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2 0 0 3 年 8 月 中国有色金属学会第五届学术年会论文集 Aug. 2 0 0 3 收稿日期2 0 0 3 －0 8 －0 3 作者简介何哲祥（1 9 6 4 - ），男，湖北蕲春人，教授级高级工程师，主要从事尾矿处理与利用技术研究开发，充填系统诊断、咨询与设计. 矿山充填技术研究与应用新进展 ──第七届国际充填采矿大会论文述评 何哲祥 1 ，周爱民 2 （1 . 中南大学环境工程系，湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ；2 . 长沙矿山研究院，湖南 长沙 4 1 0 0 1 2 ） 摘 要综述了第七届国际充填采矿大会论文集的主要内容，着重介绍充填材料、充填体力学、膏体 充填、充填设备与系统的应用现状与最新进展。 关键词充填采矿 充填材料 充填设备 充填系统 T h e n e w l y r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f b a c k f i l l o n m i n e s r e v i e w o f t h e p r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n m i n i n g w i t h b a c k f i l l H e Z h e - x i a n g 1 ，Z h o u A i - m i n 2 1 . D e p a r t m e n t o f E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a , H u n a n , 4 1 0 0 8 3 ; 2 . C h a n g s h a I n s t i t u t e o f M i n i n g R e s e a r c h , C h a n g s h a , H u n a n , 4 1 0 0 1 2） A b s t r a c t T h e p r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n m i n i n g w i t h b a c k f i l l i s r e v i e w e d . T h e n e w l y t e s t i n g a n d t h e a p p l i c a t i o n s o f b a c k f i l l m a t e r i a l s , b a c k f i l l g e o m e c h a n i c s , p a s t e b a c k f i l l a n d b a c k f i l l e q u i p m e n t a r e m a i n l y i n t r o d u c e d K e y W o r d s m i n i n g w i t h b a c k f i l l , b a c k f i l l m a t e r i a l , b a c k f i l l e q u i p m e n t , b a c k f i l l s y s t e m 第七届国际充填采矿会议由美国矿冶与勘探学会 S M E 承办， 原定于2 0 0 1 年 9 月1 7 ～1 9 日在美国西雅 图市召开。不幸的是，由于发生了“9 1 1 ”恐怖袭击 事件，此次会议被迫在会议召开前夕取消。笔者根据 稍后收到的会议论文集，对其主要内容作如下述评。 此次国际充填采矿会议筹备工作从1 9 9 9 年6 月份 开始，至 2 0 0 1 年 9 月，历时2 年零3 个月。收集到来 自 1 0 个国家的共3 8 篇论文，其中，加拿大1 1 篇，美 国 8 篇，澳大利亚 8 篇，南非 4 篇，中国 2 篇，德国、 俄罗斯、日本、葡萄牙和英国各 1篇。