中国膏体充填技术研究进展概述

刘　琼　 张希巍

(1.东北大学资源与土木工程学院；2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室)



·采矿工程·

中国膏体充填技术研究进展概述

刘琼1,2张希巍1,2

(1.东北大学资源与土木工程学院；2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室)

充填膏体是由尾砂、水和胶结物等按一定配比混合而成的高浓度混合物，在环保、采场工作环境以及采场应力维护等方面具有明显优势，研究与发展膏体充填技术对未来深部金属采矿以及三下采煤具有重要意义。简要回顾了膏体充填技术的发展历程，着重介绍了国内膏体充填技术的应用及发展，以膏体充填技术的工业链为主线，分别介绍了料浆制备、管道输送及充填体对地压维护等方面的研究成果，并从膏体充填理论技术研究和充填设备应用与发展方面，对我国在膏体充填技术领域需要深入研究的内容进行了总结。

膏体充填料浆制备泵送工艺强度采场稳定性充填系统

上世纪80年代膏体充填技术在德国的格隆德矿山试验成功[1]，解决了低浓度浆体充填泌水严重的问题。90年代我国甘肃金川建成了膏体充填系统[1]，此系统在膏体制备和输送方面为我国积累了大量的经验，尤其通过室内环管试验得到了远低于杜兰德公式的水力坡度经验公式[2-3]，对随后建成的会泽铅锌矿[4]、铜录山矿[5]膏体充填系统发挥了重要作用。2006年我国在太平煤矿建成了第一个煤矿膏体充填系统[6]，后来又在邢台、小屯、岱庄和孙村等煤矿实施了膏体充填[7]。

与浆体充填相比，膏体充填技术具有充填料损失少、形成同等充填强度所需水泥少、早期强度高等优点[8]。采矿过程中利用膏体充填可以降低充填工作对回采的干扰、降低采场排水负担，同时为尾矿堆存提供技术支持。但是当前膏体充填技术成本依旧较高、对大功率设备的依赖程度高且理论也需要进一步突破。本文将按照膏体料浆性质、输送和充填质量评价顺序，对我国膏体充填技术研究成果进行回顾。

1　膏体充填料浆

1.1膏体

膏体是将一种或几种充填材料与水进行优化组合后形成的牙膏状流体。膏体的判别指标有很多种，加拿大选用浓度、塌落度和饱和度作为指标，德国选用工作度(黏度、屈服应力)稠度和结构指数作为指标，澳大利亚选用细粒级含量、浓度和塌落度作为指标[9]，我国通常用塌落度和分层度指标，认为膏体塌落度为15～25 cm，分层度小于2 cm[10]。王洪江认为泌水率为1.5%～5%时能形成合格的膏体[11]，后又从尾砂粒径级配角度完善了膏体的定义[10]，吴爱祥等将屈服应力为(200±25)Pa时料浆的固体质量分数视为膏体临界浓度，对膏体做了进一步界定[12]。目前膏体的准确定义学术界和工程界仍没有统一，有待进一步量化关键指标和参数。

1.2膏体充填材料

矿山膏体充填材料由骨料、胶凝剂、外加剂和水组成。常用的骨料主要有尾砂、磨砂和煤矸石等。水泥作为主要胶凝材料，胶结效果好，但成本较高；由于粉煤灰和炉渣粉也能发生强烈的水化反应，起到胶结作用，目前也可作为常用胶凝材料，但在使用中需要多次试验，了解其对膏体强度的贡献。为了提高充填效果并进一步降低充填成本，焦家金矿将水泥熟料、煤矸石、尾砂、石膏、芒硝、明矾石和石灰按一定比例混合成胶凝材料[13]，达到近似膏体状态；周华强等研制出专门用于煤矿膏体充填的PL、SL两系列充填料[14]。总之，如何平衡充填成本与充填体强度一直是工程界的研究热点。

1.3膏体配比及浓度

合理的膏体配比应在保证充填体强度和流动性的基础上提高料浆均质性并降低成本[3]。在生产中确定料浆配合比要先经过室内试验确定，再利用现场工业试验验证。常用的试验优化指标有塌落度[15]、单轴抗压强度[16]和分层度等。

浓度是胶结充填中最敏感的因素[17]，膏体浓度通常在76%～82%[18]。由于充填料中的细颗粒具有较大的比表面积，形成的充填体渗透率差，若浓度过低会造成脱水困难或细颗粒随水大量流失，影响充填体质量[19]。

1.4充填料浆的流变性

流变性是指流体流动和变形的性质，屈服应力与黏度是其重要参数，膏体料浆的流变特性符合宾汉姆模型[20-21]，一般用下式表示：

(1)

式中，τ为管壁受到的切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；η为黏度,Pa·s；du/dy为剪切速率，s-1。

