金属矿山固废充填研究现状与发展趋势

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 程海勇吴爱祥吴顺川朱加琦李红刘津牛永辉 Research status and development trend of solid waste backfill in metal mines CHENG Hai-yong.WU Ai-xiang.WU Shun-chuan,ZHU Jia-qi,LI Hong.LIU Jin,NIU Yong-hui 引用本文： 程海勇，吴爱祥，吴顺川，朱加琦，李红，刘津，牛永辉.金属矿山固废充填研究现状与发展趋势.工程科学学报，2022， 44(1:11-25.doi:10.13374j.issn2095-9389.2021.03.08.001 CHENG Hai-yong,WU Ai-xiang,WU Shun-chuan,ZHU Jia-qi,LI Hong,LIU Jin,NIU Yong-hui.Research status and development trend of solid waste backfill in metal mines[J].Chinese Journal of Engineering,2022,44(1):11-25.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2021.03.08.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2021.03.08.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金属矿深部开采现状与发展战略 Current status and development strategy of metal mines 工程科学学报.2019,41(4)：417 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.04.001 深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 Current status and future trends of deep mining safety mechanism and disaster prevention and control 工程科学学报.2017,398)：1129htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.08.001 中国膏体技术发展现状与趋势 Status and prospects of paste technology in China 工程科学学报.2018.40(5：517 https:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.001 地下金属矿山采掘作业计划优化模型 Optimization model of mining operation scheduling for underground metal mines 工程科学学报.2017,393：342 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.03.004 无人机遥感在矿业领域应用现状及发展态势 Current status and development trend of UAV remote sensing applications in the mining industry 工程科学学报.2020,42(9)：1085 https:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.12.18.003 中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 Analysis and application of in-situ stress in metal mining area of Chinese mainland 工程科学学报.2017,393：323htps:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.03.002

金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 程海勇 吴爱祥 吴顺川 朱加琦 李红 刘津 牛永辉 Research status and development trend of solid waste backfill in metal mines CHENG Hai-yong, WU Ai-xiang, WU Shun-chuan, ZHU Jia-qi, LI Hong, LIU Jin, NIU Yong-hui 引用本文: 程海勇, 吴爱祥, 吴顺川, 朱加琦, 李红, 刘津, 牛永辉. 金属矿山固废充填研究现状与发展趋势[J]. 工程科学学报, 2022, 44(1): 11-25. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.08.001 CHENG Hai-yong, WU Ai-xiang, WU Shun-chuan, ZHU Jia-qi, LI Hong, LIU Jin, NIU Yong-hui. Research status and development trend of solid waste backfill in metal mines[J]. Chinese Journal of Engineering, 2022, 44(1): 11-25. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.08.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.08.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金属矿深部开采现状与发展战略 Current status and development strategy of metal mines 工程科学学报. 2019, 41(4): 417 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.001 深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 Current status and future trends of deep mining safety mechanism and disaster prevention and control 工程科学学报. 2017, 39(8): 1129 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.001 中国膏体技术发展现状与趋势 Status and prospects of paste technology in China 工程科学学报. 2018, 40(5): 517 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.001 地下金属矿山采掘作业计划优化模型 Optimization model of mining operation scheduling for underground metal mines 工程科学学报. 2017, 39(3): 342 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.004 无人机遥感在矿业领域应用现状及发展态势 Current status and development trend of UAV remote sensing applications in the mining industry 工程科学学报. 2020, 42(9): 1085 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.18.003 中国大陆金属矿区实测地应力分析及应用 Analysis and application of in-situ stress in metal mining area of Chinese mainland 工程科学学报. 2017, 39(3): 323 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.002

工程科学学报.第44卷，第1期：11-25,2022年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.1:11-25,January 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.08.001;http://cje.ustb.edu.cn 金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 程海勇12)，吴爱祥，吴顺川12)四，朱加琦，李红，刘津)，牛永辉) 1)昆明理工大学国土资源工程学院，昆明6500932)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wushunchuan@ustb.edu.cn 摘要介绍了以膏体+多介质协同充填、同步充填和功能性充填为代表的新兴充填理念.系统阐述了以流变力学和固体力 学为主体的矿山充填力学架构，剖析了原位多场多因素扰动作用，并介绍了最新研发的充填体多场耦合监测系统.总结了全 尾砂深度浓密、固液混合搅拌以及长距离浆体输送等充填核心环节的发展特点及研究进展.分析了充填智能化发展的必要 性，梳理了充填领域涉及的智能化算法，提出了充填智能化未来发展思路.通过对矿山固废充填发展趋势分析，认为未来矿旷 山固废充填需要深度拓展绿色发展内涵，进一步探索模块化、规模化和智能化之路，积极融入并服务深地开采需求，充填采 矿法或将成为深部采矿和绿色采矿未来可期的唯一解决方案 关键词金属矿山：充填采矿方法：固体废弃物：绿色开采：智能采矿：深部开采 分类号TD853 Research status and development trend of solid waste backfill in metal mines CHENG Hai-yong2),WU Ai-xiang?,WU Shun-chuan,ZHU Jia-gi,LI Hong?,LIU Jin,NIU Yong-hui 1)Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China 2)Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wushunchuan @ustb.edu.cn ABSTRACT In China,solid waste backfill technology has been used in metal mines for more than half a century.It has been essential for comprehensive excavation and utilization of mineral resources,environmental protection,and engineering safety.The core concept of solid waste filling has not changed qualitatively despite the rapid development of mining technology from semi-mechanized and mechanized automation and intelligence.It is mainly used in mine tailings,waste rock,and other solid wastes to control the hazards of goaf and tailings reservoir from the source to treat waste and hazards.However,the quality requirements,degree of fine control,and intelligent allocation technology of solid waste filling are undergoing considerable changes.Furthermore,the design philosophy of modern backfill technology consider comprehensive realization of solid waste utilization,environment conservation,mined-out area disposal,resource recovery,and ground pressure control that require optimal backfill method,sufficient mechanical strength,and pumpable backfill slurry,using information technology,automatic technology,and equipment technology.Besides,new backfill concepts are introduced,such as collaborative paste and multimaterial,synchronous,and functional backfills.In this paper,the framework of backfill mechanics was described,relying on rheology and solid mechanics.The influences of in-situ multifield factors were analyzed based on the characteristics of the in-situ stope,introducing the latest multifield coupling monitoring system.More details about the development trend and research status of critical processes in the backfill,including deep thickening,mixing,and long-distance pipe transport,have been updated.We propose a picture for the future development of intelligent backfill based on the advantages of 收稿日期：2021-03-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52074137)：中国博士后科学基金资助项目(2020T130272):云南省青年基金资助项目 (202001AU070036):云南省创新团队资助项目(202105AE160023)

