【文章內(nèi)容簡介】 源（如稀土、錫、鎢等）在世界上占有絕對優(yōu)勢外，大部分金屬的探明儲量都偏低，根據(jù) Mineral modity summaries 2022 提供的數(shù)據(jù)，中國銅、鈷、鎳探明儲量占世界總儲量的比例僅為 5%、3%和 6%。另一方面，由于多年的強(qiáng)化開采，眾多的老礦業(yè)基地資源相繼消耗殆盡。據(jù)統(tǒng)計，近 15 年來我國原有的190 座大型有色金屬礦山已有 62%閉坑停產(chǎn)。根據(jù)保有儲量和生產(chǎn)能力估算，到 2022 年，196 座國有銅礦山、195 座國有鉛鋅礦山、106 座國有鎢礦山、85座國有錫礦山和 38 座國有銻礦山中將分別有 88547 和 16 座關(guān)閉，分別占礦山總數(shù)的 45%、42%、52%、55% 和 42%。 2022 年 6 月中國地質(zhì)調(diào)查局《危機(jī)礦山資源潛力調(diào)查與評價》的預(yù)測結(jié)果顯示：至 2020 年，僅有不足 20%的礦山能維持生產(chǎn)，全國有色金屬礦山礦石產(chǎn)量每年將減少 68170kt，采礦能力每年下降 82720kt，選礦能力每年喪失 76530kt，工業(yè)產(chǎn)值每年減少 億元，企業(yè)利潤稅每年減少 9 億多元，將有 14 萬多人下崗或失業(yè)。按照 2022 年中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論2全國礦業(yè)生產(chǎn)總值比例計算，將損失 %的 GDP，加上與礦產(chǎn)品關(guān)聯(lián)的下游產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，GDP 約減少 12%左右。因此，資源的短缺已成為我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。解決資源短缺，除了加大勘探力度，提高資源保有量外，應(yīng)采用先進(jìn)的采礦方法和采礦設(shè)備，提高資源的綜合回收率。充填采礦方法，尤其是上向水平分層充填法，是提高資源回收率的重要途徑。由于充填法能夠確?！叭隆遍_采安全，最大限度地回收礦產(chǎn)資源，保護(hù)地下、地表環(huán)境，特別是近些年來，由于充填材料、充填工藝、管道輸送裝備和技術(shù)的不斷進(jìn)步，在有色金屬礦山和貴重金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用。銅陵化工集團(tuán)新橋礦業(yè)有限公司（以下簡稱新橋礦）是一個以銅硫為主的大型露天地下聯(lián)合開采礦山。由于礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地表需要保護(hù)，地下采礦方法為兩步驟充填采礦法。采場劃分為礦房和礦柱，先采礦柱，膠結(jié)充填形成人工礦柱，然后在人工礦柱保護(hù)下，回采相鄰的礦房。因此，膠結(jié)充填質(zhì)量是關(guān)系第二步礦房回采安全的最關(guān)鍵因素之一，而膠結(jié)充填成本也是關(guān)系礦山經(jīng)濟(jì)效益的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。但礦山現(xiàn)有充填材料和充填工藝存在如下主要技術(shù)難題需要技術(shù)攻關(guān)來加以解決：1）新橋礦目前使用的充填工藝為臥式砂倉江砂膠結(jié)充填，由于江砂級配組成不合理，充填時水泥離析嚴(yán)重，成本較高，充填體強(qiáng)度偏低。更重要的是由于長江取砂受到嚴(yán)格限制，江砂供應(yīng)比較困難，來源得不到保證。為解決充填骨料來源問題，新橋礦雖然先后試驗采用過塊石和鳳凰山尾礦，但由于受供料、工藝等限制，未能進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，充填材料來源仍未得到徹底解決。2）由于江砂膠結(jié)充填質(zhì)量濃度偏低（質(zhì)量濃度 60%左右，體積濃度更低） 、水泥流失、分層現(xiàn)象嚴(yán)重，致使第一步人工礦柱質(zhì)量不高，完整性及充填接頂程度差，不能起到充分保證第二步礦房回采安全的作用。根據(jù)生產(chǎn)過程中礦房回采時揭露的充填體情況看，充填體許多部位根本未能固結(jié)，一經(jīng)揭露即行垮落。為保證第二步礦房回采安全，不得不留設(shè)礦石護(hù)壁，造成資源的大量浪費(fèi)。另一方面，銅陵化工集團(tuán)公司六國公司有大量的工業(yè)固體廢料磷石膏堆放地面，而且每年有 140~150 萬 t 左右的新增磷石膏產(chǎn)出，磷石膏地面堆放不僅占用大量寶貴的土地資源，而且造成環(huán)境和地下水污染。