深地開采，膏體先行

吳愛祥　李紅　楊柳華　程海勇

摘要：淺部金屬礦資源已接近枯竭，未來金屬礦開發將進入地下深部空間。在深部開采環境中，面臨著高地應力、高井深、高地溫及動力擾動等難題，亟需發展與此特殊復雜開采環境相適應的采礦技術與工藝。膏體充填采礦法具有采場不脫水、接頂好及強度高等特點，是深部資源安全、綠色及高效開發的可靠方案。介紹了膏體充填的基本概念、主要工藝流程及技術優勢，對國內外深地充填現狀及其研究成果進行了總結分析，探討了深地充填中存在的技術難題及技術發展展望，并結合贊比亞謙比希銅礦東南礦體的膏體充填系統這一典型工程實例，對深地充填的應用進行了實踐總結。

關鍵詞：膏體充填;深地開采;綠色采礦;研究現狀;工藝流程

中圖分類號：TD853.34 文章編號：1001-1277（2020）09-0051-07

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20200908

引 言

金屬礦是經濟發展的重要物質基礎，淺部資源經過長期大規模開采已接近枯竭，未來金屬礦開發將進入1 500～3 000 m以深的地下空間[1]。然而，深部資源開發需要克服一系列重大難題。首先，高地應力問題，大量文獻資料顯示，高能級巖爆與礦震、軟巖大變形、采空區大面積失穩、冒頂和片幫等動力災害問題在金屬礦深部開采中時有發生，且難以精準預測和有效防治;其次，巖層溫度隨深度以10～40 ℃/km的梯度增加，深地高溫環境惡化了井下工作環境，有效降溫又將顯著增加采礦綜合成本[2]。為防治深部采礦安全隱患，避免發生工程災害，并最大限度地保證礦山的規模化生產，亟需發展與深地特殊環境相適應的采礦技術與工藝。

膏體充填采礦法具有采場不脫水、接頂好及力學性能高等優勢，是深部高地應力、高井深、高地溫及高擾動條件下安全、綠色及高效開采的可靠方案[3]。相較于傳統充填采礦法，在顯著降低充填成本的同時，膏體充填體能夠達到良好的接頂性能及力學性能，可有效吸收轉移應力、緩解區域地壓。膏體充填技術為控制深部硬巖巖爆、軟巖大變形提供了解決方案，在安全、環保、經濟和高效方面具有突出優勢[4-5]。

隨著深度的增加，膏體充填同時面臨一系列挑戰。首先，高井深增加了膏體管道輸送的難度，確保膏體低能耗穩定輸送，降低管道磨損、避免出現堵管和爆管等問題是深地膏體充填技術發展的關鍵;同時，深地高應力及高擾動環境對充填體力學性能提出了更高要求，對充填體變形規律及其機理的研究具有重要的理論指導價值;此外，深地高溫與高礦化水養護環境對充填體力學性能的作用不可忽視。為更好地應對深地膏體充填所面臨的挑戰，文章梳理了當前國內外深地充填技術主要研究成果;針對深地充填面臨的挑戰及研究現狀，提出了深地膏體充填的發展構思;并以深地膏體充填典型工程為例進行了實踐總結，以期引起學界對相關難題的共同關注，推動深地膏體充填的理論發展與技術應用。

1 深地開采面臨的問題

1.1 深地資源開采國家戰略

在深地資源開發方面，澳大利亞、南非、美國和加拿大等礦業發達國家相繼提出深部資源探測及開采計劃。中國亦十分重視，國務院于2006年將深層和復雜礦體采礦技術及無廢開采綜合技術列入礦產資源領域的優先主題[6]。隨后，“中國地下4 000米透明計劃”正式在2009年公布的中國科學院戰略研究報告《創新2050：科學技術與中國的未來》中被提出[7]。2016年習近平總書記在全國科技創新大會上指出“向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題”[8]。深部礦產資源評價理論與預測、深部礦產資源開采理論與技術等研究項目相繼啟動，深地資源開發已上升為國家戰略。