金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 程海勇1,2)，吴爱祥2)，吴顺川1,2) 苣，朱加琦1)，李    红2)，刘    津1)，牛永辉1) 1) 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093    2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: wushunchuan@ustb.edu.cn 摘    要    介绍了以膏体+多介质协同充填、同步充填和功能性充填为代表的新兴充填理念. 系统阐述了以流变力学和固体力 学为主体的矿山充填力学架构，剖析了原位多场多因素扰动作用，并介绍了最新研发的充填体多场耦合监测系统. 总结了全 尾砂深度浓密、固液混合搅拌以及长距离浆体输送等充填核心环节的发展特点及研究进展. 分析了充填智能化发展的必要 性，梳理了充填领域涉及的智能化算法，提出了充填智能化未来发展思路. 通过对矿山固废充填发展趋势分析，认为未来矿 山固废充填需要深度拓展绿色发展内涵，进一步探索模块化、规模化和智能化之路，积极融入并服务深地开采需求，充填采 矿法或将成为深部采矿和绿色采矿未来可期的唯一解决方案. 关键词    金属矿山；充填采矿方法；固体废弃物；绿色开采；智能采矿；深部开采 分类号    TD853 Research status and development trend of solid waste backfill in metal mines CHENG Hai-yong1,2) ，WU Ai-xiang2) ，WU Shun-chuan1,2) 苣 ，ZHU Jia-qi1) ，LI Hong2) ，LIU Jin1) ，NIU Yong-hui1) 1) Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 2) Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wushunchuan@ustb.edu.cn ABSTRACT    In China, solid waste backfill technology has been used in metal mines for more than half a century. It has been essential for comprehensive excavation and utilization of mineral resources, environmental protection, and engineering safety. The core concept of solid  waste  filling  has  not  changed  qualitatively  despite  the  rapid  development  of  mining  technology  from  semi-mechanized  and mechanized automation and intelligence. It is mainly used in mine tailings, waste rock, and other solid wastes to control the hazards of goaf and tailings reservoir from the source to treat waste and hazards. However, the quality requirements, degree of fine control, and intelligent  allocation  technology  of  solid  waste  filling  are  undergoing  considerable  changes.  Furthermore,  the  design  philosophy  of modern  backfill  technology  consider  comprehensive  realization  of  solid  waste  utilization,  environment  conservation,  mined-out  area disposal,  resource  recovery,  and  ground  pressure  control  that  require  optimal  backfill  method,  sufficient  mechanical  strength,  and pumpable  backfill  slurry,  using  information  technology,  automatic  technology,  and  equipment  technology.  Besides,  new  backfill concepts  are  introduced,  such  as  collaborative  paste  and  multimaterial,  synchronous,  and  functional  backfills.  In  this  paper,  the framework of backfill mechanics was described, relying on rheology and solid mechanics. The influences of in-situ multifield factors were analyzed based on the characteristics of the in-situ stope, introducing the latest multifield coupling monitoring system. More details about the development trend and research status of critical processes in the backfill, including deep thickening, mixing, and long-distance pipe transport, have been updated. We propose a picture for the future development of intelligent backfill based on the advantages of 收稿日期: 2021−03−07 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 （ 52074137） ；中国博士后科学基金资助项目 （ 2020T130272） ；云南省青年基金资助项目 （202001AU070036）；云南省创新团队资助项目（202105AE160023） 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期：11−25，2022 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 1: 11−25, January 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.08.001; http://cje.ustb.edu.cn

12 工程科学学报，第44卷，第1期 intelligent backfill and performance of intelligent algorithms in the backfill field.In terms of the future trend of solid waste backfill,we feel that it can enrich green mining,explore the realization of modular,scale,and intelligent backfill,and actively examine and serve the needs of deep mining.Thus,the backfill method appears as the optimal choice for deep mining and green mining. KEY WORDS metal mine;filling mining method;solid waste;green mining;intelligent mining;deep mining 中国矿业的强劲开发为中国经济的高速发展 公示的《2017年国家先进污染防治技术目录（固体 提供了原始动力，同时受开发水平和经济条件制 废物处理处置领域)》中将“矿山采空区尾矿膏体 约，在环境、安全等方面付出了巨大代价.我国由 充填技术”列为示范技术.充填技术以“一充治 于采选形成的尾砂积存量达到了146亿吨，侵占 三废，一废治两害”的思路创造性的将矿山固体 土地面积8700km2,相当于4个深圳市面积；矿山 废弃物高效利用，消除尾矿库并治理采空区，形成 污水排放量超过100亿ta,造成了江河流域性污 了高回收率、低贫化率的采矿方法，在深部地应 染，导致大面积粮食重金属超标 力控制、环境污染防治方面形成了独特优势，被加 随着国家“绿水青山”理念的提出与实践，由 拿大矿业协会列为矿业工业领域100项重要创新 粗放式开采引发的环境和安全问题正得到逐步解 之一 决川2018年，自然资源部发布《有色金属行业绿 1充填采矿发展现状 色矿山建设规范》等9项行业标准，标志着我国绿 色矿山建设进入了“有法可依”的新阶段.2019年， 1.1充填采矿发展历史 根据遥感监测数据统计，全国新增矿山恢复治理 充填采矿法已有半个多世纪的发展历史，最 面积已达到4.8×10°hm22020年，自然资源部将 初以简单处理废石等矿山固体废弃物为目的，逐 沙溪铜矿等555家矿山纳入全国绿色矿山名录， 渐发展为一种控制地压、改善采矿环境、降低贫 全国绿色矿山数量达到953家 损指标、形成完整回采工艺的综合性技术 金属矿绿色矿山建设的重要内涵是尾矿不人 按照充填材料和充填方式的不同，充填采矿 库、废石不出坑，废水不外流.充填采矿法是国家 经历了干式充填、水砂充填、低浓度胶结充填、高 绿色矿山建设和无废矿山建设的重要手段和支撑 浓度充填、膏体充填等阶段，每一个发展阶段都有 技术)工信部于2017年1月已明确指出（工信部 着其特殊的时代特征和技术特点，如图1所示.不 原〔2017)10号)：十三五期间，应当重点加强尾渣 仅在惰性材料方面有所发展，在新型胶凝材料研 膏体充填技术的研究工作.2017年12月，环保部 发、使用等方面也进行了诸多尝试和探索 Dry filling L-conc cemented filling Tailings cemented filling H-conc cemented filling Sand filling Tailings+multi-material Paste-like filling cemented filling Hydraulic filling Paste cemented filling New cementing material cemented filling 图1充填采矿技术演化历程 Fig.1 Evolution of backfill mining technology 20世纪40年代以前，很多矿山在不了解充填 水砂充填是将尾砂、炉渣、碎石等充填料以固- 材料性质和使用效果的情况下将矿山废料填入采 液两相流的方式输送到井下采空区，本质上没有 空区、处理废石，并逐渐发展为一种地压控制方 改善充填功能，但改变了传统的输送方式，是充填 法.1864年，美国宾夕法尼亚州一煤矿为保护教堂 采矿技术的一次大胆尝试，为后续充填技术的发 基础首次采用了水砂充填.1909年，南非韦特瓦特 展提供了创新平台，促进了充填采矿技术的繁荣 斯兰、澳大利亚北莱尔矿相继开展了水砂充填 发展.20世纪初，美国和加拿大发展了基于分级 我国在20世纪50年代有50%的有色金属矿山采 尾砂的水砂充填工艺，在悬浮液输送固体物料、水 用干式充填采矿法 力旋流器脱泥等方面取得了突破阿

intelligent backfill and performance of intelligent algorithms in the backfill field. In terms of the future trend of solid waste backfill, we feel that it can enrich green mining, explore the realization of modular, scale, and intelligent backfill, and actively examine and serve the needs of deep mining. Thus, the backfill method appears as the optimal choice for deep mining and green mining. KEY WORDS    metal mine；filling mining method；solid waste；green mining；intelligent mining；deep mining 中国矿业的强劲开发为中国经济的高速发展 提供了原始动力，同时受开发水平和经济条件制 约，在环境、安全等方面付出了巨大代价. 我国由 于采选形成的尾砂积存量达到了 146 亿吨，侵占 土地面积 8700 km2 ，相当于 4 个深圳市面积；矿山 污水排放量超过 100 亿 t·a−1，造成了江河流域性污 染，导致大面积粮食重金属超标. 随着国家“绿水青山”理念的提出与实践，由 粗放式开采引发的环境和安全问题正得到逐步解 决[1] . 2018 年，自然资源部发布《有色金属行业绿 色矿山建设规范》等 9 项行业标准，标志着我国绿 色矿山建设进入了“有法可依”的新阶段. 2019 年， 根据遥感监测数据统计，全国新增矿山恢复治理 面积已达到 4.8×104 hm2[2] . 2020 年，自然资源部将 沙溪铜矿等 555 家矿山纳入全国绿色矿山名录， 全国绿色矿山数量达到 953 家. 金属矿绿色矿山建设的重要内涵是尾矿不入 库、废石不出坑，废水不外流. 充填采矿法是国家 绿色矿山建设和无废矿山建设的重要手段和支撑 技术[3] . 工信部于 2017 年 1 月已明确指出 (工信部 原〔2017〕10 号)：十三五期间，应当重点加强尾渣 膏体充填技术的研究工作. 2017 年 12 月，环保部 公示的《2017 年国家先进污染防治技术目录（固体 废物处理处置领域）》中将“矿山采空区尾矿膏体 充填技术”列为示范技术. 充填技术以“一充治 三废，一废治两害”的思路创造性的将矿山固体 废弃物高效利用，消除尾矿库并治理采空区，形成 了高回收率、低贫化率的采矿方法[4] ，在深部地应 力控制、环境污染防治方面形成了独特优势，被加 拿大矿业协会列为矿业工业领域 100 项重要创新 之一. 1    充填采矿发展现状 1.1    充填采矿发展历史 充填采矿法已有半个多世纪的发展历史，最 初以简单处理废石等矿山固体废弃物为目的，逐 渐发展为一种控制地压、改善采矿环境、降低贫 损指标、形成完整回采工艺的综合性技术. 按照充填材料和充填方式的不同，充填采矿 经历了干式充填、水砂充填、低浓度胶结充填、高 浓度充填、膏体充填等阶段，每一个发展阶段都有 着其特殊的时代特征和技术特点，如图 1 所示. 不 仅在惰性材料方面有所发展，在新型胶凝材料研 发、使用等方面也进行了诸多尝试和探索. Hydraulic filling Dry filling Sand filling L-conc cemented filling Tailings cemented filling Tailings+multi-material cemented filling New cementing material cemented filling H-conc cemented filling Paste-like filling Paste cemented filling 图 1    充填采矿技术演化历程 Fig.1    Evolution of backfill mining technology 20 世纪 40 年代以前，很多矿山在不了解充填 材料性质和使用效果的情况下将矿山废料填入采 空区、处理废石，并逐渐发展为一种地压控制方 法. 1864 年，美国宾夕法尼亚州一煤矿为保护教堂 基础首次采用了水砂充填. 1909 年，南非韦特瓦特 斯兰、澳大利亚北莱尔矿相继开展了水砂充填. 我国在 20 世纪 50 年代有 50% 的有色金属矿山采 用干式充填采矿法. 水砂充填是将尾砂、炉渣、碎石等充填料以固‒ 液两相流的方式输送到井下采空区，本质上没有 改善充填功能，但改变了传统的输送方式，是充填 采矿技术的一次大胆尝试，为后续充填技术的发 展提供了创新平台，促进了充填采矿技术的繁荣 发展. 20 世纪初，美国和加拿大发展了基于分级 尾砂的水砂充填工艺，在悬浮液输送固体物料、水 力旋流器脱泥等方面取得了突破[5] . · 12 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期

