孫光華，王 玥，任偉成

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210；3.華北理工大學 河北省礦山綠色智能開采技術創(chuàng)新中心，河北 唐山 063210)

金屬礦山在地下開采過程中產生的采空區(qū)，若不及時處理極易引發(fā)冒頂、透水、坍塌等問題。地表堆存的大量廢石和尾砂也易引發(fā)滑坡、泥石流及尾礦庫潰壩等災害。因此將礦體開采過程產生的固體廢棄物作為充填物料充入采空區(qū)，可謂“一廢治兩害”[1]，在確保井下安全生產的同時，提高礦產資源的回采率，使礦山獲得更高的經濟效益。

充填采礦技術在國外起步較早。1930年加拿大Hoorn礦山公司首次使用磁鐵礦尾砂干式充填獲得成功[2]。但該方法存在工藝復雜、勞動強度高、生產成本大、所需時間過長、礦石貧化率高的缺點。1950年起，澳大利亞的一些地下金屬礦山使用水力充填逐步替代干式充填。隨后德國、南非等國家也先后試驗并成功運用水砂充填法到生產實踐中[3]。但是水砂充填工藝因其充填體濾水污染井下作業(yè)空間等問題使應用范圍受到限制，膠結充填采礦法應運而生。

1962年加拿大Food礦山首次使用尾砂和水泥膠結充填。1969年澳大利亞MountIsa銅礦使用水泥作為膠凝材料進行充填[4]。1970年起，尾砂膠結充填工藝開始在地下金屬礦山普及。1977年MountIsa礦與UNSW礦業(yè)學院合作研究出低成本膠結充填技術[5]。到1990年，膏體充填逐漸成型且發(fā)展迅速。澳大利亞在1993年建成的Cannington礦、1998年建成的MountIsa3500礦都采用了膏體充填系統(tǒng)[6]。

我國的充填工藝發(fā)展歷經了從干式充填到水力充填，從分級尾砂膠結充填到全尾砂膠結充填、高水固化膠結充填及膏體泵送膠結充填的發(fā)展階段[7]。第一階段是1960年起，內蒙古紅花溝金礦開始使用削壁充填采礦法和干式充填采礦法以改變因圍巖不穩(wěn)固而致上盤圍巖和頂板冒落的現(xiàn)象。1967年招遠金礦靈山分礦試驗應用分級尾砂充填采礦法，是我國最早使用水力充填技術的巖金礦山。第二階段是1980年起由焦家、新城金礦等礦山使用尾砂或尾砂膠結充填法。在此期間，下向膠結充填采礦法、上向塊石膠結充填采礦法的試驗成功，使得充填技術更具多樣性。第三階段是1990年起高水固化材料在鶴壁礦務局和開灤礦務局的成功應用，并且逐步在焦家金礦等礦山推廣應用。

近年來，膠結充填技術因回采方案靈活性大、更嚴格的保護地表環(huán)境，在世界各國礦山企業(yè)中應用廣泛。因此基于其發(fā)展現(xiàn)狀，論述了膠結充填技術在金屬礦山中的發(fā)展趨勢，并且展望了智能開采、綠色開采、深井開采理念下的實際應用前景，為膠結充填技術的改進和革新提供借鑒。

1 膠結充填開采發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 塊石膠結充填

塊石膠結充填的原理是利用砂漿的滲透作用對充填到空區(qū)內的塊石起到固結作用，在充填過程中塊石和砂漿分開運輸，無需攪拌，充填體強度與混凝土膠結充填強度近似。但卻比混凝土膠結充填效率高、工藝簡單、勞動強度低。因此國外有較多礦山通過創(chuàng)新塊石膠結充填技術以取得良好成效(表1)。

表1 塊石膠結充填國外技術改進典型案例

我國自1980年開始塊石膠結技術的研究和應用。20世紀90年代，對塊石膠結充填的研究主要集中在充填技術上(表2)。

表2 我國對塊石膠結充填技術的研究創(chuàng)新Table 2 Research and innovation on cemented filling technology of block stone in China

