传统采矿模式下,矿产资源开发过程中产生的废石、尾砂和冶炼弃渣等占我国工业固体废料排放量的85%左右。大量矿山固体废料堆放地表易造成严重污染、诱发泥石流、尾矿溃坝事故。根据现代采矿理念,固体废料充填工艺是解决矿山废尾排放的最有效途径,是绿色采矿的主体支撑技术。但是,目前粗骨料管输充填工艺在矿山应用很少,并且关于管输条件下粗骨料级配、浓度与强度设计等方面研究也基本空白。实际上在充填料浆中骨料、水泥和水三者之间存在最优配合比,以达到最低成本、最高强度和最适宜的输送浓度,此外矿山固体废料胶结充填应满足“高浓度、高流态、自密实、低成本”的特点。基于此,本文深入研究了充填骨料级配理论、浓度与强度模型等,并开发了下向水平分层进路式采矿废石-全尾砂高浓度管输充填技术。论文通过对矿山充填骨料和混凝土骨料级配的研究与应用现状分析,指出可应用泰波(Talbol)法进行矿山单一粗粒级充填骨料的级配分析和优化,并对金川现用棒磨砂的级配及棒磨砂高浓度料浆的配合标准进行了分析。研究得出了金川现用-5mm棒磨砂级配不好且充填料浆配合比不合理是棒磨砂高浓度自流充填水泥用量大而充填质量差的核心原因,成果为金川矿山改进棒磨砂充填设计奠定了基础。基于充填骨料的堆集填隙效应,分析并建立了两种充填骨料、三种骨料以及多种骨料的堆集密实度模型,并给出了最优配合比模型及其求解方法。实验结果证明所建的模型是科学的,该模型可有效解决坑采矿山废石与全尾砂等粗、细充填骨料的级配适应性难题。在大量实验的基础上提出了新的充填强度模型,模型的优点是综合考虑了骨料、水泥和水对强度的影响,并且有利于回归分析。基于金川矿山充填系统平台开发了下向水平分层进路式采矿废石-尾砂高浓度管输充填技术,实现了高浓度、高流态、自密实与低成本充填。该项技术是集高浓度和膏体充填优势于一体,而成本低廉的矿山废石充填新技术。针对金川矿山充填骨料来源和现状,研究得出戈壁砂破碎性相对较好,指出了采用细碎方式增大棒磨砂粒度至-8mm,改“磨”为“破”是完全可行的,为金川矿山全面推广应用戈壁粗骨料和采掘废石进行充填及大幅度降低充填成本奠定了基础。废石和尾砂是矿山企业的大宗工业废料且不存在来源不足问题,如何高效利用废石和尾砂进行充填采矿是采矿界的前沿性课题。本文研究建立的充填骨料级配模型、浓度与强度模型解决了粗骨料高浓度管输充填技术的应用基础难题；开发的废石-尾砂高浓度管输充填新技术,可为矿山实现废石与全尾砂的充填、达到零排放目标及实现绿色采矿提供了理论和应用技术支撑。此外,实践证明由于采用粗粒级骨料,可大大降低充填成本,能使绝大多数矿山用得起。因此,本文研究成果有广阔的推广应用前景。
