金屬礦山充填采礦技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

郭利杰，劉光生，馬青海，陳鑫政

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 100160)

今后一個(gè)時(shí)期，我國(guó)仍處于工業(yè)化中后期和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，金屬礦產(chǎn)資源剛性需求和供需矛盾仍將長(zhǎng)期存在。隨著我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源開(kāi)采的枯竭，未來(lái)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)將全面進(jìn)入第二深度空間(1 000～2 000 m)內(nèi)的深部礦床，金屬礦山深部開(kāi)采將成為常態(tài)。深部開(kāi)采面臨“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜環(huán)境，充填開(kāi)采可有效控制地壓和上覆巖層移動(dòng)，將被廣泛應(yīng)用于深部金屬礦床開(kāi)采。充填開(kāi)采資源采出率高，可將地表堆積固體廢棄物回填至井下采空區(qū)，既可以提高開(kāi)采作業(yè)安全性，又能防止地表災(zāi)害發(fā)生，還可以充分消納地表固廢，是金屬礦山安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色的采礦方法。應(yīng)用膠結(jié)充填技術(shù)可以使充填采礦法能有效控制巖層移動(dòng)和地表沉降，使水體下、構(gòu)筑物下開(kāi)采和優(yōu)先開(kāi)采深部高品位礦體成為可能，為有效利用資源、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提供了技術(shù)保障。

隨著人類生態(tài)環(huán)境意識(shí)提升和科技進(jìn)步發(fā)展，充填采礦法在全球范圍內(nèi)得到了更加廣泛的應(yīng)用。據(jù)2018年中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《全國(guó)有色金屬資源開(kāi)采公示信息核查分析報(bào)告》，充填采礦法在我國(guó)有色金屬礦山和黃金礦山所占比例已超過(guò)40%；據(jù)文獻(xiàn)[1]不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有超過(guò)60座鐵礦山使用充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采。譬如過(guò)去無(wú)底柱分段崩落法在我國(guó)鐵礦占據(jù)主導(dǎo)地位，而新設(shè)計(jì)的鐵礦項(xiàng)目基本上都在論證采用充填采礦法的可行性。在設(shè)計(jì)規(guī)模超過(guò)1 000萬(wàn)t/a的大型地下鐵礦中，如思山嶺鐵礦、濟(jì)寧鐵礦、陳臺(tái)溝鐵礦、西鞍山鐵礦和馬城鐵礦等，設(shè)計(jì)中都采用了充填采礦法。

近年來(lái)，隨著先進(jìn)交叉技術(shù)、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法與充填采礦技術(shù)的融合，金屬礦充填采礦工藝與技術(shù)也得到迅速發(fā)展，在礦山充填基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)方面出現(xiàn)了許多新理論、新方法與新技術(shù)。因此，筆者對(duì)金屬礦充填采礦技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)的梳理與總結(jié)，以啟發(fā)未來(lái)技術(shù)創(chuàng)新工作。

1 地下金屬礦充填采礦方法應(yīng)用進(jìn)展

1.1 充填采礦方法演變發(fā)展

充填采礦是一種比較古老的采礦工藝[1]。充填最早于16世紀(jì)用于采礦，主要是由西班牙殖民者在墨西哥的一些礦山采用木材和廢石作為支撐以創(chuàng)造安全的采礦環(huán)境[1]。礦山尾礦和其他類型的固廢充填于19世紀(jì)被引入金屬礦山開(kāi)采，但尚未形成專門的充填采礦方法。現(xiàn)代水力充填采礦法出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，在加拿大和南非的金屬礦山推廣使用；利用高濃度尾礦膠結(jié)充填的上向分層充填采礦法和階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法于1960年出現(xiàn)于加拿大。

20世紀(jì)70年代初，加拿大國(guó)際金屬公司在安大略省薩德伯里地區(qū)的銅崖北礦首次開(kāi)展大直徑深孔充填采礦法試驗(yàn)，1975年加拿大國(guó)際鎳公司Levack礦首次試驗(yàn)成功了大直徑(165 mm)、孔深40 m的VCR采礦方法。我國(guó)VCR采礦法在地下礦山的應(yīng)用最早是1982年在冶金部的支持下，北京礦冶研究總院孫忠銘等[2]在廣東凡口鉛鋅礦開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究應(yīng)用。在凡口鉛鋅礦試驗(yàn)成功后，逐漸在河北金廠峪金礦、安徽獅子山銅礦、鳳凰山銅礦、安慶銅礦、廣西銅坑錫礦、湖北銅綠山銅礦等礦山進(jìn)行推廣應(yīng)用。21世紀(jì)初，北京礦冶研究總院孫忠銘等[3]又進(jìn)一步發(fā)展出了基于束狀孔等效直徑條件下的球形藥包漏斗爆破大量落礦技術(shù)，該技術(shù)為建立地下超級(jí)采礦礦石工廠提供了可能。2000年以后，隨著先進(jìn)采礦設(shè)備在地下礦山的推廣應(yīng)用，我國(guó)相繼又發(fā)展了盤區(qū)機(jī)械化膠結(jié)充填采礦法，以金川二礦區(qū)和凡口鉛鋅礦為典型代表。目前國(guó)內(nèi)外大規(guī)模開(kāi)發(fā)的金屬礦山大多為厚大的傾斜或急傾斜礦床，國(guó)內(nèi)外針對(duì)此類礦床采用的方法主要包括無(wú)底柱崩落法、上向分層充填法、空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ取Ｆ渲校請(qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄌ貏e是大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄓ捎谄渖a(chǎn)效率高、資源回采強(qiáng)度大、能防止地表塌陷等優(yōu)點(diǎn)，日益受到重視。國(guó)內(nèi)外采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的典型礦山主要分布在澳大利亞、加拿大、瑞典、中國(guó)等國(guó)家。

北京礦冶研究總院楊小聰教授等[4]針對(duì)厚大傾斜礦體提出了金屬礦厚大礦體高階段采場(chǎng)豎向交錯(cuò)連續(xù)開(kāi)采技術(shù)，采用房/柱采場(chǎng)豎向交錯(cuò)布置的階段間連續(xù)開(kāi)采模式，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了保持高階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法前提下不留設(shè)階段水平礦柱，在充填體頂板下階段空?qǐng)龇ǖ陌踩傻V，為安全高效回采提供了技術(shù)支撐。

注：①～④為單個(gè)組合交錯(cuò)采場(chǎng)的開(kāi)采順序。圖1 房/柱采場(chǎng)豎向交錯(cuò)布置的階段間連續(xù)開(kāi)采Fig.1 Continuous mining method between stages having vertical staggered arrangement of stopes and pillars

1.2 高效率規(guī)模化充填采礦法

高效率規(guī)模化采礦是礦山的永恒追求，高效地將礦石從礦體中回采出來(lái)意味著更大的經(jīng)濟(jì)效益。階段崩落法既能進(jìn)行大規(guī)模爆破落礦，又能采用高效率的大型采礦設(shè)備，因此在我國(guó)地下金屬礦山，尤其是鐵礦山廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，并為了解決地下采空區(qū)和地表尾砂堆存問(wèn)題，越來(lái)越多的礦山采用充填采礦法。在此背景下，階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法應(yīng)運(yùn)而生。

如圖2所示，階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法一般將礦體劃分為連續(xù)的礦房、礦柱采場(chǎng)，采用兩步驟回采模式[6]。典型的采-充過(guò)程為：首先回采一步驟礦房采場(chǎng)，出礦后膠結(jié)充填采空區(qū)，該膠結(jié)充填體作為豎直人工礦柱有利于改善地壓環(huán)境，并為后續(xù)二步驟礦柱采場(chǎng)回采提供安全保護(hù)[5]。

圖2 階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法[6]Fig.2 Open stoping with subsequent backfill mining[6]