程海勇等：金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 13 胶结充填一般是将尾砂、废石等多种惰性材 1.2充填采矿设计理念与技术革新 料与水泥等胶凝材料混合制备成充填料浆，输送 充填采矿设计理念与技术的革新长期伴随着 至井下采空区，形成具有一定强度和整体性的充 国家政策调整、经济状况改善、安全意识提高、环 填体，实现预定的充填功能.胶结充填扩展了充填 保需求提升、工业基础增强和科技水平进步等不 的采矿功能，是采矿工艺发展的新阶段.1962年加 断发展.近年来，充填采矿技术得到了极大推广， 拿大Food矿首次采用尾砂和水泥开展了胶结充 也进一步倒逼了充填理念、充填理论和充填技术 填.1968年凡口铅锌矿试验成功了基于卧式砂仓 的发展.吴爱祥、周爱民等认为，在理想条件下， 的分级尾砂胶结充填 充填采矿法可达到回采率高、产废率低、矿区环 高浓度胶结充填、似音体胶结充填和膏体胶 境损伤微小、无尾矿库和无废石场的目标.现代 结充填本质上是不同发展阶段对同一理想目标的 充填设计理念与技术路线如图3所示 不同表述，在料浆流动性、可塑性和稳定性方面具 在充填采矿方法设计过程中，首先根据工程 有相似的考察指标.主要是通过将多尺度的惰性 要求确定合理的预期目标，主要包括固废利用、改 材料、胶凝材料、改性材料进行混合搅拌，制备出 善强度、空区处置、资源回收、控制地压等，在充 高质量浆体，输送到井下采空区，以安全、环保、 填采矿设计时一般需要综合考虑一个或多个目 经济、高效为目标，实现预定充填功能.1977年， 标，并建立与经济成本、工程安全、系统效率相关 金川镍矿试验了-3mm棒磨砂加水泥的高浓度胶 联的综合化方案.固废利用主要指采选冶形成的 结充填工艺，并成功进行了工程应用.同年，坎宁 尾砂、废石、炉渣等固体废弃物的处理利用，近年 顿矿建成了澳大利亚首座膏体充填站.20世纪 来多所大型城市正在探索城市垃圾深埋充填的资 80年代初，德国巴德格隆德铅锌矿成功试验了膏 源化利用 体泵压输送充填系统.1996年，我国金川镍矿采用 其次利用信息技术、自控技术和装备技术实 立式砂仓+皮带过滤机+柱塞泵组合，建成了国内 现充填材料的精细化配比、充填过程的自动化控 第一套音体充填系统，初步实现了尾砂、废水的利 制和充填参数的即时化反馈.这一过程伴随着科 用.2006年，我国会泽铅锌矿建成了国内第一座基 技的发展在不断调整优化.通过集散控制系统 于深锥浓密的全尾砂膏体充填系统，充填质量分 (DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)或DCS+PLC混 数达到了79%~81%，输送距离5188m.2014年， 合式控制系统，借助自动化设备、仪器、仪表对放 伽师铜矿采用深锥浓密机+两级卧式搅拌+柱塞泵 砂质量、配比质量、搅拌质量、输送质量和采场充 组合，膏体质量分数达78%~80%.首创了高泥高 填质量全链条控制、联锁启停，避免人为监测、矫 黏膏体充填技术，同时实现了设备国产化示范.近 正带来的随机性与滞后效应. 年来，膏体技术迅猛发展，据不完全统计，1996一 最后在充填效果方面，最终目标是满足充填 2017年间，国内采用膏体技术的矿山共244座，如 采矿方法的宏观需求，实现不同工艺下的人机行 图2所示. 走、自立支撑、高强护顶等功能，形成安全、连 35 续、高效的回采工序，这对强度的稳定发挥提出 ☐Paste storage mine 330 Paste filled coal mine 了苛刻要求.由于充填料浆在井下受到热-水-力- Paste filling of the metal 化多场、多因素综合作用，同时料浆在采场流动、 固结过程中存在分层离析等行为，在水平和竖直 20 方向均存在强度分布紊动现象，沿深度强度差值 15 可达11倍之巨，如图4所示，充填体强度控制困 10 难，以调控充填质量分数、改善级配结构为主线， 综合平衡充填料浆的流动性、稳定性和可塑性，制 备优质的充填料浆成为了充填设计中最基础、最 有效和最关键的技术问题 e 近年来，随着矿业可持续发展理念的不断深 Year 化，新兴的充填理念更迭涌现，朝着高效利用资 图2膏体技术在中国应用矿山数量统计(1996一2017年) Fig.2 Number of mines applying paste technology in China 源、有效保护环境、有序修复生态、减少三废排放 (1996-2017) 和安全高效节能的新阶段迈进.较为典型的包括

