金属矿山固废充填研究现状与发展趋势

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