進入21世紀，相關學者對塊石膠結的研究取得了突破性進展。杜雪鵬[12]建立塊石充填室內相似模擬裝置，并結合一元方差理論，分析發(fā)現(xiàn)塊石充填體的離析度與充填井的角度、采場的大小、顆粒直徑都有關系。卓毓龍等[13]發(fā)現(xiàn)塊石的增加在有效提高充填體的變形能力同時也在一定程度上削減了充填體支承能力。郭利杰等[14]針對廢石膠結充填體的材料力學特性方面開展較為深入的研究，并對影響其強度的因素進行劃分。

從以上的研究中可以看出，塊石膠結充填作為當今乃至今后應對礦山地表塌陷、降低固廢排放、控制深部地壓的重要手段，具有廣泛的應用前景。當前應主要關注的是塊石膠結充填體在地下的穩(wěn)定性及其承載性能和破壞機理，探尋影響其強度的主要因素以及如何提高強度以達到穩(wěn)定的承載效果。

1.2 高濃度全尾砂膠結充填

尾砂膠結充填過程中主要涉及到的骨料是分級脫泥尾砂，但是分級后的尾砂在充入采場的過程中出現(xiàn)分層、離析現(xiàn)象會導致充填體強度降低，危險性增加。而且分級后顆粒較細的細泥尾砂使得堆壩更加困難[15]。為了提高尾砂利用率和充填濃度，1970年研究人員開始逐步探索全尾砂高濃度充填技術。20世紀80年代，全尾砂膠結充填技術在德國、南非等國進行了首批試驗研究[16]，因其具有尾砂利用率高、節(jié)省膠凝材料、分層離析困難、成本低但充填體強度高等優(yōu)點，很快應用于礦山實際，如南非的Sydney Fontaine金礦等[17]。

尾砂脫水的效果是影響全尾砂非膠結充填體穩(wěn)定性的重要因素，因此國內外眾多學者還著重研究了全尾礦脫水技術(表3)。

表3 全尾礦脫水技術研究

尾砂濃密無疑會增加能耗，如何降低能耗、提高生產效率、保證井下安全是重點討論問題，今后應與礦山智能化相結合，探尋針對具體礦山的尾砂濃密方法，結合數(shù)值模擬手段，建立不同尾砂料漿濃度的模型，提出尾砂濃密的合理運行策略。

1.3 膏體泵送充填

膏體具有穩(wěn)定性、流動性和可塑性的特點[22]。充填過程中，料漿不沉淀、不泌水、不離析，在輸送管中停留數(shù)小時還能順利輸送。國外礦山針對膏體充填的該特點進行創(chuàng)新并取得良好效果(表4)。

表4 膏體充填國外技術改進典型案例Table 4 Typical cases of paste filling technology improvement abroad

會澤鉛鋅銅礦[23]自2006年采用膏體充填系統(tǒng)取代原有的水砂充填系統(tǒng)后，累計已充填2萬m3，也將采礦損失率和礦石貧化率從原來的5%和10%降低到3%和8%，回采率達到98%以上，但是仍存在充填體養(yǎng)護時間長、充填成本高等問題，因此有待于對縮短膏體凝結時間、水泥替代品的研究。

寶山礦業(yè)于2019年應用我國自主研發(fā)的高濃度全尾砂膏體充填系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效、集中、系統(tǒng)的運行目標，充填能力達到80 m3/h，可將尾礦庫中40%的尾砂回填，礦山建設成本降低40%，運營成本減少33%以上，原本30～40人的工作量僅需2～3人下井工作即可[24]。

烏努格吐山銅鉬礦[25]是我國第一個采用尾礦膏體制備和尾礦膏體排放工藝的礦山，在該礦山的實際生產中創(chuàng)造了尾礦高濃度排放、冰下放礦技術，并且依靠礦漿熱交換實現(xiàn)冰下回水，成功解決極端嚴寒地區(qū)特大型選礦廠的尾礦排放困難問題。選用了世界上最大的Ф43 m 尾礦膏體深錐濃密機，為特大型選礦廠的尾礦處理提供了經驗借鑒。首次使用國產研制最大的DGMB630/6 隔膜泵(H=6 MPa，Q=630 m3/h)，推動了我國在膏體充填方向的發(fā)展。

