劉　瓊　 張希巍

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室)

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·采礦工程·

中國膏體充填技術(shù)研究進展概述

劉瓊1,2張希巍1,2

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室)

充填膏體是由尾砂、水和膠結(jié)物等按一定配比混合而成的高濃度混合物，在環(huán)保、采場工作環(huán)境以及采場應(yīng)力維護等方面具有明顯優(yōu)勢，研究與發(fā)展膏體充填技術(shù)對未來深部金屬采礦以及三下采煤具有重要意義。簡要回顧了膏體充填技術(shù)的發(fā)展歷程，著重介紹了國內(nèi)膏體充填技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，以膏體充填技術(shù)的工業(yè)鏈為主線，分別介紹了料漿制備、管道輸送及充填體對地壓維護等方面的研究成果，并從膏體充填理論技術(shù)研究和充填設(shè)備應(yīng)用與發(fā)展方面，對我國在膏體充填技術(shù)領(lǐng)域需要深入研究的內(nèi)容進行了總結(jié)。

膏體充填料漿制備泵送工藝強度采場穩(wěn)定性充填系統(tǒng)

上世紀(jì)80年代膏體充填技術(shù)在德國的格隆德礦山試驗成功[1]，解決了低濃度漿體充填泌水嚴(yán)重的問題。90年代我國甘肅金川建成了膏體充填系統(tǒng)[1]，此系統(tǒng)在膏體制備和輸送方面為我國積累了大量的經(jīng)驗，尤其通過室內(nèi)環(huán)管試驗得到了遠低于杜蘭德公式的水力坡度經(jīng)驗公式[2-3]，對隨后建成的會澤鉛鋅礦[4]、銅錄山礦[5]膏體充填系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。2006年我國在太平煤礦建成了第一個煤礦膏體充填系統(tǒng)[6]，后來又在邢臺、小屯、岱莊和孫村等煤礦實施了膏體充填[7]。

與漿體充填相比，膏體充填技術(shù)具有充填料損失少、形成同等充填強度所需水泥少、早期強度高等優(yōu)點[8]。采礦過程中利用膏體充填可以降低充填工作對回采的干擾、降低采場排水負擔(dān)，同時為尾礦堆存提供技術(shù)支持。但是當(dāng)前膏體充填技術(shù)成本依舊較高、對大功率設(shè)備的依賴程度高且理論也需要進一步突破。本文將按照膏體料漿性質(zhì)、輸送和充填質(zhì)量評價順序，對我國膏體充填技術(shù)研究成果進行回顧。

1　膏體充填料漿

1.1膏體

膏體是將一種或幾種充填材料與水進行優(yōu)化組合后形成的牙膏狀流體。膏體的判別指標(biāo)有很多種，加拿大選用濃度、塌落度和飽和度作為指標(biāo)，德國選用工作度(黏度、屈服應(yīng)力)稠度和結(jié)構(gòu)指數(shù)作為指標(biāo)，澳大利亞選用細粒級含量、濃度和塌落度作為指標(biāo)[9]，我國通常用塌落度和分層度指標(biāo)，認(rèn)為膏體塌落度為15～25 cm，分層度小于2 cm[10]。王洪江認(rèn)為泌水率為1.5%～5%時能形成合格的膏體[11]，后又從尾砂粒徑級配角度完善了膏體的定義[10]，吳愛祥等將屈服應(yīng)力為(200±25)Pa時料漿的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)視為膏體臨界濃度，對膏體做了進一步界定[12]。目前膏體的準(zhǔn)確定義學(xué)術(shù)界和工程界仍沒有統(tǒng)一，有待進一步量化關(guān)鍵指標(biāo)和參數(shù)。

1.2膏體充填材料

礦山膏體充填材料由骨料、膠凝劑、外加劑和水組成。常用的骨料主要有尾砂、磨砂和煤矸石等。水泥作為主要膠凝材料，膠結(jié)效果好，但成本較高；由于粉煤灰和爐渣粉也能發(fā)生強烈的水化反應(yīng)，起到膠結(jié)作用，目前也可作為常用膠凝材料，但在使用中需要多次試驗，了解其對膏體強度的貢獻。為了提高充填效果并進一步降低充填成本，焦家金礦將水泥熟料、煤矸石、尾砂、石膏、芒硝、明礬石和石灰按一定比例混合成膠凝材料[13]，達到近似膏體狀態(tài)；周華強等研制出專門用于煤礦膏體充填的PL、SL兩系列充填料[14]?？傊?，如何平衡充填成本與充填體強度一直是工程界的研究熱點。

