在過去的幾十年里，我國礦業(yè)取得了長足的發(fā)展，但這也伴隨著一系列問題的出現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)探明的優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源越來越接近枯竭，原材料總量供應(yīng)短缺成為一個現(xiàn)實(shí)問題。因此，復(fù)雜低品位礦石資源或二次資源將逐步成為主要的原料來源。這對傳統(tǒng)的地質(zhì)、采礦、選礦、冶金、材料、加工、環(huán)境等科學(xué)技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。同時，不少礦業(yè)企業(yè)開采深度增大，深部礦床開發(fā)固有的高應(yīng)力、高地壓、高地溫等特點(diǎn)逐漸顯露。
隨著深入建設(shè)綠色礦山的同時，我國也面臨著技術(shù)層面更加嚴(yán)峻的考驗。為了解決礦山環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問題，國家已經(jīng)出臺了多項政策，鼓勵和引導(dǎo)礦山充填技術(shù)的采礦發(fā)展和應(yīng)用。
礦山采礦使用的膠結(jié)充填采礦技術(shù)、工藝及設(shè)備
(1)膠結(jié)充填采礦法由于在確保安全的情況下兼具環(huán)境保護(hù)和提高礦石回收率的雙重功效，充填工藝涉及礦山安全與經(jīng)濟(jì)效益，因此引起國內(nèi)外采礦界的廣泛關(guān)注，在有色、黃金等礦山得到越來越廣泛的應(yīng)用，取得了不少研究成果。
膠結(jié)充填的主要難題是充填成本過高，膠結(jié)充填材料成本中，水泥費(fèi)用占將近60%-80%，因此降低膠結(jié)充填成本的一個重要途徑就是尋找水泥替代品，以降低水泥消耗。國內(nèi)外的研究及應(yīng)用實(shí)踐表明，冶煉廠水淬爐渣、火力發(fā)電廠粉煤灰、鋁廠赤泥，都是性能良好的水泥替代品。尤其是粉煤灰，除了可部分替代水泥降低充填成本外，還可以改善漿體流動性能、提高漿體懸浮性，因此應(yīng)用更為廣泛。
(2)通過高水速凝全尾砂膠結(jié)充填新工藝試驗，采用高水速凝材料，與全尾砂漿混合制成質(zhì)量濃度30%-70%的充填料漿，充入采場后，不需脫水，8h即可上設(shè)備作業(yè)。盡管所使用的高鋁型高水速凝材料還存在不足之處，但該材料基本解決了尾砂分級脫泥、井下脫排水、采場接頂?shù)燃夹g(shù)難題，為更好利用全尾砂充填開辟了一個全新的領(lǐng)域，也為研制材料來源廣泛、成本較低、性能更好的新型高水速凝材料奠定了基礎(chǔ)。
(3)塊石膠結(jié)充填新工藝已得到推廣應(yīng)用。該工藝即井下掘進(jìn)廢石不出窿，直接充入采空區(qū)或采場，廢石與水泥砂漿交替下料，自然混合構(gòu)筑塊石膠結(jié)充填體，由于塊石與砂漿分開輸送，利用砂漿的穿透性固結(jié)塊石，無需攪拌，其充填體強(qiáng)度接近于混凝土膠結(jié)充填強(qiáng)度，與混凝土膠結(jié)充填相比，充填效率提高，工藝更為簡單，工人勞動強(qiáng)度大大降低，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
(4)應(yīng)用分級尾砂管道水力輸送的充填工藝技術(shù)已相當(dāng)成熟。為解決分級尾砂脫泥后堆庫困難及尾砂分級工藝復(fù)雜的難題，近來不少礦山推廣了全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，但該工藝需用機(jī)械方法進(jìn)行濃縮、過濾，工藝復(fù)雜，成本較高。近年來，全尾砂膏體泵壓膠結(jié)充填工藝推動了全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)的進(jìn)步，為尾砂產(chǎn)率低、充填料來源不足的礦山提供了成功的實(shí)例。
