金屬礦山充填采礦技術應用研究進展

郭利杰，劉光生，馬青海，陳鑫政

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 100160)

今后一個時期，我國仍處于工業化中后期和城鎮化快速發展階段，金屬礦產資源剛性需求和供需矛盾仍將長期存在。隨著我國淺部礦產資源開采的枯竭，未來礦產資源開發將全面進入第二深度空間(1 000～2 000 m)內的深部礦床，金屬礦山深部開采將成為常態。深部開采面臨“三高一擾動”的復雜環境，充填開采可有效控制地壓和上覆巖層移動，將被廣泛應用于深部金屬礦床開采。充填開采資源采出率高，可將地表堆積固體廢棄物回填至井下采空區，既可以提高開采作業安全性，又能防止地表災害發生，還可以充分消納地表固廢，是金屬礦山安全、高效、經濟、綠色的采礦方法。應用膠結充填技術可以使充填采礦法能有效控制巖層移動和地表沉降，使水體下、構筑物下開采和優先開采深部高品位礦體成為可能，為有效利用資源、提高企業競爭力提供了技術保障。

隨著人類生態環境意識提升和科技進步發展，充填采礦法在全球范圍內得到了更加廣泛的應用。據2018年中國有色金屬工業協會發布的《全國有色金屬資源開采公示信息核查分析報告》，充填采礦法在我國有色金屬礦山和黃金礦山所占比例已超過40%；據文獻[1]不完全統計，我國已有超過60座鐵礦山使用充填采礦法進行開采。譬如過去無底柱分段崩落法在我國鐵礦占據主導地位，而新設計的鐵礦項目基本上都在論證采用充填采礦法的可行性。在設計規模超過1 000萬t/a的大型地下鐵礦中，如思山嶺鐵礦、濟寧鐵礦、陳臺溝鐵礦、西鞍山鐵礦和馬城鐵礦等，設計中都采用了充填采礦法。

近年來，隨著先進交叉技術、先進實驗方法與充填采礦技術的融合，金屬礦充填采礦工藝與技術也得到迅速發展，在礦山充填基礎理論與應用技術方面出現了許多新理論、新方法與新技術。因此，筆者對金屬礦充填采礦技術研究進展進行系統的梳理與總結，以啟發未來技術創新工作。

1 地下金屬礦充填采礦方法應用進展

1.1 充填采礦方法演變發展

充填采礦是一種比較古老的采礦工藝[1]。充填最早于16世紀用于采礦，主要是由西班牙殖民者在墨西哥的一些礦山采用木材和廢石作為支撐以創造安全的采礦環境[1]。礦山尾礦和其他類型的固廢充填于19世紀被引入金屬礦山開采，但尚未形成專門的充填采礦方法?，F代水力充填采礦法出現于20世紀50年代，在加拿大和南非的金屬礦山推廣使用；利用高濃度尾礦膠結充填的上向分層充填采礦法和階段空場嗣后充填采礦法于1960年出現于加拿大。

20世紀70年代初，加拿大國際金屬公司在安大略省薩德伯里地區的銅崖北礦首次開展大直徑深孔充填采礦法試驗，1975年加拿大國際鎳公司Levack礦首次試驗成功了大直徑(165 mm)、孔深40 m的VCR采礦方法。我國VCR采礦法在地下礦山的應用最早是1982年在冶金部的支持下，北京礦冶研究總院孫忠銘等[2]在廣東凡口鉛鋅礦開始現場試驗研究應用。在凡口鉛鋅礦試驗成功后，逐漸在河北金廠峪金礦、安徽獅子山銅礦、鳳凰山銅礦、安慶銅礦、廣西銅坑錫礦、湖北銅綠山銅礦等礦山進行推廣應用。21世紀初，北京礦冶研究總院孫忠銘等[3]又進一步發展出了基于束狀孔等效直徑條件下的球形藥包漏斗爆破大量落礦技術，該技術為建立地下超級采礦礦石工廠提供了可能。2000年以后，隨著先進采礦設備在地下礦山的推廣應用，我國相繼又發展了盤區機械化膠結充填采礦法，以金川二礦區和凡口鉛鋅礦為典型代表。目前國內外大規模開發的金屬礦山大多為厚大的傾斜或急傾斜礦床，國內外針對此類礦床采用的方法主要包括無底柱崩落法、上向分層充填法、空場嗣后充填法等。其中，空場嗣后充填法特別是大直徑深孔階段空場嗣后充填法由于其生產效率高、資源回采強度大、能防止地表塌陷等優點，日益受到重視。國內外采用空場嗣后充填采礦法的典型礦山主要分布在澳大利亞、加拿大、瑞典、中國等國家。

北京礦冶研究總院楊小聰教授等[4]針對厚大傾斜礦體提出了金屬礦厚大礦體高階段采場豎向交錯連續開采技術，采用房/柱采場豎向交錯布置的階段間連續開采模式，如圖1所示，實現了保持高階段空場嗣后充填采礦法前提下不留設階段水平礦柱，在充填體頂板下階段空場法的安全采礦，為安全高效回采提供了技術支撐。

注：①～④為單個組合交錯采場的開采順序。圖1 房/柱采場豎向交錯布置的階段間連續開采Fig.1 Continuous mining method between stages having vertical staggered arrangement of stopes and pillars

1.2 高效率規模化充填采礦法

高效率規?；傻V是礦山的永恒追求，高效地將礦石從礦體中回采出來意味著更大的經濟效益。階段崩落法既能進行大規模爆破落礦，又能采用高效率的大型采礦設備，因此在我國地下金屬礦山，尤其是鐵礦山廣泛應用。近年來，隨著國家對環境保護的重視，并為了解決地下采空區和地表尾砂堆存問題，越來越多的礦山采用充填采礦法。在此背景下，階段空場嗣后充填采礦法應運而生。

如圖2所示，階段空場嗣后充填采礦法一般將礦體劃分為連續的礦房、礦柱采場，采用兩步驟回采模式[6]。典型的采-充過程為：首先回采一步驟礦房采場，出礦后膠結充填采空區，該膠結充填體作為豎直人工礦柱有利于改善地壓環境，并為后續二步驟礦柱采場回采提供安全保護[5]。