1.3膏體配比及濃度

合理的膏體配比應(yīng)在保證充填體強度和流動性的基礎(chǔ)上提高料漿均質(zhì)性并降低成本[3]。在生產(chǎn)中確定料漿配合比要先經(jīng)過室內(nèi)試驗確定，再利用現(xiàn)場工業(yè)試驗驗證。常用的試驗優(yōu)化指標(biāo)有塌落度[15]、單軸抗壓強度[16]和分層度等。

濃度是膠結(jié)充填中最敏感的因素[17]，膏體濃度通常在76%～82%[18]。由于充填料中的細顆粒具有較大的比表面積，形成的充填體滲透率差，若濃度過低會造成脫水困難或細顆粒隨水大量流失，影響充填體質(zhì)量[19]。

1.4充填料漿的流變性

流變性是指流體流動和變形的性質(zhì)，屈服應(yīng)力與黏度是其重要參數(shù)，膏體料漿的流變特性符合賓漢姆模型[20-21]，一般用下式表示：

(1)

式中，τ為管壁受到的切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；η為黏度,Pa·s；du/dy為剪切速率，s-1。

在實驗室內(nèi)，多使用精密剪切流變儀對膏體料漿的流變性進行測量，主要有Brookfield R/S+SST型四葉漿式旋轉(zhuǎn)流變儀[22-23]、Thermo HAAKE流變儀[24]、NXS-11型旋轉(zhuǎn)黏度計[17]以及中國礦業(yè)大學(xué)設(shè)計的管式流變儀[25-26]，但流變儀的試驗標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一。

在工程現(xiàn)場中，由于其特定的工作環(huán)境限制了流變儀的使用。塌落度實驗最初是應(yīng)用于混凝土領(lǐng)域，通過混凝土塌落的高度來反應(yīng)其流動性能。由于塌落度實驗操作簡單，使用方便快捷，一定程度上能夠檢測料漿流動性，如今也普遍應(yīng)用于礦業(yè)充填中。

1984年Murate構(gòu)建了較為簡單的力學(xué)平衡模型，找出塌落度與屈服應(yīng)力的關(guān)系[27]。1991年Christensen修正了Murate模型的不足，并在其基礎(chǔ)上采用無量綱模型計算兩者間的關(guān)系[28]。此后研究人員利用坍落筒構(gòu)建屈服應(yīng)力-坍落度模型大都采用無量綱模型。目前無量綱塌落度-屈服應(yīng)力關(guān)系模型有兩種：圓錐形塌落度，圓柱形塌落度[29]。

圓錐形無量綱塌落度-屈服應(yīng)力模型：

(2)

(3)

(4)

圓柱形無量綱塌落度-屈服應(yīng)力模型：

(5)

研究發(fā)現(xiàn)，在高屈服應(yīng)力條件下，圓錐形無量綱塌落度-屈服應(yīng)力模型測得的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，圓柱形無量綱塌落度-屈服應(yīng)力模型不存在此缺點，因此在工程現(xiàn)場中推薦使用圓柱形塌落桶測量屈服應(yīng)力。

1.5脫水設(shè)備

在膏體充填工藝中，尾礦脫水是一個重要環(huán)節(jié)。早期建成的金川公司采用帶式過濾機脫水[3]，但配套的儲倉占地面積特別大，尤其是使用多套充填系統(tǒng)時更為嚴(yán)重。后期建成的會澤鉛鋅礦、馳宏鉛鋅礦都采用深錐濃密機脫水[19]。深錐濃密機脫水效率高，可以強化絮凝劑對顆粒的凝聚作用。世界上最大型深錐膏體濃密機已經(jīng)在我國礦山運行成功，濃密機直徑40 m，在現(xiàn)場運用中，能以2 035 m3/h的速度輸出質(zhì)量分?jǐn)?shù)65.2%的脫水料漿[30]，為我國礦山的大型化趨勢發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗，但深錐濃密機的可靠性還需要進一步提高[31]。

2　料漿輸送

2.1輸送阻力

1973—1975年，我國學(xué)者用工業(yè)充填管進行了長期環(huán)管試驗，得到了金川經(jīng)驗公式，其誤差遠小于國際流行的杜蘭德公式[2]，即：

(6)

式中，im為料漿水力坡度，Pa/m；i0為清水水力坡度，Pa/m；CV為料漿體積濃度，%；g為重力加速度，m/s2；D為輸送管內(nèi)徑，m;v為流速m/s；Cx為顆粒沉降阻力系數(shù)；γt為固體物料密度，t/m3。

王新民從膏體料漿流變參數(shù)分析摩擦阻力損失[20]，公式如下：

(7)

