中国膏体充填技术研究进展概述

中国膏体充填技术研究进展概述刘琼;张希巍【摘要】充填膏体是由尾砂、水和胶结物等按一定配比混合而成的高浓度混合物，在环保、采场工作环境以及采场应力维护等方面具有明显优势，研究与发展膏体充填技术对未来深部金属采矿以及三下采煤具有重要意义。

简要回顾了膏体充填技术的发展历程，着重介绍了国内膏体充填技术的应用及发展，以膏体充填技术的工业链为主线，分别介绍了料浆制备、管道输送及充填体对地压维护等方面的研究成果，并从膏体充填理论技术研究和充填设备应用与发展方面，对我国在膏体充填技术领域需要深入研究的内容进行了总结。

%Backfill paste is a high-concentration mixture,composed of cement,sand and water in certain proportions.It has obvious advantages in environment protection,working environment and stress maintenance,so the research and development of backfill paste technology is of great significance to the future deep metal mining and "three under"mining.The develpment history of paste backfill technology is reviewed briefly,the application and achievements of the paste backfill technology are introduced em-phatically.According to the industrial chain of paste backfill technology,the achievements of the slurrypreparation,pumping and stope around pressure of backfill maintenance are analyzed respectively.Besides that,the contents need to conduct further research of the paste backfill technology is summarized from the two aspects of the research of theory and technology of paste backfill and application and development of paste backfill equipment.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】膏体充填;料浆制备;泵送工艺;强度;采场稳定性;充填系统【作者】刘琼;张希巍【作者单位】东北大学资源与土木工程学院; 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室;东北大学资源与土木工程学院; 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室【正文语种】中文上世纪80年代膏体充填技术在德国的格隆德矿山试验成功[1]，解决了低浓度浆体充填泌水严重的问题。

90年代我国甘肃金川建成了膏体充填系统[1]，此系统在膏体制备和输送方面为我国积累了大量的经验，尤其通过室内环管试验得到了远低于杜兰德公式的水力坡度经验公式[2-3]，对随后建成的会泽铅锌矿[4]、铜录山矿[5]膏体充填系统发挥了重要作用。

2006年我国在太平煤矿建成了第一个煤矿膏体充填系统[6]，后来又在邢台、小屯、岱庄和孙村等煤矿实施了膏体充填[7]。

与浆体充填相比，膏体充填技术具有充填料损失少、形成同等充填强度所需水泥少、早期强度高等优点[8]。

采矿过程中利用膏体充填可以降低充填工作对回采的干扰、降低采场排水负担，同时为尾矿堆存提供技术支持。

但是当前膏体充填技术成本依旧较高、对大功率设备的依赖程度高且理论也需要进一步突破。

本文将按照膏体料浆性质、输送和充填质量评价顺序，对我国膏体充填技术研究成果进行回顾。

1.1 膏体膏体是将一种或几种充填材料与水进行优化组合后形成的牙膏状流体。

膏体的判别指标有很多种，加拿大选用浓度、塌落度和饱和度作为指标，德国选用工作度(黏度、屈服应力)稠度和结构指数作为指标，澳大利亚选用细粒级含量、浓度和塌落度作为指标[9]，我国通常用塌落度和分层度指标，认为膏体塌落度为15～25 cm，分层度小于2 cm[10]。

王洪江认为泌水率为1.5%～5%时能形成合格的膏体[11]，后又从尾砂粒径级配角度完善了膏体的定义[10]，吴爱祥等将屈服应力为(200±25)Pa时料浆的固体质量分数视为膏体临界浓度，对膏体做了进一步界定[12]。

目前膏体的准确定义学术界和工程界仍没有统一，有待进一步量化关键指标和参数。

1.2 膏体充填材料矿山膏体充填材料由骨料、胶凝剂、外加剂和水组成。

常用的骨料主要有尾砂、磨砂和煤矸石等。

水泥作为主要胶凝材料，胶结效果好，但成本较高；由于粉煤灰和炉渣粉也能发生强烈的水化反应，起到胶结作用，目前也可作为常用胶凝材料，但在使用中需要多次试验，了解其对膏体强度的贡献。

为了提高充填效果并进一步降低充填成本，焦家金矿将水泥熟料、煤矸石、尾砂、石膏、芒硝、明矾石和石灰按一定比例混合成胶凝材料[13]，达到近似膏体状态；周华强等研制出专门用于煤矿膏体充填的PL、SL两系列充填料[14]。

总之，如何平衡充填成本与充填体强度一直是工程界的研究热点。

1.3 膏体配比及浓度合理的膏体配比应在保证充填体强度和流动性的基础上提高料浆均质性并降低成本[3]。

在生产中确定料浆配合比要先经过室内试验确定，再利用现场工业试验验证。

常用的试验优化指标有塌落度[15]、单轴抗压强度[16]和分层度等。

浓度是胶结充填中最敏感的因素[17]，膏体浓度通常在76%～82%[18]。

由于充填料中的细颗粒具有较大的比表面积，形成的充填体渗透率差，若浓度过低会造成脱水困难或细颗粒随水大量流失，影响充填体质量[19]。

1.4 充填料浆的流变性流变性是指流体流动和变形的性质，屈服应力与黏度是其重要参数，膏体料浆的流变特性符合宾汉姆模型[20-21]，一般用下式表示：式中，τ为管壁受到的切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；η为黏度,Pa·s；du/dy 为剪切速率，s-1。