圖2 階段空場嗣后充填采礦法[6]Fig.2 Open stoping with subsequent backfill mining[6]

階段空場嗣后充填采礦法采場長度一般控制在60 m以下，寬度控制在6～30 m，高度一般在40～60 m，最高的采場達到120 m[7]。與大尺寸的采場相匹配，空場嗣后充填采礦法采用大直徑深孔鑿巖設備，如Simba系列高風壓潛孔鉆機，Simba364型潛孔鑿巖臺車，鉆孔直徑為90～178 mm，鉆孔深度達到51 m[7]。國內安慶銅礦、冬瓜山銅礦、大冶銅綠山礦等均采用Simba261型鉆機，孔徑為165 mm，設備效率為每臺班40～50 m。國內采用空場嗣后充填采礦法的冬瓜山銅礦，盤區綜合生產能力可達2 400 t/d，鏟運機出礦效率達每臺班800 t。

表1對比了階段空場嗣后充填采礦法與其他充填采礦法的開采產能比例、平均每位工人產能和采礦綜合成本。階段空場嗣后充填采礦法是充填法與空場法的有機結合，它在繼承充填法優點的同時，兼具空場法高產能、集中強化作業和作業環境安全等優點，是目前生產效率最高的充填采礦法，代表了大規模高效率綠色清潔采礦的發展方向。

表1 充填采礦法的產能、效率和成本統計Table 1 Capacity,efficiency and cost statistics of backfill mining

1.3 連續開采充填采礦法

地下金屬礦采場空區的暴露面積達到臨界值時，容易失穩垮塌，因此不同采礦方法采取了不同措施限制采場空區的暴露面積。例如，階段空場嗣后充填采礦法將礦體劃分為連續的礦房，隔一采一，逐次回采充填，從而限制采場空區的暴露面積。水平上向/下向分層充填采礦法將采場內礦體劃分為不同分層，逐次回采、充填每一分層，限制采場空區的暴露面積。這2種方法的共同特點是，在每個開采循環中，充填工序必須滯后于回采、出礦工序，下一開采循環需等待充填體養護完成后才能進行，因此開采工序間的等待時間提高了生產管理難度、降低了開采效率。為此，近年來有學者提出了“同步充填”的連續開采充填采礦法，其基本理念是在采空區空間未全部釋放的情況下，將部分采空區先行作為臨時轉換空間，將充填工序提前移至出礦工序環節同步實施[8]。

長礦房連續開采干式充填采礦法(加拿大稱為Avoca采礦法，圖3)是解決急傾斜中厚礦體高效連續開采的采礦方法[9]。該方法主要采用分段開拓和分段采準切割，開采時從分段一端向另一端線性推進，鏟運機連續出礦，并對形成的采場空區連續干式充填。因為采場空區被及時充填，暴露面積較小，故單個采場長度沒有限制，相對于階段空場嗣后充填采礦法中采空區暴露面積大、暴露時間長具有顯著的采場安全管理優勢。對于中厚礦體，不同階段的采場可同時開展開拓、采準、切割、回采等工序，這種采礦方法能達到可觀的生產能力[10]。國內青龍溝金礦采用了修正的Avoca采礦法，如圖4所示，將充填工序作業面與回采工序工作面密切銜接，使采場完全處于連續充填狀態，生產能力可達307 t/d，礦石損失率9.6%，礦石貧化率7.5%，相較于類似礦體賦存條件的李樓鐵礦采用空場嗣后充填采礦法具有較明顯的技術經濟優勢[7,9]。

圖3 Avoca采礦法Fig.3 Diagram of Avoca mining method

1—廢石充填；2—崩落礦石；3—爆破扇形孔；4—鑿巖出礦巷；5—脈外分段巷；6—端部圍巖；7—穿脈切割巷；8—廢石充填；9—崩落礦石；10—脈內鑿巖出礦巷；11—切割天井圖4 青龍溝金礦采用的Avoca采礦法Fig.4 Avoca mining method applied in Qinglonggou Gold Mine

針對破碎礦體，目前國內外礦山通常應用下向分層/進路膠結充填采礦法開采，其采礦效率低、生產成本高、安全管理難度大。北京礦冶研究總院通過變革現有采礦工藝，提出下行式中深孔分段連續充填采礦法，變分層進路采礦為高分段采礦工藝，能夠減少采準工程量，提高單個采場生產效率，降低采礦作業成本。圖5為喀拉通克銅鎳礦的下行式高分段連續采礦法，成功應用后，盤區生產能力由164.27 t/d提升至423.21 t/d，生產成本由108元/t降至50元/t，經濟效益顯著。

圖5 下行式高分段連續采礦法Fig.5 Downward high-segmented continuous mining method

1.4 降低充填采礦成本的方法

充填采礦法主要依靠充填體提供的支撐作用開展安全、高效的回采工序，這要求充填體具有一定強度以發揮不同充填采礦法所需的人機行走、自立支撐和高強護頂等功能[11]。為滿足充填體的強度需求，國內外礦山往往向充填料漿內添加水泥等膠凝材料，導致地下礦山膠結充填對膠凝材料消耗量巨大，使得膠凝材料成本占礦山充填作業總成本的70%～80%[5]。這是由于國內一些礦山對充填體的強度需求設計不合理，為維護采場安全，增加水泥單耗，使得充填體強度需求設計趨于保守。另外，水泥等膠凝材料價格較高、礦山采用的采礦方法不恰當也導致了膠凝材料成本占比較大。因此，科學優化設計充填體強度需求、開發應用低廉的膠凝材料和合理采用高效率的采礦方法是降低充填采礦成本的主要途徑。