式中，I為管道沿程總摩阻力，Pa；L為計算管段長度，m；Vcp為管內(nèi)漿體平均流速，m/s。

吳愛祥通過理論推導(dǎo)得出水力坡度公式[32]：

(8)

式中，S為絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)系數(shù)；τs為絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，Pa；μ0為絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)完全破壞時的塑性黏度，Pa/s;μs為絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)受剪過程中塑性黏度的變化值，Pa/s。

輸送阻力公式的研究為我國膏體輸送提供了大量的理論支撐與設(shè)計依據(jù)。但充填料漿組成復(fù)雜,且輸送過程中料漿會在靠近管壁的環(huán)形邊界上泌水,形成的水膜會降低輸送過程中的阻力[33]，使得輸送阻力難以準(zhǔn)確計算，因此實踐中還需要進行環(huán)管試驗,獲得更為合理的設(shè)計參數(shù)。為了減少試驗工程量，于潤滄等對計算機仿真模型模擬充填環(huán)管試驗進行了大量的研究[31，34-35]，極大地提高了設(shè)計生產(chǎn)效率。

2.2充填倍線及管路破壞

為保證料漿順利到達采場，充填系統(tǒng)需要選擇合適的充填倍線，階梯布置的管路中任一梯段管網(wǎng)的充填倍線應(yīng)該不大于總倍線，此外，還需要考慮清洗管路的充填倍線[36]。

充填倍線過小或者梯段管網(wǎng)倍線過小，即整體管路或局部管路中存在大量的剩余壓頭，產(chǎn)生不滿流。大量研究表明：不滿流輸送會造成管路破壞，料漿運動沖刷管壁并且在空氣-料漿界面碰撞對管壁產(chǎn)生沖擊、爆管和氣蝕現(xiàn)象[37]，只能通過消能才能消除[38]。具體措施有：減小管路敷設(shè)坡度，增加管線長度；減小水平段管徑實現(xiàn)高壓輸送，減小豎直段管徑實現(xiàn)低壓輸送[39]；在管路中串入孔板，用計算機實時控制調(diào)節(jié)以適應(yīng)工況條件[38]。

2.3料漿輸送設(shè)施

膏體泵和輸送管是膏體系統(tǒng)的重要部件。國內(nèi)正在使用的膏體泵有：金川KOS-2170型全液壓雙缸活塞泵[40]，流量60～80 m3/h，持續(xù)工作壓力小于8 MPa，最大工作壓力小于10 MPa；銅錄山礦選用的KSP80H雙缸柱塞泵；德國PM系列泵、美國的C-250、C-700系列泵及中國生產(chǎn)的HBT60型系列泵也可以滿足膏體泵送要求[41]。

輸送管的運行狀態(tài)關(guān)系到礦山生產(chǎn)進度，為減少磨損，輸送管一般采用金屬材質(zhì)的，主要是無縫鋼管與耐磨金屬管[41]。對管路工作狀態(tài)實時監(jiān)測，以便提前更換管路，防止因管路磨損而影響正常生產(chǎn)進度。

3　充填體強度及其他評價參數(shù)

3.1充填體受力特征及作用原理

在未受構(gòu)造面影響的條件下，某一范圍內(nèi)的巖體會受到周圍巖體的牽制、約束作用，大量試驗研究表明：作用在充填體上的力只有原巖應(yīng)力的20%～70%[42]。當(dāng)作用在充填體上的外載荷超過彈性極限時，充填體在外部產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)部仍是彈性變形段，呈現(xiàn)出明顯的殘余強度特點[43]。

于學(xué)馥認(rèn)為充填體具有三種作用原理：應(yīng)力吸收與轉(zhuǎn)移，即充填體固結(jié)后作為地下結(jié)構(gòu)的一員參與地層的自組織系統(tǒng)；隔離地應(yīng)力對開采的影響。由于充填體、圍巖、地應(yīng)力、開挖等共同作用，特別是系統(tǒng)的自組織機能，使得圍巖變形得到控制[44]。

3.2充填體強度

充填體強度是重要的充填質(zhì)量指標(biāo)。常用的設(shè)計方法有經(jīng)驗法、模型法、數(shù)值模擬法。

(1)經(jīng)驗類比法。選擇比較合適的強度[45]，我國凡口鉛鋅礦、金川礦和焦家金礦均采用經(jīng)驗類比法設(shè)計充填體強度。

(2)經(jīng)驗公式法。蔡嗣經(jīng)把充填體看作自立性的人工礦柱，統(tǒng)計了礦山充填高度和充填體強度，得到了一條經(jīng)驗曲線：

(9)

