工程科学学报，第40卷，第5期：517-525,2018年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.5:517-525,May 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.001;http://journals.ustb.edu.cn 中国膏体技术发展现状与趋势 吴爱祥)，杨莹)，程海勇)区，陈顺满，韩悦 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京1000832)昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093 ☒通信作者，E-mail:haiker2007@163.com 摘要膏体技术能够有效解决采矿旷引发的环境和安全问题，是实现绿色开采的关键技术，近年来在国内矿旷山得到了迅速推 广.科学进步加速了膏体技术智能化控制、精准化制备和个性化采充的步伐，提升了我国膏体技术的研究水平.介绍了膏体 技术基本概念和特点并统计了膏体技术在中国的发展历程，系统性分析了我国全尾砂浓密脱水技术、结构流管输技术、采场 多场影啊机制、新材料开发和膏体工程化实验室建设最新研究进展，同时对膏体技术在井下充填和地表堆存领域的实践效果 进行了介绍.指出了膏体技术仍面临着严峻挑战，并将从数字化和智能化方面突破，实现浓度自适应控制、膏体精密制备、采 场个性化充填和系统3D模块化设计装配，引领中国矿业绿色发展. 关键词膏体：全尾砂；绿色开采；智能化：研究现状：发展趋势 分类号TD853 Status and prospects of paste technology in China WU Ai-xiang,YANG Ying,CHENG Hai-yong?,CHEN Shun-man,HAN Yue) 1)Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China 2)Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China Corresponding author,E-mail:haiker2007@163.com ABSTRACT Paste technology can effectively solve the environmental and safety issues caused by mining and is a key technology to- ward realizing green mining.In the recent years,scientific progress has accelerated the pace of intelligent control and the precise prep- aration and personalized filling of paste technology.Thereby,the research level of paste technology in China has risen.In this paper, the basic concepts and characteristics of paste technology were introduced and the development process of paste technology in China was statistically analyzed.Additionally,the latest research progress in thickening dewatering technology with applications to unclassified tailings,pipeline transportation technology of structure flow,multi-field influence mechanism in stopes,development of new materials, and the construction of a paste engineering laboratory,was systematically analyzed.Furthermore,the practical effects of paste technolo- gy in underground backfill and surface deposition were introduced.In the future,paste technology will break through via digitization and intelligence,and realize the adaptive control of the concentration,precision,and preparation of paste,in addition to personalized stope fillings,and the 3D and modular design and assembly of a system,and will thereby lead the mining industry in China toward green development. KEY WORDS paste;unclassified tailings;green mining;intellectualization;research status;development trend 改革开放以来，中国经济迅猛发展，据相关部门经济的持续稳步增长，中国已经成为世界第二大经 统计，中国近十年GDP平均增长率为9.0%.