第1章绪论
1.1充填开采技术发展历程
1.1.1矿山充填开采技术分类
充填开采是将煤矸石、粉煤灰、尾砂等物料充填入采空区，达到控制岩层移动及地表沉陷目标的绿色开采技术，在矿山生产中得到广泛应用。由于矿山生产技术条件的差异性，选用的充填材料和充填方法不尽相同。按照充填材料、充填位置、充填范围、充填动力以及运输方式的不同，可划分为不同的类别，见表1-1。
矿井采用充填开采的目的各有不同，从工程需求角度而言，采用充填开采主要有三方面的需求，即岩层控制需求、采矿工艺需求和固废处置需求。具体到要实现的目标，在岩层控制方面主要是为了解决地表沉陷、顶板灾害和水体下开采等工程问题，在采矿工艺方面主要是为了解决分层开采、矿柱回收和过空巷等问题，固废处置方面主要是解决尾矿、建筑垃圾等大宗固废的排放问题。具体工程问题的解决离不开科学问题的突破，而关键科学问题可以同时服务一个或多个工程需求或目标，如图1-1所示。胶结充填材料性能需求设计原理是围绕充填材料输送、力学性能和材料配比优化等方面的关键科学问题，是胶结充填开采技术面临的关键问题，该问题的突破可以对岩层控制、采矿工艺和固废处置等工程需求提供理论支撑及技术指导。充填体的力学性能极大地影响覆岩的移动规律，充填体的输送和力学性能是充填开采工艺能够成功实施的关键，充填材料配比决定了固废处置效率和充填材料成本，因此亟须在胶结充填材料性能需求设计方面开展深入研究。
图1-1充填开采的工程需求及科学问题
1.1.2国外充填开采技术发展历程
充填采矿法已有百余年的发展历史，*早有计划地进行矿山充填是1864年美国宾夕法尼亚州Shenandoah的一个煤矿，采用水砂充填以保护地表的一座教堂[20]。矿山充填*初以简单处理废石等矿山固体废弃物为目的，逐渐发展为一种可以控制地压、改善采矿环境、降低矿石贫损指标、形成完整回采工艺的综合性技术。
国外充填开采技术的发展大致经历了四个阶段，如图1-2所示。
图1-2国外充填开采技术发展历程
20世纪40年代以前，是充填采矿技术的发展初期。国外少数矿山开始将矿区的废石以及其他废弃物充入采空区。这时候的充填是在不完全了解固体充填材料特性以及具体抗压效果的背景下开展的[21，22]。1915年，澳大利亚的北莱尔矿及塔斯马尼亚芒特莱尔矿通过废石充填矿井采空区[23]；加拿大诺兰达公司的霍恩煤矿在20世纪30年代把炉渣等废物运送到矿区地下的采空区[24]。
20世纪40年代至60年代，加拿大和澳大利亚等国设计了利用水力将尾砂等充入井下采空区的技术，将充填作为矿井开采系统的一部分，并开始了对充填材料及其性质的研究，逐步形成了水砂充填[25]。这种充填方法主要是借助水力将尾砂充入采空区，大大降低运输成本和劳动强度。当时世界上水砂充填应用*普遍、技术*先进的国家是波兰，该国1967年水砂充填法采煤占到总产煤量的一半以上。加拿大的一些矿山和澳大利亚的布罗肯希尔矿也采用了水力充填技术[26，27]。
20世纪60年代至70年代，水力充填的缺点逐渐凸显，由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高采出率和低贫化率的需要，因而水砂充填工艺的推广应用陷入停滞，开始发展胶结充填技术。胶结充填法一般以碎石、河砂、尾砂、戈壁集料或块石为骨料，普遍采用硅酸盐水泥或其他胶凝材料作为胶凝材料，充填料浆的质量浓度为60%～68%，水泥的水化产物可以为充填体提供足够的强度，骨料与水泥类材料拌和形成浆体或膏体后，以管道泵送或重力自流方式输送到采空区对围岩进行支撑[28]。胶结充填始于20世纪50年代末的加拿大鹰桥镍矿，该矿应用水泥尾砂浆取代充填料浆上铺垫板作为工作面底板[29]。1960年，加拿大镍矿公司开始试验波特兰水泥固结水砂充填技术，并于1962年在Frood矿投入生产应用。1964年，澳大利亚芒特 艾萨矿采用胶结充填工艺回采矿柱，其水泥添加量为13%[30]。随着胶结充填技术的发展，在这个阶段已开始深入研究充填材料的特性、充填材料与围岩相互作用和充填体稳定性等[31]。此时的胶结充填开采技术对比干式充填或者水砂充填而言具有显而易见的优点，但是该工艺在使用中出现料浆凝固慢、离析分层、强度低且不均匀等现象，而且还存在井下脱水时胶凝材料及细粒级尾砂易流失，井下废水、细泥造成环境污染，排水、排泥费用高，采场回采周期长，生产能力低下等问题。
