隨著深入建設(shè)綠色礦山的同時(shí)，我國(guó)也面臨著技術(shù)層面更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。國(guó)家已出臺(tái)多個(gè)政策，鼓勵(lì)和引導(dǎo)礦山充填技術(shù)采礦發(fā)展和應(yīng)用。

但伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)已探明的優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源接近枯竭，原材料總量供應(yīng)短缺，復(fù)雜低品位礦石資源或二次資源將逐步成為主體原料，對(duì)傳統(tǒng)的地質(zhì)、采礦、選礦、冶金、材料、加工、環(huán)境等科學(xué)技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)；同時(shí)，不少礦業(yè)企業(yè)開采深度增大，深部礦床開發(fā)固有的高應(yīng)力、高地壓、高地溫等特點(diǎn)逐漸顯露。

• 礦山采礦使用的膠結(jié)充填采礦技術(shù)、工藝及設(shè)備

（1）膠結(jié)充填采礦法由于在確保安全的情況下兼具環(huán)境保護(hù)和提高礦石回收率的雙重功效，充填工藝涉及礦山安全與經(jīng)濟(jì)效益，因此引起國(guó)內(nèi)外采礦界的廣泛關(guān)注，在有色、黃金等礦山得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，取得了不少研究成果。

膠結(jié)充填的主要難題是充填成本過(guò)高，膠結(jié)充填材料成本中，水泥費(fèi)用占將近60%-80%，因此降低膠結(jié)充填成本的一個(gè)重要途徑就是尋找水泥替代品，以降低水泥消耗。國(guó)內(nèi)外的研究及應(yīng)用實(shí)踐表明，冶煉廠水淬爐渣、火力發(fā)電廠粉煤灰、鋁廠赤泥，都是性能良好的水泥替代品。尤其是粉煤灰，除了可部分替代水泥降低充填成本外，還可以改善漿體流動(dòng)性能、提高漿體懸浮性，因此應(yīng)用更為廣泛。

（2）通過(guò)高水速凝全尾砂膠結(jié)充填新工藝試驗(yàn)，采用高水速凝材料，與全尾砂漿混合制成質(zhì)量濃度30%-70%的充填料漿，充入采場(chǎng)后，不需脫水，8h即可上設(shè)備作業(yè)。盡管所使用的高鋁型高水速凝材料還存在不足之處，但該材料基本解決了尾砂分級(jí)脫泥、井下脫排水、采場(chǎng)接頂?shù)燃夹g(shù)難題，為更好利用全尾砂充填開辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域，也為研制材料來(lái)源廣泛、成本較低、性能更好的新型高水速凝材料奠定了基礎(chǔ)。

（3）塊石膠結(jié)充填新工藝已得到推廣應(yīng)用。該工藝即井下掘進(jìn)廢石不出窿，直接充入采空區(qū)或采場(chǎng)，廢石與水泥砂漿交替下料，自然混合構(gòu)筑塊石膠結(jié)充填體，由于塊石與砂漿分開輸送，利用砂漿的穿透性固結(jié)塊石，無(wú)需攪拌，其充填體強(qiáng)度接近于混凝土膠結(jié)充填強(qiáng)度，與混凝土膠結(jié)充填相比，充填效率提高，工藝更為簡(jiǎn)單，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

（4）應(yīng)用分級(jí)尾砂管道水力輸送的充填工藝技術(shù)已相當(dāng)成熟。為解決分級(jí)尾砂脫泥后堆庫(kù)困難及尾砂分級(jí)工藝復(fù)雜的難題，近來(lái)不少礦山推廣了全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，但該工藝需用機(jī)械方法進(jìn)行濃縮、過(guò)濾，工藝復(fù)雜，成本較高。近年來(lái)，全尾砂膏體泵壓膠結(jié)充填工藝推動(dòng)了全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)的進(jìn)步，為尾砂產(chǎn)率低、充填料來(lái)源不足的礦山提供了成功的實(shí)例。

（5）添加化學(xué)外加劑是一種改善流體流動(dòng)性能的有效途徑，在混凝土工程中得到廣泛應(yīng)用。添加少量外加劑可以改善混凝土的工作性能，提高硬化混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能。