随着济体).矿业作为国民经济的支柱性产业，对我国 收稿日期：2017-05-31 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600709):国家自然科学基金资助项目(51574013,51674012)
工程科学学报,第 40 卷,第 5 期:517鄄鄄525,2018 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 5: 517鄄鄄525, May 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 05. 001; http: / / journals. ustb. edu. cn 中国膏体技术发展现状与趋势 吴爱祥1) , 杨 莹1) , 程海勇2) 苣 , 陈顺满1) , 韩 悦1) 1) 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 2) 昆明理工大学国土资源工程学院, 昆明 650093 苣 通信作者, E鄄mail:haiker2007@ 163. com 摘 要 膏体技术能够有效解决采矿引发的环境和安全问题,是实现绿色开采的关键技术,近年来在国内矿山得到了迅速推 广. 科学进步加速了膏体技术智能化控制、精准化制备和个性化采充的步伐,提升了我国膏体技术的研究水平. 介绍了膏体 技术基本概念和特点并统计了膏体技术在中国的发展历程,系统性分析了我国全尾砂浓密脱水技术、结构流管输技术、采场 多场影响机制、新材料开发和膏体工程化实验室建设最新研究进展,同时对膏体技术在井下充填和地表堆存领域的实践效果 进行了介绍. 指出了膏体技术仍面临着严峻挑战,并将从数字化和智能化方面突破,实现浓度自适应控制、膏体精密制备、采 场个性化充填和系统 3D 模块化设计装配,引领中国矿业绿色发展. 关键词 膏体; 全尾砂; 绿色开采; 智能化; 研究现状; 发展趋势 分类号 TD853 收稿日期: 2017鄄鄄05鄄鄄31 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600709); 国家自然科学基金资助项目(51574013,51674012) Status and prospects of paste technology in China WU Ai鄄xiang 1) , YANG Ying 1) , CHENG Hai鄄yong 2) 苣 , CHEN Shun鄄man 1) , HAN Yue 1) 1) Key Laboratory of Ministry of Education of China for High鄄Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: haiker2007@ 163. com ABSTRACT Paste technology can effectively solve the environmental and safety issues caused by mining and is a key technology to鄄 ward realizing green mining. In the recent years, scientific progress has accelerated the pace of intelligent control and the precise prep鄄 aration and personalized filling of paste technology. Thereby, the research level of paste technology in China has risen. In this paper, the basic concepts and characteristics of paste technology were introduced and the development process of paste technology in China was statistically analyzed. Additionally, the latest research progress in thickening dewatering technology with applications to unclassified tailings, pipeline transportation technology of structure flow, multi鄄field