在实验室内，多使用精密剪切流变仪对膏体料浆的流变性进行测量，主要有Brookfield R/S+SST型四叶浆式旋转流变仪[22-23]、Thermo HAAKE流变仪[24]、NXS-11型旋转黏度计[17]以及中国矿业大学设计的管式流变仪[25-26]，但流变仪的试验标准尚未统一。

在工程现场中，由于其特定的工作环境限制了流变仪的使用。

塌落度实验最初是应用于混凝土领域，通过混凝土塌落的高度来反应其流动性能。

由于塌落度实验操作简单，使用方便快捷，一定程度上能够检测料浆流动性，如今也普遍应用于矿业充填中。

1984年Murate构建了较为简单的力学平衡模型，找出塌落度与屈服应力的关系[27]。

1991年Christensen修正了Murate模型的不足，并在其基础上采用无量纲模型计算两者间的关系[28]。

此后研究人员利用坍落筒构建屈服应力-坍落度模型大都采用无量纲模型。

目前无量纲塌落度-屈服应力关系模型有两种：圆锥形塌落度，圆柱形塌落度[29]。

圆锥形无量纲塌落度-屈服应力模型：式中，rt为坍落筒上端口半径，m；rb为坍落筒下端口半径，m；=τ0/ρgH,为无量纲屈服应力；s′=s/H,为无量纲坍落度；=h0/H,为未形变段无量纲高度；=h1/H,为形变段无量纲高度；ρg为料浆重度，kN/m3；H为坍落筒高度，m。

圆柱形无量纲塌落度-屈服应力模型：研究发现，在高屈服应力条件下，圆锥形无量纲塌落度-屈服应力模型测得的数据并不准确，圆柱形无量纲塌落度-屈服应力模型不存在此缺点，因此在工程现场中推荐使用圆柱形塌落桶测量屈服应力。

1.5 脱水设备在膏体充填工艺中，尾矿脱水是一个重要环节。

早期建成的金川公司采用带式过滤机脱水[3]，但配套的储仓占地面积特别大，尤其是使用多套充填系统时更为严重。

后期建成的会泽铅锌矿、驰宏铅锌矿都采用深锥浓密机脱水[19]。

深锥浓密机脱水效率高，可以强化絮凝剂对颗粒的凝聚作用。

世界上最大型深锥膏体浓密机已经在我国矿山运行成功，浓密机直径40 m，在现场运用中，能以2 035 m3/h的速度输出质量分数65.2%的脱水料浆[30]，为我国矿山的大型化趋势发展提供了宝贵经验，但深锥浓密机的可靠性还需要进一步提高[31]。

2.1 输送阻力1973—1975年，我国学者用工业充填管进行了长期环管试验，得到了金川经验公式，其误差远小于国际流行的杜兰德公式[2]，即：式中，im为料浆水力坡度，Pa/m；i0为清水水力坡度，Pa/m；CV为料浆体积浓度，%；g为重力加速度，m/s2；D为输送管内径，m;v为流速m/s；Cx为颗粒沉降阻力系数；γt为固体物料密度，t/m3。

王新民从膏体料浆流变参数分析摩擦阻力损失[20]，公式如下：式中，I为管道沿程总摩阻力，Pa；L为计算管段长度，m；Vcp为管内浆体平均流速，m/s。

吴爱祥通过理论推导得出水力坡度公式[32]：式中，S为絮网结构系数；τs为絮网结构应力，Pa；μ0为絮网结构完全破坏时的塑性黏度，Pa/s;μs为絮网结构受剪过程中塑性黏度的变化值，Pa/s。

输送阻力公式的研究为我国膏体输送提供了大量的理论支撑与设计依据。

但充填料浆组成复杂,且输送过程中料浆会在靠近管壁的环形边界上泌水,形成的水膜会降低输送过程中的阻力[33]，使得输送阻力难以准确计算，因此实践中还需要进行环管试验,获得更为合理的设计参数。

为了减少试验工程量，于润沧等对计算机仿真模型模拟充填环管试验进行了大量的研究[31，34-35]，极大地提高了设计生产效率。

2.2 充填倍线及管路破坏为保证料浆顺利到达采场，充填系统需要选择合适的充填倍线，阶梯布置的管路中任一梯段管网的充填倍线应该不大于总倍线，此外，还需要考虑清洗管路的充填倍线[36]。

充填倍线过小或者梯段管网倍线过小，即整体管路或局部管路中存在大量的剩余压头，产生不满流。

大量研究表明：不满流输送会造成管路破坏，料浆运动冲刷管壁并且在空气-料浆界面碰撞对管壁产生冲击、爆管和气蚀现象[37]，只能通过消能才能消除[38]。