(1)科學優化設計采場充填體強度，合理降低膠結充填的水泥單耗。加拿大、澳大利亞等國外礦業發達國家，非常重視礦山充填體力學的基礎理論和方法研究。他們從充填體的應力分析著手，采用模型試驗、解析分析或數值計算等手段，建立了以經典Mitchell法為代表的充填體力學分析與強度需求計算方法，形成了礦山充填體力學研究的理論基礎。北京礦冶研究總院劉光生[5]提出了前壁揭露-后壁受壓膠結充填體強度需求的三維解析模型及計算方法。遵循“應力分析為先、強度優化計算并行”的膠結充填體強度需求優化設計原則，基于充填體的用途及功能，合理優化設計采場膠結充填體強度空間分布，譬如，對于階段空場嗣后充填采場的膠結充填體應重點關注過封閉門之前的充填體設計強度[12]，確定充填料漿內膠凝材料添加量，進而降低充填采礦成本[5]。

(2)尋找替代水泥的新型充填膠凝材料。開發應用低廉的充填用膠凝材料以部分替代水泥是降低膠結充填成本的有效途徑。粉煤灰和有色冶金渣(銅渣、鎳渣、鉛鋅渣等)含有硅酸鹽、鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽等礦物成分，如圖6所示，在機械激發、化學激發、熱活化激發和物相重構等激發作用下，能活化生成C-S-H凝膠，因此具備制作低廉充填用膠凝材料的潛力和可行性[13]?，F有研究表明[14]，向普通硅酸鹽水泥中摻入粉煤灰和有色冶金渣能延緩尾砂充填體的早期強度發展，且提高摻量會進一步影響強度發展，但隨養護齡期增加，這種不利影響逐漸減弱，并且適量摻入粉煤灰能提高尾砂充填體的長期強度。另外，也有研究表明[15]采用銅渣作為礦物摻合料取代水泥制備尾砂料漿，可提高充填體抵抗硫酸鹽侵蝕的能力，減少高硫尾砂充填體長期強度損失。所以，基于尾砂的化學性質和礦物組成，適量摻入粉煤灰和有色冶金渣是實現開發利用低廉充填用膠凝材料的有效方法，如圖7所示，可為膠結充填采礦成本優化提供重要支持。

圖6 典型有色冶金渣化學成分質量分數分布Fig.6 Mass fraction distribution of chemical composition of typical nonferrous metallurgical slag

圖7 利用有色冶金渣制備膠凝材料的方法Fig.7 Preparation method of cementitious materials for nonferrous metallurgical slag

(3)應用高效率的采礦工藝。針對礦體賦存條件，變革礦山已有采礦工藝，采用高效率的采礦方法也能夠降低充填采礦成本。例如，對于破碎礦體，變分層進路采礦為高分段采礦工藝，可以減少采準工程量，提高單采場生產能力，降低充填采礦成本。針對特定的充填采礦法，可通過調整采場結構參數降低膠結充填成本。例如，可減小空場嗣后充填采礦法一步驟膠結充填采場的長度或寬度、增大二步驟非膠結充填采場的長度和寬度，實現降低膠結充填成本。

2 金屬礦固廢充填工藝研究進展

2.1 礦山充填工藝演變發展

礦山充填工藝技術是金屬礦充填采礦技術的核心要素，其一直困擾甚至制約著早期充填采礦法的發展應用及推廣，直到1957年，分級尾砂加硅酸鹽水泥的膠結充填在加拿大鷹橋公司哈迪鎳礦成功應用，膠結充填工藝第1次應用到生產階段，這促使了充填采礦法在這一時期得到迅速發展。

礦山充填工藝由相對落后的干式充填工藝發展到使用水泥作為膠凝材料的膠結充填工藝后，主要經歷了4個發展階段。① 分級尾砂充填工藝：1965年，冶金部從瑞典引進了分級尾砂充填技術并在銅陵有色鳳凰山銅礦試驗成功，這是我國第1次采用尾砂充填，后續又逐漸發展了臥式砂倉分級尾砂充填工藝[1]；② 低成本膠結充填工藝：1977年澳大利亞芒特艾薩礦與新南威爾士大學合作開發出采用爐渣作為輔助膠凝劑的低成本膠結充填工藝；③ 高濃度膠結充填工藝：20世紀80年代開始，我國開始發展高濃度砂漿充填、塊石水泥漿膠結充填工藝技術，而在同一時期，加拿大正在發展基于立式砂倉的高濃度尾砂膠結充填，澳大利亞正在發展低成本的廢石尾砂膠結充填工藝[16]；④ 膏體充填工藝：20世紀80年代末，德國率先在巴德格隆德鉛鋅礦建成了全球第1個膏體充填礦山；1994年，我國在金川二礦區建成了第1套膏體充填工藝系統，相繼又在銅綠山銅礦、會澤鉛鋅礦建成了全尾砂膏體充填系統[17]，如圖8所示；2000年以后，尾砂高濃度膠結充填和膏體膠結充填兩大工藝模式主導了我國金屬礦山的充填，在此基礎上也演生出了新的充填工藝技術，譬如北京礦冶研究總院研發的基于立式砂倉的尾砂優選組合膏體充填工藝、立式砂倉+深錐濃密機組合的膏體充填工藝等，已分別成功應用于安慶銅礦和西藏甲瑪銅多金屬礦。

圖8 金屬礦山充填工藝Fig.8 Backfill technology applied in metal mine

2.2 充填料漿制備工藝技術

金屬礦山充填工藝仍以尾砂充填為主，主要分為尾砂高濃度充填、尾砂膏體充填、廢石尾砂膏體充填等工藝。

分級尾砂充填仍是目前應用較廣的充填工藝技術之一，以自流輸送為主。分級尾砂充填采用旋流分級與立式砂倉水力聯合造漿技術，其制備充填料漿質量分數為65%～72%。分級尾砂高濃度造漿一般采用立式砂倉制備系統，傳統工藝存在尾砂在倉內板結，放砂濃度波動大，尾砂漿降低等問題，導致采場膠結充填離析嚴重，充填體質量差。2012年，北京礦冶研究總院郭利杰等[18]提出立式砂倉尾砂風水兩級分時繞壁造漿工藝技術(圖9)，實現了分級尾砂高濃度充填料漿穩定制備。2014年，北京礦冶研究總院[19]發展了基于選礦流程的尾礦優選組合高濃度充填技術(圖10)，采用礦山選礦分級尾砂和溢流細砂分別濃縮，再按比例優化組合，改造成級配良好、充填質量穩定的高濃度充填。該技術不僅有效改善了充填質量，而且能解決了礦山分級尾砂充填尾砂不足的難題。

