隨著深入建設綠色礦山的同時，我國也面臨著技術層面更加嚴峻的考驗。國家已出臺多個政策，鼓勵和引導礦山充填技術采礦發展和應用。

但伴隨經濟發展，我國已探明的優質礦產資源接近枯竭，原材料總量供應短缺，復雜低品位礦石資源或二次資源將逐步成為主體原料，對傳統的地質、采礦、選礦、冶金、材料、加工、環境等科學技術提出了巨大挑戰；同時，不少礦業企業開采深度增大，深部礦床開發固有的高應力、高地壓、高地溫等特點逐漸顯露。

• 礦山采礦使用的膠結充填采礦技術、工藝及設備

（1）膠結充填采礦法由于在確保安全的情況下兼具環境保護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濟效益，因此引起國內外采礦界的廣泛關注，在有色、黃金等礦山得到越來越廣泛的應用，取得了不少研究成果。

膠結充填的主要難題是充填成本過高，膠結充填材料成本中，水泥費用占將近60%-80%，因此降低膠結充填成本的一個重要途徑就是尋找水泥替代品，以降低水泥消耗。國內外的研究及應用實踐表明，冶煉廠水淬爐渣、火力發電廠粉煤灰、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性能、提高漿體懸浮性，因此應用更為廣泛。

（2）通過高水速凝全尾砂膠結充填新工藝試驗，采用高水速凝材料，與全尾砂漿混合制成質量濃度30%-70%的充填料漿，充入采場后，不需脫水，8h即可上設備作業。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脫泥、井下脫排水、采場接頂等技術難題，為更好利用全尾砂充填開辟了一個全新的領域，也為研制材料來源廣泛、成本較低、性能更好的新型高水速凝材料奠定了基礎。

（3）塊石膠結充填新工藝已得到推廣應用。該工藝即井下掘進廢石不出窿，直接充入采空區或采場，廢石與水泥砂漿交替下料，自然混合構筑塊石膠結充填體，由于塊石與砂漿分開輸送，利用砂漿的穿透性固結塊石，無需攪拌，其充填體強度接近于混凝土膠結充填強度，與混凝土膠結充填相比，充填效率提高，工藝更為簡單，工人勞動強度大大降低，取得了良好的技術經濟效果。

（4）應用分級尾砂管道水力輸送的充填工藝技術已相當成熟。為解決分級尾砂脫泥后堆庫困難及尾砂分級工藝復雜的難題，近來不少礦山推廣了全尾砂膠結充填技術，但該工藝需用機械方法進行濃縮、過濾，工藝復雜，成本較高。近年來，全尾砂膏體泵壓膠結充填工藝推動了全尾砂膠結充填技術的進步，為尾砂產率低、充填料來源不足的礦山提供了成功的實例。

（5）添加化學外加劑是一種改善流體流動性能的有效途徑，在混凝土工程中得到廣泛應用。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。管道自流輸送系統的設計要求對漿體的流動性能、管道的阻力損失(水力坡度)等作出定量的分析計算。為滿足生產實際需求，國內外對兩相流理論進行了較深入的研究。根據不同的物料性質及輸送條件，提出了各種水力坡度計算的經驗公式，比較著名的如尤芬公式、紐偉特(Newitt)公式、卡爾斯公式等;根據漿體在管道中的懸浮狀態對漿體輸送性能的影響，提出了改善漿體流動特性的途徑;充填系統設計所需要的臨界管道直徑、臨界漿體流速、輸送能力等指標都有比較可靠的計算方法。

• 礦山充填采礦技術、工藝、設備的研究與發展趨勢

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果，提出了塊石膏體充填的設計原則。通過幾次大規模攪拌試驗和自由落體試驗表明，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尾砂膠結料漿與一定比例的塊石組成，表現出類似的粘結膏體特性。在平均添加水泥 1.5%～2%的條件下，抗壓強度超過1 Mpa。