胶结充填一般是将尾砂、废石等多种惰性材 料与水泥等胶凝材料混合制备成充填料浆，输送 至井下采空区，形成具有一定强度和整体性的充 填体，实现预定的充填功能. 胶结充填扩展了充填 的采矿功能，是采矿工艺发展的新阶段. 1962 年加 拿大 Food 矿首次采用尾砂和水泥开展了胶结充 填. 1968 年凡口铅锌矿试验成功了基于卧式砂仓 的分级尾砂胶结充填. 高浓度胶结充填、似膏体胶结充填和膏体胶 结充填本质上是不同发展阶段对同一理想目标的 不同表述，在料浆流动性、可塑性和稳定性方面具 有相似的考察指标. 主要是通过将多尺度的惰性 材料、胶凝材料、改性材料进行混合搅拌，制备出 高质量浆体，输送到井下采空区，以安全、环保、 经济、高效为目标，实现预定充填功能. 1977 年， 金川镍矿试验了−3 mm 棒磨砂加水泥的高浓度胶 结充填工艺，并成功进行了工程应用. 同年，坎宁 顿矿建成了澳大利亚首座膏体充填站. 20 世纪 80 年代初，德国巴德·格隆德铅锌矿成功试验了膏 体泵压输送充填系统. 1996 年，我国金川镍矿采用 立式砂仓+皮带过滤机+柱塞泵组合，建成了国内 第一套膏体充填系统，初步实现了尾砂、废水的利 用. 2006 年，我国会泽铅锌矿建成了国内第一座基 于深锥浓密的全尾砂膏体充填系统，充填质量分 数达到了 79%～81%，输送距离 5188 m. 2014 年 ， 伽师铜矿采用深锥浓密机+两级卧式搅拌+柱塞泵 组合，膏体质量分数达 78%～80%，首创了高泥高 黏膏体充填技术，同时实现了设备国产化示范. 近 年来，膏体技术迅猛发展，据不完全统计，1996— 2017 年间，国内采用膏体技术的矿山共 244 座，如 图 2 所示. 1 3 1 1 2 1 2 5 12 15 17 19 22 20 18 16 10 1 4 2 6 8 10 4 4 6 8 6 8 2 3 1 1 1 2 2 0 5 10 15 20 25 30 35 Paste technology number of mines Year Paste storage mine Paste filled coal mine Paste filling of the metal 1996 1999 2000 2002 2004 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 图 2    膏体技术在中国应用矿山数量统计（1996—2017 年） Fig.2     Number  of  mines  applying  paste  technology  in  China (1996—2017) 1.2    充填采矿设计理念与技术革新 充填采矿设计理念与技术的革新长期伴随着 国家政策调整、经济状况改善、安全意识提高、环 保需求提升、工业基础增强和科技水平进步等不 断发展. 近年来，充填采矿技术得到了极大推广， 也进一步倒逼了充填理念、充填理论和充填技术 的发展. 吴爱祥、周爱民等认为，在理想条件下， 充填采矿法可达到回采率高、产废率低、矿区环 境损伤微小、无尾矿库和无废石场的目标. 现代 充填设计理念与技术路线如图 3 所示. 在充填采矿方法设计过程中，首先根据工程 要求确定合理的预期目标，主要包括固废利用、改 善强度、空区处置、资源回收、控制地压等，在充 填采矿设计时一般需要综合考虑一个或多个目 标，并建立与经济成本、工程安全、系统效率相关 联的综合化方案. 固废利用主要指采选冶形成的 尾砂、废石、炉渣等固体废弃物的处理利用，近年 来多所大型城市正在探索城市垃圾深埋充填的资 源化利用. 其次利用信息技术、自控技术和装备技术实 现充填材料的精细化配比、充填过程的自动化控 制和充填参数的即时化反馈. 这一过程伴随着科 技的发展在不断调整优化. 通过集散控制系统 (DCS)、可编程逻辑控制器 (PLC) 或 DCS+PLC 混 合式控制系统，借助自动化设备、仪器、仪表对放 砂质量、配比质量、搅拌质量、输送质量和采场充 填质量全链条控制、联锁启停，避免人为监测、矫 正带来的随机性与滞后效应. 最后在充填效果方面，最终目标是满足充填 采矿方法的宏观需求，实现不同工艺下的人机行 走、自立支撑、高强护顶等功能，形成安全、连 续、高效的回采工序. 这对强度的稳定发挥提出 了苛刻要求. 由于充填料浆在井下受到热‒水‒力‒ 化多场、多因素综合作用，同时料浆在采场流动、 固结过程中存在分层离析等行为，在水平和竖直 方向均存在强度分布紊动现象，沿深度强度差值 可达 11 倍之巨，如图 4 所示，充填体强度控制困 难. 以调控充填质量分数、改善级配结构为主线， 综合平衡充填料浆的流动性、稳定性和可塑性，制 备优质的充填料浆成为了充填设计中最基础、最 有效和最关键的技术问题. 近年来，随着矿业可持续发展理念的不断深 化，新兴的充填理念更迭涌现，朝着高效利用资 源、有效保护环境、有序修复生态、减少三废排放 和安全高效节能的新阶段迈进. 较为典型的包括 程海勇等： 金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 · 13 ·

14 工程科学学报，第44卷，第1期 Target Technology Effect Solid waste utilization Refinement filling Refinement proportioning method Environmental protection 年 Mined-out area treatment Automatic control Sufficient strength Resource recovery Excellent slurry Earth pressure control Real-time feedback preparation Information technology Automation technology Equipment technology Three-layer o network 图3现代充填设计理念与技术路线 Fig.3 Modem backfilling design concept 10 10 2.0 (a)Vertical height 0.8 m (b) i.8 (c) -7#Room 9 8 1.6 ◆9#Room 1. Vertrical height 0.3 m 12 Vertrical height 1.3m 1. 0.8 6 4321 0.6 0.4 Vertrical height 1.8 m 0.2 0 0 024681012141618 1001020304050607080 Approach direction/m Depth/m Depth/m 图4充填采场强度分布不规则性.()某进路式：(b)某分段式：(c)某空场嗣后 Fig4 Irregularity of strength distribution in backfilling stope:(a)a stope with drift filling(b)asublevel filling stope:(c)an open stope with subsequent filling “膏体+多介质协同充填”理念、“同步充填”理念 采阶段，采用六角形全断面一次性回采：在充填阶 和“功能性充填”理念等 段，将六角形断面沿水平半腰线划分为上、下两部 (1)膏体+多介质协同充填理念 分，下部的倒梯形断面中采用多介质充填，上部梯 音体+多介质协同充填是充填采矿法在绿色 形断面中采用膏体进行充填，六角形采矿进路形 生态与工程安全综合要求下的理念革新.膏体主 成交错布置局面，膏体与多介质呈蜂窝状镶嵌组 要由矿山尾砂、矿山废石、水泥等材料制备，能够 合结构.该方法在经济、环保、安全等方面形成了 形成高强度结构，起到有效承压作用.多介质主要 综合优势 采用廉价的矿山废石、工业固废、城市建筑垃圾 (2)同步充填理念 等散体材料制备，在采场中具有松散孔隙，可有效 同步充填基本理念是在采空区空间尚未全部 吸收采场高应力，起到有效让压作用.具有深部安 释放时，将采空区部分空间先行作为转换空间，将 全适应性和经济成本低廉性.基于该理念提出的 充填工序前移至采场出矿工序环节同步实施该 高地应力环境低成本采矿方法如图5所示.在回 理念深化了协同开采的内涵，激发了采矿工艺的

“膏体+多介质协同充填”理念、“同步充填”理念 和“功能性充填”理念等. （1）膏体+多介质协同充填理念. 膏体+多介质协同充填是充填采矿法在绿色 生态与工程安全综合要求下的理念革新. 膏体主 要由矿山尾砂、矿山废石、水泥等材料制备，能够 形成高强度结构，起到有效承压作用. 多介质主要 采用廉价的矿山废石、工业固废、城市建筑垃圾 等散体材料制备，在采场中具有松散孔隙，可有效 吸收采场高应力，起到有效让压作用. 具有深部安 全适应性和经济成本低廉性. 基于该理念提出的 高地应力环境低成本采矿方法如图 5 所示. 在回 采阶段，采用六角形全断面一次性回采；在充填阶 段，将六角形断面沿水平半腰线划分为上、下两部 分，下部的倒梯形断面中采用多介质充填，上部梯 形断面中采用膏体进行充填，六角形采矿进路形 成交错布置局面，膏体与多介质呈蜂窝状镶嵌组 合结构. 该方法在经济、环保、安全等方面形成了 综合优势. （2）同步充填理念. 同步充填基本理念是在采空区空间尚未全部 释放时，将采空区部分空间先行作为转换空间，将 充填工序前移至采场出矿工序环节同步实施[6] . 该 理念深化了协同开采的内涵，激发了采矿工艺的 Target Technology Effect Solid waste utilization Environmental protection Mined-out area treatment Resource recovery Earth pressure control Refinement proportioning Automatic control Real-time feedback Refinement filling method Sufficient strength Excellent slurry preparation Information technology Automation technology Equipment technology Three-layer network Fiber etherent Wireless AP network Wireless mesh network Mining intelligent equipment Wireless mesh network Wireless signal coverage Pert-wireless base station Network switch Underground optical fiber ring network Central control system Handbeld terminal Vabiela terminal Finced wireless base station 图 3    现代充填设计理念与技术路线 Fig.3    Modern backfilling design concept 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 4 5 6 7 8 9 10 Strength/MPa Approach direction/m Vertical height 0.8 m Vertrical height 0.3 m Vertrical height 1.3 m Vertrical height 1.8 m −10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Strength/MPa Depth/m 7# Room 9# Room 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Depth/m Strength/MPa 5.3 10.1 11.3 12.5 13.7 14.8 6.5 7.1 8.9 (a) (b) (c) 图 4    充填采场强度分布不规则性. （a）某进路式；（b）某分段式；（c）某空场嗣后 Fig.4    Irregularity of strength distribution in backfilling stope: (a) a stope with drift filling; (b) a sublevel filling stope; (c) an open stope with subsequent filling · 14 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期