在实验室内，多使用精密剪切流变仪对膏体料浆的流变性进行测量，主要有Brookfield R/S+SST型四叶浆式旋转流变仪[22-23]、Thermo HAAKE流变仪[24]、NXS-11型旋转黏度计[17]以及中国矿业大学设计的管式流变仪[25-26]，但流变仪的试验标准尚未统一。

在工程现场中，由于其特定的工作环境限制了流变仪的使用。塌落度实验最初是应用于混凝土领域，通过混凝土塌落的高度来反应其流动性能。由于塌落度实验操作简单，使用方便快捷，一定程度上能够检测料浆流动性，如今也普遍应用于矿业充填中。

1984年Murate构建了较为简单的力学平衡模型，找出塌落度与屈服应力的关系[27]。1991年Christensen修正了Murate模型的不足，并在其基础上采用无量纲模型计算两者间的关系[28]。此后研究人员利用坍落筒构建屈服应力-坍落度模型大都采用无量纲模型。目前无量纲塌落度-屈服应力关系模型有两种：圆锥形塌落度，圆柱形塌落度[29]。

圆锥形无量纲塌落度-屈服应力模型：

(2)

(3)

(4)

圆柱形无量纲塌落度-屈服应力模型：

(5)

研究发现，在高屈服应力条件下，圆锥形无量纲塌落度-屈服应力模型测得的数据并不准确，圆柱形无量纲塌落度-屈服应力模型不存在此缺点，因此在工程现场中推荐使用圆柱形塌落桶测量屈服应力。

1.5脱水设备

在膏体充填工艺中，尾矿脱水是一个重要环节。早期建成的金川公司采用带式过滤机脱水[3]，但配套的储仓占地面积特别大，尤其是使用多套充填系统时更为严重。后期建成的会泽铅锌矿、驰宏铅锌矿都采用深锥浓密机脱水[19]。深锥浓密机脱水效率高，可以强化絮凝剂对颗粒的凝聚作用。世界上最大型深锥膏体浓密机已经在我国矿山运行成功，浓密机直径40 m，在现场运用中，能以2 035 m3/h的速度输出质量分数65.2%的脱水料浆[30]，为我国矿山的大型化趋势发展提供了宝贵经验，但深锥浓密机的可靠性还需要进一步提高[31]。

2　料浆输送

2.1输送阻力

1973—1975年，我国学者用工业充填管进行了长期环管试验，得到了金川经验公式，其误差远小于国际流行的杜兰德公式[2]，即：

(6)

式中，im为料浆水力坡度，Pa/m；i0为清水水力坡度，Pa/m；CV为料浆体积浓度，%；g为重力加速度，m/s2；D为输送管内径，m;v为流速m/s；Cx为颗粒沉降阻力系数；γt为固体物料密度，t/m3。

王新民从膏体料浆流变参数分析摩擦阻力损失[20]，公式如下：

(7)

式中，I为管道沿程总摩阻力，Pa；L为计算管段长度，m；Vcp为管内浆体平均流速，m/s。

吴爱祥通过理论推导得出水力坡度公式[32]：

(8)

式中，S为絮网结构系数；τs为絮网结构应力，Pa；μ0为絮网结构完全破坏时的塑性黏度，Pa/s;μs为絮网结构受剪过程中塑性黏度的变化值，Pa/s。

输送阻力公式的研究为我国膏体输送提供了大量的理论支撑与设计依据。但充填料浆组成复杂,且输送过程中料浆会在靠近管壁的环形边界上泌水,形成的水膜会降低输送过程中的阻力[33]，使得输送阻力难以准确计算，因此实践中还需要进行环管试验,获得更为合理的设计参数。为了减少试验工程量，于润沧等对计算机仿真模型模拟充填环管试验进行了大量的研究[31，34-35]，极大地提高了设计生产效率。

2.2充填倍线及管路破坏

为保证料浆顺利到达采场，充填系统需要选择合适的充填倍线，阶梯布置的管路中任一梯段管网的充填倍线应该不大于总倍线，此外，还需要考虑清洗管路的充填倍线[36]。

充填倍线过小或者梯段管网倍线过小，即整体管路或局部管路中存在大量的剩余压头，产生不满流。大量研究表明：不满流输送会造成管路破坏，料浆运动冲刷管壁并且在空气-料浆界面碰撞对管壁产生冲击、爆管和气蚀现象[37]，只能通过消能才能消除[38]。具体措施有：减小管路敷设坡度，增加管线长度；减小水平段管径实现高压输送，减小竖直段管径实现低压输送[39]；在管路中串入孔板，用计算机实时控制调节以适应工况条件[38]。