階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法采場(chǎng)長(zhǎng)度一般控制在60 m以下，寬度控制在6～30 m，高度一般在40～60 m，最高的采場(chǎng)達(dá)到120 m[7]。與大尺寸的采場(chǎng)相匹配，空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法采用大直徑深孔鑿巖設(shè)備，如Simba系列高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)，Simba364型潛孔鑿巖臺(tái)車，鉆孔直徑為90～178 mm，鉆孔深度達(dá)到51 m[7]。國(guó)內(nèi)安慶銅礦、冬瓜山銅礦、大冶銅綠山礦等均采用Simba261型鉆機(jī)，孔徑為165 mm，設(shè)備效率為每臺(tái)班40～50 m。國(guó)內(nèi)采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的冬瓜山銅礦，盤區(qū)綜合生產(chǎn)能力可達(dá)2 400 t/d，鏟運(yùn)機(jī)出礦效率達(dá)每臺(tái)班800 t。

表1對(duì)比了階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法與其他充填采礦法的開(kāi)采產(chǎn)能比例、平均每位工人產(chǎn)能和采礦綜合成本。階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法是充填法與空?qǐng)龇ǖ挠袡C(jī)結(jié)合，它在繼承充填法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，兼具空?qǐng)龇ǜ弋a(chǎn)能、集中強(qiáng)化作業(yè)和作業(yè)環(huán)境安全等優(yōu)點(diǎn)，是目前生產(chǎn)效率最高的充填采礦法，代表了大規(guī)模高效率綠色清潔采礦的發(fā)展方向。

表1 充填采礦法的產(chǎn)能、效率和成本統(tǒng)計(jì)Table 1 Capacity,efficiency and cost statistics of backfill mining

1.3 連續(xù)開(kāi)采充填采礦法

地下金屬礦采場(chǎng)空區(qū)的暴露面積達(dá)到臨界值時(shí)，容易失穩(wěn)垮塌，因此不同采礦方法采取了不同措施限制采場(chǎng)空區(qū)的暴露面積。例如，階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法將礦體劃分為連續(xù)的礦房，隔一采一，逐次回采充填，從而限制采場(chǎng)空區(qū)的暴露面積。水平上向/下向分層充填采礦法將采場(chǎng)內(nèi)礦體劃分為不同分層，逐次回采、充填每一分層，限制采場(chǎng)空區(qū)的暴露面積。這2種方法的共同特點(diǎn)是，在每個(gè)開(kāi)采循環(huán)中，充填工序必須滯后于回采、出礦工序，下一開(kāi)采循環(huán)需等待充填體養(yǎng)護(hù)完成后才能進(jìn)行，因此開(kāi)采工序間的等待時(shí)間提高了生產(chǎn)管理難度、降低了開(kāi)采效率。為此，近年來(lái)有學(xué)者提出了“同步充填”的連續(xù)開(kāi)采充填采礦法，其基本理念是在采空區(qū)空間未全部釋放的情況下，將部分采空區(qū)先行作為臨時(shí)轉(zhuǎn)換空間，將充填工序提前移至出礦工序環(huán)節(jié)同步實(shí)施[8]。

長(zhǎng)礦房連續(xù)開(kāi)采干式充填采礦法(加拿大稱為Avoca采礦法，圖3)是解決急傾斜中厚礦體高效連續(xù)開(kāi)采的采礦方法[9]。該方法主要采用分段開(kāi)拓和分段采準(zhǔn)切割，開(kāi)采時(shí)從分段一端向另一端線性推進(jìn)，鏟運(yùn)機(jī)連續(xù)出礦，并對(duì)形成的采場(chǎng)空區(qū)連續(xù)干式充填。因?yàn)椴蓤?chǎng)空區(qū)被及時(shí)充填，暴露面積較小，故單個(gè)采場(chǎng)長(zhǎng)度沒(méi)有限制，相對(duì)于階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法中采空區(qū)暴露面積大、暴露時(shí)間長(zhǎng)具有顯著的采場(chǎng)安全管理優(yōu)勢(shì)。對(duì)于中厚礦體，不同階段的采場(chǎng)可同時(shí)開(kāi)展開(kāi)拓、采準(zhǔn)、切割、回采等工序，這種采礦方法能達(dá)到可觀的生產(chǎn)能力[10]。國(guó)內(nèi)青龍溝金礦采用了修正的Avoca采礦法，如圖4所示，將充填工序作業(yè)面與回采工序工作面密切銜接，使采場(chǎng)完全處于連續(xù)充填狀態(tài)，生產(chǎn)能力可達(dá)307 t/d，礦石損失率9.6%，礦石貧化率7.5%，相較于類似礦體賦存條件的李樓鐵礦采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法具有較明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[7,9]。

圖3 Avoca采礦法Fig.3 Diagram of Avoca mining method

1—廢石充填；2—崩落礦石；3—爆破扇形孔；4—鑿巖出礦巷；5—脈外分段巷；6—端部圍巖；7—穿脈切割巷；8—廢石充填；9—崩落礦石；10—脈內(nèi)鑿巖出礦巷；11—切割天井圖4 青龍溝金礦采用的Avoca采礦法Fig.4 Avoca mining method applied in Qinglonggou Gold Mine

針對(duì)破碎礦體，目前國(guó)內(nèi)外礦山通常應(yīng)用下向分層/進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法開(kāi)采，其采礦效率低、生產(chǎn)成本高、安全管理難度大。北京礦冶研究總院通過(guò)變革現(xiàn)有采礦工藝，提出下行式中深孔分段連續(xù)充填采礦法，變分層進(jìn)路采礦為高分段采礦工藝，能夠減少采準(zhǔn)工程量，提高單個(gè)采場(chǎng)生產(chǎn)效率，降低采礦作業(yè)成本。圖5為喀拉通克銅鎳礦的下行式高分段連續(xù)采礦法，成功應(yīng)用后，盤區(qū)生產(chǎn)能力由164.27 t/d提升至423.21 t/d，生產(chǎn)成本由108元/t降至50元/t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖5 下行式高分段連續(xù)采礦法Fig.5 Downward high-segmented continuous mining method

1.4 降低充填采礦成本的方法

充填采礦法主要依靠充填體提供的支撐作用開(kāi)展安全、高效的回采工序，這要求充填體具有一定強(qiáng)度以發(fā)揮不同充填采礦法所需的人機(jī)行走、自立支撐和高強(qiáng)護(hù)頂?shù)裙δ躘11]。為滿足充填體的強(qiáng)度需求，國(guó)內(nèi)外礦山往往向充填料漿內(nèi)添加水泥等膠凝材料，導(dǎo)致地下礦山膠結(jié)充填對(duì)膠凝材料消耗量巨大，使得膠凝材料成本占礦山充填作業(yè)總成本的70%～80%[5]。這是由于國(guó)內(nèi)一些礦山對(duì)充填體的強(qiáng)度需求設(shè)計(jì)不合理，為維護(hù)采場(chǎng)安全，增加水泥單耗，使得充填體強(qiáng)度需求設(shè)計(jì)趨于保守。另外，水泥等膠凝材料價(jià)格較高、礦山采用的采礦方法不恰當(dāng)也導(dǎo)致了膠凝材料成本占比較大。因此，科學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度需求、開(kāi)發(fā)應(yīng)用低廉的膠凝材料和合理采用高效率的采礦方法是降低充填采礦成本的主要途徑。

(1)科學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度，合理降低膠結(jié)充填的水泥單耗。加拿大、澳大利亞等國(guó)外礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，非常重視礦山充填體力學(xué)的基礎(chǔ)理論和方法研究。他們從充填體的應(yīng)力分析著手，采用模型試驗(yàn)、解析分析或數(shù)值計(jì)算等手段，建立了以經(jīng)典Mitchell法為代表的充填體力學(xué)分析與強(qiáng)度需求計(jì)算方法，形成了礦山充填體力學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。北京礦冶研究總院劉光生[5]提出了前壁揭露-后壁受壓膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求的三維解析模型及計(jì)算方法。遵循“應(yīng)力分析為先、強(qiáng)度優(yōu)化計(jì)算并行”的膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，基于充填體的用途及功能，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)采場(chǎng)膠結(jié)充填體強(qiáng)度空間分布，譬如，對(duì)于階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)的膠結(jié)充填體應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注過(guò)封閉門之前的充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度[12]，確定充填料漿內(nèi)膠凝材料添加量，進(jìn)而降低充填采礦成本[5]。

