深地开采，膏体先行

吴爱祥　李红　杨柳华　程海勇

摘要：浅部金属矿资源已接近枯竭，未来金属矿开发将进入地下深部空间。在深部开采环境中，面临着高地应力、高井深、高地温及动力扰动等难题，亟需发展与此特殊复杂开采环境相适应的采矿技术与工艺。膏体充填采矿法具有采场不脱水、接顶好及强度高等特点，是深部资源安全、绿色及高效开发的可靠方案。介绍了膏体充填的基本概念、主要工艺流程及技术优势，对国内外深地充填现状及其研究成果进行了总结分析，探讨了深地充填中存在的技术难题及技术发展展望，并结合赞比亚谦比希铜矿东南矿体的膏体充填系统这一典型工程实例，对深地充填的应用进行了实践总结。

关键词：膏体充填;深地开采;绿色采矿;研究现状;工艺流程

中图分类号：TD853.34 文章编号：1001-1277（2020）09-0051-07

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20200908

引 言

金属矿是经济发展的重要物质基础，浅部资源经过长期大规模开采已接近枯竭，未来金属矿开发将进入1 500～3 000 m以深的地下空间[1]。然而，深部资源开发需要克服一系列重大难题。首先，高地应力问题，大量文献资料显示，高能级岩爆与矿震、软岩大变形、采空区大面积失稳、冒顶和片帮等动力灾害问题在金属矿深部开采中时有发生，且难以精准预测和有效防治;其次，岩层温度随深度以10～40 ℃/km的梯度增加，深地高温环境恶化了井下工作环境，有效降温又将显著增加采矿综合成本[2]。为防治深部采矿安全隐患，避免发生工程灾害，并最大限度地保证矿山的规模化生产，亟需发展与深地特殊环境相适应的采矿技术与工艺。

膏体充填采矿法具有采场不脱水、接顶好及力学性能高等优势，是深部高地应力、高井深、高地温及高扰动条件下安全、绿色及高效开采的可靠方案[3]。相较于传统充填采矿法，在显著降低充填成本的同时，膏体充填体能够达到良好的接顶性能及力学性能，可有效吸收转移应力、缓解区域地压。膏体充填技术为控制深部硬岩岩爆、软岩大变形提供了解决方案，在安全、环保、经济和高效方面具有突出优势[4-5]。

随着深度的增加，膏体充填同时面临一系列挑战。首先，高井深增加了膏体管道输送的难度，确保膏体低能耗稳定输送，降低管道磨损、避免出现堵管和爆管等问题是深地膏体充填技术发展的关键;同时，深地高应力及高扰动环境对充填体力学性能提出了更高要求，对充填体变形规律及其机理的研究具有重要的理论指导价值;此外，深地高温与高矿化水养护环境对充填体力学性能的作用不可忽视。为更好地应对深地膏体充填所面临的挑战，文章梳理了当前国内外深地充填技术主要研究成果;针对深地充填面临的挑战及研究现状，提出了深地膏体充填的发展构思;并以深地膏体充填典型工程为例进行了实践总结，以期引起学界对相关难题的共同关注，推动深地膏体充填的理论发展与技术应用。

1 深地开采面临的问题

1.1 深地资源开采国家战略

在深地资源开发方面，澳大利亚、南非、美国和加拿大等矿业发达国家相继提出深部资源探测及开采计划。中国亦十分重视，国务院于2006年将深层和复杂矿体采矿技术及无废开采综合技术列入矿产资源领域的优先主题[6]。随后，“中国地下4 000米透明计划”正式在2009年公布的中国科学院战略研究报告《创新2050：科学技术与中国的未来》中被提出[7]。2016年习近平总书记在全国科技创新大会上指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”[8]。深部矿产资源评价理论与预测、深部矿产资源开采理论与技术等研究项目相继启动，深地资源开发已上升为国家战略。

1.2 面临的难题

随着开采深度增加，采矿作业面临着一系列难题。例如：维护整体及巷道稳定性，以及应对采场高温、涌水及岩爆等突出问题。深地矿岩环境复杂，在高地应力及高扰动作用下，如何保证充填体质量，控制岩爆等灾害的发生，维护巷道稳定性;深部大面积连续采矿作业，如何控制岩体与充填体的移动，保证整体稳定性;深度超过千米时，地温可达30 ℃～50 ℃，如何保障工作人员的健康和工作能力，以及设备工作效能，降低生产事故率并提高生产效率;深部水文地质环境复杂，如何应对涌水及高矿化水对充填体侵蚀等[9]。上述问题对深部采矿提出了挑战，而深部膏体充填是解决上述难题最行之有效的方案之一，可显著缓解岩爆威胁，克服深部地压难题，并起到隔温效果[10-11]。