1.2 面臨的難題

隨著開采深度增加，采礦作業面臨著一系列難題。例如：維護整體及巷道穩定性，以及應對采場高溫、涌水及巖爆等突出問題。深地礦巖環境復雜，在高地應力及高擾動作用下，如何保證充填體質量，控制巖爆等災害的發生，維護巷道穩定性;深部大面積連續采礦作業，如何控制巖體與充填體的移動，保證整體穩定性;深度超過千米時，地溫可達30 ℃～50 ℃，如何保障工作人員的健康和工作能力，以及設備工作效能，降低生產事故率并提高生產效率;深部水文地質環境復雜，如何應對涌水及高礦化水對充填體侵蝕等[9]。上述問題對深部采礦提出了挑戰，而深部膏體充填是解決上述難題最行之有效的方案之一，可顯著緩解巖爆威脅，克服深部地壓難題，并起到隔溫效果[10-11]。

2 深地膏體充填及其研究現狀

2.1 膏體充填技術

膏體充填是將選礦廠排放的低濃度全尾砂料漿進行深度脫水，并與膠結材料、改性材料和水等攪拌均勻，制備成高濃度和流態化的膏體料漿，在重力或外力作用下通過管網運輸至井下采空區，實現特定充填目標的過程，典型工藝流程[4]見圖1。通常選用普通硅酸鹽水泥作為膠結材料;改性材料包括早強劑、減水劑、泵送劑、粉煤灰及水淬渣等，用于改善膏體的流動及力學性能。

膏體是由多尺度散體顆粒與水混合而成的復雜體系，其量化定義較為困難，評價時需綜合考慮多因素影響[12]。國內外常用塌落度（15～25 cm）[13]、屈服應力（>100 Pa）[14]、20 μm以下細顆粒占比（>15 %）[15]作為評價指標;另有學者用分層度（<2 cm）[16]、飽和率（101.5 %～105.3 %）與泌水率（1.5 %～5.0 %）[17]等指標補充評價。

2.2 深地膏體充填研究現狀

近年來，圍繞特殊極端條件下的膏體充填開展了大量研究工作，為發展深地高應力、高井深、高地溫及高礦化水特殊環境下的膏體充填技術奠定了重要基礎。

2.2.1 高應力作用下充填體變形

針對充填體的破壞機理、力學性能及其與圍巖的作用等，國內外學者已開展了大量研究，并取得了一系列重要成果[10，18-20]。開展深地高應力環境下的相關研究對于解釋深地充填體的長期服役力學機制及其與圍巖的相互作用至關重要[21]。目前，此類研究多以室內試驗為主。例如：部分學者借助室內試驗分析了側限高應力約束下的充填體變形規律及本構關系[22-23]，以新城金礦埋深800 m、豎向應力25.5 MPa為背景，測試了最高32 MPa載荷下充填試塊的側限壓縮系數及模量，二者與加載應力滿足對數函數關系;于跟波等[24]研究了充填體的固結變形特性與機理;另有學者對高應力下頂板充填體破壞形式進行了研究并提出了預防措施[25]。目前，針對深地高應力作用下的充填體變形破壞及其機理還需系統深入研究，為深地膏體充填設計提供理論指導。

2.2.2 高井深充填管輸技術

高井深條件下輸送帶來的主要問題是管道的磨損，尤其是充填鉆孔的損壞[26]。高井深料漿輸送速度與壓力均較大，尤其是非滿管流狀態下，料漿垂直下落必然產生極大的沖擊，不規則的充填物料顆粒加大了對管壁的磨損。基于目前的工程案例及數值模擬結果，在膏體輸送的管網中，充填鉆孔底部磨損最為嚴重，其次為垂直部位，水平管道磨損最小。受管道磨損影響較為嚴重的國內礦山有會澤鉛鋅礦、金川鎳礦等，以金川鎳礦為例，在二礦區東部充填系統中由于鉆孔磨損廢棄，共計設計施工66個鉆孔，而西部也達47條，大量鉆孔致使地表無處可打孔，并產生高昂的施工設計費用[27]。

垂直管道鉆孔磨損的主要影響因素：一是輸送介質本身，包括膏體配比、顆粒形狀及流速等;二是充填管網，包括管網空間布置及管道材質等。針對前者，主要是優化顆粒形態、改善料漿流態，減小高速尾砂顆粒對管壁金屬的切削作用。由于原位環境復雜、實時監測技術發展緩慢，該領域的研究以數值模擬為主，應用流體軟件并考慮固液之間的雙向耦合，分析物料中的顆粒表觀特征對管壁的磨損影響。部分模擬研究表明：在深井輸送過程中管道的磨損與顆粒的外形、碰撞頻率、速度及角度密切相關[28]，降低顆粒粒徑可減小磨損[29]，降低輸送流速是控制磨損的關鍵[30]。