膏體充填技術自20世紀80年代問世以來，在流變力學特征、膏體制備以及輸送工藝上取得了長足進步，但是仍存在一些關鍵技術需要解決，例如針對膏體流量檢測設備易損壞問題應加強對檢測儀器的研制開發(fā)；針對膏體濃縮設備能耗大，絮凝劑價格高昂的問題應加大科研力度，打破國外對高性能膏體濃縮設備的壟斷；開發(fā)大型設備以應對礦山原礦處理量日趨增大的問題。工藝技術方面，開發(fā)高效絮凝劑、泵送劑，創(chuàng)新濃縮設備，通過自動控制技術降低生產成本，未來膏體充填系統(tǒng)設計的重點應是與仿真模擬相結合，對膏體管流特性加深了解，精準把控膏體濃度，進而使膏體充填工藝更加高效快捷(圖1)。

圖1 膏體充填智能化工程實驗室[26]Fig.1 Intelligent Engineering Laboratory of paste filling[26]

1.4 高水速凝充填

高水速凝充填是一種全新的充填技術，利用高水速凝材料混合而成的具有較強固水能力的鈣礬石來實現(xiàn)大濃度范圍的膠結充填。高水速凝材料作為一種高水灰比(體積含水率高達85%以上)新型的充填材料，在結合了有機注漿材料和無機注漿材料優(yōu)點的同時，彌補了有機注漿材料和無機注漿材料的劣勢，并且具有流動性好、固結體無收縮現(xiàn)象、綠色環(huán)保、阻燃性好等優(yōu)點。

1980年初英國煤炭研究院研發(fā)的“Aquapak”材料可在含水量高達85%的情況下固結[27]，兩年后“Tekpak”材料的面世，將材料用量從“Aquapak”時的500 kg/m3降低到了364 kg/m3，但是可泵送時間從45 min提高到180 min[28]。孫恒虎等[29]發(fā)明的高水固結充填材料在招遠金礦、小鐵山礦、新橋硫鐵礦等開始進行現(xiàn)場試驗研究，取得了突破性進展，完成了金屬礦山全尾砂速凝固化膠結充填技術的工業(yè)性應用。JUN等[30]以石灰和石膏為原料，以含鋇硫鋁酸鹽水泥為原料，制備了一種新型高含水率材料。在縮短凝固用時的同時早期強度高成本低。LI等[31]對不同水灰比的高水充填試件進行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗，結果表明，加載速率增大的同時，峰值強度增大，質量損失率減小。

高水速凝充填雖然存在一些諸如充填材料運輸困難、攪拌工藝復雜、要求配比嚴格、原料來源困難且成本較高等問題，但因其能夠很好地解決金屬礦山地下開采中脫水困難、整平困難、分級復雜等技術難題，為更好地利用全尾砂充填開辟了一個新的方向。

2 發(fā)展趨勢

2.1 “智能礦山”在充填開采過程中的體現(xiàn)

1999年，吳立新提出“數(shù)字礦山”的概念[32]，2010年，中國礦業(yè)大學提出了“感知礦山”[33]，之后又有人提出“智能礦山”等概念[34]。礦山開采智能化就是將大數(shù)據、云計算、AI等智能裝備與開采技術深度融合，形成自主學習與感知、高速實時互聯(lián)、智能決策及動態(tài)預警、精準協(xié)同控制的全過程安全智能高效運行的系統(tǒng)[35]。

隨著人工智能的發(fā)展，在充填體強度預測方面，不同學者采用了不同的預測方法。吉坤等[36]運用強度折減的方法，李典等[37]和趙國彥等[38]運用響應面法，鄧代強等[39]則采用二階逐步回歸方法。但是由于充填體的復雜特性，上述方法都很難建立準確的回歸模型進行描述。LU等[40]使用集成學習，估算水泥膏體充填體無側限抗壓強度，建立的回歸方程經過驗證精度較高。QIU等[41]通過grid search optimizer方法以及RF構建了泡沫充填材料強度預測模型，為泡沫水泥漿體強度預測提供了新思路。LI等[42]開發(fā)了基于salp群算法的支持向量機的混合模型來預測纖維增強膠結膏體充填體的強度。