(2)尋找替代水泥的新型充填膠凝材料。開(kāi)發(fā)應(yīng)用低廉的充填用膠凝材料以部分替代水泥是降低膠結(jié)充填成本的有效途徑。粉煤灰和有色冶金渣(銅渣、鎳渣、鉛鋅渣等)含有硅酸鹽、鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽等礦物成分，如圖6所示，在機(jī)械激發(fā)、化學(xué)激發(fā)、熱活化激發(fā)和物相重構(gòu)等激發(fā)作用下，能活化生成C-S-H凝膠，因此具備制作低廉充填用膠凝材料的潛力和可行性[13]。現(xiàn)有研究表明[14]，向普通硅酸鹽水泥中摻入粉煤灰和有色冶金渣能延緩尾砂充填體的早期強(qiáng)度發(fā)展，且提高摻量會(huì)進(jìn)一步影響強(qiáng)度發(fā)展，但隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，這種不利影響逐漸減弱，并且適量摻入粉煤灰能提高尾砂充填體的長(zhǎng)期強(qiáng)度。另外，也有研究表明[15]采用銅渣作為礦物摻合料取代水泥制備尾砂料漿，可提高充填體抵抗硫酸鹽侵蝕的能力，減少高硫尾砂充填體長(zhǎng)期強(qiáng)度損失。所以，基于尾砂的化學(xué)性質(zhì)和礦物組成，適量摻入粉煤灰和有色冶金渣是實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)利用低廉充填用膠凝材料的有效方法，如圖7所示，可為膠結(jié)充填采礦成本優(yōu)化提供重要支持。

圖6 典型有色冶金渣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Mass fraction distribution of chemical composition of typical nonferrous metallurgical slag

圖7 利用有色冶金渣制備膠凝材料的方法Fig.7 Preparation method of cementitious materials for nonferrous metallurgical slag

(3)應(yīng)用高效率的采礦工藝。針對(duì)礦體賦存條件，變革礦山已有采礦工藝，采用高效率的采礦方法也能夠降低充填采礦成本。例如，對(duì)于破碎礦體，變分層進(jìn)路采礦為高分段采礦工藝，可以減少采準(zhǔn)工程量，提高單采場(chǎng)生產(chǎn)能力，降低充填采礦成本。針對(duì)特定的充填采礦法，可通過(guò)調(diào)整采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)降低膠結(jié)充填成本。例如，可減小空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法一步驟膠結(jié)充填采場(chǎng)的長(zhǎng)度或?qū)挾取⒃龃蠖襟E非膠結(jié)充填采場(chǎng)的長(zhǎng)度和寬度，實(shí)現(xiàn)降低膠結(jié)充填成本。

2 金屬礦固廢充填工藝研究進(jìn)展

2.1 礦山充填工藝演變發(fā)展

礦山充填工藝技術(shù)是金屬礦充填采礦技術(shù)的核心要素，其一直困擾甚至制約著早期充填采礦法的發(fā)展應(yīng)用及推廣，直到1957年，分級(jí)尾砂加硅酸鹽水泥的膠結(jié)充填在加拿大鷹橋公司哈迪鎳礦成功應(yīng)用，膠結(jié)充填工藝第1次應(yīng)用到生產(chǎn)階段，這促使了充填采礦法在這一時(shí)期得到迅速發(fā)展。

礦山充填工藝由相對(duì)落后的干式充填工藝發(fā)展到使用水泥作為膠凝材料的膠結(jié)充填工藝后，主要經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段。① 分級(jí)尾砂充填工藝：1965年，冶金部從瑞典引進(jìn)了分級(jí)尾砂充填技術(shù)并在銅陵有色鳳凰山銅礦試驗(yàn)成功，這是我國(guó)第1次采用尾砂充填，后續(xù)又逐漸發(fā)展了臥式砂倉(cāng)分級(jí)尾砂充填工藝[1]；② 低成本膠結(jié)充填工藝：1977年澳大利亞芒特艾薩礦與新南威爾士大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出采用爐渣作為輔助膠凝劑的低成本膠結(jié)充填工藝；③ 高濃度膠結(jié)充填工藝：20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始發(fā)展高濃度砂漿充填、塊石水泥漿膠結(jié)充填工藝技術(shù)，而在同一時(shí)期，加拿大正在發(fā)展基于立式砂倉(cāng)的高濃度尾砂膠結(jié)充填，澳大利亞正在發(fā)展低成本的廢石尾砂膠結(jié)充填工藝[16]；④ 膏體充填工藝：20世紀(jì)80年代末，德國(guó)率先在巴德格隆德鉛鋅礦建成了全球第1個(gè)膏體充填礦山；1994年，我國(guó)在金川二礦區(qū)建成了第1套膏體充填工藝系統(tǒng)，相繼又在銅綠山銅礦、會(huì)澤鉛鋅礦建成了全尾砂膏體充填系統(tǒng)[17]，如圖8所示；2000年以后，尾砂高濃度膠結(jié)充填和膏體膠結(jié)充填兩大工藝模式主導(dǎo)了我國(guó)金屬礦山的充填，在此基礎(chǔ)上也演生出了新的充填工藝技術(shù)，譬如北京礦冶研究總院研發(fā)的基于立式砂倉(cāng)的尾砂優(yōu)選組合膏體充填工藝、立式砂倉(cāng)+深錐濃密機(jī)組合的膏體充填工藝等，已分別成功應(yīng)用于安慶銅礦和西藏甲瑪銅多金屬礦。

圖8 金屬礦山充填工藝Fig.8 Backfill technology applied in metal mine

2.2 充填料漿制備工藝技術(shù)

金屬礦山充填工藝仍以尾砂充填為主，主要分為尾砂高濃度充填、尾砂膏體充填、廢石尾砂膏體充填等工藝。

分級(jí)尾砂充填仍是目前應(yīng)用較廣的充填工藝技術(shù)之一，以自流輸送為主。分級(jí)尾砂充填采用旋流分級(jí)與立式砂倉(cāng)水力聯(lián)合造漿技術(shù)，其制備充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～72%。分級(jí)尾砂高濃度造漿一般采用立式砂倉(cāng)制備系統(tǒng)，傳統(tǒng)工藝存在尾砂在倉(cāng)內(nèi)板結(jié)，放砂濃度波動(dòng)大，尾砂漿降低等問(wèn)題，導(dǎo)致采場(chǎng)膠結(jié)充填離析嚴(yán)重，充填體質(zhì)量差。2012年，北京礦冶研究總院郭利杰等[18]提出立式砂倉(cāng)尾砂風(fēng)水兩級(jí)分時(shí)繞壁造漿工藝技術(shù)(圖9)，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)尾砂高濃度充填料漿穩(wěn)定制備。2014年，北京礦冶研究總院[19]發(fā)展了基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合高濃度充填技術(shù)(圖10)，采用礦山選礦分級(jí)尾砂和溢流細(xì)砂分別濃縮，再按比例優(yōu)化組合，改造成級(jí)配良好、充填質(zhì)量穩(wěn)定的高濃度充填。該技術(shù)不僅有效改善了充填質(zhì)量，而且能解決了礦山分級(jí)尾砂充填尾砂不足的難題。

圖9 立式砂倉(cāng)風(fēng)水兩級(jí)分時(shí)繞壁造漿工藝Fig.9 A new slurry preparation technology used in vertical sand tank

圖10 基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合高濃度充填工藝Fig.10 High concentration backfill technology based on mineral process