2 深地膏体充填及其研究现状

2.1 膏体充填技术

膏体充填是将选矿厂排放的低浓度全尾砂料浆进行深度脱水，并与胶结材料、改性材料和水等搅拌均匀，制备成高浓度和流态化的膏体料浆，在重力或外力作用下通过管网运输至井下采空区，实现特定充填目标的过程，典型工艺流程[4]见图1。通常选用普通硅酸盐水泥作为胶结材料;改性材料包括早强剂、减水剂、泵送剂、粉煤灰及水淬渣等，用于改善膏体的流动及力学性能。

膏体是由多尺度散体颗粒与水混合而成的复杂体系，其量化定義较为困难，评价时需综合考虑多因素影响[12]。国内外常用塌落度（15～25 cm）[13]、屈服应力（>100 Pa）[14]、20 μm以下细颗粒占比（>15 %）[15]作为评价指标;另有学者用分层度（<2 cm）[16]、饱和率（101.5 %～105.3 %）与泌水率（1.5 %～5.0 %）[17]等指标补充评价。

2.2 深地膏体充填研究现状

近年来，围绕特殊极端条件下的膏体充填开展了大量研究工作，为发展深地高应力、高井深、高地温及高矿化水特殊环境下的膏体充填技术奠定了重要基础。

2.2.1 高应力作用下充填体变形

针对充填体的破坏机理、力学性能及其与围岩的作用等，国内外学者已开展了大量研究，并取得了一系列重要成果[10，18-20]。开展深地高应力环境下的相关研究对于解释深地充填体的长期服役力学机制及其与围岩的相互作用至关重要[21]。目前，此类研究多以室内试验为主。例如：部分学者借助室内试验分析了侧限高应力约束下的充填体变形规律及本构关系[22-23]，以新城金矿埋深800 m、竖向应力25.5 MPa为背景，测试了最高32 MPa载荷下充填试块的侧限压缩系数及模量，二者与加载应力满足对数函数关系;于跟波等[24]研究了充填体的固结变形特性与机理;另有学者对高应力下顶板充填体破坏形式进行了研究并提出了预防措施[25]。目前，针对深地高应力作用下的充填体变形破坏及其机理还需系统深入研究，为深地膏体充填设计提供理论指导。

2.2.2 高井深充填管输技术

高井深条件下输送带来的主要问题是管道的磨损，尤其是充填钻孔的损坏[26]。高井深料浆输送速度与压力均较大，尤其是非满管流状态下，料浆垂直下落必然产生极大的冲击，不规则的充填物料颗粒加大了对管壁的磨损。基于目前的工程案例及数值模拟结果，在膏体输送的管网中，充填钻孔底部磨损最为严重，其次为垂直部位，水平管道磨损最小。受管道磨损影响较为严重的国内矿山有会泽铅锌矿、金川镍矿等，以金川镍矿为例，在二矿区东部充填系统中由于钻孔磨损废弃，共计设计施工66个钻孔，而西部也达47条，大量钻孔致使地表无处可打孔，并产生高昂的施工设计费用[27]。

垂直管道钻孔磨损的主要影响因素：一是输送介质本身，包括膏体配比、颗粒形状及流速等;二是充填管网，包括管网空间布置及管道材质等。针对前者，主要是优化颗粒形态、改善料浆流态，减小高速尾砂颗粒对管壁金属的切削作用。由于原位环境复杂、实时监测技术发展缓慢，该领域的研究以数值模拟为主，应用流体软件并考虑固液之间的双向耦合，分析物料中的颗粒表观特征对管壁的磨损影响。部分模拟研究表明：在深井输送过程中管道的磨损与颗粒的外形、碰撞频率、速度及角度密切相关[28]，降低颗粒粒径可减小磨损[29]，降低输送流速是控制磨损的关键[30]。

为降低管网磨损，通过合理优化管网布置可取得较好效果，基于国内外工程实践及理论研究成果，目前主要采用两大类方式：

一是减小单程垂直段高度或满管输送，实现管道输送泄压、减缓料浆冲击速度，以降低对管道的冲刷和磨损。减压池（见图2）及管道折返式（见图3）降压输送系统、变径满管流系统[31-32]等被广泛应用于输送管网中。就工程应用角度而言，前两者均会增加一定的工程量，提高技术的应用成本，而变径满管流系统在使用过程中很难实现理想的满管输送。

二是改变易磨损的底部结构，即设计一个可更换的钻孔底部装置并及时更换，以提高钻孔整体使用寿命。目前，应用较为成熟的是缓冲壶结构设计[31]，其基本结构见图4，此结构可避免料浆直接冲击管壁，料浆在重力势能作用下高速冲击缓冲壶底部物料并实现减速，可显著降低磨损率。

