矿山充填技术的演进历程与基本类别

刘 浪 方治余 张 波 王 美 邱华富 张小艳

（1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安710054）

矿产资源开采对世界经济发展具有重要意义，许多工业的原材料依赖于矿产资源。然而在矿产资源开采的同时会产生大量采空区，造成地表塌陷、水资源流失等问题。同时，采矿的同时也会产生大量的固体废弃物，对环境产生巨大的压力。一方面固体废弃物的管理成本高，另一方面固体废弃物的排放占用土地，污染环境，固体废弃物的处置已是全球性问题［1］。据统计，我国矿山固体废弃物总量已超过250亿t，且每年以6亿t的速度增加［2］。

充填采矿法可有效解决以上问题，同时充填采矿技术具有提高采出率、维护采场安全以及满足环境需要等优点而在世界范围内得到广泛应用，经过多年的发展已逐渐成为绿色开采中不可替代的一部分。随着浅部资源的枯竭，越来越多的矿山进入深部开采阶段，然而深部开采面临高应力、高地温、高渗透压等挑战，需要采用与深部环境相适应的充填材料以及充填工艺。为了降低充填成本，并提高对大宗固体废弃物的处置效率，人们不断探索研发充填新材料以及革新充填采矿工艺。

随着生产实践的深入，涌现出了许多新型充填材料。如矿渣充填胶凝材料［3］、高水充填材料［4］、含冰粒功能性充填材料［5-6］等。矿山新型充填材料的研发及新技术的应用促进了充填采矿法的改进和创新。学者们按照充填位置、充填量、充填动力以及充填材料对充填技术进行了分类，但随着生产实践的深入，充填的附带功能不断拓展，传统的分类方法并不能很好地涵盖新型矿山充填技术。本研究以矿山充填、固废处置、采空区再利用、地热开发、战略资源储备和智能控制等为协同发展目标，以充填能效为发展主线，将矿山充填技术演进历程划分为体积性充填、结构性充填、功能性充填和智能性充填4个阶段，分别从概念、功能和基本类别等进行论述。

1 常规矿山充填技术分类及发展历程

1.1 常规矿山充填技术分类

充填采矿技术经过几十年的发展，在矿山中得到了广泛应用。由于每座矿山的生产技术条件存在差异，选用的充填材料、充填方法也不尽相同。充填采矿技术按照充填位置、充填量、充填动力以及充填物质的不同，可进行如图1所示的划分。按照充填位置可分为采空区充填、冒落区充填和离层区充填，后两者主要用于煤矿中来控制岩层移动和地表沉陷［7］。按充填量可分为全部充填和部分充填，全部充填指矿石或者煤等开采前所占的空间，也即为顶板未塌落之前的采空区充填；部分充填主要有冒落区充填、离层区充填以及条带充填等。根据运送充填材料动力的不同可分为自溜充填（重力充填）、风力充填、机械充填以及水力充填，前3种动力主要运送固体松散材料，水力充填主要输送不同浓度的充填料浆。按照充填物质可分为水砂充填、矸石充填、膏体充填以及高水充填［8］。

1.2 常规矿山充填技术发展历程概述

现阶段广大学者一般将充填技术的发展历程划分为废石干式充填、水砂充填以及胶结充填三大阶段。废石干式充填在国内始于20世纪50年代前，主要以废石、砂石、工业废渣为原料，在完全不考虑充填物料性质和效果的情况下，通过人力、风力、机械等方式将材料搬运至采空区进行充填，其主要目的是处理固体废弃物，减少废石提升成本。废石干式充填曾是我国20世纪50年代主要的充填技术之一。1965年为了控制大面积地压活动，我国首次使用水力充填技术，有效缓解了地表下沉［9］。水砂充填是指以水为输送介质通过管道输送选厂尾砂、冶炼厂炉渣、碎石等充填采空区的技术。随着充填技术不断发展，20世纪60—70年代，为了解决水力充填强度低、管输离析严重、充填效率低等问题，胶结充填技术应运而生。该技术是在水力充填骨料的基础上加入胶凝剂（硅酸盐水泥或者水泥替代品），以管道自流输送或者泵送方式输送，提高了充填体质量，降低了充填工艺成本和劳动强度。为了降低水泥充填成本，随着新型胶凝材料的不断研发，涌现出了新型胶凝材料的胶结充填技术，有高水胶结充填、粉煤灰胶结充填以及矿渣基胶结充填等。矿山充填技术发展历程的常规划分如图2所示。