尾砂膏體充填料漿是一種不離析具有良好穩(wěn)定的塑性和流動(dòng)性的充填料漿，由于充填骨料來(lái)源廣泛，材料特性變化大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)等單一指標(biāo)難以量化定義膏體。目前，國(guó)際上主要以屈服應(yīng)力來(lái)定量評(píng)價(jià)膏體，認(rèn)為料漿的屈服應(yīng)力大于(200±25) Pa時(shí)，可以視為膏體[16,20]。膏體尾砂料漿一般采用深錐濃密機(jī)(圖11)、壓濾機(jī)/過(guò)濾機(jī)等脫水設(shè)備制備工藝。尾礦級(jí)配是影響充填質(zhì)量的決定性因素，隨著選礦工藝技術(shù)的進(jìn)步，金屬礦選礦尾砂的粒度越來(lái)越細(xì)，導(dǎo)致尾砂沉降濃度效果差，不易制備成穩(wěn)定的膏體。加拿大高達(dá)咨詢公司的Chris Lee提出了不同級(jí)配尾砂先旋流分級(jí)，再采用不同高效濃縮脫水的組合方式制備膏體(圖12)，這種方式實(shí)現(xiàn)了細(xì)尾砂膏體的穩(wěn)定高效制備。

圖11 尾礦膏體深錐濃密機(jī)Fig.11 Deep cone thickener for tailings paste

圖12 組合式膏體制備工藝Fig.12 Combined-process preparation for cemented paste backfill

2.3 充填料漿輸送工藝技術(shù)

充填料漿輸送是充填工藝的主要環(huán)節(jié)之一，其實(shí)質(zhì)是以水作為輸送介質(zhì)，將充填骨料和膠凝材料等固體物料輸送至井下[1]。充填料漿管道輸送具有運(yùn)輸物料成分復(fù)雜、骨料粒徑和料漿濃度變化大、持續(xù)時(shí)間短、高落差及管道磨損嚴(yán)重等特點(diǎn)，主要分為自流輸送、泵壓輸送和混合輸送3種方式[21]。自流輸送是利用自身的重力勢(shì)能克服管道摩擦阻力，具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，通常采用充填倍線參數(shù)判斷是否符合自流輸送，根據(jù)GB 50771—2012《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》，分級(jí)界限為3 mm骨料充填倍線不宜大于5，尾砂膠結(jié)充填倍線不宜大于8，北京礦冶研究總院李宗楠等[22]提出通過(guò)優(yōu)化局部管線的可輸送性實(shí)現(xiàn)大倍線自流輸送工藝。泵送充填工藝借鑒于混凝土泵送的經(jīng)驗(yàn)，具有濃度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)充填料漿的質(zhì)量要求較高，泵送中不得產(chǎn)生離析現(xiàn)象。管道沿程阻力計(jì)算是設(shè)計(jì)和優(yōu)化充填料漿輸送參數(shù)和管道布置的關(guān)鍵工作。水砂充填或分級(jí)尾砂充填的管道沿程阻力計(jì)算模型多是在固-液兩相流理論基礎(chǔ)上發(fā)展的，主要經(jīng)驗(yàn)公式有杜蘭德公式、金川公式、蘇聯(lián)煤炭科學(xué)研究院公式等，且需要計(jì)算充填料漿的臨界流速，相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式有B.C.克諾羅茲公式、劉德忠公式和尤芬公式等。膏體的管道沿程阻力較復(fù)雜，相關(guān)學(xué)者從流變學(xué)理論開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究及理論分析，主要體現(xiàn)在考慮管道避免滑移效應(yīng)和觸變性等方面[23]，目前膏體充填的管道沿程阻力主要采用白金漢公式計(jì)算或開(kāi)展環(huán)管試驗(yàn)測(cè)試[24]。借鑒混凝土行業(yè)，減水劑、泵送劑等添加劑也逐漸被添加到充填料漿中用以降低管道沿程阻力[25]。膏體充填料漿黏度高、阻力大，通常采用泵送方式，國(guó)內(nèi)外的膏體工業(yè)泵主要是往復(fù)式柱塞泵，可分為活塞泵和隔膜泵2種，其中活塞泵又分為S擺閥泵和錐閥泵2個(gè)系列。在礦山充填領(lǐng)域，德國(guó)、荷蘭等國(guó)輸送泵的制造技術(shù)已趨于成熟，形成一系列成熟的產(chǎn)品，譬如PM公司的KOS、HSP系列泵、Schwing公司的KSP系列泵以及Geho公司的DHT系列泵，國(guó)內(nèi)廠商目前也制造出類似的產(chǎn)品，如飛翼公司的HGBS系列泵。

充填料漿輸送處于長(zhǎng)距離、高落差的工況條件，堵管、鉆孔堵塞、爆管和管道磨損等故障問(wèn)題的發(fā)生嚴(yán)重影響充填的運(yùn)行。為解決上述問(wèn)題，目前主要從充填管道材質(zhì)、充填管道設(shè)計(jì)優(yōu)化和監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面進(jìn)行優(yōu)化。金屬礦山充填中按照管道的位置，鉆孔套管多采用雙金屬?gòu)?fù)合管或厚壁低合金鋼管，井下水平充填管道一般采用16Mn鋼管、陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管和高分子內(nèi)襯復(fù)合管等，輔助充填管道采用塑料管或鋼編復(fù)合管。充填管道設(shè)計(jì)優(yōu)化包括優(yōu)化充填管道參數(shù)，提高充填鉆孔施工質(zhì)量，優(yōu)化充填管網(wǎng)以使不同區(qū)段的充填倍線均處于合理的范圍內(nèi)，增加如減壓池、阻尼節(jié)流孔、緩沖盒等減壓輔助設(shè)施。建立監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)對(duì)充填料漿輸送進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是預(yù)防和及時(shí)處理充填故障的有效手段，如北京礦冶研究總院郭利杰教授研發(fā)的充填管道巡監(jiān)智能機(jī)器人(圖13(a))。借鑒油、氣行業(yè)的SCADA系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外部分礦山也率先建立管道監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)以預(yù)防充填故障的發(fā)生，管道監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)[26]是指在充填管道已發(fā)生故障的關(guān)鍵位置安裝壓力計(jì)、流量計(jì)、溫度計(jì)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(圖13(b))，具備數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和分析功能，對(duì)充填輸送異常情況及時(shí)報(bào)警。國(guó)外礦山管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也采用電阻層析成像(ERT)技術(shù)和超聲波測(cè)厚儀對(duì)井下充填管網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)(圖13(c)，(d))。

圖13 充填管道監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)Fig.13 Pipeline monitoring and warning technology

深井開(kāi)采是金屬礦山21世紀(jì)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，深井充填料漿管道輸送具有高垂深、低倍線、長(zhǎng)距離的特點(diǎn)，對(duì)輸送工藝提出更高的要求。充填管道輸送工藝的發(fā)展不僅要適應(yīng)礦山開(kāi)采工藝的變化，而且要在膏體的管輸阻力計(jì)算、剩余壓頭處理、管道監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)等方面開(kāi)展深入的研究。

2.4 充填采場(chǎng)封閉技術(shù)及裝置

充填擋墻作為充填采場(chǎng)封閉的重要安全支撐構(gòu)筑物開(kāi)始出現(xiàn)，最初以簡(jiǎn)易的木結(jié)構(gòu)支撐形式為主[27]，伴隨著采礦工藝和規(guī)模的發(fā)展和完善，地下金屬礦山充填擋墻的結(jié)構(gòu)和形式先后經(jīng)歷了木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等多種形式[28-29]。目前，國(guó)內(nèi)外地下金屬礦山充填擋墻主要可以分為鋼筋混凝土擋墻、混凝土砌塊擋墻和鋼木結(jié)構(gòu)作為支撐的柔性擋墻。擋墻的結(jié)構(gòu)和形式與充填采礦工藝密切相關(guān)，鋼筋混凝土擋墻承載能力大，普適性強(qiáng)，在各類充填工藝條件下均有使用，但其工程造價(jià)相對(duì)高昂[30]，如圖14(a)所示；混凝土砌塊(如混凝土預(yù)制磚，圖14(b))和柔性封閉擋墻適宜承載需求較低的進(jìn)路式充填采礦工藝[31]；除傳統(tǒng)的混凝土擋墻、磚擋墻和柔性擋墻以外，近年來(lái)，隨著人們對(duì)充填采場(chǎng)力學(xué)特征的認(rèn)識(shí)逐步深化，出現(xiàn)了一些綠色、低成本的充填采場(chǎng)封閉技術(shù)，如采用可拆卸、可循環(huán)使用的金屬構(gòu)件裝配式擋墻，該類擋墻的主要受力構(gòu)件為弧形鋼梁，采用裝配式部件，可拆卸循環(huán)使用，大幅降低了充填采場(chǎng)封閉成本，在我國(guó)安慶銅礦、新疆伊犁阿希金礦等礦山應(yīng)用[32-33]，如圖14(c)所示。