论文涉及到充 填材料、充填料流变特性、充填工艺及设备、充填体 力学、膏体充填、煤矿充填、充填系统设计、以及个 案介绍等。 此外, 来自加拿大皇后大学等单位的一篇题 为“采矿充填教育的新概念” 文章, 提出通过多媒体 和互联网手段培训矿山充填工作人员，他们为此开发 了一套多媒体教育软件。 此次会议收集到的论文比上一次会议少近 2 0 篇， 反应出在这两次会议之间的 3年中，充填采矿技术的 发展速度减缓。进入上个世纪九十年代以来，国际市 场金属价格持续回落，同时，环境保护意识增强，有 关矿山环保的政策越来越严格，这些因素严重冲击采 矿工业。因此，此次会议的论文大多集中在降低充填 采矿成本和提高效率上， 以应对采矿工业面临的挑战。 1 充填材料 大约 5篇文章介绍了充填材料的试验研究成果。 澳大利亚芒特艾萨K u g a n K u g a n a t k a n 等人介绍了芒特 艾萨矿块石膏体充填研究的最新结果，并提出了块石 膏体充填的设计原则。完成的几次大规模搅拌试验和 自由落体试验表明，块石膏体充填能形成均匀的充填 体。块石膏体充填料由分级尾砂胶结料浆与一定比例 的块石组成，表现出类似的粘结膏体特性。在平均添 加水泥 1 . 5 ～2 的条件下，抗压强度超过 1 M p a 。加 拿大 W i l l i a m s 矿研究了一种名为D E L V O 的稳定剂， 将 其用于块石胶结充填工艺中，结果是 D E L V O 稳定剂有 利于减少堵管现象，提高强度。使用此种稳定剂后， 地表搅拌桶的清洗次数也减少了 4 5 。南非S a v u k a 矿 研究并使用了B F 9 8 增塑剂，此增塑剂含有石膏， 其作 会议文集 何哲祥，等矿山充填技术研究与应用新进展 7 9 用是提高充填料浓度，降低水与细颗粒的损失。增塑 剂还能保证在高浓度时提高流速，减少管道磨损与维 护费用。 美国H e c l a 公司研究用P o z z l i t h 3 4 4 N 等掺和 剂降低充填胶凝剂的用量，改善充填料流动性，其结 果是节省 2 0 的水泥用量，不会影响充填料强度和流 动性。 加拿大A l b e r t a 大学的 W a n g 教授等人的一篇文 章讨论了影响碎石胶结充填体强度的各种因素。 2 充填体力学 加拿大蒙特利尔大学 J a c q u e s O u e l l e t 等人介绍 了一种测试现场充填体应力应变新方法。传统的方法 是通过钻孔取样与室内模型试验相结合。新的方法是 利用一套新的装置，它能够自行钻孔，钻头内安装应 力应变传感器，信号通过电缆传回工作面，钻头刀具 与传感器之间有保护层，防止钻进过程中对传感器产 生干扰。平均钻孔速度为 0 . 1 m / m i n ，按每班 8 h计 算，每班可完成 7组数据的测量。此方法的优点是不 影响采矿作业。澳大利亚新南维尔斯大学 D a v i d S a i n b u r y等人的文章介绍喷浆加固块石充填的实验 室试验结果。美国职业安全与健康研究院 T . W i l l i a m s 等人研究了幸运星期五矿 L u c k y F r i d a y M i n e 下向采 场围岩的相对位移、胶结充填载荷与钢筋锚杆之间的 相互作用。收集了 8个分层的数据，显示出围岩位移 引起充填体变形， 从而对充填体中垂直锚杆施加载荷。 结果分析表明配有钢筋锚杆的充填体支护系统是有效 的。俄罗斯 S e r g e y N . Z h u r i n 的论文介绍在井下排放 尾砂的孔隙压力控制的试验结果。试验是在 G u b k i n 铁矿完成的，将含水超过 8 0 的尾砂浆泵送至两个试 验采场，观测充填盘区内的孔压分布情况，同时也用 数字 F E M模型分析充填体内的孔压分布。现场调查结 果揭示相邻采场内的孔压不存在关联，充填挡墙水压 主要取决于通过挡墙过滤网的速度。