influence mechanism in stopes, development of new materials, and the construction of a paste engineering laboratory, was systematically analyzed. Furthermore, the practical effects of paste technolo鄄 gy in underground backfill and surface deposition were introduced. In the future, paste technology will break through via digitization and intelligence, and realize the adaptive control of the concentration, precision, and preparation of paste, in addition to personalized stope fillings, and the 3D and modular design and assembly of a system, and will thereby lead the mining industry in China toward green development. KEY WORDS paste; unclassified tailings; green mining; intellectualization; research status; development trend 改革开放以来,中国经济迅猛发展,据相关部门 统计,中国近十年 GDP 平均增长率为 9郾 0% . 随着 经济的持续稳步增长,中国已经成为世界第二大经 济体[1] . 矿业作为国民经济的支柱性产业,对我国
.518. 工程科学学报，第40卷，第5期 的经济发展起到了不可替代的作用].然而，矿山 水、牙膏状结构流体.传统意义上，膏体具有不离 开采过程中的安全与环境问题，也制约着我国矿产 析、不沉淀、不脱水的特性.由于膏体材料来源广 资源的可持续发展. 泛，材料特性差异性巨大，膏体指标的量化具有一定 矿业多年的粗放型模式产生了大量的固体废弃 困难.国内外学者从多个层面对膏体定义进行了判 物，不仅大面积占用地表资源，也是诱发泥石流和尾 定.国际上主要是从屈服应力角度进行的研究，认 矿库溃坝事故的隐患.同时，矿业在开采地下资源 为料浆的屈服应力大于200±25Pa时，可以视为膏 过程中，遗留了大量的采空区，不仅威胁井下作业安 体[21-].国内早期通常采用塌落度和分层度指标 全，也是诱发矿震和地表塌陷的隐患.膏体充填利 来表征膏体，认为音体的塌落度在15~25cm,分层 用相关技术，将地表固体废弃物（尾砂）制备成膏 度小于2cm2s-2],吴爱祥和王洪江s]从饱和率、泌 体，充填到井下采空区，是解决矿业开采引发的环境 水率角度对膏体定义进行了完善，认为膏体泌水率 污染、安全隐患、资源浪费[3]等问题的首选方法. 应在1.5%~5.0%范围内. 针对矿业发展的诸多问题，国家也在不断寻求 1.2膏体技术在我国的发展历程 解决方案.2005年中国矿业联合会正式提出了“绿 20世纪90年代，我国开始对以膏体技术为核 色矿山”的概念.2017年，国家税务总局与国土资 心的绿色采矿技术进行探索与实践.1996年，金川 源部联合发布公告：“三下”充填矿山，资源税减征 集团股份有限公司建成了我国第一个膏体充填系 50%:根据《中华人民共和国环境保护税法》，自 统，拉开了我国膏体充填技术的序幕[26].2006年， 2018年1月1日起，尾矿排放环保税征收15元· 云南会泽铅锌矿建成我国第一套深锥浓密膏体充填 ·.一系列法律法规及相关制度不断出台，“绿色 开采”的概念逐渐落实到实际工作中[6-] 系统，实现尾矿零排放，并首次将冶炼渣用于井下充 膏体技术经过多年的探索与实践，在全尾砂浓 填，既提高了充填体强度又减少了冶炼固体废弃物 密脱水0-]和结构流长距离管道泵压输送理论与 的排放[27].2010年，乌山铜钼矿建成了国内第一家 技术[-6等方面取得了重大突破，实现了全尾固废 音体堆存系统，并实现了冬季冰下排放[].2014 的全部利用，解决了尾矿库排放安全与环境污染问 年，伽师铜矿建立了高泥高黏膏体充填系统，同时成 题，同时提高了井下回采安全.膏体技术的实践证 为设备国产化示范项目[].目前，金欣钼铅锌多金 明其在安全、环保、经济、高效等方面具有综合技术 属矿正在建设单系统充填能力500m3h-1,日充填 优势[-】，在世界上得到了广泛认可和应用，被誉 能力1.8万m3的膏体充填系统. 为21世纪绿色开采新技术. 膏体技术已成为中国矿山应用与研究的热点， 在黑色、有色、黄金、煤炭等系统发展迅速.据不完 1膏体技术概述 全统计，1996~2017年间，国内采用膏体技术的矿山 1.1膏体的基本概念 共244座，其中采用膏体充填技术金属矿山165座， 膏体是多尺度散体材料与水复合而成的无泌 煤矿69座，采用膏体堆存技术的矿山10座，如图1 35 30 ■膏体充填的金属矿 ■膏体充填的煤矿 w ■膏体堆存的矿山 15 10 0 ■ 19961999200020022004200620072008200920102011201220132014201520162017 年份 图1膏体技术在中国应用矿山数量统计(1996~2017年) Fig.1 Number of mines applying paste technology in China (1996-2017)