圖9 立式砂倉風水兩級分時繞壁造漿工藝Fig.9 A new slurry preparation technology used in vertical sand tank

圖10 基于選礦流程的尾礦優選組合高濃度充填工藝Fig.10 High concentration backfill technology based on mineral process

尾砂膏體充填料漿是一種不離析具有良好穩定的塑性和流動性的充填料漿，由于充填骨料來源廣泛，材料特性變化大，質量分數等單一指標難以量化定義膏體。目前，國際上主要以屈服應力來定量評價膏體，認為料漿的屈服應力大于(200±25) Pa時，可以視為膏體[16,20]。膏體尾砂料漿一般采用深錐濃密機(圖11)、壓濾機/過濾機等脫水設備制備工藝。尾礦級配是影響充填質量的決定性因素，隨著選礦工藝技術的進步，金屬礦選礦尾砂的粒度越來越細，導致尾砂沉降濃度效果差，不易制備成穩定的膏體。加拿大高達咨詢公司的Chris Lee提出了不同級配尾砂先旋流分級，再采用不同高效濃縮脫水的組合方式制備膏體(圖12)，這種方式實現了細尾砂膏體的穩定高效制備。

圖11 尾礦膏體深錐濃密機Fig.11 Deep cone thickener for tailings paste

圖12 組合式膏體制備工藝Fig.12 Combined-process preparation for cemented paste backfill

2.3 充填料漿輸送工藝技術

充填料漿輸送是充填工藝的主要環節之一，其實質是以水作為輸送介質，將充填骨料和膠凝材料等固體物料輸送至井下[1]。充填料漿管道輸送具有運輸物料成分復雜、骨料粒徑和料漿濃度變化大、持續時間短、高落差及管道磨損嚴重等特點，主要分為自流輸送、泵壓輸送和混合輸送3種方式[21]。自流輸送是利用自身的重力勢能克服管道摩擦阻力，具有經濟環保的優點，通常采用充填倍線參數判斷是否符合自流輸送，根據GB 50771—2012《有色金屬采礦設計規范》，分級界限為3 mm骨料充填倍線不宜大于5，尾砂膠結充填倍線不宜大于8，北京礦冶研究總院李宗楠等[22]提出通過優化局部管線的可輸送性實現大倍線自流輸送工藝。泵送充填工藝借鑒于混凝土泵送的經驗，具有濃度高、穩定性好等優點，但對充填料漿的質量要求較高，泵送中不得產生離析現象。管道沿程阻力計算是設計和優化充填料漿輸送參數和管道布置的關鍵工作。水砂充填或分級尾砂充填的管道沿程阻力計算模型多是在固-液兩相流理論基礎上發展的，主要經驗公式有杜蘭德公式、金川公式、蘇聯煤炭科學研究院公式等，且需要計算充填料漿的臨界流速，相應的經驗公式有B.C.克諾羅茲公式、劉德忠公式和尤芬公式等。膏體的管道沿程阻力較復雜，相關學者從流變學理論開展了實驗研究及理論分析，主要體現在考慮管道避免滑移效應和觸變性等方面[23]，目前膏體充填的管道沿程阻力主要采用白金漢公式計算或開展環管試驗測試[24]。借鑒混凝土行業，減水劑、泵送劑等添加劑也逐漸被添加到充填料漿中用以降低管道沿程阻力[25]。膏體充填料漿黏度高、阻力大，通常采用泵送方式，國內外的膏體工業泵主要是往復式柱塞泵，可分為活塞泵和隔膜泵2種，其中活塞泵又分為S擺閥泵和錐閥泵2個系列。在礦山充填領域，德國、荷蘭等國輸送泵的制造技術已趨于成熟，形成一系列成熟的產品，譬如PM公司的KOS、HSP系列泵、Schwing公司的KSP系列泵以及Geho公司的DHT系列泵，國內廠商目前也制造出類似的產品，如飛翼公司的HGBS系列泵。

充填料漿輸送處于長距離、高落差的工況條件，堵管、鉆孔堵塞、爆管和管道磨損等故障問題的發生嚴重影響充填的運行。為解決上述問題，目前主要從充填管道材質、充填管道設計優化和監測預警等方面進行優化。金屬礦山充填中按照管道的位置，鉆孔套管多采用雙金屬復合管或厚壁低合金鋼管，井下水平充填管道一般采用16Mn鋼管、陶瓷內襯復合管和高分子內襯復合管等，輔助充填管道采用塑料管或鋼編復合管。充填管道設計優化包括優化充填管道參數，提高充填鉆孔施工質量，優化充填管網以使不同區段的充填倍線均處于合理的范圍內，增加如減壓池、阻尼節流孔、緩沖盒等減壓輔助設施。建立監測與預警系統對充填料漿輸送進行實時監測是預防和及時處理充填故障的有效手段，如北京礦冶研究總院郭利杰教授研發的充填管道巡監智能機器人(圖13(a))。借鑒油、氣行業的SCADA系統，目前國內外部分礦山也率先建立管道監測與預警系統以預防充填故障的發生，管道監測與預警系統[26]是指在充填管道已發生故障的關鍵位置安裝壓力計、流量計、溫度計等進行實時監測(圖13(b))，具備數據儲存和分析功能，對充填輸送異常情況及時報警。國外礦山管道監測系統也采用電阻層析成像(ERT)技術和超聲波測厚儀對井下充填管網進行檢測(圖13(c)，(d))。

圖13 充填管道監測與預警技術Fig.13 Pipeline monitoring and warning technology

深井開采是金屬礦山21世紀的重要發展趨勢之一，深井充填料漿管道輸送具有高垂深、低倍線、長距離的特點，對輸送工藝提出更高的要求。充填管道輸送工藝的發展不僅要適應礦山開采工藝的變化，而且要在膏體的管輸阻力計算、剩余壓頭處理、管道監測與預警系統等方面開展深入的研究。