為解決磷石膏出路，六國公司開展了磷石膏綜合利用技術(shù)攻關(guān)，雖然取得了一定的成績，磷石膏綜合利用率處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，但綜合利用率也僅達(dá)到 60~70%，離“十一五”末期，磷石膏產(chǎn)出與處理達(dá)到平衡的目標(biāo)仍有相當(dāng)?shù)牟罹?。如果能將六國公司產(chǎn)出的磷石膏作為充填骨料，代替江砂充入新橋礦井下采場，不僅可以徹底解決新橋礦充填骨料來源有限、充填質(zhì)量偏低的技術(shù)難題，中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論3而且為磷銨廠固體廢料磷石膏提供一條新的處理途徑，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益顯著。磷石膏膠結(jié)充填技術(shù)僅在開陽磷礦嗣后膠結(jié)充填中使用，而磷石膏似膏體分層膠結(jié)充填技術(shù)尚未見成功的報導(dǎo)，而且六國公司磷石膏中殘留磷含量明顯高于開陽磷礦，對膠結(jié)體的不利影響不容忽視，因此，研究工作具有一定的創(chuàng)新性。本論文通過大量室內(nèi)試驗，確定了磷石膏分層膠結(jié)充填的最佳配比參數(shù)，揭示了磷石膏膠結(jié)充填作用機(jī)理，提出了新橋硫鐵礦磷石膏膠結(jié)充填工藝流程方案，通過詳細(xì)水力計算，對新橋硫鐵礦磷石膏分層膠結(jié)充填技術(shù)可靠性進(jìn)行了科學(xué)評價。本研究成果不僅從根本上解決了新橋礦充填材料與充填工藝存在的技術(shù)難題，而且對推進(jìn)我國充填技術(shù)進(jìn)步和磷石膏綜合利用水平具有重要意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展充填技術(shù)國內(nèi)外的研究目前主要集中在四個方面，即充填工藝研究、充填材料研究、漿體輸送動力學(xué)研究及充填體的力學(xué)特性研究。在充填工藝研究方面，對膏體充填工藝的研究較多；充填材料研究方面則以全尾砂類細(xì)骨料、粉煤灰、鋼渣、化學(xué)石膏、赤泥等工業(yè)廢棄物的再利用為主；在輸送動力學(xué)方面以對漿體的流型、流變特性的深入研究及輸送臨界流速、水力坡度、不同流速條件下的管道安全為主；對充填體的研究以充填體的破壞特征，對巖層的支護(hù)作用機(jī)理及不同采礦條件下的合理要求強(qiáng)度為主 [35]。這些研究對促進(jìn)充填技術(shù)進(jìn)步和安全回收資源起到了重要作用，擴(kuò)大了充填法在金屬、非金屬乃至煤炭礦山的應(yīng)用范圍。 充填工藝及材料技術(shù)研究我國礦山充填工藝隨著眾多科研院所和礦山企業(yè)的應(yīng)用研究，在宏觀領(lǐng)域己趨于成熟，而管道輸送技術(shù)在成為國內(nèi)外礦山企業(yè)充填主要工藝的同時，其工藝和輸送材料也變得多樣化和個性化。在工藝上有泵壓輸送和自流輸送；在管道的材質(zhì)上有無縫鋼管、增強(qiáng)塑料管、聚氯乙烯塑料管、陶瓷復(fù)合管、鑄鐵管等；在膠結(jié)材料方面有普通硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、赤泥混合水泥、大摻量鋼渣水泥、高水固化材料等；充填骨料有選廠尾砂、黃砂、河砂、江砂、棒磨砂、戈壁集料、水淬爐渣等。雖然充填工藝技術(shù)不斷推陳出新，總體技術(shù)水平顯著提高，但存在于管道輸送中的一些根本問題還沒有得到徹底解決，并隨著開采條件的惡化又暴露出了新的技術(shù)難題。因此，國內(nèi)外對充填工藝和技術(shù)都高度關(guān)注，我國八五~中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論4十五規(guī)劃中連續(xù)三次將充填技術(shù)列為重點科研攻關(guān)的內(nèi)容，成為礦業(yè)的前沿研究課題。在工藝方面，主要集中于高濃度充填工藝研究。出于對高濃度管道輸送技術(shù)的渴望，近年加強(qiáng)了高濃度漿體輸送動力學(xué)研究。金川公司率先完成了大直徑環(huán)管試驗，武山銅礦、南京鉛鋅銀礦、會澤鉛鋅礦也相繼進(jìn)行了大直徑環(huán)管和 L 型管道試驗 [4,68]；在對兩相流和結(jié)構(gòu)流的判別上，金川公司在傳統(tǒng)的坍落度、濃度、雷諾數(shù)等判別方法的基礎(chǔ)上，提出了分層度綜合判別法，并得到了不同級配、密度條件下膏體的輸送濃度范圍 [4]；中國礦業(yè)大學(xué)孫恒虎教授和他的課題組對似膏體的漿體流動和輸送特性和流變方程進(jìn)行了研究，提出了似膏體充填的新概念 [9,10]。