為降低管網磨損，通過合理優化管網布置可取得較好效果，基于國內外工程實踐及理論研究成果，目前主要采用兩大類方式：

一是減小單程垂直段高度或滿管輸送，實現管道輸送泄壓、減緩料漿沖擊速度，以降低對管道的沖刷和磨損。減壓池（見圖2）及管道折返式（見圖3）降壓輸送系統、變徑滿管流系統[31-32]等被廣泛應用于輸送管網中。就工程應用角度而言，前兩者均會增加一定的工程量，提高技術的應用成本，而變徑滿管流系統在使用過程中很難實現理想的滿管輸送。

二是改變易磨損的底部結構，即設計一個可更換的鉆孔底部裝置并及時更換，以提高鉆孔整體使用壽命。目前，應用較為成熟的是緩沖壺結構設計[31]，其基本結構見圖4，此結構可避免料漿直接沖擊管壁，料漿在重力勢能作用下高速沖擊緩沖壺底部物料并實現減速，可顯著降低磨損率。

2.2.3 多場耦合作用下充填體力學性能及演化機理

膏體充填體的力學性能主要受內部因素（充填材料及配比等）及外部養護環境（溫度、濕度及壓力等）的影響[33-35]。針對深地高地溫、高應力及高礦化水養護環境對充填體力學性能的影響，Bruno Bresson等[36]發現養護溫度對膏體充填體的力學性能影響顯著。溫度升高（200 ℃以內）對充填體強度發展有益，但其影響也取決于充填水灰比及礦物組成[37]。溫度增加對充填體強度及內部孔隙的影響主要體現在養護初期[38-39]。此外，有研究發現壓力養護條件有利于提升充填體強度[40-41]，而養護濕度的增加會導致充填體早期強度減小[42]。地下充填涉及傳熱、滲流、力學、化學（熱-水-力-化）多場耦合問題（見圖5），而非單一因素影響[43]。對于多因素耦合作用，陳順滿[44]系統研究了膏體充填體在壓力和溫度耦合作用下的力學性能發展規律，并建立了對應的強度預測模型，揭示了膏體充填體的熱-水-力-化多場性能關聯機制。充填體在高礦化水環境中易受侵蝕，研究發現，不同濃度硫酸鹽及溫度耦合作用對膏體充填體強度影響顯著[45-46]。膏體在氯鹽侵蝕下早期蠕變較小而后逐漸增大，在高應力與持續的腐蝕作用下，充填膏體出現加速蠕變現象[47]。對深地特殊環境下充填體強度發展規律及其演化機理的深入研究，將有助于推動深地膏體充填工藝及材料的發展，保證充填的效率及效益。

3 深地膏體充填的挑戰與展望

膏體充填是解決深部資源回采問題的重要支撐技術，但在解決復雜問題的同時，為適應重大挑戰，膏體充填也存在著自我變革的必要，在諸多關鍵技術、新材料及高性能裝備研發等方面有待突破。

3.1 深井管道輸送技術

淺部充填輸送技術通常關注輸送過程中沿程阻力的降低[48]，而膏體深井管道輸送的挑戰是輸送系統的減壓與減磨[49]。一方面，通過提高輸送過程阻力以降低料漿對管道沖擊作用成為研究的熱點。就管道輸送系統也已提出了滿管流輸送、緩沖壺、減壓池及管道折返式減壓等技術[31，50]，但仍然存在諸多問題。此外，輸送介質方面，主要通過優化膏體的物料級配及配比等以改善膏體的可輸性能，但目前對級配的研究主要集中于力學強度等方面[51-52]，較少針對泄壓減磨開展研究，如提出適用于深井充填的物料配比、流變與井深關系模型等。研發高井深下的減壓新方法和新措施，應注重發揮輸送系統與輸送介質二者的協同效應，共同實現深井輸送減磨，從而保證深井充填系統穩定可靠運行。

