第1章绪论
采矿业作为国家经济发展的生命补给，在国民经济以及工业化道路上具有举足轻重的地位，以中国的矿产品消耗能力为例，截至2019年底，中国的天然气、锰、铝等34种重要矿产资源储量提升，10种有色金属、黄金及水泥等产量和消费量持续居世界首位（自然资源部，2020）。同时，采矿业作为一项古老的行业，经历了一个较长的技术变革和发展历程，*终形成了较为完整的工艺路线和技术体系。从采矿的发展历程角度来说，采矿业经历了从古代低效率的露天开采进入浅地表的地下矿山开采，再到目前广泛机械化的高效率开采以及未来的智能、绿色、超高效矿山开采；从采矿技术和采矿工艺发展的角度来说，形成了以崩落法、空场法和充填法为主的三大类采矿方法，同时伴随溶浸采矿、智能开采技术、小行星采矿及太空采矿等新兴采矿技术和工艺的蓬勃发展；从采矿工艺与环境保护的角度来说，采矿工艺从*初的以牺牲环境为代价的大肆开采阶段进入以保护环境为目的的绿色、经济、低碳的开采阶段；从采矿安全的角度来说，由*初依赖大量人工开采和安全管理极不完备的开采工艺向具备机械化、智能化和完备的安全管理监测系统的采矿工艺的方向发展，保障了矿山的安全高效生产。
采矿的过程会对环境造成极大的破坏，对于金属矿山的开采，尾矿库与采空区是目前业界公认的两大危险源。我国矿山现有地表尾砂总量146亿t（中国国土资源经济研究院，2016），占大宗工业固废总量的46%，侵占土地1300多万亩①，不仅造成重金属离子迁移、尾矿库溃坝等生态威胁（国家安全监管总局等七部门，2013；张家荣等，2016），还威胁人们的生命安全，如2008年山西襄汾尾矿库溃坝，死亡277人，如图1-1所示；海量尾矿地表堆放的同时，还在井下遗留了约12.8亿m3的采空区，使得地表塌陷、井下垮冒等安全事故频发，如2013年湖北鄂州某铜铁矿井下采空区发生垮塌，塌陷面积约4500m2（相当于11个篮球场），塌陷深度约30m（相当于10层楼），如图1-2所示。传统的采矿方法会对环境造成破坏以及给生产安全带来巨大的威胁，需要对采矿方法进行改进，使其对环境及安全造成的危害降至*低。从国家层面来讲，国家主张建立“资源节约型，环境友好型”的可持续发展的资源经济体系，并提出了力争于2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和的目标；同时，新出台的《矿产资源法》增加了矿山生态环境保护和修复以及矿业用地的有关规定。所以，采矿技术是随着社会经济的发展而更新和改进的，采矿技术的发展既要满足国家的经济发展需求，也需要兼顾环境保护、资源协调等相应的社会责任。
1.1 充填采矿技术的发展历程
尾矿库和采空区是金属矿山的两大危险源，充填采矿法可以从源头上解决以上两个矿山危险源，充填采矿法*大的优势是可以有效控制围岩应力，保证开采安全；同时，可以提高矿石回收率，具有较好的经济效益（郭文兵等，2005；丁德强，2006；姚中亮，2010）。充填采矿法是在伴随落矿、运搬以及其他作业的同时，用选厂产生的尾砂等废弃物作为充填料充填至采空区的采矿方法（吴爱祥等，2011）。充填采矿法使得有用资源开采之后，其余固废“完璧归赵”，可协同解决矿山尾砂生态污染和采空区安全问题这两大“顽疾”，从而达到“一废治两害”、绿色开采的效果。
随着人们对资源需求量的不断增加，金属采矿技术也得到较快发展。在发展的同时，更加注重环保和安全，尤其是充填采矿法，在*近几十年中发展*快（孙豁然等，2003；何哲祥等，2008；秦豫辉和田朝晖，2008）。依据所用充填的材料不同，充填采矿法的发展经历了以下几个阶段：干式充填法、水力充填法、胶结充填法（许新启和杨焕文，1998）。其发展过程主要体现为两个变化：一个变化是由非胶结充填发展为胶结充填，另一个变化则是从低浓度自流充填发展到高浓度（膏体）泵送充填。