南非 G u r t u n c a R . G等人研究了现有充填设计标准用于超深井采矿的 情况，并提出新的充填设计标准，建议 6 0 ～7 0 的采 空区应该充填。 3 膏体充填 澳大利亚芒特艾萨矿在开发膏体充填技术时，采 用了两个简单、经济有效的试验方法研究膏体特性， 为膏体充填料搅拌设计提供帮助，即流动锥试验和小 坍落度锥试验。 通过这些试验可预测膏体的流动特性。 流动锥由一个锥体和一段出口管组成，锥体的锥角为 1 4 、容积 2 L ，出口管内径 3 0 m m ，长 1 5 0 m m ，与 锥体相连。论文介绍了流动锥的试验结果。小坍落度 锥试验是借鉴建筑上标准的坍落度试验。资料显示典 型的膏体坍落度为 1 5 0 ～2 5 0 m m ，混凝土的坍落度是 3 0 ～6 0 m m ，泵送混凝土的坍落度是 1 0 0 ～1 2 5 m m 。 澳大利亚 M a r t y n L . 等人的论文介绍了柯林顿矿 膏体充填系统投入运行的经历。在投入运行的前 1 8 个月中，系统运行不正常，出现的问题大多与管道磨 损有关，后来在易磨损地段采用陶瓷和橡胶衬垫，减 少磨损，从而大大减少停运时间。在充填开始时，制 备两批不添加水泥的料浆，充入管路，目的是浸湿管 道，然后再添加水泥。在作业结束时，同样充入2 ～3 批不加水泥的料浆，然后用水和空气清洗管路。在地 表安装有空气压力表，用来确定管道是否清洗干净。 在开始送入空气时，由于管道中有料浆和水，压力达 到 7 0 0 k P a ，此压力值逐渐降低至2 0 0 k P a ，此时管道 中的料浆和水已清洗干净。如果在2 0 m i n 内膏体还没 有进入管路，将进行人工或自动清洗管路。由于膏体 是分批进入管路，在井下管道中产生高的动载荷，在 前 1 8 个月的运行中，由于此动载荷的作用，导致管道 接头处常常发生破坏，为此采取以下措施采用 k n i f e - g a t e g a t e k n i f e 墁刀 型阀来限制流速，保证 管道中的膏体形成半连续流；在易受高动载荷作用处 用法兰盘代替企口管；降低膏体坍落度；在适当的地 方安装双法兰管。柯林顿矿制定了一个标准，当膏体 的屈服应力为 8 0 0 P a 大约固体浓度 8 5 ，膏体能成 功地充填。该矿是澳大利亚的矿山首次应用膏体充填 技术，取得了许多成功的经验。 N e i l H e p w o r t h等人介绍了葡萄牙 N e v e s C o r v o 矿膏体充填矿房的强度以及实验室试验值与现场值之 间的关系。还讨论了充填第二步骤矿房时膏体的液化 问题，实验室试验和现场试验结果表明，添加2 的水 泥，膏体充填的液化可能性较小，而添加 0 . 5 的水泥 时，则液化可能性大，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风险时，2 8 天单轴 抗压强度应达到 1 7 2 k P a ，此时的水泥添加量约为 1 . 5 ，充填体自立高度可达到 1 0 m 。 加拿大 B r u n s w i c k矿于 1 9 9 7年 7月决定建设膏 体充填系统，在此之前，完成了尾砂试验，环管输送 试验和预可行性研究。整个系统投资2 4 1 0 万加元。充 填站用一套可编程逻辑控制器 P L C S 混合计算机系统 和一套 F i s h e r P r o v o x 分布控制系统 D C S 控制。P L C S 处理数字信息，开启电机和阀门的顺序，而 D C S 处理 模拟信息，为操作人员提供界面。采用一个处理信息 8 0 矿业研究与开发 会议文集 系统 P I 作为数据库，并提供感应器走向，供充填站 操作人员和技术人员作分析用。在充填管道出口处安 装 5台移动摄像机监控充填情况。视频信号通过一套 L e a k y f e e d e r 通信系统和光纤送到地表充填站。如 果充填料是经过钻孔进入采场，则尽可能靠近出口安 装超声波流量计，监控充填情况。在井下管道中，安 装有 1 8 个感应器， 连续监测管路中的压力，压力信号 通过井下 P L C S 监控， 然后通过一条数据电缆和光纤网 络传回地表充填站。