工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 的经济发展起到了不可替代的作用[2] . 然而,矿山 开采过程中的安全与环境问题,也制约着我国矿产 资源的可持续发展. 矿业多年的粗放型模式产生了大量的固体废弃 物,不仅大面积占用地表资源,也是诱发泥石流和尾 矿库溃坝事故的隐患. 同时,矿业在开采地下资源 过程中,遗留了大量的采空区,不仅威胁井下作业安 全,也是诱发矿震和地表塌陷的隐患. 膏体充填利 用相关技术,将地表固体废弃物(尾砂) 制备成膏 体,充填到井下采空区,是解决矿业开采引发的环境 污染、安全隐患、资源浪费[3鄄鄄5]等问题的首选方法. 针对矿业发展的诸多问题,国家也在不断寻求 解决方案. 2005 年中国矿业联合会正式提出了“绿 色矿山冶 的概念. 2017 年,国家税务总局与国土资 源部联合发布公告:“三下冶充填矿山,资源税减征 50% ;根据《 中华人民共和国环境保护税法》,自 2018 年 1 月 1 日起,尾矿排放环保税征收 15 元· t - 1 . 一系列法律法规及相关制度不断出台,“绿色 开采冶的概念逐渐落实到实际工作中[6鄄鄄9] . 膏体技术经过多年的探索与实践,在全尾砂浓 密脱水[10鄄鄄13]和结构流长距离管道泵压输送理论与 技术[14鄄鄄16]等方面取得了重大突破,实现了全尾固废 的全部利用,解决了尾矿库排放安全与环境污染问 题,同时提高了井下回采安全. 膏体技术的实践证 明其在安全、环保、经济、高效等方面具有综合技术 优势[17鄄鄄20] ,在世界上得到了广泛认可和应用,被誉 为 21 世纪绿色开采新技术. 图 1 膏体技术在中国应用矿山数量统计(1996 ~ 2017 年) Fig. 1 Number of mines applying paste technology in China (1996鄄鄄2017) 1 膏体技术概述 1郾 1 膏体的基本概念 膏体是多尺度散体材料与水复合而成的无泌 水、牙膏状结构流体. 传统意义上,膏体具有不离 析、不沉淀、不脱水的特性. 由于膏体材料来源广 泛,材料特性差异性巨大,膏体指标的量化具有一定 困难. 国内外学者从多个层面对膏体定义进行了判 定. 国际上主要是从屈服应力角度进行的研究,认 为料浆的屈服应力大于 200 依 25 Pa 时,可以视为膏 体[21鄄鄄22] . 国内早期通常采用塌落度和分层度指标 来表征膏体,认为膏体的塌落度在 15 ~ 25 cm,分层 度小于 2 cm [23鄄鄄24] ,吴爱祥和王洪江[25] 从饱和率、泌 水率角度对膏体定义进行了完善,认为膏体泌水率 应在 1郾 5% ~ 5郾 0% 范围内. 1郾 2 膏体技术在我国的发展历程 20 世纪 90 年代,我国开始对以膏体技术为核 心的绿色采矿技术进行探索与实践. 1996 年,金川 集团股份有限公司建成了我国第一个膏体充填系 统,拉开了我国膏体充填技术的序幕[26] . 2006 年, 云南会泽铅锌矿建成我国第一套深锥浓密膏体充填 系统,实现尾矿零排放,并首次将冶炼渣用于井下充 填,既提高了充填体强度又减少了冶炼固体废弃物 的排放[27] . 2010 年,乌山铜钼矿建成了国内第一家 膏体堆存系统,并实现了冬季冰下排放[28] . 2014 年,伽师铜矿建立了高泥高黏膏体充填系统,同时成 为设备国产化示范项目[29] . 目前,金欣钼铅锌多金 属矿正在建设单系统充填能力 500 m 3·h - 1 ,日充填 能力 1郾 8 万 m 3的膏体充填系统. 膏体技术已成为中国矿山应用与研究的热点, 在黑色、有色、黄金、煤炭等系统发展迅速. 据不完 全统计,1996 ~ 2017 年间,国内采用膏体技术的矿山 共 244 座,其中采用膏体充填技术金属矿山 165 座, 煤矿 69 座,采用膏体堆存技术的矿山 10 座,如图 1 ·518·
吴爱祥等：中国膏体技术发展现状与趋势 ·519· 所示. 管道通过自流或者泵压输送至充填采场，实现预定 1.3膏体技术工艺特点 功能，如图2所示.膏体充填技术工艺主要由物料 膏体充填是将符合膏体技术指标的物料通过管 贮备、充填准备、尾矿浓密、膏体制备、管道输送5个 道运送至井下采场并实现预定功能的过程.一般来 工序组成.通过对全尾砂的高效合理利用，有效减 讲，其工艺流程为：将低浓度尾砂浆浓缩成高浓度砂 少了地表尾矿库占地面积，保护了环境：通过对充填 浆，在搅拌机内与胶凝材料、外加剂等混合搅拌，连 体强度的合理控制，显著改善了井下回采环境，保障 续制备出具有一定流动特性的膏体物料，由钻孔和 了安全 絮凝剂 絮凝剂 溢流水出骨料 外加剂 水泥 桶仓 桶仓 溶解槽 水泥仓 振动筛 计量泵 单管螺旋输送机 单管甥旋输送机 深锥 定量给料机 微粉称 或圆盘给料机 二级卧式搅拌 泵送或自流至采场 图2膏体充填工艺流程 Fig.2 Process flow chart of paste backfill 2我国膏体技术研究现状 机动力装置与耙架的优化设计具有重要意义 目前国内全尾浓密实验研究已形成完整的层次 膏体技术是一门多学科交叉的系统工程.