充填采矿技术在我国的发展历程可以分为四个阶段（刘杰，2020）。第一阶段是20世纪50年代在我国的一些矿山开始使用干式充填采矿法进行矿山开采，但是由于干式充填采矿方法对劳动力有较大的需求，而且生产力较低，干式充填已经逐渐被其他充填方式所替代；第二阶段是20世纪60～70年代所采用的以水砂充填和胶结充填为主的充填方式；第三阶段主要是以胶结充填为主的充填方式，胶结充填主要采用碎石、河砂、尾砂或戈壁集料为骨料（有时会掺入块石），与水泥或石灰类胶结材料混合，与水拌合*终形成浆体或膏体，利用重力自流或管道泵送方式将充填体输送到空区进行充填（刘同有和蔡嗣经，1998）；第四个阶段主要是以高浓度的膏体料浆进行充填的膏体充填技术，膏体充填技术是安全和环境双重要求下的产物，是代表胶结充填的*新技术水平（孙豁然等，2003；王湘桂和唐开元，2009）。随着胶凝材料的选择越来越多，以及各种化学添加剂的参与，胶结充填迎来了快速发展的新局面（刘同有和周成浦，1995；周爱民，2006）。此外，随着浓密设备、泵送设备、分级设备等充填有关装备的日臻完善，胶结充填出现了高水速凝固化充填、分级尾砂、全尾砂胶结充填、全尾砂高浓度胶结充填、膏体充填等多种充填技术并存的局面（周爱民，1999；李冬青，2001）。
1.1.1 国外充填技术发展历程
充填采矿技术作为采矿方法的主要发展方向，正被国内外矿山所广泛应用。20世纪70年代末，充填技术起源于德国巴特格伦德（Bad Grund）铅锌矿（Yilmaz et al.，2004），并迅速在澳大利亚、加拿大、南非、奥地利、英国、摩洛哥、俄罗斯、葡萄牙和美国等许多国家的金属矿山推广和使用（刘同有和蔡嗣经，1998）。如美国的幸运星期五（Lucky Friday）铜铅锌矿，加拿大的多姆（Dome）金矿，澳大利亚的依鲁拉（Elura）和奎河（Que River）铅锌矿，南非的兰德方丹（Randfontein）以及奥地利的布莱贝格（Bleiberg）铅锌矿，摩洛哥的哈贾尔（Hajar）铜矿等。
在加拿大，充填采矿技术已有近百年的历史（郑保才，2006）。1962 年加拿大Food 矿首次采用尾砂和水泥胶结充填，在1985～1991年，加拿大在充填材料、充填工艺方面的研究取得了很大成就。其中全尾砂膏体充填技术于1993年在加拿大得到进一步发展，这种工艺目前仍在继续使用，尤其是地下硬岩条件的矿山几乎都是采用充填采矿法（李宏泉和方理刚，2004）。这一技术的应用不仅提高了矿山的综合生产能力，降低了充填成本，还改善了井下的生产环境。
在澳大利亚，20世纪60～70年代，芒特艾萨（Mount Isa）矿开始应用尾砂胶结充填，并与新南威尔士大学矿业学院合作，成功研究出了低成本胶结充填技术（郭文兵等，2005）。1997年8月，大型地下矿山坎宁顿（Cannington）矿率先采用膏体充填系统；1998年底，在采深为3500m时，芒特艾萨矿业公司建成膏体充填系统（王新民等，2006）。随后该充填技术在澳大利亚得到推广，陆续有十几个金属矿山建立了膏体充填系统（斯基勒斯等，1998）。
在美国，早在20世纪80年代后期，美国矿务局就开始了全尾砂充填体强度的研究，以及膏体输送泵模拟装置、充填体和矿柱现场测量仪表的研制，并进行充填体稳定性的计算机模拟。之后，很快在南达科他州的霍姆斯特克（Homestake）矿和希拉克（Helca）采矿公司幸运星期五矿成功试车了高浓度全尾砂充填技术（刘殿华和吴贤振，2012）。
在南非，20世纪80年代初期就有许多矿山开始应用胶结充填工艺。可以说，整个80年代是南非充填工艺发展*快的时期，也就是这个时期，膏体充填的研究和应用开始流行（王五松，2004；肖广哲等，2010）。矿体开采深度逐年增加，使得南非许多矿山开采深度已经达到2000m以上（韩朝军和李延东，2006）。其中，Anglogold有限公司西部深水平金矿，采矿深度达到3800m。开采深度的增加对空区围岩控制提出了更高的要求，正因如此，膏体充填采矿技术也被南非许多深部矿山广泛应用，并逐渐成为既定工艺和*为主要的支护方法。