2 新型矿山充填技术分类及演进历程

根据矿山充填材料性能，本研究将充填采矿技术的发展历程划分为4个阶段：体积性充填→结构性充填→功能性充填→智能性充填，如图3所示。

2.1 矿山体积性充填

体积性充填是以堆存、排放等方式将废石、砂石、尾砂等固体废弃物直接通过人力、机械搬运以及水力等方式充填至采空区，形成强度较低的松散充填体以满足采空区体积的需要，如矸石/废石充填、尾砂水力充填等。体积性充填的主要目的是减少固体废弃物排放，但体积性充填体强度低、充填效率低、劳动强度大、充填体压缩率高，水砂充填的压缩率达10%左右［10］。国外在20世纪40年代以前，以处置固体废弃物为出发点，在充填材料和充填效果未知的情况下，将矿山固废充填至采空区，如澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔矿的废石充填，以及加拿大诺兰大师公司霍恩矿将粒状炉渣冲入采空区等。目前，我国仅有一些煤矿采用体积性充填，充填材料以煤矸石、粉煤灰、镁渣、煤气化渣、风积沙以及建筑固废等为主［11］。

2.2 矿山结构性充填

2.2.1 结构性充填概念界定

结构性充填以流动性、结构和强度为主要应用指标，制备理想结构流状态的充填料浆进行充填，固结后具有保持充填体形状、结构及优良力学性能的能力，如尾砂胶结充填、膏体充填等。对于全尾砂结构性充填，20世纪80年代末广东凡口铅锌矿就已经开始使用了，但当时由于造浆要求高、制备工艺复杂，未能大面积推广使用。经过十多年的研究，全尾砂充填料浆制备问题得到有效解决，相继地，全尾砂结构流胶结充填在我国矿山得到了广泛推广与应用［12］。

2.2.2 结构性充填材料

结构性充填材料是指以力学性能为基础，并具备良好流动性能的充填材料，是以尾砂、废石等为骨料，水泥、粉煤灰等为胶凝剂制备而成。近数十年，人们对充填材料的物理化学性能、优化组合等方面进行了大量研究。为了制备性能优良的充填料浆，固相物料中，小于20 μm的细颗粒含量不宜少于15%［13］，充填材料的不均匀系数Cu一般为5～10，曲率系数为1～3［14］。在高浓度情况下，充填料浆表现出不离析、不沉降，在管道中以结构流的形式流动。由于细颗粒在管道壁形成了润滑层，在管输时可大大减少管道磨损，降低管输成本。结构性充填材料进入采场后强度高、接顶率高、无需脱水，改善了井下作业环境以及减少了排污费用［15］。

2.2.3 结构性流体

结构性流体是指流体在流动后的状态像固体一样做整体移动，在管道输送时以柱塞流形式流动，流体在管道中无速度和浓度梯度、不离析，泌水率较少（3%～5%）［13］。对于结构流体是以高浓度为基础的，当充填料浆浓度达到某一临界值时，其流动特性由两相流转变为结构流。结构流依靠包裹在管壁周围由细颗粒成分形成的润滑层进行输送，其与管壁之间的摩擦力很小，因此管道输送摩擦阻力损失较小。结构性充填料浆属于非牛顿流体，其流变模型近似于宾汉模型［16］。因为固相颗粒间不发生相对运动，结构流柱塞区域的速度为常数，自润滑层至管壁，速度逐渐减小，管壁处速度趋近于零，结构性流体如图4所示。