式中，Y為充填體礦柱高度，m；X為充填體強度，105Pa；a為充填系數(shù)，a=0.6～1.1，當(dāng)Y<50 m時，a=0.6，Y>100 m時，a=1.0。

(3)模擬法。強度設(shè)計的模型主要有太沙基模型、托馬斯模型和米切爾模型等。現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的是米切爾楔形模型，利用此模型可以得到充填體所需的最小強度[46-47]，公式如下：

(10)

式中，UCS為充填體單軸抗壓強度，Pa；γ為充填體容重，N/m3；H為充填體高度，m；L為充填體長度，m。

雖然應(yīng)用廣泛，但米切爾模型具有一些局限性：沒有考慮內(nèi)摩擦角以及充填體上部的載荷，假定充填體與巖壁之間的內(nèi)聚力和充填體內(nèi)部凝聚力相等，忽略了充填體與巖壁之間的剪應(yīng)力等。2012年Li和Aubertin修正了這一模型[48]，解決了部分問題：

(11)

(12)

(13)

式中，P0為充填體上部載荷，Pa；B為充填體寬度，m；H*楔形塊的等價高度，m；FS為安全系數(shù)；φ為充填體內(nèi)摩擦角，(°)；α為楔形滑面與水平面的夾角，(°)；rs為充填體與圍巖之間的內(nèi)聚力之比，為0～1。

式(12)適用于大高寬比(H/B>tanα)；式(13)適用于小高寬比(H/B

此外，強度設(shè)計還可以用數(shù)值模擬法[49-51]，如有限差分法、有限單元法和邊界單元法。

3.3充填體其他參數(shù)

除了強度外，評價充填體質(zhì)量的參數(shù)還有沉縮率、接頂效果和不均勻性等，將這些參數(shù)考慮在內(nèi)，建立一套含多參數(shù)的充填體質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，對于充填設(shè)計與實踐都有重要意義。

4　結(jié)　論

(1)中國膏體充填技術(shù)經(jīng)過20 a的發(fā)展，充填材料的選擇及配比、充填濃度和水力坡度等方面取得了巨大的進步；現(xiàn)階段膏體定義不統(tǒng)一、脫水設(shè)備及其配套設(shè)施不完善、管路磨損以及充填體質(zhì)量評價方式單一等，是膏體技術(shù)發(fā)展中需要深入研究的問題。

(2)近10 a來，學(xué)者在煤礦膏體領(lǐng)域做了大量的研究，促進了我國煤礦膏體充填技術(shù)的發(fā)展。

(3)膏體是一種由骨料、膠凝劑、外加劑和水組成的高濃度混合物，國內(nèi)常用塌落度和分層度判別膏體。膠凝劑占充填材料成本的比例很高，低成本膠凝劑的研究意義重大。

(4)膏體的流變性可用賓漢姆模型來表示。流變儀可以精確測量流變性，確定屈服應(yīng)力。塌落度可以反映料漿流動性并能推算屈服應(yīng)力，因其操作簡單、使用方便多用于工程現(xiàn)場。

(5)管路摩擦阻力可用公式和環(huán)管試驗聯(lián)合確定。充填倍線過小導(dǎo)致的不滿管流是爆管和氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因，通過消能，同時對管路實時監(jiān)測，防止管路破壞引起生產(chǎn)中斷。

(6)強度是影響膏體充填質(zhì)量的主要因素，其設(shè)計方法有經(jīng)驗法、模型法、數(shù)值模擬法。建立一套含多參數(shù)的充填體質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，將會促進采礦設(shè)計與生產(chǎn)的發(fā)展。

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Overview of the Research Progress of the Paste Backfill Technology in China

Liu Qiong1,2Zhang Xiwei1,2

(1.School of Resources & Civil Engineering,Northeastern University;2.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines)

Backfill paste is a high-concentration mixture, composed of cement, sand and water in certain proportions. It has obvious advantages in environment protection, working environment and stress maintenance, so the research and development of backfill paste technology is of great significance to the future deep metal mining and "three under" mining.The develpment history of paste backfill technology is reviewed briefly,the application and achievements of the paste backfill technology are introduced emphatically.According to the industrial chain of paste backfill technology,the achievements of the slurry preparation,pumping and stope around pressure of backfill maintenance are analyzed respectively.Besides that,the contents need to conduct further research of the paste backfill technology is summarized from the two aspects of the research of theory and technology of paste backfill and application and development of paste backfill equipment.

Paste filling, Slurry preparation, Pumping technology, Strength, Stability of stope, Filling system

2016-03-21)

劉瓊(1990—)，男，碩士研究生，110819 遼寧省沈陽市和平區(qū)文化路三巷11號。