3号矿井是南非兰德方丹集团采金公司所属的库克矿区的主力矿山，采用房柱法开采，采场采用膏体充填。,4.2 Eldorado 集团 Cook3号矿膏体充填,充填材料配比,尾矿中含有较高的硫酸盐，影响到后期强度。 粉煤灰延缓了充填混合料的水化期，养护期长达12d。 充填料的颗粒很细，水的渗滤或排泄缓慢。 充填料浆粘度很高，不宜泵送。,现今配比： 95%的尾砂 4.5%的磨细粒化炉渣 0.5%的活化剂,初期配比： 7%的粉煤灰3%的水泥 90%尾砂,实现了无水泥充填 地表取样的充填体强度28d达到0.93MPa 井下充填体强度比地表高1倍,4.2 Eldorado 集团 Cook3号矿膏体充填,4.2 Eldorado 集团 Cook3号矿膏体充填,充填效果,该矿井每天的最大充填量为1500m3。充填量逐月上升，充填成本逐月下降。,4.2 Eldorado 集团 Cook3号矿膏体充填,开采特点,4.3 云南某矿山膏体充填实例,矿山积存了60多万t的选矿尾砂和100多万t的炼铅淬渣，而且每年地表尾砂和水淬渣积存量以2530万t的速度激增。 矿区属于长江上游水土保持和环境保护区，工业废物排放和堆存受到严格限制 受矿区地形的限制，尾矿库和水淬渣场已无法扩容 全尾产率仅30%，无法满足充填需求。,应用前提条件,4.3 云南某矿山膏体充填实例,膏体物料的基本物理性能参数,全尾砂的比表面积几乎是水泥的2倍。全尾砂粒级超细，水泥已经难以裹住全尾砂。采用普通胶结充填时其凝结性能较差,膏体料浆中细粒含量(-20m)己达到57.95%，几乎没有40450m的骨料，这种骨料级配是极不合理的。,物料基本属性,4.3 云南某矿山膏体充填实例,一个核心,深锥浓密机,三大系统,尾砂浆脱水浓缩系统 膏体搅拌制备系统 膏体泵送输送系统,一大特色,DCS集散控制系统,核心与特色,制备站全景,空区充填浆体形态,4.3 云南某矿山膏体充填实例,絮凝沉降 中心传动耙架 底流循环,溢流清澈 底流浓度达72%78%,全尾浓缩效果,全尾浓密系统,浓密机,驱动电机,底部结构,4.3 云南某矿山膏体充填实例,深锥浓密机,水泥控制与计量 全尾控制与计量 水淬渣控制与计量 二段连续搅拌,膏体均质不离析 膏体浓度达78%80%,膏体制备效果,膏体制备系统,4.3 云南某矿山膏体充填实例,制备系统,活塞泵送系统（12MPa） 二段钻孔长度485m和302m 最大输送距离4117m,充填倍线3以下可自流输送 钻孔磨损严重,膏体输送效果,膏体输送系统,压力泵,井下充填系统,4.3 云南某矿山膏体充填实例,膏体输送系统,所有物料流量由计算机精确控制 所有设备通过系统的设置参数来控制其开关和运行状态,操作人员数量下降 物料配制精确提高,集散系统使用效果,计算机控制系统,DCS室工作人员,各作业点工业电视,4.3 云南某矿山膏体充填实例,DCS集散控制,膏体充填应用成功的关键在于大大简化了工艺流程。 采用深锥浓密机进行一段浓密脱水，在地表进行水泥干式添加工艺，采用2025cm的大塌度膏体物料进行充填，降低了膏体充填工艺的实际运用难度。 膏体充填浓度达到7881%，最大日充填1264 m3，月均充填能力也达到11000 m3。,生产实践效果,4.3 云南某矿山膏体充填实例,4.4 尾矿堆存国内外概况,国外尾矿堆存概况,加拿大的Robinsky于1973年首次提出“高浓度排放”概念，但真正地在全世界范围内推广应用是在1990年之后 国外比较成熟的做法是,首先将矿浆压缩成滤饼,再加水调整至合适的输送浓度 堆场排放方式主要以中央浓缩排放为主,也有四周排放与山谷排放方式,4.4 尾矿堆存国内外概况,国内尾矿堆存概况,国内开始使用尾矿堆存始于20世纪90年代，主要用于黄金尾矿和铝矿赤泥的处理。