2.4 充填采場封閉技術及裝置

充填擋墻作為充填采場封閉的重要安全支撐構筑物開始出現，最初以簡易的木結構支撐形式為主[27]，伴隨著采礦工藝和規模的發展和完善，地下金屬礦山充填擋墻的結構和形式先后經歷了木結構、鋼筋混凝土結構、磚結構、鋼結構等多種形式[28-29]。目前，國內外地下金屬礦山充填擋墻主要可以分為鋼筋混凝土擋墻、混凝土砌塊擋墻和鋼木結構作為支撐的柔性擋墻。擋墻的結構和形式與充填采礦工藝密切相關，鋼筋混凝土擋墻承載能力大，普適性強，在各類充填工藝條件下均有使用，但其工程造價相對高昂[30]，如圖14(a)所示；混凝土砌塊(如混凝土預制磚，圖14(b))和柔性封閉擋墻適宜承載需求較低的進路式充填采礦工藝[31]；除傳統的混凝土擋墻、磚擋墻和柔性擋墻以外，近年來，隨著人們對充填采場力學特征的認識逐步深化，出現了一些綠色、低成本的充填采場封閉技術，如采用可拆卸、可循環使用的金屬構件裝配式擋墻，該類擋墻的主要受力構件為弧形鋼梁，采用裝配式部件，可拆卸循環使用，大幅降低了充填采場封閉成本，在我國安慶銅礦、新疆伊犁阿希金礦等礦山應用[32-33]，如圖14(c)所示。

圖14 充填擋墻類型Fig.14 Types of barricades

充填采場封閉結構形式的選擇需要考慮充填質量、充填力學、制作工藝與成本等多種因素，其中，尤以擋墻受力特征、采場脫水為重點。HUGHES等的研究表明[34-35]，充填擋墻上的荷載特征與漿體的形態有很大的關系，采用極限平衡理論計算的墻體壓力與極限滑裂面的選擇存在很大的關系，如墻上荷載在良好的排水條件或較好的工藝水平下實現快速固結硬化，則墻上的實測應力較理論值小很多，隨著人們對充填體的認識加深，考慮采場拱效應下的力學模型得以提出，考慮拱效應后，擋墻上的作用力將不再是高度的線性關系。YANG等[36]認為傳統的拱效應作用在充填初期的力學作用并不明顯，只有在充填料漿固化成型的后期才有明顯顯現，因此提出了一種剪切屈服誘導拱效應的力學模型來描述擋墻上的短期荷載。從傳統的簡化模型到根據工況特點而提出的精細化力學思路，研究成果豐富了人們對充填擋墻的認識，如LU等[30]介紹了一種新型的輕質擋墻，在承載能力和工程造漿方面具有很大的優勢；BERNDT等[31]介紹了一種透水磚墻的擋墻，在實現采場脫水和保障充填采場承載能力方面具有重要作用。

隨著地下礦山充填采礦規模的不斷擴大，對安全高效、綠色、低成本采場封閉技術提出了新的更高要求，主要體現在充填擋墻的結構設計與充填工藝的精準匹配，高效率、低成本的構筑新方法以及擋墻荷載的精準測量與安全監測等方面，未來，更安全、低成本、可監測勢必成為地下礦山充填采場封閉技術的主要發展方向。

2.5 充填采場脫水工藝技術

采場充填的理想狀態是無脫水，但因充填料漿采用水作為輸送介質，除膠凝材料水化反應及充填體孔隙內存留部分水外，一些水仍要從采場濾出。當充填料漿高度未超過擋墻時，充填料漿泌出水主要通過透水擋墻滲透或溢流脫出。當充填料漿高度超過擋墻時，需通過架設在采場內的脫水設施將充填料漿泌出水脫出，以保證充填體的質量和接頂率。隨著礦山充填的不斷實踐與探索，充填脫水工藝技術也不斷更新。借助重力使水自由脫出的脫水工藝有泄水井、濾水井、脫水籠等脫水構筑物以及波紋管、塑料盲溝等脫水材料，重力脫水工藝一般都需要在增加過濾層以防止充填材料的流失，過濾材料有土工布、麻布、尼龍濾布等[21-22,37]，如圖15所示。特殊脫水工藝有電滲脫水、機械脫水和負壓強制脫水等方式[38-40]。

圖15 重力脫水設施Fig.15 Dewatering facilities driven by gravity

采場的脫水工藝與采礦方法相關，對于階段或分段空場嗣后充填采場通常是在出礦進路內或分段進路內設置濾水墻，并在空場內懸掛波紋管等脫水，如安慶銅礦[41]、草樓鐵礦等。上向水平分層充填采場一般采用構筑濾水井或設置金屬脫水籠等脫水，隨著分層回采逐層進行架設，如三山島金礦、紅透山銅礦、尹格莊金礦等。下向進路充填采場通常聯合使用導流管和脫水管等脫水，導流管導出進路頂部多余的水分，充填料漿內的水通過脫水管濾出到擋墻外，如喀拉通克銅鎳礦、金川二礦區等。

近些年，國內外相關學者提出一些新的脫水工藝，如北京科技大學張愛卿等[42]提出基于仿生學的根系狀新型脫水管，加拿大蒙特利爾工學院LI[43]提出的Wick Drains排水帶，北京礦冶研究總院陳鑫政等[44]提出的全斷面柔性脫水管，如圖16所示。

圖16 新型采場脫水工藝Fig.16 New dewatering facilities applied in mine stopes

3 礦山充填體力學研究進展

3.1 尾砂充填體的非均質特性研究

尾砂充填料漿充入采場后，懸浮物料可能發生沉降分離，導致了料漿離析，將使得充填體表現出非均質性。探明充填體非均質性特征，將能更好地指導充填設計。

目前常見的充填體非均質性研究方式為利用充填料漿溜槽試驗模擬料漿流動離析過程，測試分析充填體非均質性。盧宏建等[45]利用該方法測試并論證了溜槽試驗中充填物料分布的非均質性，并通過充填體取樣測試，探明了沿料漿流動方向充填體強度離散分布規律。史采星等[46]利用溜槽試驗，如圖17所示，研究發現沿料漿流動方向，近端粗骨料顆粒聚集，遠端則以細骨料分布為主。吳愛祥等[47]測試研究了不同級配全尾砂制備的廢石膏體充填料漿中粗骨料離散分布情況，如圖18所示，并以粗骨料在充填體不同區域中的占比含量標準差定義了廢石尾砂膏體料漿的離析度，探究了顆粒粒級組成對膏體充填體離析度的影響。

