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