加拿大Williams 礦使用了一種名為DELVO的穩定劑，將其用于塊石膠結充填工藝中，結果是DELVO 穩定劑有利于減少堵管現象，提高強度。使用此種穩定劑后，地表攪拌桶的清洗次數也減少了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，降低水與細顆粒的損失。增塑劑還能保證在高濃度時提高流速，減少管道磨損與維護費用。

美國Hecla 公司研究用Pozzlith344N等摻和劑降低充填膠凝劑的用量，改善充填料流動性，其結果是節省 20%的水泥用量，不會影響充填料強度和流動性。

2 充填體力學

加拿大蒙特利爾大學研究了一種測試現場充填體應力應變新方法。傳統的方法是通過鉆孔取樣與室內模型試驗相結合。新的方法是利用一套新的裝置，它能夠自行鉆孔，鉆頭內安裝應力應變傳感器，信號通過電纜傳回工作面，鉆頭刀具與傳感器之間有保護層，防止鉆進過程中對傳感器產生干擾。平均鉆孔速度為 0.1 m/min，按每班 8 h 計算，每班可完成7 組數據的測量。此方法的優點是不影響采礦作業。

美國職業安全與健康研究院研究了幸運星期五礦(Lucky Friday Mine)下向采場圍巖的相對位移、膠結充填載荷與鋼筋錨桿之間的相互作用。收集了8 個分層的數據，顯示出圍巖位移引起充填體變形，從而對充填體中垂直錨桿施加載荷。結果分析表明配有鋼筋錨桿的充填體支護系統是有效的。

俄羅斯Sergey N. Zhurin 進行了井下排放尾砂的孔隙壓力控制試驗。試該驗是在 Gubkin鐵礦完成的，將含水超過 80%的尾砂漿泵送至兩個試驗采場，觀測充填盤區內的孔壓分布情況，同時也用數字 FEM 模型分析充填體內的孔壓分布?，F場調查結果揭示相鄰采場內的孔壓不存在關聯，充填擋墻水壓主要取決于通過擋墻過濾網的速度。

南非對于現有充填設計標準用于超深井采礦的研究，提出了新的充填設計標準，建議60%～70%的采空區應該充填。

3 膏體充填

澳大利亞芒特艾薩礦在開發膏體充填技術時，采用了兩個簡單、經濟有效的試驗方法研究膏體特性，為膏體充填料攪拌設計提供幫助，即流動錐試驗和小坍落度錐試驗。通過這些試驗可預測膏體的流動特性。流動錐由一個錐體和一段出口管組成，錐體的錐角為14°、容積 2 L，出口管內徑 30 mm，長 150 mm，與錐體相連。小坍落度錐試驗是借鑒建筑上標準的坍落度試驗。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在在投入運行的前 18個月中，系統運行不正常，出現的問題大多與管道磨損有關，后來在易磨損地段采用陶瓷和橡膠襯墊，減少磨損，從而大大減少停運時間。在充填開始時，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。在作業結束時，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，用來確定管道是否清洗干凈。在開始送入空氣時，由于管道中有料漿和水，壓力達到700 kPa，此壓力值逐漸降低至200 kPa，此時管道中的料漿和水已清洗干凈。如果在20 min 內膏體還沒有進入管路，將進行人工或自動清洗管路。由于膏體是分批進入管路，在井下管道中產生高的動載荷，在前18 個月的運行中，由于此動載荷的作用，導致管道接頭處常常發生破壞，為此采取以下措施：采用knife-gate(gate knife 墁刀)型閥來限制流速，保證管道中的膏體形成半連續流;在易受高動載荷作用處用法蘭盤代替企口管;降低膏體坍落度;在適當的地方安裝雙法蘭管。柯林頓礦制定了一個標準，當膏體的屈服應力為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用膏體充填技術，取得了許多成功的經驗。