圖17 典型充填料漿溜槽實驗裝置[45-46]Fig.17 Diagram of the chute experiment on backfill slurry[45-46]

圖18 含粗骨料的膏體充填體非均質性試驗測試裝置[47]Fig.18 Non-homogeneous test model test on cemented paste backfill containing coarse aggregate[47]

除骨料顆粒的不均勻分布外，影響充填的另一關鍵因素為膠結充填體中水泥含量的非均質性。許文遠等[48]研究得出沿料漿流動方向，水泥含量呈先減小后增大的方式分布。彭嘯鵬等[49]利用基于EDTA-二鈉滴定的膠結充填體水泥含量測試法分析了沿料漿沉降方向充填體中水泥含量的非均質性，并證實了充填體不同區域水泥含量的差異可達數倍以上。

充填骨料與水泥含量分布的非均質性將直接導致采場充填體各項性質的非均質性。THOMPSON等[50]通過采場原位取樣測試，分析論證了原位充填體養護形成過程中，內部的滲透性、孔隙水壓力以及保水性等均存在非均質性。DALIRI等[51]與GHIRIAN等[52]則通過采場相似模型試驗的方式(圖19)研究分析了不同區域及不同充填高度尾砂膠結充填體的孔隙率、保水率與滲透性等的非均質特性，并指出沿充填料漿沉降方向，底部區域通常保水率高，頂部低，而滲透性則頂部高于底部。

圖19 充填料漿豎向沉降離析過程模擬試驗裝置[52]Fig.19 Pysical model test of settlement and segregation on backfill slurry[52]

上述充填物料及充填體性質的非均質性將直接導致充填體強度非均質性。目前基于國內外各礦山的原位充填體取心測試研究，已經證實了沿采場流動方向，充填體強度往往呈先減小后增大再減小的倒“S”型分布[53]，如圖20所示。魏曉明等[54]從水泥分布的非均質性以及充填料漿的自重角度，對強度非均質性進行了分析。李文臣等[55]從充填體孔隙結構的非均質特征方面，對膠結充填體強度非均質性進行了解釋，認為孔隙率與孔隙孔徑的分布情況均將影響充填體強度。彭嘯鵬等[56]通過測試充填體水泥用量與孔隙率非均質性，如圖21所示，解釋了強度影響因素變化導致充填體強度非均質性的機理。

圖20 原位采場充填體強度呈倒“S”型分布Fig.20 Invert “S” type distribution of unconfied compressive strength of the field samples

圖21 溜槽實驗充填體強度與水泥用量關系對比Fig.21 Comparions of backfill strength with cement content of the sample obtained from the chute experiment

充填體非均質性特征是充填料漿流動沉積與物料離析分離的結果[57]，為更為準確地預測并評估該非均質特征，后續仍有必要深入研究尾砂充填料漿顆粒沉降特性。

3.2 尾砂充填料漿固結力學特性

近年來，礦山逐漸采用全尾砂充填。全尾砂細顆粒含量高、滲透性差，在采場中難以快速脫水固結。對于階段空場嗣后充填采礦法的大尺寸采場，料漿內孔隙水滲流路徑長，長期難以消散的孔隙水壓力導致充填擋墻承受料漿施加的巨大側向推力，使得全尾砂料漿充填的問題更加凸顯。充填擋墻垮塌事故經常見諸報道，這固然與采場充填方案制定不合理、充填擋墻設計不安全有關，但本質原因是對尾砂充填料漿固結過程中的力學行為認識不足。

目前，針對尾砂料漿固結過程中的力學行為，國內外學者采用解析計算、數值模擬、物理模型試驗和現場原位監測等手段開展了一系列研究。

為準確計算評估尾砂充填料漿自重固結階段不同時刻的孔隙水壓力和總應力，國內外學者基于土力學領域的GIBSON[58]一維自重固結解析計算模型，提出可用于描述充填料漿固結過程的理論模型，模擬計算采場充填料漿固結階段孔隙水壓力和總應力隨時間的演化過程[59-60]，進而為制定采場充填方案、設計充填擋墻承載能力提供參考。

借助數值模擬軟件，例如FLAC3D、SIGMA/W、Plaxis2D、ABAQUS和COMSOL，許多學者模擬了采場的實際充填過程和料漿自重固結過程，探究了充填料漿的物理力學性質(彈性模量、泊松比、內摩擦角等)、水力學性質(滲透系數、飽和度)、采場滲流邊界條件和力學邊界條件、充填速率、采場幾何尺寸[61-62]和膠凝材料含量[29,63]等因素料漿自重固結階段孔隙水壓力和總應力演化規律的影響。

WICKLAND等[64]開展物理模型試驗研究了廢石尾砂混合充填料漿自重固結階段的孔隙水壓力和下沉量，BELEM[65]、ABDULHUSSAIN和GHIRIAN等[66]也先后進行了膏體充填料漿的自重固結物理模型試驗，如圖22所示，分析了料漿的孔隙水壓力、基質吸力、下沉量、排出水量、溫度、孔隙率、飽和度等隨時間的變化，并探究了膠凝材料含量和類型對固結過程的影響。

圖22 Belem開展尾砂充填料漿固結試驗所用的物理模型Fig.22 Diagram of Belem’s physical model used to study consolidation behavior of bakcfill slurry

此外，BELEM、THOMPSON[49]、GRABINSKY以及DOHERTY等還開展了現場原位監測試驗，研究采場充填料漿自重固結階段孔隙水壓力和總應力演化過程，為解析計算和數值模擬結果的可靠性驗證提供了重要數據支撐。