20世纪80年代至90年代，原充填工艺已不能满足回采工艺、生产成本和环境保护的需要，因而发展了高浓度充填技术，如膏体材料充填、碎石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等技术[32]。高浓度充填是指充填料浆到达采场后，虽有多余水分渗出，但渗透速度很低、浓度变化较慢的一种充填方式。制作高浓度充填料浆原料，包括天然集料、岩石料和选矿尾砂。高浓度，一般是指质量浓度达到75%及以上的充填料浆。膏体充填的充填料浆呈膏状，在采场不脱水，其胶结充填体具有良好强度；碎石砂浆胶结充填是指以碎石作为充填集料；全尾矿胶结充填是指尾矿不分级，全部用作矿山充填材料，这对于尾矿产率低和需要实现零排放目标的矿山十分有价值[33-36]。1973年，澳大利亚芒特 艾萨矿1100铜矿开始应用块石胶结充填工艺，取得了很好的效果，提高了胶结体的强度和稳定性，并节约了水泥使用量。1978年，西德Preussage金属公司格隆德铅锌矿为了解决低浓度胶结充填泌水严重等问题，*次进行了全尾砂膏体泵送充填试验[37]。该矿通过6年的建设和系统试验，形成泵送充填新工艺，并先后在南非等国家的金属矿推广使用，效果良好。1991年，德国矿冶技术公司与鲁尔煤炭公司合作，*次把膏体充填技术应用于煤矿，在Walsum煤矿进行长壁工作面的充填试采。之后，德国的格隆德矿、加拿大的奇莫太矿、奥地利的布莱堡矿，以及南非、俄罗斯和美国一些矿山均相继选择了以上新型充填开采工艺[38，39]。相比低浓度料浆而言，高浓度料浆不易发生离析和沉淀，采场脱水量少，胶结充填材料的用量大幅度降低，形成的充填体具有力学性能更加优秀等优点，因而得到了一定程度的发展。但生产实践中依然存在制浆技术难度大的问题，尤其是利用全尾砂造浆时，难以达到预期的浓度；另外，高浓度料浆对输送控制的要求更高，更容易发生堵管事故。
1.1.3国内充填开采技术发展历程
国内充填开采技术的发展历程也大致经历了四个阶段，如图1-3所示。
图1-3国内充填开采技术发展历程
在20世纪50年代以前，国内均采用以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺。这种方法用于矿石稳固、围岩不稳固的倾斜矿床开采时具有以下优点：矿石回收率高，贫化率低，能适应矿体产状的复杂变化，作业比较安全，是我国非煤矿山主要的采矿方法之一[40]。1955年在有色金属矿床地下开采中占38.2%，在黑色金属矿床地下开采中可达到54.8%。这一方法的缺点在于生产力不高，同时劳动消耗非常大，并没有在煤矿中得到推广。在50年代之后，这种方法所占的比例慢慢下降，直至逐渐被淘汰，在1963年，这种方法在国内有色金属矿业中占的比例低于1%[41-43]。
20世纪60年代，国内矿山开始应用水砂充填工艺。我国的水砂充填技术应用可追溯到1951年，抚顺煤矿率先采用长壁水砂充填采煤法成功开采了工厂保护煤柱[44]。在1952年之后，该项技术逐渐在全国范围内推广开来，如辽源、蛟河、井陉、抚顺、扎赉诺尔、阜新、鹤岗、新汶等矿区均先后应用了水砂充填法。1957年，我国水砂充填采煤量达1117万t，占全国煤炭总产量的15.58%[45]。1960年，山南锡矿为了控制大面积的地压活动，*次采用尾砂水力充填工艺，有效地减缓了地表沉陷[46]。20世纪70年代，一些金属矿山先后成功应用了尾砂水力充填工艺，如山东烟台招远金矿、湖北大冶铜绿山铜矿和广东韶关仁化凡口铅锌矿等。进入80年代，分级尾砂水力充填工艺应用更加广泛，有60余座有色、黑色和黄金矿山都推广应用了该项工艺技术[47]。