2.2.4 结构性力学

在地下开采时，不可避免地会破坏岩体原始的应力平衡体系，导致应力重新分布［16］。当充填体充入采空区时，充填体与采场结构（采场围岩，矿柱等）相互作用，形成充填体—顶板或充填体—矿（煤）柱等复合承载结构，起到维持原岩体完整的结构作用，避免围岩结构系统的突变失稳。为了维持上覆岩层的稳定性，根据实际地质条件，需设计出合理的采场结构。例如经常被用于“保水开采”和“三下”开采的条带充填，需要根据煤岩体力学特性设计合理的条带宽度，以满足充填体结构性力学要求。

2.3 矿山功能性充填

功能性充填是在满足结构性充填的基础上，具有载冷、蓄热、储能、资源储备、核废弃物堆存等拓展功能的矿山充填技术。根据充填材料实现效能的不同，可将功能性充填划分为载冷/蓄冷功能性充填、蓄热/储能功能性充填以及储库式功能性充填3种基本类别［17］。

2.3.1 载冷/蓄冷功能性充填

原岩散热是造成深井极端热环境的主要原因，并且随着开采深度的增加，原岩温度逐渐递增。为保障井下工作人员安全高效地开展工作，开采设备正常运行，降温成为深井开采必须解决的问题。传统降温方法所具有的井下降温设备布置多，施工、管理复杂，能量转化效率低等问题导致降温成本居高不下，据统计，热害矿井的降温系统用电量约占矿井开采总耗电量的25%［18］。探索高效、环保、经济、适合于深井开采的降温方法具有重要意义。

载冷/蓄冷功能性充填（Cold Load/Storage Functional Backfill）是通过在充填材料中加入蓄存了冷量的相变物质，通过充填料浆输运系统将其送至井下，使其通过与采场间隔的隔板吸收采场热量，即通过地面或壁面辐射供冷的方式实现对采场降温（图5）［17］。载冷/蓄冷功能性充填主要由材料制备、充填料浆输运、充填体相变降温、充填体固结强化4个阶段组成［19］，在保障传统充填采矿对充填料浆流动特性、充填体强度特性需求的同时，实现采场降温。与传统井下降温方法相比较，载冷/蓄冷充填降温方法充分发挥了充填采矿的优势，利用采场与充填体空间位置始终相互毗邻的特点，省去了繁杂的井下水—水、水—空气换热环节、井下空调末端装置以及载冷介质输送系统，从而大幅缩减了降温系统初始投资与运行成本，经济与安全效益显著。

针对载冷/蓄冷功能性充填的关键技术问题，不少学者围绕含冰粒充填料浆的流动特性［5，20］、含冰粒充填体强度特性［21］、充填材料相变降温特性［22-23］以及充填材料配比优化［24］等方面展开了深入研究。这些研究从不同角度印证了载冷/蓄冷功能性充填的工程实践可行性，同时为工艺设计、材料优化等问题的研究提供了理论依据，为载冷/蓄冷功能性充填的矿山工业试验和工程应用奠定了基础。

2.3.2 蓄热/储能功能性充填

高地温虽然是导致深部矿床开采出现热害的“罪魁祸首”，但也为地热资源开发提供了有利条件。地热能被认为是用于产生热量最有前途和最清洁的能源之一，具有相对较低的产热成本和污染物排放量［25］。我国地下矿山储存着丰富的地热资源，开展矿产资源—清洁地热资源的绿色协同开发与利用，对于实现深部矿山的绿色可持续发展具有重要意义。

蓄热/储能功能性充填（Heat/Energy Storage Functional Backfill）是以传统充填材料为载体，均匀拌合一定量的蓄热材料，在采空区充填前预先铺设采热管路，使之与充填材料固化后成为一体性的功能性充填体。借鉴地源热泵埋管换热器系统，本研究建立了特有的矿井充填体耦合热交换系统形式（Backfill Coupled Heat Exchanger，BCHE），如图6所示。蓄热/储能功能性充填体通过与深部矿井围岩的热交换，不断积蓄地热能，然后在埋设的管道内通入循环流体，将地下深处的地热能开采至地面，从而形成具备高热能存储/快速热能释放功能的复合充填体。