（6）管道自流輸送屬于典型的固-液兩相流。管道自流輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求對(duì)漿體的流動(dòng)性能、管道的阻力損失(水力坡度)等作出定量的分析計(jì)算。為滿足生產(chǎn)實(shí)際需求，國(guó)內(nèi)外對(duì)兩相流理論進(jìn)行了較深入的研究。根據(jù)不同的物料性質(zhì)及輸送條件，提出了各種水力坡度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，比較著名的如尤芬公式、紐偉特(Newitt)公式、卡爾斯公式等;根據(jù)漿體在管道中的懸浮狀態(tài)對(duì)漿體輸送性能的影響，提出了改善漿體流動(dòng)特性的途徑;充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的臨界管道直徑、臨界漿體流速、輸送能力等指標(biāo)都有比較可靠的計(jì)算方法。

• 礦山充填采礦技術(shù)、工藝、設(shè)備的研究與發(fā)展趨勢(shì)

1 充填材料

澳大利亞芒特艾薩礦塊石膏體充填研究的最新結(jié)果，提出了塊石膏體充填的設(shè)計(jì)原則。通過(guò)幾次大規(guī)模攪拌試驗(yàn)和自由落體試驗(yàn)表明，塊石膏體充填能形成均勻的充填體。塊石膏體充填料由分級(jí)尾砂膠結(jié)料漿與一定比例的塊石組成，表現(xiàn)出類似的粘結(jié)膏體特性。在平均添加水泥 1.5%～2%的條件下，抗壓強(qiáng)度超過(guò)1 Mpa。

加拿大Williams 礦使用了一種名為DELVO的穩(wěn)定劑，將其用于塊石膠結(jié)充填工藝中，結(jié)果是DELVO 穩(wěn)定劑有利于減少堵管現(xiàn)象，提高強(qiáng)度。使用此種穩(wěn)定劑后，地表攪拌桶的清洗次數(shù)也減少了45%。

南非Savuka 礦使用了BF98增塑劑，此增塑劑含有石膏，其作用是提高充填料濃度，降低水與細(xì)顆粒的損失。增塑劑還能保證在高濃度時(shí)提高流速，減少管道磨損與維護(hù)費(fèi)用。

美國(guó)Hecla 公司研究用Pozzlith344N等摻和劑降低充填膠凝劑的用量，改善充填料流動(dòng)性，其結(jié)果是節(jié)省 20%的水泥用量，不會(huì)影響充填料強(qiáng)度和流動(dòng)性。

2 充填體力學(xué)

加拿大蒙特利爾大學(xué)研究了一種測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)充填體應(yīng)力應(yīng)變新方法。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)鉆孔取樣與室內(nèi)模型試驗(yàn)相結(jié)合。新的方法是利用一套新的裝置，它能夠自行鉆孔，鉆頭內(nèi)安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，信號(hào)通過(guò)電纜傳回工作面，鉆頭刀具與傳感器之間有保護(hù)層，防止鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)傳感器產(chǎn)生干擾。平均鉆孔速度為 0.1 m/min，按每班 8 h 計(jì)算，每班可完成7 組數(shù)據(jù)的測(cè)量。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不影響采礦作業(yè)。

美國(guó)職業(yè)安全與健康研究院研究了幸運(yùn)星期五礦(Lucky Friday Mine)下向采場(chǎng)圍巖的相對(duì)位移、膠結(jié)充填載荷與鋼筋錨桿之間的相互作用。收集了8 個(gè)分層的數(shù)據(jù)，顯示出圍巖位移引起充填體變形，從而對(duì)充填體中垂直錨桿施加載荷。結(jié)果分析表明配有鋼筋錨桿的充填體支護(hù)系統(tǒng)是有效的。

俄羅斯Sergey N. Zhurin 進(jìn)行了井下排放尾砂的孔隙壓力控制試驗(yàn)。試該驗(yàn)是在 Gubkin鐵礦完成的，將含水超過(guò) 80%的尾砂漿泵送至兩個(gè)試驗(yàn)采場(chǎng)，觀測(cè)充填盤區(qū)內(nèi)的孔壓分布情況，同時(shí)也用數(shù)字 FEM 模型分析充填體內(nèi)的孔壓分布。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果揭示相鄰采場(chǎng)內(nèi)的孔壓不存在關(guān)聯(lián)，充填擋墻水壓主要取決于通過(guò)擋墻過(guò)濾網(wǎng)的速度。

南非對(duì)于現(xiàn)有充填設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)用于超深井采礦的研究，提出了新的充填設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建議60%～70%的采空區(qū)應(yīng)該充填。