2.3料浆输送设施

膏体泵和输送管是膏体系统的重要部件。国内正在使用的膏体泵有：金川KOS-2170型全液压双缸活塞泵[40]，流量60～80 m3/h，持续工作压力小于8 MPa，最大工作压力小于10 MPa；铜录山矿选用的KSP80H双缸柱塞泵；德国PM系列泵、美国的C-250、C-700系列泵及中国生产的HBT60型系列泵也可以满足膏体泵送要求[41]。

输送管的运行状态关系到矿山生产进度，为减少磨损，输送管一般采用金属材质的，主要是无缝钢管与耐磨金属管[41]。对管路工作状态实时监测，以便提前更换管路，防止因管路磨损而影响正常生产进度。

3　充填体强度及其他评价参数

3.1充填体受力特征及作用原理

在未受构造面影响的条件下，某一范围内的岩体会受到周围岩体的牵制、约束作用，大量试验研究表明：作用在充填体上的力只有原岩应力的20%～70%[42]。当作用在充填体上的外载荷超过弹性极限时，充填体在外部产生塑性变形，内部仍是弹性变形段，呈现出明显的残余强度特点[43]。

于学馥认为充填体具有三种作用原理：应力吸收与转移，即充填体固结后作为地下结构的一员参与地层的自组织系统；隔离地应力对开采的影响。由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用，特别是系统的自组织机能，使得围岩变形得到控制[44]。

3.2充填体强度

充填体强度是重要的充填质量指标。常用的设计方法有经验法、模型法、数值模拟法。

(1)经验类比法。选择比较合适的强度[45]，我国凡口铅锌矿、金川矿和焦家金矿均采用经验类比法设计充填体强度。

(2)经验公式法。蔡嗣经把充填体看作自立性的人工矿柱，统计了矿山充填高度和充填体强度，得到了一条经验曲线：

(9)

式中，Y为充填体矿柱高度，m；X为充填体强度，105Pa；a为充填系数，a=0.6～1.1，当Y<50 m时，a=0.6，Y>100 m时，a=1.0。

(3)模拟法。强度设计的模型主要有太沙基模型、托马斯模型和米切尔模型等。现在应用比较广泛的是米切尔楔形模型，利用此模型可以得到充填体所需的最小强度[46-47]，公式如下：

(10)

式中，UCS为充填体单轴抗压强度，Pa；γ为充填体容重，N/m3；H为充填体高度，m；L为充填体长度，m。

虽然应用广泛，但米切尔模型具有一些局限性：没有考虑内摩擦角以及充填体上部的载荷，假定充填体与岩壁之间的内聚力和充填体内部凝聚力相等，忽略了充填体与岩壁之间的剪应力等。2012年Li和Aubertin修正了这一模型[48]，解决了部分问题：

(11)

(12)

(13)

式中，P0为充填体上部载荷，Pa；B为充填体宽度，m；H*楔形块的等价高度，m；FS为安全系数；φ为充填体内摩擦角，(°)；α为楔形滑面与水平面的夹角，(°)；rs为充填体与围岩之间的内聚力之比，为0～1。

式(12)适用于大高宽比(H/B>tanα)；式(13)适用于小高宽比(H/B

此外，强度设计还可以用数值模拟法[49-51]，如有限差分法、有限单元法和边界单元法。

3.3充填体其他参数

除了强度外，评价充填体质量的参数还有沉缩率、接顶效果和不均匀性等，将这些参数考虑在内，建立一套含多参数的充填体质量评价标准，对于充填设计与实践都有重要意义。

4　结　论

(1)中国膏体充填技术经过20 a的发展，充填材料的选择及配比、充填浓度和水力坡度等方面取得了巨大的进步；现阶段膏体定义不统一、脱水设备及其配套设施不完善、管路磨损以及充填体质量评价方式单一等，是膏体技术发展中需要深入研究的问题。

(2)近10 a来，学者在煤矿膏体领域做了大量的研究，促进了我国煤矿膏体充填技术的发展。

(3)膏体是一种由骨料、胶凝剂、外加剂和水组成的高浓度混合物，国内常用塌落度和分层度判别膏体。胶凝剂占充填材料成本的比例很高，低成本胶凝剂的研究意义重大。

(4)膏体的流变性可用宾汉姆模型来表示。流变仪可以精确测量流变性，确定屈服应力。塌落度可以反映料浆流动性并能推算屈服应力，因其操作简单、使用方便多用于工程现场。

(5)管路摩擦阻力可用公式和环管试验联合确定。充填倍线过小导致的不满管流是爆管和气蚀现象产生的主要原因，通过消能，同时对管路实时监测，防止管路破坏引起生产中断。

(6)强度是影响膏体充填质量的主要因素，其设计方法有经验法、模型法、数值模拟法。建立一套含多参数的充填体质量评价标准，将会促进采矿设计与生产的发展。

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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)

刘琼(1990—)，男，硕士研究生，110819 辽宁省沈阳市和平区文化路三巷11号。