(5)添加化學(xué)外加劑是一種改善流體流動性能的有效途徑，在混凝土工程中得到廣泛應(yīng)用。添加少量外加劑可以改善混凝土的工作性能，提高硬化混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能。
(6)管道自流輸送屬于典型的固-液兩相流。管道自流輸送系統(tǒng)的設(shè)計要求對漿體的流動性能、管道的阻力損失(水力坡度)等作出定量的分析計算。為滿足生產(chǎn)實(shí)際需求，國內(nèi)外對兩相流理論進(jìn)行了較深入的研究。根據(jù)不同的物料性質(zhì)及輸送條件，提出了各種水力坡度計算的經(jīng)驗公式，比較著名的如尤芬公式、紐偉特(Newitt)公式、卡爾斯公式等;根據(jù)漿體在管道中的懸浮狀態(tài)對漿體輸送性能的影響，提出了改善漿體流動特性的途徑;充填系統(tǒng)設(shè)計所需要的臨界管道直徑、臨界漿體流速、輸送能力等指標(biāo)都有比較可靠的計算方法。
礦山充填采礦技術(shù)、工藝、設(shè)備的研究與發(fā)展趨勢
1 充填材料
澳大利亞芒特艾薩礦塊石膏體充填研究的最新結(jié)果，提出了塊石膏體充填的設(shè)計原則。通過幾次大規(guī)模攪拌試驗和自由落體試驗表明，塊石膏體充填能形成均勻的充填體。塊石膏體充填料由分級尾砂膠結(jié)料漿與一定比例的塊石組成，表現(xiàn)出類似的粘結(jié)膏體特性。在平均添加水泥 1.5%～2%的條件下，抗壓強(qiáng)度超過1 Mpa。
加拿大Williams 礦使用了一種名為DELVO的穩(wěn)定劑，將其用于塊石膠結(jié)充填工藝中，結(jié)果是DELVO 穩(wěn)定劑有利于減少堵管現(xiàn)象，提高強(qiáng)度。使用此種穩(wěn)定劑后，地表攪拌桶的清洗次數(shù)也減少了45%。
南非Savuka 礦使用了BF98增塑劑，此增塑劑含有石膏，其作用是提高充填料濃度，降低水與細(xì)顆粒的損失。增塑劑還能保證在高濃度時提高流速，減少管道磨損與維護(hù)費(fèi)用。
美國Hecla 公司研究用Pozzlith344N等摻和劑降低充填膠凝劑的用量，改善充填料流動性，其結(jié)果是節(jié)省 20%的水泥用量，不會影響充填料強(qiáng)度和流動性。
2 充填體力學(xué)
加拿大蒙特利爾大學(xué)研究了一種測試現(xiàn)場充填體應(yīng)力應(yīng)變新方法。傳統(tǒng)的方法是通過鉆孔取樣與室內(nèi)模型試驗相結(jié)合。新的方法是利用一套新的裝置，它能夠自行鉆孔，鉆頭內(nèi)安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，信號通過電纜傳回工作面，鉆頭刀具與傳感器之間有保護(hù)層，防止鉆進(jìn)過程中對傳感器產(chǎn)生干擾。平均鉆孔速度為 0.1 m/min，按每班 8 h 計算，每班可完成7 組數(shù)據(jù)的測量。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不影響采礦作業(yè)。
美國職業(yè)安全與健康研究院研究了幸運(yùn)星期五礦(Lucky Friday Mine)下向采場圍巖的相對位移、膠結(jié)充填載荷與鋼筋錨桿之間的相互作用。收集了8 個分層的數(shù)據(jù)，顯示出圍巖位移引起充填體變形，從而對充填體中垂直錨桿施加載荷。結(jié)果分析表明配有鋼筋錨桿的充填體支護(hù)系統(tǒng)是有效的。
俄羅斯Sergey N. Zhurin 進(jìn)行了井下排放尾砂的孔隙壓力控制試驗。試該驗是在 Gubkin鐵礦完成的，將含水超過 80%的尾砂漿泵送至兩個試驗采場，觀測充填盤區(qū)內(nèi)的孔壓分布情況，同時也用數(shù)字 FEM 模型分析充填體內(nèi)的孔壓分布?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果揭示相鄰采場內(nèi)的孔壓不存在關(guān)聯(lián)，充填擋墻水壓主要取決于通過擋墻過濾網(wǎng)的速度。