3.2 深部充填環境特殊材料

1）高強速凝充填材料。在深部高應力的影響下，生產能力大的超大型空場采礦法、空場嗣后充填等采礦方法無法滿足采場安全需求，因此安全系數較高的分層充填采礦法、進路式回采及小采場采礦在深部開采中應用較多。由于其回采周期短，工序協調復雜，對膠凝材料早期強度要求較高。傳統充填材料存在凝結時間長、早期強度低等問題[53-55]，充填體不能及時支撐圍巖變形、控制圍巖應力顯現，影響了深部開采的順利實施。為此，需研發膏體料漿促凝改性材料，以實現充填材料高強速凝，能夠快速有效地支撐高應力巖體，為多采區連續回采提供技術保障。

2）充填隔熱材料。受地溫的影響，深部采場溫度以10～40 ℃/km的幅度增加，以目前全球開采深度最深的姆波尼格金礦為例[56]，采場溫度可達60 ℃以上。在古德生院士提出的“采礦環境再造”理念的指導下[57-58]，深部采場充填降溫的設想被提出。除控制圍巖應力及變形外，充填體在深部采場中還具備隔熱與降溫功能[59]。其基本原理是通過添加導熱系數低的隔熱材料，制備具有隔熱功能的膏體并充填至深部采場，將高溫圍巖與采場作業空間隔離開;同時，由于地表制備的充填料漿溫度低于深部采場溫度，膏體進入采場后與周圍環境發生熱傳遞直至與環境等溫，此過程膏體可吸收大量的熱量，從而降低采場溫度，但實現這一構想的前提是降低水泥水化熱的釋放。因此，研發低水化熱膠結材料或吸熱膠結材料，對實現充填降溫尤為重要。

3）發泡充填材料。影響充填體力學性能的主要因素除其自身強度以外，還和充填體與圍巖形成的整體強度密切相關。如何提高充填接頂率是膏體充填充分發揮技術優勢所必須攻克的難題。較多研究結果表明，充填不接頂主要受到充填體固化收縮及自然沉降兩大因素影響。為此，有學者提出使用發泡充填材料的構想[60]，在充填料漿中摻入發泡劑，使其固化后體積增大，實現填縫、黏結、密封、隔熱及支撐等功能。具有膨脹性的發泡充填材料可以只在采場上部充填時應用，從而降低充填成本，并且實現100 %接頂率，改善充填體對圍巖的支撐作用[61]。

3.3 溫度與化學耦合作用下充填體力學特征

大量的研究及工程實踐表明，深部礦井水的無機鹽對充填體強度具有劣化作用，而無機鹽侵入過程及其劣化機理較為復雜，當前開展的無機鹽對充填體侵蝕的研究主要以含無機鹽（硫酸鹽、氯鹽等）尾砂充填體為研究對象，針對強度劣化等問題進行了研究[62-63]。目前礦井水中無機鹽對充填體強度的影響一般采用Fick第二定律進行分析[64]，然而無機鹽侵入充填體的過程是由外部環境和充填體內部條件共同決定的，深部采場溫度是一個不容忽視的關鍵因素，較高的采場溫度必然加快無機鹽的侵入過程。針對溫度-化學耦合作用下充填體力學強度特征的研究還較為缺乏，深部采場高溫及無機鹽耦合作用下力學強度劣化問題有待進一步研究。針對無機鹽侵蝕充填體進行有效控制的技術是復雜的系統工程，開展深部礦井水中無機鹽對充填體侵蝕過程的研究具有實用價值，對提高深井環境下充填體強度具有重要意義。

3.4 井下移動式充填技術及裝備

隨著“采、選、冶”一體流態化開采技術的提出，與之相適應的井下移動式充填技術及裝備的研發有待突破[65-66]。其中的關鍵問題有：①濃密機、攪拌機及柱塞泵的小型化。目前，濃密機直徑普遍在10 m左右，攪拌機及柱塞泵的尺寸也不容忽視，受限于地下空間無法在井下安裝。因此要實現井下一體化充填，需在滿足生產能力的基礎上解決膏體充填關鍵設備小型化的難題。②井下充填站需解決膏體向作業面的輸送方式、材料獲取、膏體制備及充填站布置等問題。③隨著流態化開采技術的廣泛應用，必須解決好采礦、選礦、冶煉與充填各工藝環節之間的協同問題[67]，如流態化開采技術流程等，從而保證生產工藝緊密銜接，保障井下生產安全順利。