程海勇等：金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 15 11 2 Stoping drifts Ore body -12 Paste Waste rock -4 5 图5基于膏体+多介质协同充填的高地应力环境低成本采矿方法 10 Fig.5 Low-cost mining method in high geostress environment based on ☑ paste multimedium collaborative filling 变革发展.基于该理念提出的大量放矿同步充填 1-Return air roadway:2-Top pillar:3-Patio:4-Liaison road; 无顶柱留矿采矿法，能够防止围岩大量片落，控制 5-Intercolumn:6-Retained ore;7-Bottom pillar;8-Funnel; 9-Stage transport drift;10-Unmapped stone:11-Filling material; 矿石贫化率和损失率，限制地表沉陷；同时促进了 12-Isolation layer 放矿学理论的新发展，如图6所示 图6大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿法示意 (3)功能性充填理念. Fig.6 Schematic of the mining method of large amount drawing with 功能性充填是在满足结构性充填的基础上， synchronous filling without top column 具有载冷、蓄热、储能、资源储备、核废弃物堆存 性充填3种基本类别例，如图7所示.矿山功能性 等拓展功能的矿山充填技术⑧.根据充填材料实现 充填以深地矿床-地热协同开采、井下空区再利用 效能的不同，可将功能性充填划分为载冷蓄冷功 等为着眼点，拓展了传统矿山充填功能，为生产矿 能性充填、蓄热/释热功能性充填以及储库式功能 山或废弃矿山转型升级提供新路径 Voltage regulation equipment Cool Mixture pumps Cool Tanker Tanker Ice Soil layer Stabilized pressure Liquid Liquid pipeline Phase change colling release of filling slury Delivery line Deposit layer Pressure sensor Load cold function Filling Filling body Filling body Dil storage body Heat exchange tube Deposit layer Functional repository features Water separator Manifold Heat storage function 图7功能性充填基本类别 Fig.7 Basic categories of functional filling 2矿山固废充填力学 矿工程师手册》将充填采矿法分为分层充填法、进 路充填法、壁式充填法、削壁充填法、分段充填法 2.1充填采矿法与充填力学 和嗣后充填法6大类.随着充填功能的不断细化， 1987版《采矿手册》将充填采矿方法分为垂直 充填采矿方法的范围也在逐渐扩展，按方向可划 分条充填采矿法、上向分层充填采矿法、上向进 分为上向式、下向式、倾斜式：按空区体积可划分 路充填采矿法、下向分层充填采矿法、方框支架 为进路式、分层式、分段式：按充填时序可与空场 充填采矿法及削壁充填采矿法6大类.2009版《采 法结合形成嗣后充填，包括分段空场嗣后充填、阶

变革发展. 基于该理念提出的大量放矿同步充填 无顶柱留矿采矿法，能够防止围岩大量片落，控制 矿石贫化率和损失率，限制地表沉陷；同时促进了 放矿学理论的新发展，如图 6 所示[7] . （3）功能性充填理念. 功能性充填是在满足结构性充填的基础上， 具有载冷、蓄热、储能、资源储备、核废弃物堆存 等拓展功能的矿山充填技术[8] . 根据充填材料实现 效能的不同，可将功能性充填划分为载冷/蓄冷功 能性充填、蓄热/释热功能性充填以及储库式功能 性充填 3 种基本类别[9] ，如图 7 所示. 矿山功能性 充填以深地矿床‒地热协同开采、井下空区再利用 等为着眼点，拓展了传统矿山充填功能，为生产矿 山或废弃矿山转型升级提供新路径. Heat storage function Functional repository features Filling body Heat exchange tube Manifold Water separator Pressure sensor Stabilized pressure pipeline Soil layer Delivery line Mixture pumps Tanker Voltage regulation equipment Deposit layer Filling body Filling Deposit layer Cool Cool Ice Ice Liquid Liquid Load cold function Tanker Phase change colling release of filling slurry Oil storage body 图 7    功能性充填基本类别 Fig.7    Basic categories of functional filling 2    矿山固废充填力学 2.1    充填采矿法与充填力学 1987 版《采矿手册》将充填采矿方法分为垂直 分条充填采矿法、上向分层充填采矿法、上向进 路充填采矿法、下向分层充填采矿法、方框支架 充填采矿法及削壁充填采矿法 6 大类. 2009 版《采 矿工程师手册》将充填采矿法分为分层充填法、进 路充填法、壁式充填法、削壁充填法、分段充填法 和嗣后充填法 6 大类. 随着充填功能的不断细化， 充填采矿方法的范围也在逐渐扩展，按方向可划 分为上向式、下向式、倾斜式；按空区体积可划分 为进路式、分层式、分段式；按充填时序可与空场 法结合形成嗣后充填，包括分段空场嗣后充填、阶 Stoping drifts Paste Ore body Waste rock 图 5    基于膏体+多介质协同充填的高地应力环境低成本采矿方法 Fig.5    Low-cost mining method in high geostress environment based on paste + multimedium collaborative filling 1 11 2 3 4 5 10 12 9 8 7 6 Ⅰ Ⅰ 1—Return air roadway；2—Top pillar；3—Patio；4—Liaison road； 5—Intercolumn；6—Retained ore；7—Bottom pillar；8—Funnel； 9—Stage transport drift；10—Unmapped stone；11—Filling material； 12—Isolation layer 图 6    大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿法示意 Fig.6    Schematic of the mining method of large amount drawing with synchronous filling without top column 程海勇等： 金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 · 15 ·

16 工程科学学报，第44卷，第1期 段空场嗣后充填、垂直深孔落矿阶段矿房(VCR) 假顶充填体单轴抗压强度不应小于3MPa:嗣后充 嗣后充填等 填时，当充填体需要为相邻矿块提供出矿通道或 不同的充填采矿方法在综合成本方面具有较 底柱需要回收时，充填体底部应采用高灰砂比胶 大差异，阶段空场嗣后充填采矿法成本一般在 结充填，充填体强度应大于5MPa.在国外，仅进 100元t左右，上向水平分层充填采矿法综合成 行空区处置时，充填体早期单轴抗压强度一般要 本在175~200元t,下向水平分层充填采矿法的 达到150~300kPa;当作为矿柱回采支撑时，28d 综合成本达到了400元.开采成本不仅决定于 单轴抗压强度要大于1MPa;当充填体作为顶板支 开采效率与开采产能，与充填强度设计也存在较 撑时，单轴抗压强度要大于4MPao 大关联 矿山充填不仅涉及充填体与围岩的相互作用 《有色金属采矿设计规范》(GB50771一2012) 关系，还涉及充填料浆制备、输送与采场流动等问 中规定：采用低强度上向水平分层胶结充填时，每 题，与岩石力学、流体力学、流变力学、弹塑性力 分层充填面上宜铺设厚度不小于0.3m、强度不低 学等学科密切相关.矿山充填力学研究框架如 于3MPa胶结充填体；下向分层充填采矿法，分层 图8所示山 Physical and Mechanical Effects mechanical strength of properties additives Study on geotechnical mechanics of Study on mechanical properties mining site stability by filling mining of filling materials method Ore body characteristics and filling mining method categories Geomechanical study of mining Study on fluid mechanics of nr filling slurry transportation Study on interaction between filling body and surrounding rock Two-phase flow Paste study on study on fluid rheological mechanics mechanics 图8矿山充填力学研究框架 Fig.8 Research framework of mine filling mechanics 2.2充填流变力学 性.充填中的浓密、搅拌、输送、充填各工艺环节 充填料浆作为一种高固含的固液混合材料， 均存在不同形式的流动与变形行为，流变力学是研 表现出典型的非牛顿流体特性，传统的两相流理 究充填料浆流变行为、构建数学描述及指导工程 论在特征描述及定量分析中表现出明显的局限 应用的有效手段膏体流变力学架构如图9所示 Rheology Theoretical basis Theoretical Research Research study methods Constitutive content Paste rheology Rheological equation in metal mines experiments Numerical Meeting the engineering demand Caicuaton Thickening Mixing Transportation Backfilling 图9膏体流变力学架构 Fig.9 Rheological mechanical structure of paste