圖14 充填擋墻類型Fig.14 Types of barricades

充填采場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)形式的選擇需要考慮充填質(zhì)量、充填力學(xué)、制作工藝與成本等多種因素，其中，尤以擋墻受力特征、采場(chǎng)脫水為重點(diǎn)。HUGHES等的研究表明[34-35]，充填擋墻上的荷載特征與漿體的形態(tài)有很大的關(guān)系，采用極限平衡理論計(jì)算的墻體壓力與極限滑裂面的選擇存在很大的關(guān)系，如墻上荷載在良好的排水條件或較好的工藝水平下實(shí)現(xiàn)快速固結(jié)硬化，則墻上的實(shí)測(cè)應(yīng)力較理論值小很多，隨著人們對(duì)充填體的認(rèn)識(shí)加深，考慮采場(chǎng)拱效應(yīng)下的力學(xué)模型得以提出，考慮拱效應(yīng)后，擋墻上的作用力將不再是高度的線性關(guān)系。YANG等[36]認(rèn)為傳統(tǒng)的拱效應(yīng)作用在充填初期的力學(xué)作用并不明顯，只有在充填料漿固化成型的后期才有明顯顯現(xiàn)，因此提出了一種剪切屈服誘導(dǎo)拱效應(yīng)的力學(xué)模型來(lái)描述擋墻上的短期荷載。從傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型到根據(jù)工況特點(diǎn)而提出的精細(xì)化力學(xué)思路，研究成果豐富了人們對(duì)充填擋墻的認(rèn)識(shí)，如LU等[30]介紹了一種新型的輕質(zhì)擋墻，在承載能力和工程造漿方面具有很大的優(yōu)勢(shì)；BERNDT等[31]介紹了一種透水磚墻的擋墻，在實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)脫水和保障充填采場(chǎng)承載能力方面具有重要作用。

隨著地下礦山充填采礦規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)安全高效、綠色、低成本采場(chǎng)封閉技術(shù)提出了新的更高要求，主要體現(xiàn)在充填擋墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與充填工藝的精準(zhǔn)匹配，高效率、低成本的構(gòu)筑新方法以及擋墻荷載的精準(zhǔn)測(cè)量與安全監(jiān)測(cè)等方面，未來(lái)，更安全、低成本、可監(jiān)測(cè)勢(shì)必成為地下礦山充填采場(chǎng)封閉技術(shù)的主要發(fā)展方向。

2.5 充填采場(chǎng)脫水工藝技術(shù)

采場(chǎng)充填的理想狀態(tài)是無(wú)脫水，但因充填料漿采用水作為輸送介質(zhì)，除膠凝材料水化反應(yīng)及充填體孔隙內(nèi)存留部分水外，一些水仍要從采場(chǎng)濾出。當(dāng)充填料漿高度未超過(guò)擋墻時(shí)，充填料漿泌出水主要通過(guò)透水擋墻滲透或溢流脫出。當(dāng)充填料漿高度超過(guò)擋墻時(shí)，需通過(guò)架設(shè)在采場(chǎng)內(nèi)的脫水設(shè)施將充填料漿泌出水脫出，以保證充填體的質(zhì)量和接頂率。隨著礦山充填的不斷實(shí)踐與探索，充填脫水工藝技術(shù)也不斷更新。借助重力使水自由脫出的脫水工藝有泄水井、濾水井、脫水籠等脫水構(gòu)筑物以及波紋管、塑料盲溝等脫水材料，重力脫水工藝一般都需要在增加過(guò)濾層以防止充填材料的流失，過(guò)濾材料有土工布、麻布、尼龍濾布等[21-22,37]，如圖15所示。特殊脫水工藝有電滲脫水、機(jī)械脫水和負(fù)壓強(qiáng)制脫水等方式[38-40]。

圖15 重力脫水設(shè)施Fig.15 Dewatering facilities driven by gravity

采場(chǎng)的脫水工藝與采礦方法相關(guān)，對(duì)于階段或分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)通常是在出礦進(jìn)路內(nèi)或分段進(jìn)路內(nèi)設(shè)置濾水墻，并在空?qǐng)鰞?nèi)懸掛波紋管等脫水，如安慶銅礦[41]、草樓鐵礦等。上向水平分層充填采場(chǎng)一般采用構(gòu)筑濾水井或設(shè)置金屬脫水籠等脫水，隨著分層回采逐層進(jìn)行架設(shè)，如三山島金礦、紅透山銅礦、尹格莊金礦等。下向進(jìn)路充填采場(chǎng)通常聯(lián)合使用導(dǎo)流管和脫水管等脫水，導(dǎo)流管導(dǎo)出進(jìn)路頂部多余的水分，充填料漿內(nèi)的水通過(guò)脫水管濾出到擋墻外，如喀拉通克銅鎳礦、金川二礦區(qū)等。

近些年，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者提出一些新的脫水工藝，如北京科技大學(xué)張愛(ài)卿等[42]提出基于仿生學(xué)的根系狀新型脫水管，加拿大蒙特利爾工學(xué)院LI[43]提出的Wick Drains排水帶，北京礦冶研究總院陳鑫政等[44]提出的全斷面柔性脫水管，如圖16所示。

圖16 新型采場(chǎng)脫水工藝Fig.16 New dewatering facilities applied in mine stopes

3 礦山充填體力學(xué)研究進(jìn)展

3.1 尾砂充填體的非均質(zhì)特性研究

尾砂充填料漿充入采場(chǎng)后，懸浮物料可能發(fā)生沉降分離，導(dǎo)致了料漿離析，將使得充填體表現(xiàn)出非均質(zhì)性。探明充填體非均質(zhì)性特征，將能更好地指導(dǎo)充填設(shè)計(jì)。

目前常見(jiàn)的充填體非均質(zhì)性研究方式為利用充填料漿溜槽試驗(yàn)?zāi)M料漿流動(dòng)離析過(guò)程，測(cè)試分析充填體非均質(zhì)性。盧宏建等[45]利用該方法測(cè)試并論證了溜槽試驗(yàn)中充填物料分布的非均質(zhì)性，并通過(guò)充填體取樣測(cè)試，探明了沿料漿流動(dòng)方向充填體強(qiáng)度離散分布規(guī)律。史采星等[46]利用溜槽試驗(yàn)，如圖17所示，研究發(fā)現(xiàn)沿料漿流動(dòng)方向，近端粗骨料顆粒聚集，遠(yuǎn)端則以細(xì)骨料分布為主。吳愛(ài)祥等[47]測(cè)試研究了不同級(jí)配全尾砂制備的廢石膏體充填料漿中粗骨料離散分布情況，如圖18所示，并以粗骨料在充填體不同區(qū)域中的占比含量標(biāo)準(zhǔn)差定義了廢石尾砂膏體料漿的離析度，探究了顆粒粒級(jí)組成對(duì)膏體充填體離析度的影響。

圖17 典型充填料漿溜槽實(shí)驗(yàn)裝置[45-46]Fig.17 Diagram of the chute experiment on backfill slurry[45-46]