膏体 结构，既有一系列小型动态浓密实验系统（直径0.1~ 技术在中国发展至今，应用较为成熟.随着科技进 0.5m,高度1.5m),又具有半工业化中型深锥浓 步与膏体研究的深入，中国膏体技术研究也得到了 密系统（直径1.375m,高度2.5m),还有工业化大 进一步发展，下面将从尾砂浓密、膏体输送、膏体采 型深锥浓密试验系统（直径1.0m,高度6.0m). 场性能、新材料研发和工程实验室建设等方面，对膏 小型动态浓密系统实验设计灵活，物料消耗量少， 体技术的研究现状进行阐述 但数据波动性大，实验重复性差.中型浓密系统实 2.1尾砂浓密 验数据稳定，结果可靠性高，但高径比小，实验范 高浓度的全尾砂浆是制备优质膏体的前提， 围有一定局限性.大型深锥浓密系统可实现多参 尾砂浓密主要有重力浓密和机械过滤两种方式. 数连续监控、多因素综合分析，具有工业级指导功 机械过滤处理后的尾砂含水量低，呈滤饼状，脱水 能.同时，计算机和数值模拟技术的发展使深锥浓 浓度可达到80%~85%左右，满足膏体制备要求. 密机内尾砂及絮团运移规律逐渐透明化，利用数 但过滤成本高，效率低，能量二次浪费.重力浓密 值模拟技术进行深锥浓密机内部结构的分析已成 技术发展较快，经历了传统浓密机、高效浓密机、 为浓密规律研究的重要手段.文献[30]通过建立 深锥浓密机的发展阶段，放砂底流浓度也由40%~ 60%增加至70%~80%.深锥浓密工艺流程简单、 CFD-PBM群体平衡数值模型初步量化了全尾砂 浓度适中、效率较高]，是目前国内外膏体制备主 深锥浓密流场特征，并建立了絮网剪切发育过程 流工艺. 中絮团聚合破碎模型. 尾砂浓密效果在一定程度上决定了膏体质量. 2.2管道输送 深锥底流浓度影响最终膏体料浆浓度，脱水速度影 膏体在管道中的输送形态有别于传统两相流 响浓密系统处理能力，是尾砂浓密的两个关键指标. 体，多认为是以结构流的形态存在.国内外学者利 絮凝剂的添加有助于提高沉降速度，同时也会增加 用多种技术手段进行了大量实验研究，其中包括超 液体渗流阻力，提高砂浆屈服应力，影响浓密机耙架 声多普勒测速(UDV)、激光多普勒测速[31-] 转动效能.浓密机耙架扭矩计算模型研究对于浓密 (LDV)、核磁共振成像(MRI)、粒子跟踪速度测
吴爱祥等: 中国膏体技术发展现状与趋势 所示. 1郾 3 膏体技术工艺特点 膏体充填是将符合膏体技术指标的物料通过管 道运送至井下采场并实现预定功能的过程. 一般来 讲,其工艺流程为:将低浓度尾砂浆浓缩成高浓度砂 浆,在搅拌机内与胶凝材料、外加剂等混合搅拌,连 续制备出具有一定流动特性的膏体物料,由钻孔和 管道通过自流或者泵压输送至充填采场,实现预定 功能,如图 2 所示. 膏体充填技术工艺主要由物料 贮备、充填准备、尾矿浓密、膏体制备、管道输送 5 个 工序组成. 通过对全尾砂的高效合理利用,有效减 少了地表尾矿库占地面积,保护了环境;通过对充填 体强度的合理控制,显著改善了井下回采环境,保障 了安全. 图 2 膏体充填工艺流程 Fig. 2 Process flow chart of paste backfill 2 我国膏体技术研究现状 膏体技术是一门多学科交叉的系统工程. 膏体 技术在中国发展至今,应用较为成熟. 随着科技进 步与膏体研究的深入,中国膏体技术研究也得到了 进一步发展,下面将从尾砂浓密、膏体输送、膏体采 场性能、新材料研发和工程实验室建设等方面,对膏 体技术的研究现状进行阐述. 2郾 1 尾砂浓密 高浓度的全尾砂浆是制备优质膏体的前提, 尾砂浓密主要有重力浓密和机械过滤两种方式. 机械过滤处理后的尾砂含水量低,呈滤饼状,脱水 浓度可达到 80% ~ 85% 左右,满足膏体制备要求. 但过滤成本高,效率低,能量二次浪费. 重力浓密 技术发展较快,经历了传统浓密机、高效浓密机、 深锥浓密机的发展阶段,放砂底流浓度也由 40% ~ 60% 增加至 70% ~ 80% . 深锥浓密工艺流程简单、 浓度适中、效率较高[25] ,是目前国内外膏体制备主 流工艺. 尾砂浓密效果在一定程度上决定了膏体质量. 深锥底流浓度影响最终膏体料浆浓度,脱水速度影 响浓密系统处理能力,是尾砂浓密的两个关键指标. 絮凝剂的添加有助于提高沉降速度,同时也会增加 液体渗流阻力,提高砂浆屈服应力,影响浓密机耙架 转动效能. 浓密机耙架扭矩计算模型研究对于浓密 机动力装置与耙架的优化设计具有重要意义. 目前国内全尾浓密实验研究已形成完整的层次 结构,既有一系列小型动态浓密实验系统(直径 0郾 1 ~ 0郾 5 m,高度 1郾 5 m) ,又具有半工业化中型深锥浓 密系统(直径 1郾 375 m,高度 2郾 5 m) ,还有工业化大 型深锥浓密试验系统(直径 1郾 0 m,高度 6郾 0 m) . 小型动态浓密系统实验设计灵活,物料消耗量少, 但数据波动性大,实验重复性差. 中型浓密系统实 验数据稳定,结果可靠性高,但高径比小,实验范 围有一定局限性. 大型深锥浓密系统可实现多参 数连续监控、多因素综合分析,具有工业级指导功 能. 同时,计算机和数值模拟技术的发展使深锥浓 密机内尾砂及絮团运移规律逐渐透明化,利用数 值模拟技术进行深锥浓密机内部结构的分析已成 为浓密规律研究的重要手段. 文献[30] 通过建立 CFD鄄鄄PBM 群体平衡数值模型初步量化了全尾砂 深锥浓密流场特征,并建立了絮网剪切发育过程 中絮团聚合破碎模型. 2郾 2 管道输送 膏体在管道中的输送形态有别于传统两相流 体,多认为是以结构流的形态存在. 国内外学者利 用多种技术手段进行了大量实验研究,其中包括超 声多 普 勒 测 速 ( UDV)、 激 光 多 普 勒 测 速[31鄄鄄32] (LDV)、核磁共振成像( MRI)、粒子跟踪速度测 ·519·