段空场嗣后充填、垂直深孔落矿阶段矿房 (VCR) 嗣后充填等. 不同的充填采矿方法在综合成本方面具有较 大差异 ，阶段空场嗣后充填采矿法成本一般在 100 元·t−1 左右，上向水平分层充填采矿法综合成 本在 175～200 元·t−1，下向水平分层充填采矿法的 综合成本达到了 400 元·t−1 . 开采成本不仅决定于 开采效率与开采产能，与充填强度设计也存在较 大关联. 《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012) 中规定：采用低强度上向水平分层胶结充填时，每 分层充填面上宜铺设厚度不小于 0.3 m、强度不低 于 3 MPa 胶结充填体；下向分层充填采矿法，分层 假顶充填体单轴抗压强度不应小于 3 MPa；嗣后充 填时，当充填体需要为相邻矿块提供出矿通道或 底柱需要回收时，充填体底部应采用高灰砂比胶 结充填，充填体强度应大于 5 MPa. 在国外，仅进 行空区处置时，充填体早期单轴抗压强度一般要 达到 150～300 kPa；当作为矿柱回采支撑时，28 d 单轴抗压强度要大于 1 MPa；当充填体作为顶板支 撑时，单轴抗压强度要大于 4 MPa[10] . 矿山充填不仅涉及充填体与围岩的相互作用 关系，还涉及充填料浆制备、输送与采场流动等问 题，与岩石力学、流体力学、流变力学、弹塑性力 学等学科密切相关. 矿山充填力学研究框架如 图 8 所示[11] . Physical and mechanical performance Mechanical strength properties Effects of additives Study on mechanical properties of filling materials Study on fluid mechanics of filling slurry transportation Two-phase flow study on fluid mechanics Paste study on rheological mechanics Optimization of filling material optimization of stope structure Mechanics of mine flling Study on geotechnical mechanics of mining site stability by filling mining method Ore body characteristics and filling mining method categories Geomechanical study of mining engineering (structure, stress field and rock strength) Study on interaction between filling body and surrounding rock 图 8    矿山充填力学研究框架 Fig.8    Research framework of mine filling mechanics 2.2    充填流变力学 充填料浆作为一种高固含的固液混合材料， 表现出典型的非牛顿流体特性，传统的两相流理 论在特征描述及定量分析中表现出明显的局限 性. 充填中的浓密、搅拌、输送、充填各工艺环节 均存在不同形式的流动与变形行为，流变力学是研 究充填料浆流变行为、构建数学描述及指导工程 应用的有效手段[12] . 膏体流变力学架构如图 9 所示. Rheology Theoretical basis Theoretical study Research methods Research content Paste rheology in metal mines Constitutive equation Rheological experiments Numerical Meeting the engineering demand calculation Thickening Mixing Transportation Backfilling 图 9    膏体流变力学架构 Fig.9    Rheological mechanical structure of paste · 16 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期

程海勇等：金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 17 充填料浆表现为非牛顿流体特性，但在黏性、 (,C点，通常将C点作为屈服点，认为在此点发 塑性、弹性、触变性、剪切稀化及剪切增稠等特征 生固-流转变行为)，浆体发生流动，主要表现出黏 上各有差异，如图10所示，4种材料下的剪切应力 性性质(CD段).浆体的触变性表现为：在给定的 响应具有较大差异.浆体的黏弹塑性特征可通过 温度等外界条件下，当受到剪切作用时，屈服应力 理想应力测试曲线进行阐述.在控制剪切速率 及黏度随时间减小：当剪切作用撤去后，屈服应力 (CSR)模式下，剪切应力缓慢增加，在初始阶段未 及黏度随时间逐渐增大.通常认为触变行为反映 发生流动，表现出弹性性质，应力应变呈线性关 了浆体细观结构的破坏与重建过程.分析认为，触 系，满足胡克定律(AB段)；剪切应力增加到某一 变环仅能作为材料触变性的定性判别依据，而无 值时，应力应变呈非线性变化，表现出黏弹性特征 法定量描述触变性的大小，亦不能据此获得真实 (BC段)剪切应力持续增加至超过某一特定值时 触变参数 (a) 140(b) Paste1D 120 Paste 2 100 Paste 3 Paste 4 80 60 -Thixotropic loops I -Thixotropic loops 2 -Thixotropic loops 3 40 Thixotropic loops4 Time/s 020406080100120140160180200 Shear rate/s- 图10充填料浆的黏弹性(a)与触变性(b) Fig.10 Viscoelasticity (a)and thixotropy (b)of filling slurry 流变特性的复杂，导致构建数学描述十分困 多物料、时间、资金、人力和物力，在大型工程和 难.建立流变本构方程以准确地描述充填料浆流 重点工程中具有重要指导意义，充填流变力学能 变特性，已成为充填技术发展的首要问题，也是流 够描述复杂的流变行为，作者通过《全尾砂膏体流 变学的核心问题.非牛顿流体力学中最重要的参 变学研究现状与展望》对流变力学的概念、流变特 量是剪切速率y与剪切应力π，根据二者的流变关 性、流变模型、流变影响因素以及流变测量学进 系曲线特点可以推断出流体的流动和流变行为规 行了专门详细论述 律，目前适用性较好的非牛顿流体流变模型有幂 Pipeline 律模型、Bingham模型、H-B(Herschel and Bulkley) Paste transportation preparation Weighting 模型及Casson模型等)] Mixing 浆体的流变特性受到多种因素的影响，主要 包括其内部组成成分及物化性质，如固体含量、尾 砂密度、固体颗粒配比和水化作用等，以及外部作 用，如温度和剪切历史等 环管测试是最接近实际生产的有效测试技 Waste disposal Thickening 术，特别是工业级环管测试系统，能反映现场输送 的管径、流量等指标，根据需求模拟多种工况条 图11环管实验装置图 件，如管道布置形式、管道材质等，试验结果可直 Fig.11 Schematic of the loop facility 接指导生产实践.如图11所示的工业级环管系统 2.3充填固体力学 包括了尾砂浓密、搅拌制备、不同布置形式的环 充填体在采场中通过应力吸收与应力转移、 管系统、废料处置以及自动控制系统等.环管系 应力隔离和系统的共同作用，能够限制岩体破碎 统具备精准的监测和控制仪表，能够同时对料浆 加剧，控制围岩变形和位移；对矿柱提供侧限应 制备及输送等关键参数进行精准调控，可长时间 力)，提高矿柱承载强度；提高地下结构抵抗动、 稳定运行并连续监测.但环管试验通常需耗费较 静载荷能力，形成安全回采空间，控制岩爆或其他