,沟谷型：中国铝业河南分公司赤泥堆场、中州分公司烧结法赤 泥堆场 平地高台型：山西分公司湿法赤泥堆场、广西分公司干法赤泥堆场 人工凹地型：山东分公司第二赤泥堆场,黄金尾矿干堆矿山,4.4 尾矿堆存国内外概况,铝厂赤泥处理,首次采用干法输送、干法堆存技术的赤泥堆场 堆场占地45hm2，共分为5个库区 至2003年，最高赤泥堆积高度达20m，累计堆存赤泥650万t，使用堆场库容400万m3,赤泥堆场剖面示意图,4.5 某铝厂地表膏体排放实例,赤泥粒级较细，属中等压缩性土，具有饱和的粉质粘土的某些特性,堆场赤泥基本性质表,级配曲线,粒径小于0.019mm的含量为74%，属于细粒尾矿。,4.5 某铝厂地表膏体排放实例,堆场运行情况,堆场内各库区轮流进行均衡布料，每层排放厚度控制在40cm左右，实现四周向中央排放方式,现场赤泥排放,赤泥布料,赤泥干燥,干燥到含水量30可视为一个干燥周期，然后排放第二层赤泥。,排放一层赤泥,4.5 某铝厂地表膏体排放实例,干燥程度的检测及分析,取样孔布置,各库区赤泥平均含水量,含水量不仅表征着堆场赤泥干燥程度，也是衡量堆场稳定性的重要指标。 饱和度是指孔隙水与空隙体积之比,4.5 某铝厂地表膏体排放实例,干燥程度的检测及分析,一般认为，赤泥含水量应随深度的增加而逐渐降低。但从检测结果看，其趋势并不明显。,1-3号取样孔取样深度和含水率关系图,赤泥含水量在30%-40%波动，其原因主要是赤泥细度、表层结壳和水分下渗,4.5 某铝厂地表膏体排放实例,堆场裂纹,赤泥经过脱水、析水、干燥硬化，堆场表层赤泥由流塑状态变为硬塑状态，形成结构强度 赤泥由于蒸发、附液的分离、下渗等而逐渐干固，堆场表面会开始出现裂缝现象,开裂发育延伸破裂被翻晒破坏被赤泥覆盖重新开裂,成因,沉降缝 干缩缝 温度缝 可溶盐溶解,4.5 某铝厂地表膏体排放实例,实施效果,按照目前的运行模式，堆积体在最终堆积高度达到50-60m的使用年限内，仍然保证其边坡稳定性； 堆场赤泥干燥到含水量35%以下时，可以视为一个干燥周期完成； 随着赤泥层厚度的增加，到达底部排水层的赤泥附液将逐渐减少，逐步演变为降低堆存体水头的安全措施； 堆场干燥以迅速排除表面集水和蒸发干燥为主，其晒面积是制约赤泥干燥的重要因素。,4.5 某铝厂地表膏体排放实例,4.6 秘鲁COBRIZA MINE膏体排放实例,工程背景,座落在山区，海拔2300以上； 此前的尾矿处置是将其直接排入当地河流，由于环境原因必须进行改造，但地形不允许传统湿排。 如不及时改造，将造成7500人失业； 全年气候干燥，年降水量63mm，温度12-31，蒸发量大； 选厂与尾矿库的距离较大。,Cobriza工厂概貌,由此决定了Cobriza矿山向膏体排放的模式进行改造,在一个处理量为30t/d的小深锥中模拟进行，经过30天的连续运行，结果表明能连续获得浓度为76%以上的不离析尾矿，且深锥底流塌落度为21.623.5cm。,深锥试验,塌落度测量,流槽示意图,流槽试验用来预测和反应自然沉积时可能出现的沉积角，一般在110%左右。,流槽试验,4.6 秘鲁COBRIZA MINE膏体排放实例,工艺流程特点,4.6 秘鲁COBRIZA MINE膏体排放实例,分级尾矿用于充填，微细粒用于膏体堆存 深锥浓密后直接向尾矿库排放 均采用泵压输送,运行情况,经过反复的调试和运行，深锥达到330t/d的处理量，底流经柱塞高压泵送到沉积点，经过固结和蒸发干燥，能达到稳定性的要求。,14m 深锥浓缩机,尾矿池一年的沉积,膏体排放到沉积点,4.6 秘鲁COBRIZA MINE膏体排放实例,单层沉积最少需要3天能出现蒸发裂纹 厚层沉积产生深/宽的蒸发裂纹，较之薄层的浅/窄裂纹，它更容易使水渗入，产生渗流。,新的薄层沉积流能覆盖和密封蒸发裂纹,厚层沉积裂纹,沉积在厚层上的薄层裂纹,实施效果,4.6 秘鲁COBRIZA MINE膏体排放实例,影响与效益,Cobriza使用下山谷排放模式的膏体沉积，在生产和环境等许多方面都有着积极的影响。 秘鲁高角度沉积尾矿的开拓者 延长矿山服务年限 挽回了7500名员工的就业 高效率水回收 满足地震烈度要求 高蒸发率进一步加强了沉积循环,4.6 秘鲁COBRIZA MINE膏体排放实例,下山谷排放模式,5、发展趋势,5.1 全尾矿处置的发展趋势,全尾膏体处置