圖18 含粗骨料的膏體充填體非均質(zhì)性試驗(yàn)測(cè)試裝置[47]Fig.18 Non-homogeneous test model test on cemented paste backfill containing coarse aggregate[47]

除骨料顆粒的不均勻分布外，影響充填的另一關(guān)鍵因素為膠結(jié)充填體中水泥含量的非均質(zhì)性。許文遠(yuǎn)等[48]研究得出沿料漿流動(dòng)方向，水泥含量呈先減小后增大的方式分布。彭嘯鵬等[49]利用基于EDTA-二鈉滴定的膠結(jié)充填體水泥含量測(cè)試法分析了沿料漿沉降方向充填體中水泥含量的非均質(zhì)性，并證實(shí)了充填體不同區(qū)域水泥含量的差異可達(dá)數(shù)倍以上。

充填骨料與水泥含量分布的非均質(zhì)性將直接導(dǎo)致采場(chǎng)充填體各項(xiàng)性質(zhì)的非均質(zhì)性。THOMPSON等[50]通過(guò)采場(chǎng)原位取樣測(cè)試，分析論證了原位充填體養(yǎng)護(hù)形成過(guò)程中，內(nèi)部的滲透性、孔隙水壓力以及保水性等均存在非均質(zhì)性。DALIRI等[51]與GHIRIAN等[52]則通過(guò)采場(chǎng)相似模型試驗(yàn)的方式(圖19)研究分析了不同區(qū)域及不同充填高度尾砂膠結(jié)充填體的孔隙率、保水率與滲透性等的非均質(zhì)特性，并指出沿充填料漿沉降方向，底部區(qū)域通常保水率高，頂部低，而滲透性則頂部高于底部。

圖19 充填料漿豎向沉降離析過(guò)程模擬試驗(yàn)裝置[52]Fig.19 Pysical model test of settlement and segregation on backfill slurry[52]

上述充填物料及充填體性質(zhì)的非均質(zhì)性將直接導(dǎo)致充填體強(qiáng)度非均質(zhì)性。目前基于國(guó)內(nèi)外各礦山的原位充填體取心測(cè)試研究，已經(jīng)證實(shí)了沿采場(chǎng)流動(dòng)方向，充填體強(qiáng)度往往呈先減小后增大再減小的倒“S”型分布[53]，如圖20所示。魏曉明等[54]從水泥分布的非均質(zhì)性以及充填料漿的自重角度，對(duì)強(qiáng)度非均質(zhì)性進(jìn)行了分析。李文臣等[55]從充填體孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)特征方面，對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度非均質(zhì)性進(jìn)行了解釋，認(rèn)為孔隙率與孔隙孔徑的分布情況均將影響充填體強(qiáng)度。彭嘯鵬等[56]通過(guò)測(cè)試充填體水泥用量與孔隙率非均質(zhì)性，如圖21所示，解釋了強(qiáng)度影響因素變化導(dǎo)致充填體強(qiáng)度非均質(zhì)性的機(jī)理。

圖20 原位采場(chǎng)充填體強(qiáng)度呈倒“S”型分布Fig.20 Invert “S” type distribution of unconfied compressive strength of the field samples

圖21 溜槽實(shí)驗(yàn)充填體強(qiáng)度與水泥用量關(guān)系對(duì)比Fig.21 Comparions of backfill strength with cement content of the sample obtained from the chute experiment

充填體非均質(zhì)性特征是充填料漿流動(dòng)沉積與物料離析分離的結(jié)果[57]，為更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)并評(píng)估該非均質(zhì)特征，后續(xù)仍有必要深入研究尾砂充填料漿顆粒沉降特性。

3.2 尾砂充填料漿固結(jié)力學(xué)特性

近年來(lái)，礦山逐漸采用全尾砂充填。全尾砂細(xì)顆粒含量高、滲透性差，在采場(chǎng)中難以快速脫水固結(jié)。對(duì)于階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的大尺寸采場(chǎng)，料漿內(nèi)孔隙水滲流路徑長(zhǎng)，長(zhǎng)期難以消散的孔隙水壓力導(dǎo)致充填擋墻承受料漿施加的巨大側(cè)向推力，使得全尾砂料漿充填的問(wèn)題更加凸顯。充填擋墻垮塌事故經(jīng)常見(jiàn)諸報(bào)道，這固然與采場(chǎng)充填方案制定不合理、充填擋墻設(shè)計(jì)不安全有關(guān)，但本質(zhì)原因是對(duì)尾砂充填料漿固結(jié)過(guò)程中的力學(xué)行為認(rèn)識(shí)不足。

目前，針對(duì)尾砂料漿固結(jié)過(guò)程中的力學(xué)行為，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用解析計(jì)算、數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)等手段開(kāi)展了一系列研究。

為準(zhǔn)確計(jì)算評(píng)估尾砂充填料漿自重固結(jié)階段不同時(shí)刻的孔隙水壓力和總應(yīng)力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于土力學(xué)領(lǐng)域的GIBSON[58]一維自重固結(jié)解析計(jì)算模型，提出可用于描述充填料漿固結(jié)過(guò)程的理論模型，模擬計(jì)算采場(chǎng)充填料漿固結(jié)階段孔隙水壓力和總應(yīng)力隨時(shí)間的演化過(guò)程[59-60]，進(jìn)而為制定采場(chǎng)充填方案、設(shè)計(jì)充填擋墻承載能力提供參考。

借助數(shù)值模擬軟件，例如FLAC3D、SIGMA/W、Plaxis2D、ABAQUS和COMSOL，許多學(xué)者模擬了采場(chǎng)的實(shí)際充填過(guò)程和料漿自重固結(jié)過(guò)程，探究了充填料漿的物理力學(xué)性質(zhì)(彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角等)、水力學(xué)性質(zhì)(滲透系數(shù)、飽和度)、采場(chǎng)滲流邊界條件和力學(xué)邊界條件、充填速率、采場(chǎng)幾何尺寸[61-62]和膠凝材料含量[29,63]等因素料漿自重固結(jié)階段孔隙水壓力和總應(yīng)力演化規(guī)律的影響。

WICKLAND等[64]開(kāi)展物理模型試驗(yàn)研究了廢石尾砂混合充填料漿自重固結(jié)階段的孔隙水壓力和下沉量，BELEM[65]、ABDULHUSSAIN和GHIRIAN等[66]也先后進(jìn)行了膏體充填料漿的自重固結(jié)物理模型試驗(yàn)，如圖22所示，分析了料漿的孔隙水壓力、基質(zhì)吸力、下沉量、排出水量、溫度、孔隙率、飽和度等隨時(shí)間的變化，并探究了膠凝材料含量和類型對(duì)固結(jié)過(guò)程的影響。

圖22 Belem開(kāi)展尾砂充填料漿固結(jié)試驗(yàn)所用的物理模型Fig.22 Diagram of Belem’s physical model used to study consolidation behavior of bakcfill slurry

此外，BELEM、THOMPSON[49]、GRABINSKY以及DOHERTY等還開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，研究采場(chǎng)充填料漿自重固結(jié)階段孔隙水壓力和總應(yīng)力演化過(guò)程，為解析計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性驗(yàn)證提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

尾砂料漿經(jīng)過(guò)固結(jié)過(guò)程從液態(tài)過(guò)渡到具有承載能力的固態(tài)，研究固結(jié)行為能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)充填擋墻承載能力提供指導(dǎo)。

3.3 傳統(tǒng)的采場(chǎng)充填體強(qiáng)度解析方法

階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ù砹舜笠?guī)模高效率綠色清潔采礦的發(fā)展方向。但該采礦方法中一步驟采場(chǎng)膠結(jié)充填體的膠結(jié)充填成本占充填總成本70%以上，如何在開(kāi)采過(guò)程中確保膠結(jié)充填體側(cè)向揭露穩(wěn)定性的同時(shí)優(yōu)化控制其膠結(jié)充填成本，是制約安全經(jīng)濟(jì)高效充填采礦的瓶頸問(wèn)題。在加拿大、澳大利亞等國(guó)外礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，從采場(chǎng)充填體應(yīng)力分析著手，建立了以Mitchell法為代表的階段空?qǐng)鏊煤蟪涮铙w的力學(xué)分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論和方法，并在國(guó)外礦山廣泛采用，極大促進(jìn)了國(guó)外充填體力學(xué)及充填采礦技術(shù)發(fā)展。