充填料浆表现为非牛顿流体特性，但在黏性、 塑性、弹性、触变性、剪切稀化及剪切增稠等特征 上各有差异，如图 10 所示，4 种材料下的剪切应力 响应具有较大差异. 浆体的黏弹塑性特征可通过 理想应力测试曲线进行阐述. 在控制剪切速率 （CSR）模式下，剪切应力缓慢增加，在初始阶段未 发生流动，表现出弹性性质，应力应变呈线性关 系，满足胡克定律（AB 段）；剪切应力增加到某一 值时，应力应变呈非线性变化，表现出黏弹性特征 （BC 段）；剪切应力持续增加至超过某一特定值时 （τy，C 点，通常将 C 点作为屈服点，认为在此点发 生固‒流转变行为），浆体发生流动，主要表现出黏 性性质（CD 段）. 浆体的触变性表现为：在给定的 温度等外界条件下，当受到剪切作用时，屈服应力 及黏度随时间减小；当剪切作用撤去后，屈服应力 及黏度随时间逐渐增大. 通常认为触变行为反映 了浆体细观结构的破坏与重建过程. 分析认为，触 变环仅能作为材料触变性的定性判别依据，而无 法定量描述触变性的大小，亦不能据此获得真实 触变参数. Paste 4 Paste 3 Paste 2 τy C D B Shear stress/Pa Time/s A Paste 1 (a) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 40 60 80 100 120 140 Thixotropic loops 1 Thixotropic loops 2 Thixotropic loops 3 Thixotropic loops 4 Shear stress/Pa Shear rate/s−1 (b) 图 10    充填料浆的黏弹性（a）与触变性（b） Fig.10    Viscoelasticity (a) and thixotropy (b) of filling slurry γ˙ τ 流变特性的复杂，导致构建数学描述十分困 难. 建立流变本构方程以准确地描述充填料浆流 变特性，已成为充填技术发展的首要问题，也是流 变学的核心问题. 非牛顿流体力学中最重要的参 量是剪切速率 与剪切应力 ，根据二者的流变关 系曲线特点可以推断出流体的流动和流变行为规 律，目前适用性较好的非牛顿流体流变模型有幂 律模型、Bingham 模型、H‒B(Herschel and Bulkley) 模型及 Casson 模型等[13] . 浆体的流变特性受到多种因素的影响，主要 包括其内部组成成分及物化性质，如固体含量、尾 砂密度、固体颗粒配比和水化作用等，以及外部作 用，如温度和剪切历史等[14] . 环管测试是最接近实际生产的有效测试技 术，特别是工业级环管测试系统，能反映现场输送 的管径、流量等指标，根据需求模拟多种工况条 件，如管道布置形式、管道材质等，试验结果可直 接指导生产实践. 如图 11 所示的工业级环管系统 包括了尾砂浓密、搅拌制备、不同布置形式的环 管系统、废料处置以及自动控制系统等. 环管系 统具备精准的监测和控制仪表，能够同时对料浆 制备及输送等关键参数进行精准调控，可长时间 稳定运行并连续监测. 但环管试验通常需耗费较 多物料、时间、资金、人力和物力，在大型工程和 重点工程中具有重要指导意义. 充填流变力学能 够描述复杂的流变行为，作者通过《全尾砂膏体流 变学研究现状与展望》对流变力学的概念、流变特 性、流变模型、流变影响因素以及流变测量学进 行了专门详细论述. Thickening Mixing Weighting Waste disposal Pipeline transportation Paste preparation 图 11    环管实验装置图 Fig.11    Schematic of the loop facility 2.3    充填固体力学 充填体在采场中通过应力吸收与应力转移、 应力隔离和系统的共同作用，能够限制岩体破碎 加剧，控制围岩变形和位移；对矿柱提供侧限应 力[15] ，提高矿柱承载强度；提高地下结构抵抗动、 静载荷能力，形成安全回采空间，控制岩爆或其他 程海勇等： 金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 · 17 ·

18 工程科学学报，第44卷，第1期 突发性灾害 支撑顶板破碎岩体、为侧帮卸载岩块的滑移趋势提 在力学作用方面，充填体改变了围岩应力状 供侧限压力、抵抗采场闭合和限制尾砂流动.陈玉 态，使围岩由二维受力变成了三维受力，围压的产 宾7通过研究上向水平分层充填体的受力状态，认 生不仅表现为充填体起到支撑作用，更重要的是 为上部胶结层承担了无轨设备动荷载，而下部充填 提高了围岩的强度和自身支撑能力， 体仅承担围岩和上覆压力.胶结层底层拉应力过大 在结构方面，工程开挖导致岩体由“稳定不变 易引起充填体开裂破坏刘光生通过力学解析 结构体”演化为“几何可变体”，围岩产生渐进破 研究了阶段空场嗣后充填法中充填体与围岩接触 坏，充填体可起到表面支护、局部支护和整体支护 成拱作用，提出了充填强度需求优化方案 作用等，维护原岩结构体稳定 充填体在原位采场养护环境中受到压力场、 在让压作用方面，一般充填体的变形能力远 温度场、化学场、渗流场等多场作用，充填体强度 大于岩体，岩体应变能在充填环境中可缓慢释放， 发育过程极具扰动性.例如在富含硫酸盐的采场 同时充填体产生围岩对岩体可起到柔性支护作用. 中，矿井水中硫酸盐浓度可达2000mgL-20.充填 不同采矿方法中，充填体的力学状态有较大差 体在硫酸盐作用下，易导致水化产物溶解，出现水 异.王俊通过分析空场嗣后充填法的工艺特征以 化硅酸钙(C-S-H)凝胶脱钙现象，如图12所示.充 及回采过程中充填体受力状态变化，认为胶结充填 填体内空隙增加，力学性能降低，宏观表现为充填 体的力学作用主要表现为改善顶板岩体受力状态 体开裂、破碎、强度失效等劣化现象 Filling slurry Oxidation reaction of (tailings containing sulfide(suitable sulphur+cementitious oxygen and humidity) materials+water） Release OH Volcanic ash admixture Formation 12≤pH≤13 (slag,fly ash,silica fume,etc.) SO,H+ or active activators (lime,gypsum,etc.) Ca(OH) Pozzolanic pH<12, Tailings reaction calcium hydroxide sulfate Ca(OH),dissolution Calcium silicate hydrate C-S-H gel Acid/sulfate erosion decalcification of hydrated calcium silicate Gypsum Secondary CaSO,2H,O y Ettringite Secondary 3CaSO3CaO-Al2O32H2O 图12含硫尾砂充填料浆水化过程 Fig.12 Schematic diagram for hydration process of sulphidic cemented backfills 陈顺满等-四开发了充填体多场耦合监测系 关联机制.Cui和Fall 23)建立了音体充填(CPB)三 统，如图13所示.研究了充填体在压力和温度耦 维耦合多物理固结模型，认为CPB的固结行为受 合作用下的力学性能发展规律，建立了对应的强 强耦合的多物理过程控制，传统的土力学固结理 度预测模型，揭示了充填体热一水-力-化多场性能 论和模型不适合评价和预测CPB的固结行为

突发性灾害. 在力学作用方面，充填体改变了围岩应力状 态，使围岩由二维受力变成了三维受力，围压的产 生不仅表现为充填体起到支撑作用，更重要的是 提高了围岩的强度和自身支撑能力. 在结构方面，工程开挖导致岩体由“稳定不变 结构体”演化为“几何可变体”，围岩产生渐进破 坏，充填体可起到表面支护、局部支护和整体支护 作用等，维护原岩结构体稳定. 在让压作用方面，一般充填体的变形能力远 大于岩体，岩体应变能在充填环境中可缓慢释放， 同时充填体产生围岩对岩体可起到柔性支护作用. 不同采矿方法中，充填体的力学状态有较大差 异. 王俊[16] 通过分析空场嗣后充填法的工艺特征以 及回采过程中充填体受力状态变化，认为胶结充填 体的力学作用主要表现为改善顶板岩体受力状态 支撑顶板破碎岩体、为侧帮卸载岩块的滑移趋势提 供侧限压力、抵抗采场闭合和限制尾砂流动. 陈玉 宾[17] 通过研究上向水平分层充填体的受力状态，认 为上部胶结层承担了无轨设备动荷载，而下部充填 体仅承担围岩和上覆压力. 胶结层底层拉应力过大 易引起充填体开裂破坏[18] . 刘光生[19] 通过力学解析 研究了阶段空场嗣后充填法中充填体与围岩接触 成拱作用，提出了充填强度需求优化方案. 充填体在原位采场养护环境中受到压力场、 温度场、化学场、渗流场等多场作用，充填体强度 发育过程极具扰动性. 例如在富含硫酸盐的采场 中，矿井水中硫酸盐浓度可达 2000 mg·L−1[20] . 充填 体在硫酸盐作用下，易导致水化产物溶解，出现水 化硅酸钙（C-S-H）凝胶脱钙现象，如图 12 所示. 充 填体内空隙增加，力学性能降低，宏观表现为充填 体开裂、破碎、强度失效等劣化现象. Filling slurry (tailings containing sulphur+cementitious materials+water) Release OH− 12≤pH≤13 pH<12, calcium hydroxide Ca(OH)2 dissolution Volcanic ash admixture (slag, fly ash, silica fume, etc.) or active activators (lime, gypsum, etc.) Hydration product Ettringite 3CaSO4 ·3CaO·Al2O3 ·32H2O Gypsum CaSO4 ·2H2O Ca(OH)2 Pozzolanic reaction Calcium silicate hydrate C-S-H gel Secondary Secondary Acid/sulfate erosion decalcification of hydrated calcium silicate Tailings sulfate Oxidation reaction of sulfide (suitable oxygen and humidity) Formation SO4 2−, H+ 图 12    含硫尾砂充填料浆水化过程 Fig.12    Schematic diagram for hydration process of sulphidic cemented backfills 陈顺满等[21−22] 开发了充填体多场耦合监测系 统，如图 13 所示. 研究了充填体在压力和温度耦 合作用下的力学性能发展规律，建立了对应的强 度预测模型，揭示了充填体热‒水‒力‒化多场性能 关联机制. Cui 和 Fall[23] 建立了膏体充填 (CPB) 三 维耦合多物理固结模型，认为 CPB 的固结行为受 强耦合的多物理过程控制，传统的土力学固结理 论和模型不适合评价和预测 CPB 的固结行为. · 18 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期