尾砂料漿經過固結過程從液態過渡到具有承載能力的固態，研究固結行為能夠為設計充填擋墻承載能力提供指導。

3.3 傳統的采場充填體強度解析方法

階段空場嗣后充填法代表了大規模高效率綠色清潔采礦的發展方向。但該采礦方法中一步驟采場膠結充填體的膠結充填成本占充填總成本70%以上，如何在開采過程中確保膠結充填體側向揭露穩定性的同時優化控制其膠結充填成本，是制約安全經濟高效充填采礦的瓶頸問題。在加拿大、澳大利亞等國外礦業發達國家，從采場充填體應力分析著手，建立了以Mitchell法為代表的階段空場嗣后充填體的力學分析與強度設計理論和方法，并在國外礦山廣泛采用，極大促進了國外充填體力學及充填采礦技術發展。

20世紀80年代，國外充填采礦研究人員主要借鑒土力學的上覆層自重應力(σc≥γH)或側向暴露的邊坡模型(σc≥γH/2)進行采場充填體應力和強度需求度設計(其中，σc為側向揭露膠結充填體自立所需的單軸抗壓強度，γ為充填體容重，H為充填體側向揭露面高度)[67]。但上述2種方法均未考慮采場充填體受圍巖夾制作用及其三維應力狀態等因素，導致充填體設計強度過于保守，充填成本過高。在此基礎上，MITCHELL等[68]通過開展一系列單側揭露充填體的室內物理模型試驗，研究提出了用于側向揭露充填體強度需求計算的三維楔形滑動解析模型及方法，該方法考慮了采場充填體的三維破壞模式和力學行為，合理降低了充填體強度設計指標，在加拿大等眾多充填法礦山成功應用，具有重要的歷史意義。

圖23為MITCHELL等根據室內物理模型試驗中不同尺寸和強度的單側暴露充填體滑動破壞情況，構建的三維極限平衡解析模型，該模型中假設采場充填體沿貫穿至充填體后壁的潛在平面發生滑動破壞，且假設采場充填體兩側壁與采場圍巖接觸面上僅考慮黏聚力而忽略側壁接觸面的內摩擦角，充填體后壁與采場圍巖接觸面上的黏聚力和內摩擦角均假設為0，由此得出了側向揭露膠結充填體強度需求與其安全系數的解析公式(式(1))。

圖23 側向揭露膠結充填體強度需求模型示意(加拿大Mitchell法)Fig.23 Illustrations of required strength model of cemented backfill with lateral exposure (Mitchell’s method)

(1)

式中，FS為側向揭露充填體安全系數；L為充填體暴露面長度，m；B為充填體的寬度，m；H*為充填體的潛在滑動楔形體的等效高度，m，H*=H-(Btanα)/2；γ為膠結充填體的容重，kN/m3；M為充填體黏聚力c與充填體單軸抗壓強度σc的比值(M=c/σc)；φ為充填體的內摩擦角，(°)；α為潛在滑動面與水平面的夾角，(°)，α=45°+φ/2；rs為側壁圍巖與充填體接觸面的黏聚力cs與充填體黏聚力c的比值(rs=cs/c)，MITCHELL法假設rs=1。

MITCHELL等根據物理模型中充填體狀態分析，進一步假設充填體內摩擦角φ=0，M=0.5(即σc=2c)，rs=1(即cs=c)，且假設H?B使得H*≈H。此時，在安全系數FS=1的極限平衡狀態下，得到了簡化的經典MITCHELL法，如式(2)所示。

(2)

該簡化的經典MITCHELL法在國內外充填采礦領域的工業界和學術界得到了廣泛應用，為側向揭露充填體的強度需求計算奠定了基礎。但是，MITCHELL法存在較多假設條件，雖然該方法與物理模型試驗結果吻合度較好，一些假設條件卻無法與實際情況匹配，如MITCHELL法認為充填體內摩擦角為0等。雖然MITCHELL法存在一定限制條件，但該模型為后期側向揭露充填體強度計算方法發展奠定了堅實基礎[69]。

3.4 改進的采場充填體強度需求計算與設計方法

在階段空場嗣后充填采礦法中，采場充填體的應力分布是側向揭露條件下充填體強度需求計算及其穩定性分析的力學基礎，國際國內學者對采場中充填體的應力成拱作用進行了系列探索研究[70-74]。正是由于充填體應力和強度需求解析方法的便捷性，研究人員不斷改進發展了采場充填體應力及強度需求的解析模型，使其快速應用于指導礦山充填強度設計。

在MITCHELL原始模型基礎上，ZOU和NADARAJAH[75]考慮了采場充填體頂部荷載、DIRIGE等[76]考慮了采場充填體傾斜角度影響，分別改進了充填體強度需求解析計算方法，但其仍沿用了MITCHELL原始模型的全部假設條件。加拿大LI等[77]系統結合了采場充填體應力分布特征和各向力學邊界的研究基礎，逐步克服MITCHELL原始模型中的假設條件限定，考慮實際采場充填體的分層現象、充填體與采場側壁圍巖摩擦作用等，對充填體強度需求的計算理論與方法進行了拓展。

然而，之前的充填體強度修正解析模型，主要針對單個孤立采場的側向揭露膠結充填體，未考慮階段空場嗣后充填法的實際采充過程中相鄰采場充填體及其與采場圍巖的力學接觸影響(圖24(a))，充填體強度需求設計理論方法仍不成熟完善。對此，劉光生等[78]基于兩步驟階段空場嗣后充填法的實際采充時序，重點考慮二步驟采場非膠結充填體對相鄰一步驟采場膠結充填體的側壓力作用，提出了前壁揭露-后壁受壓膠結充填體強度需求的三維解析模型及計算方法，并通過極限平衡狀態下充填體強度需求的數值模擬解和解析結果對比驗證，確定了充填體潛在滑動面角度α=45°+φ/2、充填體與側壁圍巖摩擦力夾角β=45°-φ/2時，一步驟采場膠結充填體強度需求的數值模擬和解析計算結果吻合度最好[79]。該充填體強度需求計算方法已成功應用于三山島金礦、草樓鐵礦和喀拉通克銅鎳礦等礦山的充填體強度設計。