.520. 工程科学学报，第40卷，第5期 量(PTV)以及粒子图像测速[4](PIV)等多种技 随着膏体技术研究的不断深入，关于硬化膏体 术手段.但目前对膏体在管道中的输送形态仍然没 性能的研究逐渐由单一力学特性向多场耦合性能转 有形成统一认识，膏体沿阻影响因素及计算模型也 变.采场内的膏体涉及传热、渗流、力学、化学（热- 未形成统一阐释体系.通过膏体流变学进行流变参 水-力-化)等多种作用，如图3所示. 数测试进而计算管道沿程阻力是目前常用的手段. 但是膏体流变学特征可重复性差，实验设备昂贵，操 ●水化反应放热 ●渗流 ●外界热交换 作技术及理论分析要求高，普通矿山难以实现精准 ●孔隙体积含水量 ●管道摩擦生热 热 ●基质吸力 计算. 水 早期基于两相流理论建立的沿阻计算公式主要 有金川公式、长沙矿冶院公式、鞍山院公式和会泽经 验公式.这些公式基于特定物料、特定应用环境而 力 化 建立，在推广应用上具有较大局限性25].通过近 ●重力沉降 ●胶凝剂水化反应 ●拱效应变形 ●硫化物侵蚀 年研究总结，认为膏体沿程阻力因素主要包括浓度、 ●围岩应力 ●选和水化学反应 骨料级配、密度、管径、流速、添加剂等，同时膏体在 管道中存在管壁滑移特性和触变性，另外膏体管道 图3全尾膏体热一水-力-化多场耦合作用 沿程阻力还存在较强的温度效应. Fig.3 Coupled thermo-hydro-mechanical-chemical behavior of 吴爱祥等[]将音体流区划分为柱塞流动区、剪 paste backfill 切流动区和滑移流动区，建立了考虑管壁滑移效应 膏体热-水-力-化性能之间具有很高的内在联 的膏体管道输送阻力模型，并对滑移层厚度及影响 系.膏体强度性能的演化主要是由于膏体内部活 因素进行了初步探讨.同时认为膏体的时变性使 性成分与水发生持续化学反应，生成C-S-H等一 管道沿程阻力在恒定剪切作用下逐渐降低并趋于 系列水化产物1-2].音体浓度、水灰比、温度、化 稳定.通过实验研究发现，在5~50℃范围内，膏 学成分等因素通过影响膏体的水化反应速率以及 体具有明显的温度效应，随着温度升高，膏体内部 生成的水化产物，从而影响膏体内部体积含水率 絮网结构逐渐向液网结构转化，膏体屈服应力和 以及膏体内部孔隙结构，最终形成具有一定强度 塑性黏度逐渐降低，管道沿程阻力也随着温度升 的充填体. 高逐渐减小. 2.4新材料开发 膏体管道输送阻力影响因素复杂，不仅受物料 为满足强度要求，膏体材料中多会加入一定比 特性影响，同时还与输送条件和外加场影响有重大 例的硅酸盐水泥等胶凝材料，其费用占充填成本的 关系，如何构建“全因素”管道输送阻力计算模型是 60%~80%左右4】.近年来围绕低成本胶凝材料 下一步研究的重大课题， 开发的新型胶凝材料主要有：胶固粉、粉煤灰、水淬 2.3膏体采场性能 渣、赤泥、凝石等.为满足不同阶段性能开发的高性 膏体采场性能是评价膏体充填效果的重要指 能添加剂有：絮凝剂、泵送剂、稳定剂、吸水剂、早强 标.对于音体在采场内的力学性能，国内外学者进 剂、缓凝剂等 行了大量研究.膏体采场力学作用机理主要包括： 粉煤灰是火力发电厂排出的工业废渣，主要 表面、局部和总体支护理论：应力转移、吸收、隔离与 由玻璃体组成，含有少量未燃碳、部分石英和莫来 系统的共同作用理论「6]：填充节理裂隙、保持顶板 石.粉煤灰因其火山灰活性可作为水泥替代品，但 完整性、减轻地震波危害等，上述理论对于不同矿 往往需要与激发材料配合使用.另一方面其微集 体形态、围岩结构及开采顺序具有不同的适用 料效应可以改善浆体的流动性能，在我国矿山充 性3].经过多年研究，认为膏体采场强度的影响 填中应用广泛 因素主要有：浓度、灰砂比、颗粒级配、养护温度、 冶炼炉渣中含有大量的玻璃体，矿渣活性取决 养护时间、外加剂等.考虑上述影响因素的条件 于玻璃体组成中Ca0与Si0,含量的比值.目前国内 下，相关学者通过理论分析、室内实验以及数值模 主要是利用未经磨细的高炉炉渣和铜镍冶炼炉渣作 拟等手段，对现有太沙基模型、托马斯模型、米切 为充填骨料的一部分，改善充填料性能.如铜绿山 尔模型等强度模型进行了一系列修正，建立了音 铜矿、会泽铅锌矿、张马屯铁可矿等都成功将炉渣用于 体采场强度模型[38-40]. 膏体制备