程海勇等：金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 ·19 Temperature Stress Electrical conductivity Analysis station Pore water pressure Data acquisition instrument hantek Multiple field monitors 图13充填体多场耦合监测系统 Fig.13 Multi-field coupling monitoring system for backfill 3充填材料制备与输送 固粉、固结粉等新型胶凝材料 3.1充填材料要求 3.2全尾砂深度浓密 充填材料一般由惰性材料、活性材料和改性 根据不同的充填工艺，砂浆制备可采用卧式 材料3大类组成.惰性材料是充填料浆的主体，起 砂仓、立式砂仓、深锥浓密机或压滤机等设备.卧 到骨架支撑作用，也是形成充填功能的主要成分 式砂仓一般用于储存废石、尾砂、河沙、山砂、棒 活性材料主要起到胶结作用，使惰性材料凝结成 磨砂等干料，由电耙、抓斗或水枪出料，经皮带运 具有一定强度的整体：改性材料一般包括絮凝剂、 输机输送.立式砂仓是储存自然沉淀饱和砂的一 泵送剂、减水剂和早强剂等，主要起到改善沉降 种筒仓，一般将低浓度全尾砂浆或分级尾砂浆由 性、流动性以及强度等作用 仓顶输入，通过多次自然沉降、溢流水排出、水力 充填材料选用时一般要满足6个方面的技术 造浆或风力造浆或风水联动造浆等环节将低浓度 要求.(1)材料来源充足，便于采集、加工和运输， 尾砂浆制备成较高浓度的底流砂浆.单系统立式 保证充填质量的稳定；(2)有效降低充填成本，实 砂仓一般不具有连续性，生产效能低，多采用立式 现采矿活动的经济化运行：(3)固废利用，最大限 砂仓组的形式协调实现工艺的连续.压滤机是通 度利用固体废弃物，实现变废为宝，并符合国家政 过陶瓷等特殊过滤介质将低浓度砂浆中的液体析 策要求；(4)无毒无害，不会对地下水体产生有毒 出，生产出质量分数大于90%的滤饼状砂体，通过 有害的影响；(5)工艺简单，应尽可能减少工艺的 皮带运输机或汽车运送至尾矿库进行干排，但压 复杂程度，生产流程简约化：(6)保证充填体质量， 滤机能耗较高，生产效率低.深锥浓密机通过重 满足采矿工艺需求，实现安全回采. 力、化学力和耙架剪切力等联合作用，可将低浓度 充填材料具有显著的地域特征，充填材料的 全尾砂浆制备成高浓度底流砂浆，是实现尾砂深 配比一般无固定组成.对于膏体充填，最新颁布的 度浓密的重要装备，同时可实现连续进料、连续出 《全尾砂膏体充填技术规范》(GB/T39489一2020)， 料的连续性工艺，生产效率高，得到了越来越广泛 要求全尾砂粒径组成中小于20μm的尾砂含量应 的应用 大于15%；粗骨料粒径范围应在4.75~20mm,细 随着充填理论与技术的不断提升，对底流砂 骨料粒径应在0.075~4.75mm. 浆的浓度以及稳定性要求趋于精细化.浓密理论 在20世纪70年代，一般选用普通硅酸盐水泥 经历了以下4个阶段24-2习：(1)1916年提出的Coe- 或复合硅酸盐水泥作为充填胶凝材料：80年代开 Clevenge模型，简称C-C沉降模型，该模型仅考虑 发了以铝矾土、石灰、石膏和多种无机原料为基 了自由沉降作用；(2)1951年提出的Kynch模型， 配制的高水材料：21世纪面向低成本、节能环保 该模型能够预测固体通量，但无法有效预测泥层 高效为主题，以粉煤灰、矿渣、冶炼炉渣、磷石膏 高度；（3)1978年提出的Buscall-White模型，简 等具有潜在胶凝活性的材料为基础原料开发了胶 称B-W模型，该模型提出了脱水表征参数：(4)2009

Temperature Stress Electrical conductivity Pore water pressure Analysis station Data acquisition instrument Multiple field monitors 图 13    充填体多场耦合监测系统 Fig.13    Multi-field coupling monitoring system for backfill 3    充填材料制备与输送 3.1    充填材料要求 充填材料一般由惰性材料、活性材料和改性 材料 3 大类组成. 惰性材料是充填料浆的主体，起 到骨架支撑作用，也是形成充填功能的主要成分； 活性材料主要起到胶结作用，使惰性材料凝结成 具有一定强度的整体；改性材料一般包括絮凝剂、 泵送剂、减水剂和早强剂等，主要起到改善沉降 性、流动性以及强度等作用. 充填材料选用时一般要满足 6 个方面的技术 要求. （1）材料来源充足，便于采集、加工和运输， 保证充填质量的稳定；（2）有效降低充填成本，实 现采矿活动的经济化运行；（3）固废利用，最大限 度利用固体废弃物，实现变废为宝，并符合国家政 策要求；（4）无毒无害，不会对地下水体产生有毒 有害的影响；（5）工艺简单，应尽可能减少工艺的 复杂程度，生产流程简约化；（6）保证充填体质量， 满足采矿工艺需求，实现安全回采. 充填材料具有显著的地域特征，充填材料的 配比一般无固定组成. 对于膏体充填，最新颁布的 《全尾砂膏体充填技术规范》(GB/T 39489—2020)， 要求全尾砂粒径组成中小于 20 μm 的尾砂含量应 大于 15%；粗骨料粒径范围应在 4.75～20 mm，细 骨料粒径应在 0.075～4.75 mm. 在 20 世纪 70 年代，一般选用普通硅酸盐水泥 或复合硅酸盐水泥作为充填胶凝材料；80 年代开 发了以铝矾土、石灰、石膏和多种无机原料为基 配制的高水材料；21 世纪面向低成本、节能环保 高效为主题，以粉煤灰、矿渣、冶炼炉渣、磷石膏 等具有潜在胶凝活性的材料为基础原料开发了胶 固粉、固结粉等新型胶凝材料. 3.2    全尾砂深度浓密 根据不同的充填工艺，砂浆制备可采用卧式 砂仓、立式砂仓、深锥浓密机或压滤机等设备. 卧 式砂仓一般用于储存废石、尾砂、河沙、山砂、棒 磨砂等干料，由电耙、抓斗或水枪出料，经皮带运 输机输送. 立式砂仓是储存自然沉淀饱和砂的一 种筒仓，一般将低浓度全尾砂浆或分级尾砂浆由 仓顶输入，通过多次自然沉降、溢流水排出、水力 造浆或风力造浆或风水联动造浆等环节将低浓度 尾砂浆制备成较高浓度的底流砂浆. 单系统立式 砂仓一般不具有连续性，生产效能低，多采用立式 砂仓组的形式协调实现工艺的连续. 压滤机是通 过陶瓷等特殊过滤介质将低浓度砂浆中的液体析 出，生产出质量分数大于 90% 的滤饼状砂体，通过 皮带运输机或汽车运送至尾矿库进行干排，但压 滤机能耗较高，生产效率低. 深锥浓密机通过重 力、化学力和耙架剪切力等联合作用，可将低浓度 全尾砂浆制备成高浓度底流砂浆，是实现尾砂深 度浓密的重要装备，同时可实现连续进料、连续出 料的连续性工艺，生产效率高，得到了越来越广泛 的应用. 随着充填理论与技术的不断提升，对底流砂 浆的浓度以及稳定性要求趋于精细化. 浓密理论 经历了以下 4 个阶段[24−25] ：（1）1916 年提出的 Coe‒ Clevenge 模型，简称 C‒C 沉降模型，该模型仅考虑 了自由沉降作用；（2）1951 年提出的 Kynch 模型， 该模型能够预测固体通量，但无法有效预测泥层 高度；（ 3） 1978 年提出的 Buscall‒White 模型，简 称 B‒W 模型，该模型提出了脱水表征参数；（4）2009 程海勇等： 金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 · 19 ·