圖24 兩步驟階段空場嗣后充填法中充填體與圍巖空間關系及其強度解析模型示意Fig.24 Spatial relationships between the backfill and rockmass and illustrations of required strength model of the backfill of two-stage open stoping with subsequent backfill mining method

在此基礎上，如何根據不同礦山不同時期的采場充填質量控制效果，將強度需求理論值合理轉化為匹配礦山充填技術水平的實際強度需求及配比參數，是完善地下金屬礦充填強度設計的關鍵環節。對此，結合充填配比試樣強度和原位取芯試樣強度的統計分析，提出了一種浮動安全系數FS的統計計算方法，如式(3)所示。

(3)

將不同采場充填體強度需求的理論解析解，與不同礦山不同時期的浮動安全系數相結合，可得出礦山當期的充填體實際強度需求，從而確定礦山充填系統的配比參數值。

將原位采場充填體取芯和芯樣強度測試納入礦山的日常生產工作任務后，可不斷補充礦山充填質量控制效果的樣本數據庫，反饋得出礦山不同時期浮動安全系數，實現礦山采場充填體強度需求的浮動優化。當礦山充填系統穩定性和充填質量控制效果得到明顯改善時，會引起采場充填體芯樣強度平均值的提高和離散度的降低，通過取芯測試和數理統計計算的浮動安全系數相應降低，礦山充填體實際強度需求便隨之減小，反之，如果充填系統穩定性降低，最終將反饋至后續實際強度需求設計指標的提高。

3.5 采場充填體原位監測方法

充填料漿一旦進入采空區后，便開始了“黑箱”養護階段，井下采場充填料漿在固結養護過程中，膠結充填體主要受溫度場(T)、滲流場(H)、應力場(M)和化學場(C)共同作用(圖25)，影響充填料漿的流動性以及充填體的穩定性和耐久性[80]，進而導致采場充填體原位強度分布離散，與設計強度相差較大，給充填礦山安全生產帶來巨大隱患。因此亟需對原位充填體(漿)中的熱-水-力-化多場性能參數(應力、孔隙水壓力、基質吸力、電導率、濕度、溫度等)實時采集，進而指導礦山精準設計充填體強度，科學評價原位充填體的質量，為實現金屬礦山原位充填體透明化工業應用奠定基礎[81]。

在膠結充填體多場性能耦合分析方面， GHIRIAN[52]利用試驗揭示了膠結充填體的熱-水-力-化耦合作用規律。FALL和NASIR[82]通過對熱力學、化學、力學過程綜合分析得出了相關耦合模型，并應用現場試驗數據對模型進行了可靠性驗證。LIBOS等[83]發現溫度是充填體固化中的重要因素，溫度升高有助于排出充填體中的過量孔隙水并加速膠凝材料水化反應，提升充填體強度。

在模擬采場環境的膠結充填體力學性能研究方面，FANG和FALL等[84-86]揭示了原位充填體力學性能與同配比的實驗室標準養護充填體試樣力學性能差異問題。YILMAZ等[87-88]設計研發了膠結充填體加壓養護系統，在相同配比情況下，加壓養護的充填體試樣強度為標準養護充填體試樣強度的1.2～2.8倍。ZHAO等[89]進一步闡釋了膠結充填體受采場內應力場作用，內部孔隙率降低，排出多余的孔隙水，促進了充填體內膠凝材料的水化過程，如圖26所示。

針對采場充填體的原位力學性能監測方面，GRABINSKY等[50]在Cayeli礦的2個采場布置了原位監測裝置，如圖27所示，揭示了膠結充填體在不同灰砂比條件下充填速率與內部應力之間的變化規律。魏曉明等[90]通過采用自主設計的應力監測系統，分別對李樓鐵礦、甲瑪礦和金廠河多金屬礦采場膠結充填體在全時序(充填階段、養護階段、承載階段)過程中進行實時應力監測，從而獲得充填體內部三向應力的時空演化規律。

4 結語與展望

(1)充填采礦法是實現金屬礦綠色開采發展的重要載體，先進的充填采礦理論與技術創新是促進礦產資源高效回采與最小環境影響的關鍵核心，也是降低礦山采充成本的必由之路。

(2)大規模高效率智能化連續充填采礦是未來金屬礦地下開采技術的重要發展方向，大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦技術是實現厚大礦體大規模高效開采的手段，下行式高分段連續充填采礦工藝是實現破碎礦體高效安全回采的變革工藝，也是替代分層/進路充填采礦的創新技術。

(3)礦山充填工藝是金屬礦充填采礦技術的核心要素，充填系統充填料漿質量濃度的穩定性比充填濃度本身的高低更重要，穩定可靠簡單的工藝流程比復雜的自動化控制更有效，應加大礦山充填工藝創新。

(4)高效低成本充填創新產品是助推金屬礦山充填轉型發展的動力引擎。國家應大力發展綠色低碳充填新技術、新材料與新裝備，譬如研發250 m3/h以上的超大能力尾礦膏體充填系統，推廣應用礦渣膠凝材料替代普通硅酸鹽水泥，使用金屬構件裝配式充填擋墻替代傳統的混凝土擋墻等。

(5)金屬礦山膠結充填體物理力學基礎參數測試方法及標準不統一，實驗室強度與井下采場充填體原位強度關聯模型尚未建立。應重點發展科學統一的充填體力學測試方法(譬如BGRIB充填體抗拉強度試驗方法[91])、構建與采場原位充填體相匹配的強度模型，同時深入研究不同約束條件的充填體力學與巖體相互作用模式及相關力學模型，為礦山充填設計提供科學參考依據。

(6)目前，我國金屬礦山充填采礦技術方面的國家標準覆蓋范圍不全，仍存在許多方面缺少標準或指標未細化、量化等問題。建議國家相關部門加快健全完善金屬礦山充填采礦技術標準體系，以實現用先進的標準引領礦山充填行業技術發展。