3 膏體充填

澳大利亞芒特艾薩礦在開發(fā)膏體充填技術(shù)時(shí)，采用了兩個(gè)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)方法研究膏體特性，為膏體充填料攪拌設(shè)計(jì)提供幫助，即流動(dòng)錐試驗(yàn)和小坍落度錐試驗(yàn)。通過(guò)這些試驗(yàn)可預(yù)測(cè)膏體的流動(dòng)特性。流動(dòng)錐由一個(gè)錐體和一段出口管組成，錐體的錐角為14°、容積 2 L，出口管內(nèi)徑 30 mm，長(zhǎng) 150 mm，與錐體相連。小坍落度錐試驗(yàn)是借鑒建筑上標(biāo)準(zhǔn)的坍落度試驗(yàn)。資料顯示典型的膏體坍落度為 150～250 mm，混凝土的坍落度是30～60 mm，泵送混凝土的坍落度是100～125 mm。

澳大利亞柯林頓礦膏體充填系統(tǒng)在在投入運(yùn)行的前 18個(gè)月中，系統(tǒng)運(yùn)行不正常，出現(xiàn)的問(wèn)題大多與管道磨損有關(guān)，后來(lái)在易磨損地段采用陶瓷和橡膠襯墊，減少磨損，從而大大減少停運(yùn)時(shí)間。在充填開始時(shí)，制備兩批不添加水泥的料漿，充入管路，目的是浸濕管道，然后再添加水泥。在作業(yè)結(jié)束時(shí)，同樣充入2～3 批不加水泥的料漿，然后用水和空氣清洗管路。在地表安裝有空氣壓力表，用來(lái)確定管道是否清洗干凈。在開始送入空氣時(shí)，由于管道中有料漿和水，壓力達(dá)到700 kPa，此壓力值逐漸降低至200 kPa，此時(shí)管道中的料漿和水已清洗干凈。如果在20 min 內(nèi)膏體還沒(méi)有進(jìn)入管路，將進(jìn)行人工或自動(dòng)清洗管路。由于膏體是分批進(jìn)入管路，在井下管道中產(chǎn)生高的動(dòng)載荷，在前18 個(gè)月的運(yùn)行中，由于此動(dòng)載荷的作用，導(dǎo)致管道接頭處常常發(fā)生破壞，為此采取以下措施：采用knife-gate(gate knife 墁刀)型閥來(lái)限制流速，保證管道中的膏體形成半連續(xù)流;在易受高動(dòng)載荷作用處用法蘭盤代替企口管;降低膏體坍落度;在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b雙法蘭管。柯林頓礦制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)膏體的屈服應(yīng)力為800 Pa(大約固體濃度85%)，膏體能成功地充填。該礦是澳大利亞的礦山首次應(yīng)用膏體充填技術(shù)，取得了許多成功的經(jīng)驗(yàn)。

葡萄牙 Neves Corvo礦研究了膏體充填礦房的強(qiáng)度以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)值與現(xiàn)場(chǎng)值之間的關(guān)系。并研究了充填第二步驟礦房時(shí)膏體的液化問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，添加2%的水泥，膏體充填的液化可能性較小，而添加0.5%的水泥時(shí)，則液化可能性大，因此，一般是添加1%的水泥，以避免液化。最大限度地降低液化風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，28 天單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到 172 kPa，此時(shí)的水泥添加量約為1.5%，充填體自立高度可達(dá)到10 m。

加拿大 Brunswick 礦于 1997 年 7 月決定建設(shè)膏體充填系統(tǒng)，在此之前，完成了尾砂試驗(yàn)，環(huán)管輸送試驗(yàn)和預(yù)可行性研究。整個(gè)系統(tǒng)投資2410 萬(wàn)加元。充填站用一套可編程邏輯控制器(PLCS)混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和一套Fisher Provox分布控制系統(tǒng)(DCS)控制。PLCS處理數(shù)字信息，開啟電機(jī)和閥門的順序，而 DCS處理模擬信息，為操作人員提供界面。采用一個(gè)處理信息系統(tǒng)(PI)作為數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供感應(yīng)器走向，供充填站操作人員和技術(shù)人員作分析用。在充填管道出口處安裝 5 臺(tái)移動(dòng)攝像機(jī)監(jiān)控充填情況。視頻信號(hào)通過(guò)一套(Leaky feeder)通信系統(tǒng)和光纖送到地表充填站。如果充填料是經(jīng)過(guò)鉆孔進(jìn)入采場(chǎng)，則盡可能靠近出口安裝超聲波流量計(jì)，監(jiān)控充填情況。在井下管道中，安裝有18 個(gè)感應(yīng)器，連續(xù)監(jiān)測(cè)管路中的壓力，壓力信號(hào)通過(guò)井下PLCS 監(jiān)控，然后通過(guò)一條數(shù)據(jù)電纜和光纖網(wǎng)絡(luò)傳回地表充填站。系統(tǒng)還裝有一套(Leaky feeder)無(wú)線電通訊系統(tǒng)，用于語(yǔ)音通訊。Brunswick 礦的膏體攪拌采用葉片式攪拌機(jī)，連續(xù)作業(yè)，不同于傳統(tǒng)的分批攪拌方式。實(shí)踐證明，葉片式攪拌機(jī)工作可靠。水泥是濕式添加。