20世紀(jì)80年代，國(guó)外充填采礦研究人員主要借鑒土力學(xué)的上覆層自重應(yīng)力(σc≥γH)或側(cè)向暴露的邊坡模型(σc≥γH/2)進(jìn)行采場(chǎng)充填體應(yīng)力和強(qiáng)度需求度設(shè)計(jì)(其中，σc為側(cè)向揭露膠結(jié)充填體自立所需的單軸抗壓強(qiáng)度，γ為充填體容重，H為充填體側(cè)向揭露面高度)[67]。但上述2種方法均未考慮采場(chǎng)充填體受圍巖夾制作用及其三維應(yīng)力狀態(tài)等因素，導(dǎo)致充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度過(guò)于保守，充填成本過(guò)高。在此基礎(chǔ)上，MITCHELL等[68]通過(guò)開(kāi)展一系列單側(cè)揭露充填體的室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，研究提出了用于側(cè)向揭露充填體強(qiáng)度需求計(jì)算的三維楔形滑動(dòng)解析模型及方法，該方法考慮了采場(chǎng)充填體的三維破壞模式和力學(xué)行為，合理降低了充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)，在加拿大等眾多充填法礦山成功應(yīng)用，具有重要的歷史意義。

圖23為MITCHELL等根據(jù)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)中不同尺寸和強(qiáng)度的單側(cè)暴露充填體滑動(dòng)破壞情況，構(gòu)建的三維極限平衡解析模型，該模型中假設(shè)采場(chǎng)充填體沿貫穿至充填體后壁的潛在平面發(fā)生滑動(dòng)破壞，且假設(shè)采場(chǎng)充填體兩側(cè)壁與采場(chǎng)圍巖接觸面上僅考慮黏聚力而忽略側(cè)壁接觸面的內(nèi)摩擦角，充填體后壁與采場(chǎng)圍巖接觸面上的黏聚力和內(nèi)摩擦角均假設(shè)為0，由此得出了側(cè)向揭露膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求與其安全系數(shù)的解析公式(式(1))。

圖23 側(cè)向揭露膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求模型示意(加拿大Mitchell法)Fig.23 Illustrations of required strength model of cemented backfill with lateral exposure (Mitchell’s method)

(1)

式中，F(xiàn)S為側(cè)向揭露充填體安全系數(shù)；L為充填體暴露面長(zhǎng)度，m；B為充填體的寬度，m；H*為充填體的潛在滑動(dòng)楔形體的等效高度，m，H*=H-(Btanα)/2；γ為膠結(jié)充填體的容重，kN/m3；M為充填體黏聚力c與充填體單軸抗壓強(qiáng)度σc的比值(M=c/σc)；φ為充填體的內(nèi)摩擦角，(°)；α為潛在滑動(dòng)面與水平面的夾角，(°)，α=45°+φ/2；rs為側(cè)壁圍巖與充填體接觸面的黏聚力cs與充填體黏聚力c的比值(rs=cs/c)，MITCHELL法假設(shè)rs=1。

MITCHELL等根據(jù)物理模型中充填體狀態(tài)分析，進(jìn)一步假設(shè)充填體內(nèi)摩擦角φ=0，M=0.5(即σc=2c)，rs=1(即cs=c)，且假設(shè)H?B使得H*≈H。此時(shí)，在安全系數(shù)FS=1的極限平衡狀態(tài)下，得到了簡(jiǎn)化的經(jīng)典MITCHELL法，如式(2)所示。

(2)

該簡(jiǎn)化的經(jīng)典MITCHELL法在國(guó)內(nèi)外充填采礦領(lǐng)域的工業(yè)界和學(xué)術(shù)界得到了廣泛應(yīng)用，為側(cè)向揭露充填體的強(qiáng)度需求計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。但是，MITCHELL法存在較多假設(shè)條件，雖然該方法與物理模型試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，一些假設(shè)條件卻無(wú)法與實(shí)際情況匹配，如MITCHELL法認(rèn)為充填體內(nèi)摩擦角為0等。雖然MITCHELL法存在一定限制條件，但該模型為后期側(cè)向揭露充填體強(qiáng)度計(jì)算方法發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[69]。

3.4 改進(jìn)的采場(chǎng)充填體強(qiáng)度需求計(jì)算與設(shè)計(jì)方法

在階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法中，采場(chǎng)充填體的應(yīng)力分布是側(cè)向揭露條件下充填體強(qiáng)度需求計(jì)算及其穩(wěn)定性分析的力學(xué)基礎(chǔ)，國(guó)際國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)采場(chǎng)中充填體的應(yīng)力成拱作用進(jìn)行了系列探索研究[70-74]。正是由于充填體應(yīng)力和強(qiáng)度需求解析方法的便捷性，研究人員不斷改進(jìn)發(fā)展了采場(chǎng)充填體應(yīng)力及強(qiáng)度需求的解析模型，使其快速應(yīng)用于指導(dǎo)礦山充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

在MITCHELL原始模型基礎(chǔ)上，ZOU和NADARAJAH[75]考慮了采場(chǎng)充填體頂部荷載、DIRIGE等[76]考慮了采場(chǎng)充填體傾斜角度影響，分別改進(jìn)了充填體強(qiáng)度需求解析計(jì)算方法，但其仍沿用了MITCHELL原始模型的全部假設(shè)條件。加拿大LI等[77]系統(tǒng)結(jié)合了采場(chǎng)充填體應(yīng)力分布特征和各向力學(xué)邊界的研究基礎(chǔ)，逐步克服MITCHELL原始模型中的假設(shè)條件限定，考慮實(shí)際采場(chǎng)充填體的分層現(xiàn)象、充填體與采場(chǎng)側(cè)壁圍巖摩擦作用等，對(duì)充填體強(qiáng)度需求的計(jì)算理論與方法進(jìn)行了拓展。

然而，之前的充填體強(qiáng)度修正解析模型，主要針對(duì)單個(gè)孤立采場(chǎng)的側(cè)向揭露膠結(jié)充填體，未考慮階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ膶?shí)際采充過(guò)程中相鄰采場(chǎng)充填體及其與采場(chǎng)圍巖的力學(xué)接觸影響(圖24(a))，充填體強(qiáng)度需求設(shè)計(jì)理論方法仍不成熟完善。對(duì)此，劉光生等[78]基于兩步驟階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ膶?shí)際采充時(shí)序，重點(diǎn)考慮二步驟采場(chǎng)非膠結(jié)充填體對(duì)相鄰一步驟采場(chǎng)膠結(jié)充填體的側(cè)壓力作用，提出了前壁揭露-后壁受壓膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求的三維解析模型及計(jì)算方法，并通過(guò)極限平衡狀態(tài)下充填體強(qiáng)度需求的數(shù)值模擬解和解析結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，確定了充填體潛在滑動(dòng)面角度α=45°+φ/2、充填體與側(cè)壁圍巖摩擦力夾角β=45°-φ/2時(shí)，一步驟采場(chǎng)膠結(jié)充填體強(qiáng)度需求的數(shù)值模擬和解析計(jì)算結(jié)果吻合度最好[79]。該充填體強(qiáng)度需求計(jì)算方法已成功應(yīng)用于三山島金礦、草樓鐵礦和喀拉通克銅鎳礦等礦山的充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

圖24 兩步驟階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄖ谐涮铙w與圍巖空間關(guān)系及其強(qiáng)度解析模型示意Fig.24 Spatial relationships between the backfill and rockmass and illustrations of required strength model of the backfill of two-stage open stoping with subsequent backfill mining method