南非對于現(xiàn)有充填設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)用于超深井采礦的研究，提出了新的充填設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，建議60%～70%的采空區(qū)應(yīng)該充填。
3 膏體充填
澳大利亞芒特艾薩礦在開發(fā)膏體充填技術(shù)時，采用了兩個簡單、經(jīng)濟(jì)有效的試驗方法研究膏體特性，為膏體充填料攪拌設(shè)計提供幫助，即流動錐試驗和小坍落度錐試驗。通過這些試驗可預(yù)測膏體的流動特性。流動錐由一個錐體和一段出口管組成，錐體的錐角為14°、容積 2 L，出口管內(nèi)徑 30 mm，長 150 mm，與錐體相連。小坍落度錐試驗是借鑒建筑上標(biāo)準(zhǔn)的坍落度試驗。資料顯示典型的膏體坍落度為 150～250 mm，混凝土的坍落度是30～60 mm，泵送混凝土的坍落度是100～125 mm。
澳大利亞柯林頓礦膏體充填系統(tǒng)在在投入運(yùn)行的前 18個月中，系統(tǒng)運(yùn)行不正常，出現(xiàn)的問題大多與管道磨損有關(guān)，后來在易磨損地段采用陶瓷和橡膠襯墊，減少磨損，從而大大減少停運(yùn)時間。在充填開始時，制備兩批不添加水泥的料漿，充入管路，目的是浸濕管道，然后再添加水泥。在作業(yè)結(jié)束時，同樣充入2～3 批不加水泥的料漿，然后用水和空氣清洗管路。在地表安裝有空氣壓力表，用來確定管道是否清洗干凈。在開始送入空氣時，由于管道中有料漿和水，壓力達(dá)到700 kPa，此壓力值逐漸降低至200 kPa，此時管道中的料漿和水已清洗干凈。如果在20 min 內(nèi)膏體還沒有進(jìn)入管路，將進(jìn)行人工或自動清洗管路。由于膏體是分批進(jìn)入管路，在井下管道中產(chǎn)生高的動載荷，在前18 個月的運(yùn)行中，由于此動載荷的作用，導(dǎo)致管道接頭處常常發(fā)生破壞，為此采取以下措施：采用knife-gate(gate knife 墁刀)型閥來限制流速，保證管道中的膏體形成半連續(xù)流;在易受高動載荷作用處用法蘭盤代替企口管;降低膏體坍落度;在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b雙法蘭管?？铝诸D礦制定了一個標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)膏體的屈服應(yīng)力為800 Pa(大約固體濃度85%)，膏體能成功地充填。該礦是澳大利亞的礦山首次應(yīng)用膏體充填技術(shù)，取得了許多成功的經(jīng)驗。
葡萄牙 Neves Corvo礦研究了膏體充填礦房的強(qiáng)度以及實(shí)驗室試驗值與現(xiàn)場值之間的關(guān)系。并研究了充填第二步驟礦房時膏體的液化問題，實(shí)驗室試驗和現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，添加2%的水泥，膏體充填的液化可能性較小，而添加0.5%的水泥時，則液化可能性大，因此，一般是添加1%的水泥，以避免液化。最大限度地降低液化風(fēng)險時，28 天單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到 172 kPa，此時的水泥添加量約為1.5%，充填體自立高度可達(dá)到10 m。
加拿大 Brunswick 礦于 1997 年 7 月決定建設(shè)膏體充填系統(tǒng)，在此之前，完成了尾砂試驗，環(huán)管輸送試驗和預(yù)可行性研究。整個系統(tǒng)投資2410 萬加元。充填站用一套可編程邏輯控制器(PLCS)混合計算機(jī)系統(tǒng)和一套Fisher Provox分布控制系統(tǒng)(DCS)控制。PLCS處理數(shù)字信息，開啟電機(jī)和閥門的順序，而 DCS處理模擬信息，為操作人員提供界面。采用一個處理信息系統(tǒng)(PI)作為數(shù)據(jù)庫，并提供感應(yīng)器走向，供充填站操作人員和技術(shù)人員作分析用。在充填管道出口處安裝 5 臺移動攝像機(jī)監(jiān)控充填情況。視頻信號通過一套(Leaky feeder)通信系統(tǒng)和光纖送到地表充填站。