工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 量[33] (PTV)以及粒子图像测速[34] ( PIV)等多种技 术手段. 但目前对膏体在管道中的输送形态仍然没 有形成统一认识,膏体沿阻影响因素及计算模型也 未形成统一阐释体系. 通过膏体流变学进行流变参 数测试进而计算管道沿程阻力是目前常用的手段. 但是膏体流变学特征可重复性差,实验设备昂贵,操 作技术及理论分析要求高,普通矿山难以实现精准 计算. 早期基于两相流理论建立的沿阻计算公式主要 有金川公式、长沙矿冶院公式、鞍山院公式和会泽经 验公式. 这些公式基于特定物料、特定应用环境而 建立,在推广应用上具有较大局限性[24鄄鄄25] . 通过近 年研究总结,认为膏体沿程阻力因素主要包括浓度、 骨料级配、密度、管径、流速、添加剂等,同时膏体在 管道中存在管壁滑移特性和触变性,另外膏体管道 沿程阻力还存在较强的温度效应. 吴爱祥等[35]将膏体流区划分为柱塞流动区、剪 切流动区和滑移流动区,建立了考虑管壁滑移效应 的膏体管道输送阻力模型,并对滑移层厚度及影响 因素进行了初步探讨. 同时认为膏体的时变性使 管道沿程阻力在恒定剪切作用下逐渐降低并趋于 稳定. 通过实验研究发现,在 5 ~ 50 益 范围内,膏 体具有明显的温度效应,随着温度升高,膏体内部 絮网结构逐渐向液网结构转化,膏体屈服应力和 塑性黏度逐渐降低,管道沿程阻力也随着温度升 高逐渐减小. 膏体管道输送阻力影响因素复杂,不仅受物料 特性影响,同时还与输送条件和外加场影响有重大 关系,如何构建“全因素冶管道输送阻力计算模型是 下一步研究的重大课题. 2郾 3 膏体采场性能 膏体采场性能是评价膏体充填效果的重要指 标. 对于膏体在采场内的力学性能,国内外学者进 行了大量研究. 膏体采场力学作用机理主要包括: 表面、局部和总体支护理论;应力转移、吸收、隔离与 系统的共同作用理论[36] ;填充节理裂隙、保持顶板 完整性、减轻地震波危害等,上述理论对于不同矿 体形态、围岩结构 及 开 采 顺 序 具 有 不 同 的 适 用 性[37] . 经过多年研究,认为膏体采场强度的影响 因素主要有:浓度、灰砂比、颗粒级配、养护温度、 养护时间、外加剂等. 考虑上述影响因素的条件 下,相关学者通过理论分析、室内实验以及数值模 拟等手段,对现有太沙基模型、托马斯模型、米切 尔模型等强度模型进行了一系列修正,建立了膏 体采场强度模型[38鄄鄄40] . 随着膏体技术研究的不断深入,关于硬化膏体 性能的研究逐渐由单一力学特性向多场耦合性能转 变. 采场内的膏体涉及传热、渗流、力学、化学(热鄄鄄 水鄄鄄力鄄鄄化)等多种作用,如图 3 所示. 图 3 全尾膏体热鄄鄄水鄄鄄力鄄鄄化多场耦合作用 Fig. 3 Coupled thermo鄄鄄 hydro鄄鄄 mechanical鄄鄄 chemical behavior of paste backfill 膏体热鄄鄄水鄄鄄力鄄鄄化性能之间具有很高的内在联 系. 膏体强度性能的演化主要是由于膏体内部活 性成分与水发生持续化学反应,生成 C鄄鄄 S鄄鄄 H 等一 系列水化产物[41鄄鄄42] . 膏体浓度、水灰比、温度、化 学成分等因素通过影响膏体的水化反应速率以及 生成的水化产物,从而影响膏体内部体积含水率 以及膏体内部孔隙结构,最终形成具有一定强度 的充填体. 2郾 4 新材料开发 为满足强度要求,膏体材料中多会加入一定比 例的硅酸盐水泥等胶凝材料,其费用占充填成本的 60% ~ 80% 左右[43] . 近年来围绕低成本胶凝材料 开发的新型胶凝材料主要有:胶固粉、粉煤灰、水淬 渣、赤泥、凝石等. 为满足不同阶段性能开发的高性 能添加剂有:絮凝剂、泵送剂、稳定剂、吸水剂、早强 剂、缓凝剂等. 粉煤灰是火力发电厂排出的工业废渣,主要 由玻璃体组成,含有少量未燃碳、部分石英和莫来 石. 粉煤灰因其火山灰活性可作为水泥替代品,但 往往需要与激发材料配合使用. 另一方面其微集 料效应可以改善浆体的流动性能,在我国矿山充 填中应用广泛. 冶炼炉渣中含有大量的玻璃体,矿渣活性取决 于玻璃体组成中 CaO 与 SiO2含量的比值. 目前国内 主要是利用未经磨细的高炉炉渣和铜镍冶炼炉渣作 为充填骨料的一部分,改善充填料性能. 如铜绿山 铜矿、会泽铅锌矿、张马屯铁矿等都成功将炉渣用于 膏体制备. ·520·
吴爱祥等：中国膏体技术发展现状与趋势 ·521· CH半水磷石膏是目前正在开发的一种新型的 2.5工程实验室建设 胶凝材料，化学组成上主要是以氧化钙、三氧化硫和 音体技术的巨大需求提高了国内研究的热度， 结品水为主，含有少量的磷、氟、有机物.半水磷石 相关实验条件也发生了质的飞跃.2016年，北京科 膏的矿物组成中主要含有烧石膏和少量的石膏、石 技大学与金诚信矿山技术研究院联合建设了我国第 英.加入半水磷石膏作为胶凝材料，可调节膏体凝 一家智能化工程实验室，如图4所示.实验室主要 结性，同时具备泌水率低、强度高等优点，解决了磷 包括充填材料物化性能检测系统、尾砂旋流分级系 石音堆存难，充填成本高等问题，在磷化工行业具有 统、全尾砂深锥浓密系统、膏体多级搅拌系统、泵压 良好的推广价值 环管实验系统和废料处理系统，既能完成精细化单 新型材料可以在不同充填阶段实现特定功能， 元实验同时又具备工业级智能联锁控制能力.