4 謙比希銅礦大流量深地充填系統

謙比希銅礦東南礦體埋藏深（445～1 230 m）、體積大，主要賦存在泥質板巖中，圍巖穩定性差。礦體厚度2.32～23.73 m，平均9.63 m，傾角5°～20°，局部有變化。礦山初步設計生產能力為1萬t/d，主要以進路式、分條空場嗣后充填等采礦法進行開采。

對比研究多種方案，最終確定將充填站建設在主副井附近（見圖6-a）），充填站建設有2套充填系統，日平均充填能力達到3 150 m3，單套生產能力為180 m3/h。其工藝流程是將選礦廠尾砂漿濃密脫水至濃度72 %，底流通過泵輸出到制備系統，并加入水泥攪拌制備為均質流態化膏體，經過680 m垂直充填鉆孔自流或泵送至680 m水平，管道經過井下現有的聯絡道等巷道進入到采場。垂直680 m充填鉆孔的應用在國內外尚屬首次，鉆孔采用雙層套管設計（見圖6-b）），并選用雙金屬復合耐磨管道，以降低膏體料漿對深井鉆孔的磨損。

5 結 論

1）深地高應力、高井深、高地溫、高礦化水及高擾動特殊環境嚴重威脅著井下作業人員及裝備的安全。膏體充填技術具有采場不脫水、接頂好及力學性能好等特點，在保障深部資源安全、綠色、高效開采方面具有獨特優勢。

2）特殊極端環境膏體充填技術相關研究為深地膏體充填技術的發展奠定了基礎。在高井深充填管道輸送技術和多場耦合作用下充填體力學性能及演化機理的研究方面，目前已取得較多成果，而針對深地高應力作用下的充填體變形破壞及其機理還缺乏系統深入研究。

3）深地特殊復雜環境對膏體充填技術的發展提出了挑戰，為推動深地資源的安全、綠色、高效開采，應注重在深井管輸技術、深部充填環境特殊材料、溫度與化學耦合作用下充填體力學特征及井下移動式充填技術和裝備研發等方面開展系統深入研究。

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Cemented paste backfill paves the way for deep mining

Wu Aixiang1，Li Hong1，Yang Liuhua1，2，Cheng Haiyong1，3

（1.Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines，

University of Science and Technology Beijing; 2.School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University;

3.School of Land Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology）

Abstract：The metallic ore resources in the shallow crust have been gradually exhausted after undergoing continuous large-scale mining activities.In the future，the exploitation of mineral resources will take place in deep underground space.In the deep mining environment，there are many problems，such as high geostress，high depth of shaft，high ground temperature，dynamic disturbance，etc.It is urgent to develop mining technologies and techniques which are suitable for this special complex mining environment.Cemented paste backfill （CPB） technology has the characteristics of filling the mined-out stopes with no bleeding，good roof connection and high strength，and will become a reli-able scheme for safe，green and efficient mining method for deep resources.This paper introduces the basic concept，technological process and technical advantages of the CPB technology，summarizes and analyzes the status and research results of backfilling in deep mining at home and abroad，discusses the technical problems that need to be solved urgently in deep backfilling，and puts forward the prospects of the application of CPB technology in deep underground.In addition，the application of CPB in deep mining is summarized in a practical way with a typical field case，namely the paste backfill system in southeast ore body of Chambishi Copper Mine in Zambia.

Keywords：cemented paste backfill;deep mining;green mining;research status;technological process

收稿日期：2020-08-03; 修回日期：2020-08-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51834001，51574013）

作者簡介：吳愛祥（1963—），男，湖北仙桃人，教授，博士生導師，博士，研究方向為金屬礦安全、高效、綠色開采的理論與技術;先后主持和承擔了國家科技支撐計劃項目、國家973計劃課題、國家自然科學基金重點項目及橫向課題等50余項;獲國家科技進步獎二等獎4項，省部級科技進步獎特/一等獎6項;授權國家發明專利20余項，發表學術論文200余篇，出版中英文專著3部;北京市海淀區學院路30號，北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，100083;E-mail：wuaixiang@126.com