2.2.3 多场耦合作用下充填体力学性能及演化机理

膏体充填体的力学性能主要受内部因素（充填材料及配比等）及外部养护环境（温度、湿度及压力等）的影响[33-35]。针对深地高地温、高应力及高矿化水养护环境对充填体力学性能的影响，Bruno Bresson等[36]发现养护温度对膏体充填体的力学性能影响显著。温度升高（200 ℃以内）对充填体强度发展有益，但其影响也取决于充填水灰比及矿物组成[37]。温度增加对充填体强度及内部孔隙的影响主要体现在养护初期[38-39]。此外，有研究发现压力养护条件有利于提升充填体强度[40-41]，而养护湿度的增加会导致充填体早期强度减小[42]。地下充填涉及传热、渗流、力学、化学（热-水-力-化）多场耦合问题（见图5），而非单一因素影响[43]。对于多因素耦合作用，陈顺满[44]系统研究了膏体充填体在压力和温度耦合作用下的力学性能发展规律，并建立了对应的强度预测模型，揭示了膏体充填体的热-水-力-化多场性能关联机制。充填体在高矿化水环境中易受侵蚀，研究发现，不同浓度硫酸盐及温度耦合作用对膏体充填体强度影响显著[45-46]。膏体在氯盐侵蚀下早期蠕变较小而后逐渐增大，在高应力与持续的腐蚀作用下，充填膏体出现加速蠕变现象[47]。对深地特殊环境下充填体强度发展规律及其演化机理的深入研究，将有助于推动深地膏体充填工艺及材料的发展，保证充填的效率及效益。

3 深地膏体充填的挑战与展望

膏体充填是解决深部資源回采问题的重要支撑技术，但在解决复杂问题的同时，为适应重大挑战，膏体充填也存在着自我变革的必要，在诸多关键技术、新材料及高性能装备研发等方面有待突破。

3.1 深井管道输送技术

浅部充填输送技术通常关注输送过程中沿程阻力的降低[48]，而膏体深井管道输送的挑战是输送系统的减压与减磨[49]。一方面，通过提高输送过程阻力以降低料浆对管道冲击作用成为研究的热点。就管道输送系统也已提出了满管流输送、缓冲壶、减压池及管道折返式减压等技术[31，50]，但仍然存在诸多问题。此外，输送介质方面，主要通过优化膏体的物料级配及配比等以改善膏体的可输性能，但目前对级配的研究主要集中于力学强度等方面[51-52]，较少针对泄压减磨开展研究，如提出适用于深井充填的物料配比、流变与井深关系模型等。研发高井深下的减压新方法和新措施，应注重发挥输送系统与输送介质二者的协同效应，共同实现深井输送减磨，从而保证深井充填系统稳定可靠运行。

3.2 深部充填环境特殊材料

1）高强速凝充填材料。在深部高应力的影响下，生产能力大的超大型空场采矿法、空场嗣后充填等采矿方法无法满足采场安全需求，因此安全系数较高的分层充填采矿法、进路式回采及小采场采矿在深部开采中应用较多。由于其回采周期短，工序协调复杂，对胶凝材料早期强度要求较高。传统充填材料存在凝结时间长、早期强度低等问题[53-55]，充填体不能及时支撑围岩变形、控制围岩应力显现，影响了深部开采的顺利实施。为此，需研发膏体料浆促凝改性材料，以实现充填材料高强速凝，能够快速有效地支撑高应力岩体，为多采区连续回采提供技术保障。

2）充填隔热材料。受地温的影响，深部采场温度以10～40 ℃/km的幅度增加，以目前全球开采深度最深的姆波尼格金矿为例[56]，采场温度可达60 ℃以上。在古德生院士提出的“采矿环境再造”理念的指导下[57-58]，深部采场充填降温的设想被提出。除控制围岩应力及变形外，充填体在深部采场中还具备隔热与降温功能[59]。其基本原理是通过添加导热系数低的隔热材料，制备具有隔热功能的膏体并充填至深部采场，将高温围岩与采场作业空间隔离开;同时，由于地表制备的充填料浆温度低于深部采场温度，膏体进入采场后与周围环境发生热传递直至与环境等温，此过程膏体可吸收大量的热量，从而降低采场温度，但实现这一构想的前提是降低水泥水化热的释放。因此，研发低水化热胶结材料或吸热胶结材料，对实现充填降温尤为重要。

3）发泡充填材料。影响充填体力学性能的主要因素除其自身强度以外，还和充填体与围岩形成的整体强度密切相关。如何提高充填接顶率是膏体充填充分发挥技术优势所必须攻克的难题。较多研究结果表明，充填不接顶主要受到充填体固化收缩及自然沉降两大因素影响。为此，有学者提出使用发泡充填材料的构想[60]，在充填料浆中掺入发泡剂，使其固化后体积增大，实现填缝、黏结、密封、隔热及支撑等功能。具有膨胀性的发泡充填材料可以只在采场上部充填时应用，从而降低充填成本，并且实现100 %接顶率，改善充填体对围岩的支撑作用[61]。