蓄热/储能功能性充填主要包括蓄热/储能充填材料制备、采热管群铺设、料浆充填固化为充填体3个环节，以同时实现降低采场温度，治理矿井热害，调节充填体养护温度，改善充填体养护环境，实现深部矿产资源与地热资源协同开采。根据矿井分级开采工艺特点，本研究构建了由充填体、采热管群与集水器、分水器组成的分级采热单元，多个采热单元串联组成采热单位（图7），通过阶段运输巷道的管路经竖井与热利用系统连接。每个采热单位获取的地热能通过排风井内的地热输送立管送至地面的地热存储工厂，然后根据能级分送至住宅区、办公区或有机朗肯循环发电机组加以利用。

由于深部矿井已开拓一定采深，有效节约了地热资源开发所需的钻探和开采成本，深部矿床开采所具备的完善的电力、给排水系统及提升运输通路，又可为地热开发动力供应和管路布设提供保障。蓄热/储能功能性充填可满足在采空区修复治理的同时从深部矿井高温围岩中源源不断地开采地热资源，实现深部矿床—地热绿色协同开采，既解决了深部矿井热害问题，又实现了对可再生地热资源的开发与利用。在深部开采过程中，以矿井充填体为储/载热体，利用矿井已有乃至废弃工程实现深层地热能开采，有望成为一个崭新的可再生能源生产模式。

针对蓄热/储能功能性充填，已有学者对添加相变材料的蓄热/储能功能性充填材料的流变性以及热力学性能（热导率、比热容、密度、抗压强度）进行了研究［26-27］；并对围岩温度、充填体蓄热初始温度、采场风流温度及速度对充填体蓄热性能的影响机理进行了探讨［28］。这些研究为矿山不同工作环境下充填体的蓄热性能分析提供了理论依据，也为高效聚集地热，实现深部地热能开采奠定了基础。

2.3.3 储库式功能性充填

国家油气战略储备是保障我国经济发展、国防安全、社会稳定的有效手段，建立油气战略储备库是保证国家能源安全、减小供需矛盾、应对突发事件的重大举措［29］。世界主要国家石油储备量如图8所示，目前，我国石油储备量仅能维持40 d左右［30］，远低于发达国家储备量以及国际储备安全标准（90 d）。同时，我国油气战略储备库大多为地面储库，不仅占用了大量土地，而且易受外界环境影响，安全性也较地下储库小。国内外地下石油储备库大多建在盐穴中，但我国盐矿具有盐岩层数多、单层厚度薄、不/难溶夹层多等特点，理想的储库地质条件不容易找到［31］。

我国矿山地下空间规模巨大，据报道，预计到2030年，我国废弃矿井将达到1.5万处［32］，赋存的地下空间资源约为234.52亿m3［33］。充填采矿技术可解决矿井采空区重大安全隐患和生态环境破坏问题，能够有效处置采矿等活动产生的固体废弃物，符合我国绿色发展理念。但采空区空间大，充填物料不足，全部充填成本高［34］。

储库式功能性充填（Cavity-Building-Functional Backfill，CB-FB）是将矿山充填、固废处置、采空区利用及建立战略能源储库有机结合，先采矿后充填，利用储库式功能性充填材料来满足充填体强度、防渗等储备条件，在矿井大型空区群内构筑一定的空间，用于储备石油（储油库）、天然气（储气库）等战略能源或堆存放射性核废料（储物库），以应对战争、强地震、恐怖事件、极端气候及油气极其紧张等情形致使能源供应中断带来的影响［17，35］，如图9所示。储库式功能性充填能够满足我国能源战略储备需求，实现采矿—充填—建库协同发展，降低充填成本，同时符合绿色开采［36］、地下空间利用［34］等矿山绿色发展理念。

2.4 矿山智能性充填

现阶段世界矿业逐渐向绿色、安全、高效和智能化方向发展。随着人工智能、大数据、物联网等技术的发展，智能化技术不断地向各行业渗透。同时在5G等新一代信息技术加速应用的背景下，智能充填将是矿山未来发展的趋势，智能充填主要体现在智能充填材料和智能控制两个方面。