20世纪60年代至80年代，胶结充填采矿法在国内得到大量的研究与推广。国内矿山*初选择的充填原材料主要是混凝土，按照建筑行业的相关标准来制作和运输这些原料。1964年，广东韶关仁化凡口铅锌矿*次开展低浓度尾砂胶结充填实验，整个充填过程中对于混凝土的消耗为240kg/m3；1965年，甘肃省金川公司的龙*镍矿也引进了胶结充填工艺，将戈壁滩上的一些集料作为井下充填原材料，采用这一方法对混凝土的消耗为200kg/m3[48-50]。由于混凝土充填输送工艺复杂，同时对充填原材料要求较高，在20世纪70年代之后，细砂胶结充填工艺慢慢取代上述充填工艺成为主流。细砂胶结充填以尾砂、天然砂以及棒磨砂等材料作为集料，以水泥为胶结剂。集料与胶结剂通过搅拌制备成料浆后，以两相流管输方式输入采场进行充填[51]。20世纪70年代至80年代，山东烟台的招远金矿、莱州的焦家金矿和广东韶关仁化的凡口铅锌矿率先应用细砂胶结充填工艺。因细砂胶结充填兼有胶结强度和适于管道水力输送的特点，于20世纪80年代得到广泛推广与应用。目前，我国有20多座金属矿山仍在应用细砂胶结充填技术[52]。
20世纪80年代以后，我国经济快速发展，对能源需求量很大，煤炭行业迎来了新的发展期，但是大规模的煤炭开采也带来了一系列的环境和社会问题，充填开采技术作为重要的绿色开采方法被放在重要位置。在此背景下，煤矿充填技术得到快速发展，进入了新一代绿色充填开采阶段。离层注浆充填、高水及超高水材料充填、煤矿膏体充填、综合机械化固体充填、采选充一体化技术等技术工艺开始涌现，多项研究成果达到煤矿充填领域国际先进或领先水平[53]。
离层注浆充填法是通过在煤矿开采之后，从地面到地下采空区上方的覆岩离层部分打钻孔，依靠高压泵等装置，往离层空间充入之前已经调配完成的充填原料，充分填满整个区域，减少采动影响向上延伸，对上面的岩石起到一定的支持作用，减慢它的沉降速度，进而实现降低地面沉降速度的目标[10，54，55]。在20世纪80年代后期，抚顺矿务局和阜新矿业学院合作开展了离层区注浆试验，获得了初步成功。此后，在大屯徐庄煤矿、新汶华丰煤矿和开滦唐山煤矿等进行了离层区注浆试验，减缓地表沉陷效果良好[56]。
高水充填和超高水充填技术是通过高水速凝材料A和B混合得到的，拥有出色的固水性能，并且很快就凝结，可以迅速完成大面积较高浓度的胶结充填工艺[4]。该方法不强调提高充填料浆的质量浓度，而是利用高水速凝材料混合后形成的钙矾石固水多且速凝早强的特性，实现较广范围内快速胶结充填。我国在20世纪90年代开始研究高水充填材料，招远金矿、新桥硫铁矿及小铁山矿等在90年代末进行了高水充填的现场试验研究，取得了突破性的进展；2008年，超高水材料充填技术在陶一矿*次进行了工业试验，控制地表沉陷的效果很好。之后又在田庄矿、城郊矿进行了技术推广[57-59]。
煤矿膏体充填开采技术是将煤矿生产过程中产生的煤矸石、电厂产生的粉煤灰和工业炉渣等固体废弃物，在地面加工制成不需要脱水处理、如同牙膏状浆体的充填材料，然后通过专用充填泵加压，利用充填管道将充填物料输送至井下，实现充填采空区的煤矿充填开采方法[60]。2006年5月，膏体充填示范工程在我国太平煤矿*次取得工业试采成功，随后，冀中能源小屯矿及焦作煤业朱村矿也开展了膏体充填工业性试验并获得成功[61]。煤矿采用膏体充填技术，一方面可以提高资源回收率，解放部分“三下”煤柱以提高矿井的服务年限，还可以降低煤矸石处理费用。而且由于膏体充填料浆可以根据材料的配比调节凝结时间，特别适用于工作环境比较特殊的煤矿，如岱庄煤矿[62]。高浓度胶结充填技术在控制顶板下沉和地表沉陷方面具有很好的效果，对解放压煤资源、提高煤炭资源回收率、保护矿区生态环境具有积极作用，在山西新阳煤矿得到了应用[63]。似膏体胶结充填技术也属于高浓度胶结
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