该 在降低充填成本、强化充填质量和提高充填效率方 平台不仅可用于基础理论研究，还可用于工艺方案 面具有绝对优势，新型材料的开发在国内目前仍处 验证和行业标准制定，是国内首个膏体自动化研究 于初期阶段，具有广阔的研究和应用前景[-47] 平台，在国际上也处于领先水平 自动化控制系统 膏体搅拌削备系统 尾砂旋流分级系统 尾砂浓密系统 泵送环管系统 实验废料处理系统 图4膏体充填智能化工程实验室系统图 Fig.4 Diagram of paste backfill system in the intelligent engineering laboratory 线4.14.尾废比为9：1，灰砂比为1：10，膏体浓度 3国内膏体技术应用实例 (膏体中固相质量分数)为80±1%.为解决膏体缓 3.1会泽铅锌矿膏体充填 凝问题，在料浆中添加了0.4%~0.5%硫化钠，提 会泽铅锌矿是世界闻名的特富铅锌矿床，矿体 高了充填体的凝结性能，膏体28d强度可达到3~4 厚大，P%、Zn平均品位30%~40%.该矿位于云南 MPa.通过质量检测，井下涌水符合《地表水环境质 省东北部，牛栏江西岸坡地之下，属国家水土保持重 量标准》和《地下水水质标准》I、Ⅱ类水质标准.充 点防治区和环境保护区.矿床三面环水，矿体埋深 填体可改善水质，吸附镍、铬、镉、砷、硒等物质 达1600m,原岩应力高，矿岩破碎，稳定性差，开采条 3.2乌山铜钼矿膏体堆存 件集水、深、碎于一体，是国内为数较少的深井开采 内蒙古乌努格吐山铜钼矿位于呼伦贝尔草原， 矿山之一. 矿山采用机械化盘区上向进路式和下向进路式 充填联合开采方式，有效防止了井下突水灾害，成功 控制了深井开采地压活动，缓减了深井开采岩爆，提 高了采矿作业安全性.同时采矿回采率达到了 98.95%,贫化率6.5%【] 膏体充填系统于2006年建成，充填站外貌如图 5所示.这是我国第一次采用深锥浓密机进行全尾 砂浓密，底流浓度可达到69%~73%.采用两级卧 式机械力化学高能搅拌，采用泵压转自流输送，最大 图5会泽铅锌矿膏体充填站外貌 输送深度1600m,最大输送距离5468m,最大充填倍 Fig.5 Image of paste backfill station of Huize lead zinc mine
吴爱祥等: 中国膏体技术发展现状与趋势 CH 半水磷石膏是目前正在开发的一种新型的 胶凝材料,化学组成上主要是以氧化钙、三氧化硫和 结晶水为主,含有少量的磷、氟、有机物. 半水磷石 膏的矿物组成中主要含有烧石膏和少量的石膏、石 英. 加入半水磷石膏作为胶凝材料,可调节膏体凝 结性,同时具备泌水率低、强度高等优点,解决了磷 石膏堆存难,充填成本高等问题,在磷化工行业具有 良好的推广价值. 新型材料可以在不同充填阶段实现特定功能, 在降低充填成本、强化充填质量和提高充填效率方 面具有绝对优势,新型材料的开发在国内目前仍处 于初期阶段,具有广阔的研究和应用前景[44鄄鄄47] . 2郾 5 工程实验室建设 膏体技术的巨大需求提高了国内研究的热度, 相关实验条件也发生了质的飞跃. 2016 年,北京科 技大学与金诚信矿山技术研究院联合建设了我国第 一家智能化工程实验室,如图 4 所示. 实验室主要 包括充填材料物化性能检测系统、尾砂旋流分级系 统、全尾砂深锥浓密系统、膏体多级搅拌系统、泵压 环管实验系统和废料处理系统,既能完成精细化单 元实验,同时又具备工业级智能联锁控制能力. 该 平台不仅可用于基础理论研究,还可用于工艺方案 验证和行业标准制定,是国内首个膏体自动化研究 平台,在国际上也处于领先水平. 图 4 膏体充填智能化工程实验室系统图 Fig. 4 Diagram of paste backfill system in the intelligent engineering laboratory 3 国内膏体技术应用实例 3郾 1 会泽铅锌矿膏体充填 会泽铅锌矿是世界闻名的特富铅锌矿床,矿体 厚大,Pb、Zn 平均品位 30% ~ 40% . 该矿位于云南 省东北部,牛栏江西岸坡地之下,属国家水土保持重 点防治区和环境保护区. 矿床三面环水,矿体埋深 达1600 m,原岩应力高,矿岩破碎,稳定性差,开采条 件集水、深、碎于一体,是国内为数较少的深井开采 矿山之一. 矿山采用机械化盘区上向进路式和下向进路式 充填联合开采方式,有效防止了井下突水灾害,成功 控制了深井开采地压活动,缓减了深井开采岩爆,提 高了采矿作业安全性. 同时采矿回采率达到了 98郾 95% ,贫化率 6郾 5% [48] . 膏体充填系统于 2006 年建成,充填站外貌如图 5 所示. 这是我国第一次采用深锥浓密机进行全尾 砂浓密,底流浓度可达到 69% ~ 73% . 采用两级卧 式机械力化学高能搅拌,采用泵压转自流输送,最大 输送深度1600 m,最大输送距离5468 m,最大充填倍 线 4郾 14. 尾废比为 9 颐 1,灰砂比为 1 颐 10,膏体浓度 (膏体中固相质量分数)为 80 依 1% . 为解决膏体缓 凝问题,在料浆中添加了 0郾 4% ~ 0郾 5% 硫化钠,提 高了充填体的凝结性能,膏体 28 d 强度可达到 3 ~ 4 MPa. 通过质量检测,井下涌水符合《地表水环境质 量标准》和《地下水水质标准》 I、II 类水质标准. 充 填体可改善水质,吸附镍、铬、镉、砷、硒等物质. 图 5 会泽铅锌矿膏体充填站外貌 Fig. 5 Image of paste backfill station of Huize lead zinc mine 3郾 2 乌山铜钼矿膏体堆存 内蒙古乌努格吐山铜钼矿位于呼伦贝尔草原, ·521·