在此基礎(chǔ)上，如何根據(jù)不同礦山不同時(shí)期的采場(chǎng)充填質(zhì)量控制效果，將強(qiáng)度需求理論值合理轉(zhuǎn)化為匹配礦山充填技術(shù)水平的實(shí)際強(qiáng)度需求及配比參數(shù)，是完善地下金屬礦充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)此，結(jié)合充填配比試樣強(qiáng)度和原位取芯試樣強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析，提出了一種浮動(dòng)安全系數(shù)FS的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，如式(3)所示。

(3)

將不同采場(chǎng)充填體強(qiáng)度需求的理論解析解，與不同礦山不同時(shí)期的浮動(dòng)安全系數(shù)相結(jié)合，可得出礦山當(dāng)期的充填體實(shí)際強(qiáng)度需求，從而確定礦山充填系統(tǒng)的配比參數(shù)值。

將原位采場(chǎng)充填體取芯和芯樣強(qiáng)度測(cè)試納入礦山的日常生產(chǎn)工作任務(wù)后，可不斷補(bǔ)充礦山充填質(zhì)量控制效果的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，反饋得出礦山不同時(shí)期浮動(dòng)安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山采場(chǎng)充填體強(qiáng)度需求的浮動(dòng)優(yōu)化。當(dāng)?shù)V山充填系統(tǒng)穩(wěn)定性和充填質(zhì)量控制效果得到明顯改善時(shí)，會(huì)引起采場(chǎng)充填體芯樣強(qiáng)度平均值的提高和離散度的降低，通過(guò)取芯測(cè)試和數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算的浮動(dòng)安全系數(shù)相應(yīng)降低，礦山充填體實(shí)際強(qiáng)度需求便隨之減小，反之，如果充填系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，最終將反饋至后續(xù)實(shí)際強(qiáng)度需求設(shè)計(jì)指標(biāo)的提高。

3.5 采場(chǎng)充填體原位監(jiān)測(cè)方法

充填料漿一旦進(jìn)入采空區(qū)后，便開(kāi)始了“黑箱”養(yǎng)護(hù)階段，井下采場(chǎng)充填料漿在固結(jié)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，膠結(jié)充填體主要受溫度場(chǎng)(T)、滲流場(chǎng)(H)、應(yīng)力場(chǎng)(M)和化學(xué)場(chǎng)(C)共同作用(圖25)，影響充填料漿的流動(dòng)性以及充填體的穩(wěn)定性和耐久性[80]，進(jìn)而導(dǎo)致采場(chǎng)充填體原位強(qiáng)度分布離散，與設(shè)計(jì)強(qiáng)度相差較大，給充填礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大隱患。因此亟需對(duì)原位充填體(漿)中的熱-水-力-化多場(chǎng)性能參數(shù)(應(yīng)力、孔隙水壓力、基質(zhì)吸力、電導(dǎo)率、濕度、溫度等)實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而指導(dǎo)礦山精準(zhǔn)設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度，科學(xué)評(píng)價(jià)原位充填體的質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)金屬礦山原位充填體透明化工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[81]。

在膠結(jié)充填體多場(chǎng)性能耦合分析方面， GHIRIAN[52]利用試驗(yàn)揭示了膠結(jié)充填體的熱-水-力-化耦合作用規(guī)律。FALL和NASIR[82]通過(guò)對(duì)熱力學(xué)、化學(xué)、力學(xué)過(guò)程綜合分析得出了相關(guān)耦合模型，并應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。LIBOS等[83]發(fā)現(xiàn)溫度是充填體固化中的重要因素，溫度升高有助于排出充填體中的過(guò)量孔隙水并加速膠凝材料水化反應(yīng)，提升充填體強(qiáng)度。

在模擬采場(chǎng)環(huán)境的膠結(jié)充填體力學(xué)性能研究方面，F(xiàn)ANG和FALL等[84-86]揭示了原位充填體力學(xué)性能與同配比的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)充填體試樣力學(xué)性能差異問(wèn)題。YILMAZ等[87-88]設(shè)計(jì)研發(fā)了膠結(jié)充填體加壓養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，在相同配比情況下，加壓養(yǎng)護(hù)的充填體試樣強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)充填體試樣強(qiáng)度的1.2～2.8倍。ZHAO等[89]進(jìn)一步闡釋了膠結(jié)充填體受采場(chǎng)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)作用，內(nèi)部孔隙率降低，排出多余的孔隙水，促進(jìn)了充填體內(nèi)膠凝材料的水化過(guò)程，如圖26所示。

針對(duì)采場(chǎng)充填體的原位力學(xué)性能監(jiān)測(cè)方面，GRABINSKY等[50]在Cayeli礦的2個(gè)采場(chǎng)布置了原位監(jiān)測(cè)裝置，如圖27所示，揭示了膠結(jié)充填體在不同灰砂比條件下充填速率與內(nèi)部應(yīng)力之間的變化規(guī)律。魏曉明等[90]通過(guò)采用自主設(shè)計(jì)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)李樓鐵礦、甲瑪?shù)V和金廠河多金屬礦采場(chǎng)膠結(jié)充填體在全時(shí)序(充填階段、養(yǎng)護(hù)階段、承載階段)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，從而獲得充填體內(nèi)部三向應(yīng)力的時(shí)空演化規(guī)律。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

(1)充填采礦法是實(shí)現(xiàn)金屬礦綠色開(kāi)采發(fā)展的重要載體，先進(jìn)的充填采礦理論與技術(shù)創(chuàng)新是促進(jìn)礦產(chǎn)資源高效回采與最小環(huán)境影響的關(guān)鍵核心，也是降低礦山采充成本的必由之路。

(2)大規(guī)模高效率智能化連續(xù)充填采礦是未來(lái)金屬礦地下開(kāi)采技術(shù)的重要發(fā)展方向，大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V技術(shù)是實(shí)現(xiàn)厚大礦體大規(guī)模高效開(kāi)采的手段，下行式高分段連續(xù)充填采礦工藝是實(shí)現(xiàn)破碎礦體高效安全回采的變革工藝，也是替代分層/進(jìn)路充填采礦的創(chuàng)新技術(shù)。

(3)礦山充填工藝是金屬礦充填采礦技術(shù)的核心要素，充填系統(tǒng)充填料漿質(zhì)量濃度的穩(wěn)定性比充填濃度本身的高低更重要，穩(wěn)定可靠簡(jiǎn)單的工藝流程比復(fù)雜的自動(dòng)化控制更有效，應(yīng)加大礦山充填工藝創(chuàng)新。

(4)高效低成本充填創(chuàng)新產(chǎn)品是助推金屬礦山充填轉(zhuǎn)型發(fā)展的動(dòng)力引擎。國(guó)家應(yīng)大力發(fā)展綠色低碳充填新技術(shù)、新材料與新裝備，譬如研發(fā)250 m3/h以上的超大能力尾礦膏體充填系統(tǒng)，推廣應(yīng)用礦渣膠凝材料替代普通硅酸鹽水泥，使用金屬構(gòu)件裝配式充填擋墻替代傳統(tǒng)的混凝土擋墻等。

(5)金屬礦山膠結(jié)充填體物理力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度與井下采場(chǎng)充填體原位強(qiáng)度關(guān)聯(lián)模型尚未建立。應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展科學(xué)統(tǒng)一的充填體力學(xué)測(cè)試方法(譬如BGRIB充填體抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法[91])、構(gòu)建與采場(chǎng)原位充填體相匹配的強(qiáng)度模型，同時(shí)深入研究不同約束條件的充填體力學(xué)與巖體相互作用模式及相關(guān)力學(xué)模型，為礦山充填設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考依據(jù)。

(6)目前，我國(guó)金屬礦山充填采礦技術(shù)方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍不全，仍存在許多方面缺少標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)未細(xì)化、量化等問(wèn)題。建議國(guó)家相關(guān)部門加快健全完善金屬礦山充填采礦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以實(shí)現(xiàn)用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)礦山充填行業(yè)技術(shù)發(fā)展。