1.1.2 国内充填技术发展历程
我国充填工艺技术起步虽然较晚，但发展迅速（于润沧，2011）。20世纪80～90年代，我国对全尾砂充填进行了较多研究。其中，80年代，国内外主要采用分级尾砂充填法（黄志伟和张炳旭，2004）。分级尾砂充填一般利用+37μm的尾砂，其尾砂利用率一般在50%左右（谢龙水，2003）。这种方法*大的问题是剔除一半的细颗粒尾矿，这些剔除出来的尾砂在尾矿库依然会造成环境和安全问题。与分级尾砂充填相比，全尾砂充填工艺相对简单，并且可以真正减少尾矿地表堆存的压力，尤其适用于地表不能建尾矿库、充填料来源不足、尾砂中含有害物质需要处理的矿山（王方汉等，2004；张淑会等，2005；吴爱祥等，2011）。
1990年，凡口铅锌矿建成我国第一个全尾砂胶结充填系统，其尾砂利用率达90%以上，自流输送的充填料浓度可达70%～75%。20世纪90年代，相继在南京栖霞山铅锌矿和济南张马屯铁矿推广应用，且已实现了无尾矿排放。1999年8月，金川公司建成了我国首*膏体泵送充填系统，充填料浆由全尾砂、棒磨砂、碎石构成，粗骨料的添加改善了料浆的流动性，提高了充填浓度（陈长杰和蔡嗣，2001；王新民和肖卫国，2002；江文武，2009），充填工艺流程如图1-3所示。该套系统采用德国施维英公司生产的专用充填泵，其泵送压力达13MPa，充填能力为100m3/h，并自主研发了双轴连续搅拌机。充填浓度达到82%，水泥平均用量280kg/m3，充填体强度在4MPa以上（李云武，2004）。
2002年，云南会泽铅锌矿开始进行充填技术工业试验研究（吉学文和严庆文，2006），于2006年试车成功，正式开启全尾砂充填技术应用。该系统是我国第一套以深锥浓密机为核心的充填系统，充填料浆浓度达到78%，尾砂零排放，并首次将冶炼用的水淬渣用于井下充填，既提高了充填体强度又减少了冶炼固体废弃物的排放。矿山充填深度达1600m，矿山充填能力为60m3/h，水泥单耗180kg/m3。在此充填系统中，为避免传统带式真空过滤机工艺中尾砂脱水后再加水的重复操作，率先采用了新型膏体浓密机来制备高浓度尾砂浆。水泥经水泥仓底部双管螺旋输送机输送到一段搅拌机，在此与尾砂、水淬渣混合形成高浓度料浆。该矿在水泥添加方式上成为我国第一个地面干式添加水泥的充填矿山，简化了充填系统，省去了水泥专用管路及专用添加装置，如图1-4所示。整个系统只有一条膏体料浆管路，降低了管理难度。可以说，会泽充填系统的成功应用，是我国充填技术发展的又一次革命。
有色金属矿山因其开采条件复杂、品位高、矿产品产值大，一直是充填技术强有力的推行者。近年来，随着充填采矿技术的发展，高浓度（膏体）充填采矿技术在铁矿山也逐渐推广开来。充填成本的下降和充填技术的不断革新促使高浓度（膏体）充填技术在铁矿中的应用成为一种趋势，如大红山铁矿、周油坊铁矿、司家营铁矿、张马屯铁矿、会宝岭铁矿、郑家坡铁矿、莱新铁矿、马庄铁矿、石人沟铁矿等矿山均采用高浓度（膏体）充填技术进行矿山开采。除此之外，由于复杂的开采条件及尾矿库排放限制，充填采矿技术也获得了非金属矿的青睐，如开阳磷矿、黄梅磷矿等。
综上所述，充填采矿技术在国内外的应用正处于蓬勃发展的阶段，具有非常广阔的应用前景。
1.2 金属矿充填固化过程研究的重要性
据统计，我国有色金属和黄金系统90%以上的矿山采用地下开采，这些地下开采矿山中90%以上的矿山采用充填法。这就意味着巨大的采空区将填充海量的充填料，而这些充填料浆一旦进入空区，便开始了“黑箱”养护时代，其固化过程复杂，且无法预见、无法调控，严重影响了采矿安全和效率。传统的充填固化效果评价依赖室内终端强度和工程经验，一般都是对某一特定养护龄期的充填体进行强度测试。而实际矿山开采，因采矿方法不同，充填体需要具有自立、支撑围岩等功能
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