系统还装有一套 L e a k y f e e d e r 无线电通讯系统，用于语音通讯。B r u n s w i c k矿的膏 体搅拌采用叶片式搅拌机，连续作业，不同于传统的 分批搅拌方式。实践证明，叶片式搅拌机工作可靠。 水泥是湿式添加。 在可行性研究阶段，试验结果是，固体重量含量 8 1 ～8 3 ，相应坍落度 1 7 8 ～2 5 4 m m ，适合于制备和 输送。实际生产中，固体重量浓度为7 8 ～8 0 。根据 搅拌机的电流变化，可精确地添加水泥，坍落度保持 在 1 4 0 ～1 6 5 m m 之间。 此次会议论文来自日本的只有 1 篇，介绍T o y o h a 矿计划引进膏体充填技术，主要目的是阻止来自采空 区的热流，改善井下气候。该矿井下温度是日本诸岛 平均温度的 1 0 ～2 0倍，在钻孔内测的最高温度达到 2 4 2 ℃。至提交论文时止，该矿只完成地表环管试验， 第二次试验计划在井下进行。加拿大B r i a n O ’H e a r n 等人的论文详细讨论了膏体的流变特性与充填管网之 间的相容性问题，研究的结论是膏体充填出现的问题 来源于下列一个或多个方面，即管网设计，骨料级配 设计，水灰比或生产过程。在设计阶段能够将这些问 题减少到最低程度。 膏体的流变特性与管网不相容时， 将产生大量的故障。在管网设计阶段，管径、骨料级 配和水灰比确定了系统的作业状态，因此在设计阶段 就应考虑系统的适应性。应该同时做强度和流变特性 试验，不仅要满足强度的要求，还要保证流变特性与 管网相容。设计的基本原则并且必须做到的就是保证 管网与膏体流变性相容。 4 充填设备与运行 英国 P h i l D . N e w m a n等人介绍了希腊 S t r a t o n i 矿高浓度充填的优化。该矿位于希腊东北部，采用下 向进路充填法开采铅锌矿体。由于输送存在困难，造 成充填体梁常常发生破坏。因此，依靠多添加水泥来 解决，造成充填成本增加，而新建一个充填站，在经 济上又不合理。解决的办法是对现有充填系统进行优 化并加以改造，大约只需要投资 3 . 5 万美元。水泥消 耗占作业成本相当大的比例，节省 1 的水泥，矿山每 年可节省 5万美元。优化措施包括将竖井内的管径改 为 1 0 0 m m ，平巷内的管径改为1 2 5 m m , 以防止管道内 颗粒发生沉淀。此外，为了改善充填料稠度，在充填 站内增加控制设施，通过计量盘式搅拌机的电流控制 料浆稠度，在充填系统上安装有程序逻辑控制器 P L C 。 德国 F r a n z A l b e r t N o n n e n 介绍减少或消除充填 设备的磨损和腐蚀方法。充填管道主要采用玄武岩衬 里钢管，此种钢管耐压，管道用法兰连接。内衬防止 磨损和腐蚀，提供几乎是抛光的表面。 澳大利亚 O l y m p i c D a m 矿采用深孔空场法，空区 用碎石胶结充填以及块石充填。充填料通过钻孔从地 表进入采场顶部，由于采场粉尘和潮湿空气的不利影 响，肉眼不能观察充填过程。为此研制一种毫米波雷 达，用此雷达观察充填过程，得到不同充填体相对位 置的实时数据，是一种控制采场充填的有效手段。 5 其 它 论文集录入两篇综述性的文章，一篇是 A n t h o n y G G r i c e介绍澳大利亚近来矿山充填的发展，讨论了充 填对澳大利亚采矿业的贡献，以及水力充填、块石充 填和膏体充填的最新应用等。另一篇是 E . D e s o u z a 等人介绍加拿大矿山充填的应用、实践与趋势。通过 问卷调查的方式，调查了3 3 座加拿大的充填法矿山， 内容包括矿山使用的采矿方法、充填目的、充填料组 成 包括胶结剂和化学添加剂 ，料浆性质、输送参数、 采场准备程序、充填体性质、充填仪表以及充填成本。 此外，论文集涉及煤矿充填的论文有 3篇，一篇 是关于采煤过程中充填体与煤柱的沉降与相互作用的 研究，一篇是关于飞灰膏体充填料的研究，再一篇是 介绍开采薄煤层时充填对地压控制和回采率的作用。