2.4.1 智能充填材料

智能充填材料（Intelligent Backfill Materials，SBM）是指具有感知环境条件（力、温度、应力、应变、化学等），对之进行适度响应的智能特征的材料［37］。根据智能材料的组成，可将传统充填材料作为基体材料，加入敏感材料、驱动材料以及其它功能材料来制备智能充填材料。将传感、控制和驱动功能集于一身，从而实现对充填材料系统结构进行“健康”自诊断、偏差自矫正、损伤自修复与环境自适应等智能功能，以提高充填体整体性能。矿山智能充填材料概念模型如图10所示。

智能材料在土木工程中已有研究，如光纤维混凝土、玻璃空心纤维混凝土、记忆合金混凝土等智能材料通过自适应和自诊断功能，可提高混凝土结构的稳定性［38］。

2.4.2 智能充填控制

智能充填控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策的控制方式。将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人装备等与现代矿山充填技术深度融合，使充填过程中的搅拌、管道输送等主要充填系统具有自感知、自学习、自决策与自执行的基本能力。基于智能充填材料能对外部环境和自身所处环境进行感知，对充填料浆在管道输送中的压力、流速以及流入采空区后对采空区环境（如围岩稳定性、充填料浆在采空区中的流动特性、接顶情况和充填体的强度等）进行感知，并将所获信息反馈给控制系统。通过智能控制系统的自学习、自决策来不断优化配比（浓度、砂灰比、级配等），实时调整，同时能对矿山充填事故进行实时预测和预警、快速决策与自处理等，从而避免充填事故发生，提高充填体稳定性和充填效率，降低充填成本和工人劳动强度，实现充填材料搅拌、管道运输、安全保障等过程的智能化运行，形成矿山全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、精准协同控制的完整智能系统，最终实现矿山充填的智能化［39-40］。矿山智能性充填基本原理如图11所示。

虽然现阶段智能充填技术距离大规模普及应用还有一定的距离，但《中国制造2025—能源装备实施方案》提出了研发智能化绿色充填开采技术装备的目标，国家正在不断加速矿山信息化和智能化建设，快速推进“两化”的深度融合，推动矿山智能化升级转型，矿山智能化发展成为必然趋势，这为智能充填的发展提供了新机遇。目前国内已开发了首套智能充填系统（KG3000），并在许厂煤矿建立了首个智能充填工作面，实现了充填料浆自动配比、压力自动调节、液位自动监测的智能化、可视化充填开采［40］。这为智能充填技术发展奠定了良好的基础，随着科学技术的发展，矿山充填技术必将向更高阶段的智能充填技术方向发展。

3 展 望

（1）矿山充填成本是制约充填技术推广应用的主要因素，而充填成本主要来自水泥的消耗。目前，工业固体废弃物（矿渣、煤矸石、煤渣等）的排放越来越多，而综合利用率较低。这些固废不仅占用大量的土地资源，而且会导致较为严重的环境和生态问题。因此将固废经过改性处理，制备低成本新型胶凝材料，实现固废资源化、无害化、规模化处理，同时降低充填成本，是矿山充填技术发展需要解决的关键问题。

（2）“向地球深部进军”是我国必须解决的战略科技问题，随着浅部资源的枯竭，深部开采将成为常态，深部开采面临的高地温问题，使劳动效率大幅下降和生产事故大量增加，同时还会降低井下设备的工作性能。地热是一种清洁能源，因此可将矿山充填、深井降温与地热开发有机结合，从而拓展充填的功能，大幅降低深井降温与充填成本，革新充填采矿技术，实现矿山绿色、安全、高效开采。

（3）目前尽管矿山充填自动化水平与信息化水平得到了一定的提升，但一些矿井实现的自动化充填，主要通过集控系统手动调节充填料浆配比等，尚未真正达到智能充填水平。智能充填是基于智能充填材料的智能感知，通过智能控制系统的自学习、自决策、自执行，实现矿山充填全过程的智能化。智能充填材料与智能控制是实现智能充填的前提，需要多学科学者协作研发，这是实现智能充填的关键。