葡萄牙 Neves Corvo礦研究了膏體充填礦房的強度以及實驗室試驗值與現場值之間的關系。并研究了充填第二步驟礦房時膏體的液化問題，實驗室試驗和現場試驗結果表明，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，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險時，28 天單軸抗壓強度應達到 172 kPa，此時的水泥添加量約為1.5%，充填體自立高度可達到10 m。

加拿大 Brunswick 礦于 1997 年 7 月決定建設膏體充填系統，在此之前，完成了尾砂試驗，環管輸送試驗和預可行性研究。整個系統投資2410 萬加元。充填站用一套可編程邏輯控制器(PLCS)混合計算機系統和一套Fisher Provox分布控制系統(DCS)控制。PLCS處理數字信息，開啟電機和閥門的順序，而 DCS處理模擬信息，為操作人員提供界面。采用一個處理信息系統(PI)作為數據庫，并提供感應器走向，供充填站操作人員和技術人員作分析用。在充填管道出口處安裝 5 臺移動攝像機監控充填情況。視頻信號通過一套(Leaky feeder)通信系統和光纖送到地表充填站。如果充填料是經過鉆孔進入采場，則盡可能靠近出口安裝超聲波流量計，監控充填情況。在井下管道中，安裝有18 個感應器，連續監測管路中的壓力，壓力信號通過井下PLCS 監控，然后通過一條數據電纜和光纖網絡傳回地表充填站。系統還裝有一套(Leaky feeder)無線電通訊系統，用于語音通訊。Brunswick 礦的膏體攪拌采用葉片式攪拌機，連續作業，不同于傳統的分批攪拌方式。實踐證明，葉片式攪拌機工作可靠。水泥是濕式添加。

在可行性研究階段，試驗結果是，固體重量含量81%～83%，相應坍落度 178～254 mm，適合于制備和輸送。實際生產中，固體重量濃度為78%～80%。根據攪拌機的電流變化，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礦計劃引進膏體充填技術，主要目的是阻止來自采空區的熱流，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，在鉆孔內測的最高溫度達到242℃。該礦只完成地表環管試驗，第二次試驗計劃在井下進行。

加拿大某礦山研究了膏體的流變特性與充填管網之間的相容性問題，研究的結論是膏體充填出現的問題來源于下列一個或多個方面，即管網設計，骨料級配設計，水灰比或生產過程。在設計階段能夠將這些問題減少到最低程度。膏體的流變特性與管網不相容時，將產生大量的故障。在管網設計階段，管徑、骨料級配和水灰比確定了系統的作業狀態，因此在設計階段就應考慮系統的適應性。應該同時做強度和流變特性試驗，不僅要滿足強度的要求，還要保證流變特性與管網相容。設計的基本原則并且必須做到的就是保證管網與膏體流變性相容。

4 充填設備與運行

典型例子是充填設備對希臘 Stratoni礦高濃度充填的優化。該礦位于希臘東北部，采用下向進路充填法開采鉛、鋅礦體。由于輸送存在困難，造成充填體梁常常發生破壞。因此，依靠多添加水泥來解決，造成充填成本增加，而新建一個充填站，在經濟上又不合理。解決的辦法是對現有充填系統進行優化并加以改造，大約只需要投資 3.5 萬美元。水泥消耗占作業成本相當大的比例，節省1%的水泥，礦山每年可節省 5 萬美元。優化措施包括將豎井內的管徑改為100 mm，平巷內的管徑改為125 mm ,以防止管道內顆粒發生沉淀。此外，為了改善充填料稠度，在充填站內增加控制設施，通過計量盤式攪拌機的電流控制料漿稠度，在充填系統上安裝有程序邏輯控制器(PLC)。

德國研究了先進的充填設備減少或消除充填設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礦采用深孔空場法，空區用碎石膠結充填以及塊石充填。充填料通過鉆孔從地表進入采場頂部，由于采場粉塵和潮濕空氣的不利影響，肉眼不能觀察充填過程。為此研制一種毫米波雷達，用此雷達觀察充填過程，得到不同充填體相對位置的實時數據，是一種控制采場充填的有效手段。

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