如果充填料是經(jīng)過鉆孔進(jìn)入采場，則盡可能靠近出口安裝超聲波流量計，監(jiān)控充填情況。在井下管道中，安裝有18 個感應(yīng)器，連續(xù)監(jiān)測管路中的壓力，壓力信號通過井下PLCS 監(jiān)控，然后通過一條數(shù)據(jù)電纜和光纖網(wǎng)絡(luò)傳回地表充填站。系統(tǒng)還裝有一套(Leaky feeder)無線電通訊系統(tǒng)，用于語音通訊。Brunswick 礦的膏體攪拌采用葉片式攪拌機(jī)，連續(xù)作業(yè)，不同于傳統(tǒng)的分批攪拌方式。實(shí)踐證明，葉片式攪拌機(jī)工作可靠。水泥是濕式添加。
在可行性研究階段，試驗結(jié)果是，固體重量含量81%～83%，相應(yīng)坍落度 178～254 mm，適合于制備和輸送。實(shí)際生產(chǎn)中，固體重量濃度為78%～80%。根據(jù)攪拌機(jī)的電流變化，可精確地添加水泥，坍落度保持在140～165 mm 之間。
日本介紹了Toyoha礦計劃引進(jìn)膏體充填技術(shù)，主要目的是阻止來自采空區(qū)的熱流，改善井下氣候。該礦井下溫度是日本諸島平均溫度的 10～20 倍，在鉆孔內(nèi)測的最高溫度達(dá)到242℃。該礦只完成地表環(huán)管試驗，第二次試驗計劃在井下進(jìn)行。
加拿大某礦山研究了膏體的流變特性與充填管網(wǎng)之間的相容性問題，研究的結(jié)論是膏體充填出現(xiàn)的問題來源于下列一個或多個方面，即管網(wǎng)設(shè)計，骨料級配設(shè)計，水灰比或生產(chǎn)過程。在設(shè)計階段能夠?qū)⑦@些問題減少到最低程度。膏體的流變特性與管網(wǎng)不相容時，將產(chǎn)生大量的故障。在管網(wǎng)設(shè)計階段，管徑、骨料級配和水灰比確定了系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)，因此在設(shè)計階段就應(yīng)考慮系統(tǒng)的適應(yīng)性。應(yīng)該同時做強(qiáng)度和流變特性試驗，不僅要滿足強(qiáng)度的要求，還要保證流變特性與管網(wǎng)相容。設(shè)計的基本原則并且必須做到的就是保證管網(wǎng)與膏體流變性相容。
4 充填設(shè)備與運(yùn)行
典型例子是充填設(shè)備對希臘 Stratoni礦高濃度充填的優(yōu)化。該礦位于希臘東北部，采用下向進(jìn)路充填法開采鉛、鋅礦體。由于輸送存在困難，造成充填體梁常常發(fā)生破壞。因此，依靠多添加水泥來解決，造成充填成本增加，而新建一個充填站，在經(jīng)濟(jì)上又不合理。解決的辦法是對現(xiàn)有充填系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并加以改造，大約只需要投資 3.5 萬美元。水泥消耗占作業(yè)成本相當(dāng)大的比例，節(jié)省1%的水泥，礦山每年可節(jié)省 5 萬美元。優(yōu)化措施包括將豎井內(nèi)的管徑改為100 mm，平巷內(nèi)的管徑改為125 mm ,以防止管道內(nèi)顆粒發(fā)生沉淀。此外，為了改善充填料稠度，在充填站內(nèi)增加控制設(shè)施，通過計量盤式攪拌機(jī)的電流控制料漿稠度，在充填系統(tǒng)上安裝有程序邏輯控制器(PLC)。
德國研究了先進(jìn)的充填設(shè)備減少或消除充填設(shè)備的磨損和腐蝕方法。充填管道主要采用玄武巖襯里鋼管，此種鋼管耐壓，管道用法蘭連接。內(nèi)襯防止磨損和腐蝕，提供幾乎是拋光的表面。
澳大利亞Olympic Dam礦采用深孔空場法，空區(qū)用碎石膠結(jié)充填以及塊石充填。充填料通過鉆孔從地表進(jìn)入采場頂部，由于采場粉塵和潮濕空氣的不利影響，肉眼不能觀察充填過程。為此研制一種毫米波雷達(dá)，用此雷達(dá)觀察充填過程，得到不同充填體相對位置的實(shí)時數(shù)據(jù)，是一種控制采場充填的有效手段。
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