3.3 温度与化学耦合作用下充填体力学特征

大量的研究及工程实践表明，深部矿井水的无机盐对充填体强度具有劣化作用，而无机盐侵入过程及其劣化机理较为复杂，当前开展的无机盐对充填体侵蚀的研究主要以含无机盐（硫酸盐、氯盐等）尾砂充填体为研究对象，针对强度劣化等问题进行了研究[62-63]。目前矿井水中无机盐对充填体强度的影响一般采用Fick第二定律进行分析[64]，然而无机盐侵入充填体的过程是由外部环境和充填体内部条件共同决定的，深部采场温度是一个不容忽视的关键因素，较高的采场温度必然加快无机盐的侵入过程。针对温度-化学耦合作用下充填体力学强度特征的研究还较为缺乏，深部采场高温及无机盐耦合作用下力学强度劣化问题有待进一步研究。针对无机盐侵蚀充填体进行有效控制的技术是复杂的系统工程，开展深部矿井水中无机盐对充填体侵蚀过程的研究具有实用价值，对提高深井环境下充填体强度具有重要意义。

3.4 井下移动式充填技术及装备

随着“采、选、冶”一体流态化开采技术的提出，与之相适应的井下移动式充填技术及装备的研发有待突破[65-66]。其中的关键问题有：①浓密机、搅拌机及柱塞泵的小型化。目前，浓密机直径普遍在10 m左右，搅拌机及柱塞泵的尺寸也不容忽视，受限于地下空间无法在井下安装。因此要实现井下一体化充填，需在满足生产能力的基础上解决膏体充填关键设备小型化的难题。②井下充填站需解决膏体向作业面的输送方式、材料获取、膏体制备及充填站布置等问题。③随着流态化开采技术的广泛应用，必须解决好采矿、选矿、冶炼与充填各工艺环节之间的协同问题[67]，如流态化开采技术流程等，从而保证生产工艺紧密衔接，保障井下生产安全顺利。

4 谦比希铜矿大流量深地充填系统

谦比希铜矿东南矿体埋藏深（445～1 230 m）、体积大，主要赋存在泥质板岩中，围岩稳定性差。矿体厚度2.32～23.73 m，平均9.63 m，倾角5°～20°，局部有变化。矿山初步设计生产能力为1万t/d，主要以进路式、分条空场嗣后充填等采矿法进行开采。

对比研究多种方案，最终确定将充填站建设在主副井附近（见图6-a）），充填站建设有2套充填系统，日平均充填能力达到3 150 m3，单套生产能力为180 m3/h。其工艺流程是将选矿厂尾砂浆浓密脱水至浓度72 %，底流通过泵输出到制备系统，并加入水泥搅拌制备为均质流态化膏体，经过680 m垂直充填钻孔自流或泵送至680 m水平，管道经过井下现有的联络道等巷道进入到采场。垂直680 m充填钻孔的应用在国内外尚属首次，钻孔采用双层套管设计（见图6-b）），并选用双金属复合耐磨管道，以降低膏体料浆对深井钻孔的磨损。

5 结 论

1）深地高应力、高井深、高地温、高矿化水及高扰动特殊环境严重威胁着井下作业人员及装备的安全。膏体充填技术具有采场不脱水、接頂好及力学性能好等特点，在保障深部资源安全、绿色、高效开采方面具有独特优势。

2）特殊极端环境膏体充填技术相关研究为深地膏体充填技术的发展奠定了基础。在高井深充填管道输送技术和多场耦合作用下充填体力学性能及演化机理的研究方面，目前已取得较多成果，而针对深地高应力作用下的充填体变形破坏及其机理还缺乏系统深入研究。

3）深地特殊复杂环境对膏体充填技术的发展提出了挑战，为推动深地资源的安全、绿色、高效开采，应注重在深井管输技术、深部充填环境特殊材料、温度与化学耦合作用下充填体力学特征及井下移动式充填技术和装备研发等方面开展系统深入研究。

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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

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51834001，51574013）

作者简介：吴爱祥（1963—），男，湖北仙桃人，教授，博士生导师，博士，研究方向为金属矿安全、高效、绿色开采的理论与技术;先后主持和承担了国家科技支撑计划项目、国家973计划课题、国家自然科学基金重点项目及横向课题等50余项;获国家科技进步奖二等奖4项，省部级科技进步奖特/一等奖6项;授权国家发明专利20余项，发表学术论文200余篇，出版中英文专著3部;北京市海淀区学院路30号，北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，100083;E-mail：wuaixiang@126.com