對于強度的預測可以在充填料漿進入空場時起到很好的警示作用，降低了勞動強度，提高了勞動效率，也確保了井下的安全，尤其是對于現(xiàn)在采礦趨于深部的現(xiàn)狀具有很好的輔助作用。存在的不足是強度預測集中于單一尾砂材料，忽略了多種尾砂混合、廢石和尾砂混合條件下的強度情況。

2.2 深部開采中充填采礦法與地熱能聯(lián)合發(fā)展

我國在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中提出“深空、深海、深藍、深地”四個領域的戰(zhàn)略要求[43]，將超大超深礦床的開采列為“深地”探索的重要領域，據不完全統(tǒng)計，國內已有17 座礦山采深超過km，如圖2所示。未來10a我國三分之一以上的金屬礦山采深將超過1 000 m，最大采深達到2 000～3 000 m。

圖2 部分國家千米礦山數(shù)量統(tǒng)計[44]Fig.2 Statistics on the number of km mines in some countries[44]

世界上的深部礦井均面臨著高井溫熱害問題。根據我國深部礦井地溫場線性分布模式，預計采深達到3 000m 時，巖體溫度將達到95 ℃[45]。深部開采的高應力和高井溫是制約礦山生產安全的重要因素，針對這一問題，多國學者進行了研究。文獻[46]總結分析了近20 年以來不同地溫梯度、不同載熱流體、不同地層深度和不同運行條件下地熱井下?lián)Q熱器的實際運行可能性，經過分析，該方案具有很強的可實施性。劉浪等[47]提出礦山功能性充填的理念，借助深部礦井高井溫的特點，開發(fā)地熱能，彌補充填成本。文獻[48]評估在礦井采空區(qū)充填前鋪設換熱管路提取地熱能的可行性，也證實了這一點，認為礦山回填采場不僅在礦山運行期間，而且在礦山關閉后，都具有相當大的持續(xù)地熱生產能力。

因此，在深部開采中，將礦山充填開采、熱害控制與地熱開采相結合，在充填體中埋設換熱管，從深部礦山充填采場中提取地熱能，將礦山熱害轉化為地熱能商品，以抵消充填成本和冷卻成本，從而為深部礦床開采開辟了一條經濟有效的技術途徑。

2.3 “綠色礦山”建設大勢所趨

隨著習近平總書記 “綠水青山就是金山銀山”這一新時代生態(tài)文明建設理念的提出，實現(xiàn)地下礦山的充填開采就是踐行綠色礦山的有利途徑，不僅可以控制地表沉降，還可以減少地表污染。截止2021年初，國家級綠色礦山已超300座(圖3)。

圖3 國家級綠色礦山最新統(tǒng)計Fig.3 Latest statistics of state-level green mines

YAO等[49]介紹了利用遙感技術對綠色礦山進行動態(tài)監(jiān)測的方法和步驟，總結了綠色礦山環(huán)境的主要監(jiān)測要素，并根據監(jiān)測結果分析了綠色礦山土地破壞和恢復的現(xiàn)狀和動態(tài)變化。從總體上看，我國綠色礦山的土地回收率較低，不同地區(qū)、礦山、礦產的土地回收率水平參差不齊。這一結果說明，綠色礦山的占地已由前期土地破壞的外延擴大到存量礦業(yè)用地的恢復。綠色礦山的主要回收模式包括預防工程、生態(tài)保護工程、功能恢復與重建、土地復墾、土壤修復等。應加強雷達數(shù)據在開采沉陷區(qū)監(jiān)測中的應用和高光譜數(shù)據的應用，以增強對礦井恢復效果的監(jiān)測。