在可行性研究階段，試驗(yàn)結(jié)果是，固體重量含量81%～83%，相應(yīng)坍落度 178～254 mm，適合于制備和輸送。實(shí)際生產(chǎn)中，固體重量濃度為78%～80%。根據(jù)攪拌機(jī)的電流變化，可精確地添加水泥，坍落度保持在140～165 mm 之間。

日本介紹了Toyoha礦計(jì)劃引進(jìn)膏體充填技術(shù)，主要目的是阻止來(lái)自采空區(qū)的熱流，改善井下氣候。該礦井下溫度是日本諸島平均溫度的 10～20 倍，在鉆孔內(nèi)測(cè)的最高溫度達(dá)到242℃。該礦只完成地表環(huán)管試驗(yàn)，第二次試驗(yàn)計(jì)劃在井下進(jìn)行。

加拿大某礦山研究了膏體的流變特性與充填管網(wǎng)之間的相容性問(wèn)題，研究的結(jié)論是膏體充填出現(xiàn)的問(wèn)題來(lái)源于下列一個(gè)或多個(gè)方面，即管網(wǎng)設(shè)計(jì)，骨料級(jí)配設(shè)計(jì)，水灰比或生產(chǎn)過(guò)程。在設(shè)計(jì)階段能夠?qū)⑦@些問(wèn)題減少到最低程度。膏體的流變特性與管網(wǎng)不相容時(shí)，將產(chǎn)生大量的故障。在管網(wǎng)設(shè)計(jì)階段，管徑、骨料級(jí)配和水灰比確定了系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮系統(tǒng)的適應(yīng)性。應(yīng)該同時(shí)做強(qiáng)度和流變特性試驗(yàn)，不僅要滿足強(qiáng)度的要求，還要保證流變特性與管網(wǎng)相容。設(shè)計(jì)的基本原則并且必須做到的就是保證管網(wǎng)與膏體流變性相容。

4 充填設(shè)備與運(yùn)行

典型例子是充填設(shè)備對(duì)希臘 Stratoni礦高濃度充填的優(yōu)化。該礦位于希臘東北部，采用下向進(jìn)路充填法開采鉛、鋅礦體。由于輸送存在困難，造成充填體梁常常發(fā)生破壞。因此，依靠多添加水泥來(lái)解決，造成充填成本增加，而新建一個(gè)充填站，在經(jīng)濟(jì)上又不合理。解決的辦法是對(duì)現(xiàn)有充填系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并加以改造，大約只需要投資 3.5 萬(wàn)美元。水泥消耗占作業(yè)成本相當(dāng)大的比例，節(jié)省1%的水泥，礦山每年可節(jié)省 5 萬(wàn)美元。優(yōu)化措施包括將豎井內(nèi)的管徑改為100 mm，平巷內(nèi)的管徑改為125 mm ,以防止管道內(nèi)顆粒發(fā)生沉淀。此外，為了改善充填料稠度，在充填站內(nèi)增加控制設(shè)施，通過(guò)計(jì)量盤式攪拌機(jī)的電流控制料漿稠度，在充填系統(tǒng)上安裝有程序邏輯控制器(PLC)。

德國(guó)研究了先進(jìn)的充填設(shè)備減少或消除充填設(shè)備的磨損和腐蝕方法。充填管道主要采用玄武巖襯里鋼管，此種鋼管耐壓，管道用法蘭連接。內(nèi)襯防止磨損和腐蝕，提供幾乎是拋光的表面。

 澳大利亞Olympic Dam礦采用深孔空?qǐng)龇?，空區(qū)用碎石膠結(jié)充填以及塊石充填。充填料通過(guò)鉆孔從地表進(jìn)入采場(chǎng)頂部，由于采場(chǎng)粉塵和潮濕空氣的不利影響，肉眼不能觀察充填過(guò)程。為此研制一種毫米波雷達(dá)，用此雷達(dá)觀察充填過(guò)程，得到不同充填體相對(duì)位置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是一種控制采場(chǎng)充填的有效手段。

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