3 我國金屬礦山膠結充填采礦法存在的問題與應對策略

3.1 我國金屬礦膠結充填采礦法存在的問題

目前，我國金屬礦山膠結充填法使用過程中已經逐漸向先進國家靠近，但是仍存在如下問題。

3.1.1 智能化水平仍與世界發(fā)達國家存在差距

當前部分礦業(yè)先進國家已經實現(xiàn)井下接近零人工的智能化開采，在開采設計優(yōu)化、生產管理環(huán)節(jié)、實際開采環(huán)節(jié)、開采中的環(huán)境監(jiān)測、安全預警方面都已經實現(xiàn)高度智能化、自動化，但在我國礦山距離完全實現(xiàn)還存在差距，主要原因是井下信息難以實現(xiàn)實時共享，這就難以為短效實時決策提供完備的數(shù)據支撐。

3.1.2 缺乏深部高地壓、高溫所需的機器設備

高溫高壓環(huán)境在影響工作效率的同時也會對人工和設備造成傷害，使采礦成本提高、井巷推進效率降低。深部復雜多變的環(huán)境也會對精準導航造成影響，進而影響智能化水平的提高。開采過程中復雜的工藝、設備的冗雜致使行進路線拉長、阻力變大。因此研發(fā)能適應高地壓、高溫的采礦設備，這樣才能從根本上解決因高地壓、高溫引起的問題。

3.1.3 “綠色礦山”建設中問題不斷

國家已經通過整合一批、關停一批，遏制了“小、散、亂”的礦企，但是在土地資源破壞、地質災害、固廢污染方面、大氣污染、噪聲污染方面仍問題頻出。部分礦山只做表面功夫，積極主動性不足，完全是為了建設“綠色礦山”而建設“綠色礦山”，缺乏主體責任意識；地區(qū)激勵政策不完善全面，難以調動主觀積極性；考察機制不健全，針對地域差異性的考核體系不完全。

3.2 我國金屬礦山膠結充填開采發(fā)展策略

3.2.1 研制高效礦山充填設備和提高礦山充填智能化水平

“智能礦山”觀點的提出使越來越多的礦山開始使用自動化充填設備，通過5G技術的不斷普及與完善，井下實時物聯(lián)成為可能。充填輸送系統(tǒng)和物料控制系統(tǒng)的技術日趨完善，未來的主要方向應著手于高濃度設備的研發(fā)，如何又快又好又不堵管是重點。而對于充填物料系統(tǒng)的自動化，應大力研發(fā)適用于礦山實際生產的儀器儀表，從而實現(xiàn)“智能礦山”真正的智能化。

3.2.2 資源短缺現(xiàn)狀下的深部開采應著重提升關鍵技術

深部開采應將今后的發(fā)展方向定位在深部巖體力學與開采理論、超深礦井重大災害監(jiān)測預報與防控技術、深部金屬礦建井與提升關鍵技術、特大型地下礦開采關鍵技術及裝備。

推動地下開采提升工藝的變革是目前深部開采的發(fā)力點，總體上向高度自動化、大型化、大載荷方向發(fā)展是礦井提升的未來總趨勢。應針對井下高溫高壓的現(xiàn)實情況，研制大型無人化精密設備實現(xiàn)從運輸?shù)教嵘囊幌盗泄ぷ?，達到“減人提效”的目標?，F(xiàn)階段我國礦山整體差距主要設備還依賴進口，價格昂貴，成本高昂。推動無線直線電機驅動等無繩垂直提升技術，設備靈活效率高，無提升高度限制，高度適配深井、超深井提升。

3.2.3 “綠色礦山”背景下礦山走向集約化、精細化

推進“綠色礦山”的建設著力點要放在土地資源及地質災害防護、廢石尾礦處理、廢水處理上。在開采過程中充分利用實時監(jiān)測技術，建立動態(tài)遙感監(jiān)測系統(tǒng)。排土場堆積過程中，及時進行削坡壓腳處理，防治地質災害危害人民生命財產安全。分塊選采固體廢棄物，遵循不斷提高回采率、綜合減少尾礦的原則。建設專門的廢水處理系統(tǒng)，對礦山加工篩洗過程中產生的廢水采用分級處理。原本粗放的、對環(huán)境產生嚴重影響的開采形式將轉化為集約化、精細化、環(huán)?；陌l(fā)展模式。政府加強政策法規(guī)的制定完善，做到有法可依。通過這些方式，中國金屬礦山將向著綠色、智能、高效更加邁進。