同時，為了突破膏體輸送設(shè)備投資高、流程復(fù)雜的技術(shù)瓶頸，美國、澳大利亞和加拿大的一些研究機(jī)構(gòu)在簡化膏體制備方面取得了進(jìn)展，如美國的埃姆科（Eimco）公司研制成了一整套制備和輸送設(shè)備，并在美國蒙大拿（Montana）斯太爾（Stillwater）礦建立了一套充填系統(tǒng)：加拿大英科（Inco ）公司和 GLamp。V 公司聯(lián)合研制成工業(yè)膏體生產(chǎn)存貯設(shè)備，并在馬卡沙（Macassa）礦首先使用，我國的銅綠山礦也試驗了較為簡單的膏體充填系統(tǒng)。在充填材料研究方面，主要有如下成果：中國礦業(yè)大學(xué)推出了全砂土固結(jié)充填材料 [11]；加拿大 Louvicourt 礦采用煉鐵渣降低充填成本 [12]，用 20%水泥和80%煉鐵渣組成復(fù)合膠結(jié)劑，膠結(jié)劑的加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）占膏體的 %2%，復(fù)合膠結(jié)劑與尾砂的膠結(jié)效果良好；芬蘭澳托基普集團(tuán)公司擁有 4 座礦山[13]，均采用充填采礦法。充填過程中，爐渣的使用量占全部膠結(jié)料的 90%100%，用礦渣代替水泥具有技術(shù)與成本上的優(yōu)勢；Potgieter J H 和 Potgieter S S [14]試驗得到，在尾砂和廢石的混合充填工藝中，采用水泥和粉煤灰膠結(jié)劑，可提高充填體強(qiáng)度，再在其中加入爐渣時，可顯著提高充填體早期強(qiáng)度；粉煤灰具有活性膠凝作用、充填致密作用、穩(wěn)定益化作用和減水增強(qiáng)作用，能提高尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度 [1517]，是礦山節(jié)約水泥、降低充填成本的有效途徑；Petrolito J 和Anderson R M 研究了磷石膏作膠結(jié)劑的可行性 [18]，試驗發(fā)現(xiàn)，鍛燒的磷石膏有膠凝特性，其強(qiáng)度高于水泥；Archibald J F[19]和 De Souza E [20]研究了用城市廢玻璃作充填膠結(jié)劑的可行性，廢玻璃磨細(xì)后，具有膠凝活性，可用于井下采場充填，代替部分水泥，提高充填體強(qiáng)度。另外，在采用外加劑或其它物理手段改善充填漿體性能方面，也有許多值得推廣的經(jīng)驗：金川有色金屬公司對充填料漿進(jìn)行了磁化水處理對比試驗 [4]，試驗結(jié)果表明，磁化水對尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度有顯著影響，早期強(qiáng)度提高 30%以上，后期強(qiáng)度提高 15%以上；前蘇聯(lián)采用加入化學(xué)添加劑（早強(qiáng)劑、減水劑等） 、重磨粘結(jié)料和振動搗實等方式提高充填體強(qiáng)度 [21]；Amaratunga L M 和中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論5Yaschyshyn D N 用冷凝法使細(xì)尾砂形成球團(tuán) [22,23]，在膏體尾砂料漿中加入冷凝處理后的細(xì)尾砂球團(tuán)，不僅可以增加細(xì)尾砂用量，而且能提高充填體強(qiáng)度和剛度；Kumar S 用硅酸鹽溶膠使細(xì)尾砂形成球團(tuán) [24]，實現(xiàn)了大規(guī)模高效處理細(xì)尾砂，充填于采場；Sprute RH[25]、Mkrtchian T[21]和 Chappell B[26,27]用電極安放于采場，在充填過程中，將電極通入直流電，該過程能促進(jìn)細(xì)顆粒尾砂快速沉降和脫水，有利于提高細(xì)顆粒尾砂的利用率。上述方法都在一定程度上改善了充填體的質(zhì)量和充填安全。 基本水力輸送參數(shù)研究漿體水力輸送所涉及的核心水力學(xué)參數(shù)有漿體流型、臨界流速和水力坡度，是國內(nèi)外水力輸送研究的重點，主要研究成果有：在國際上，主要依據(jù) Euler[28]的場觀點，導(dǎo)出了兩相流的連續(xù)方程、能量方程和運(yùn)動方程。Askure [29]采用數(shù)值解法計算了水平管道沉降性漿體的濃度和速度分布；Monji [30]采用 EulerLagrange 模型對水平管道內(nèi)固液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算了顆粒對水流速度斷面和壓力降的作用；Schwarzer 用數(shù)值法求解了層流 NS 方程和顆粒運(yùn)動方程，發(fā)現(xiàn)顆粒的沉降速度隨容積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。在國內(nèi)，近年來對于固液兩相流的數(shù)值計算方法研究也取得了很大進(jìn)展。孟令杰 [31]依據(jù)雙流體模型理論建立了煤水混合物管內(nèi)流動模型；胡志偉、徐自立 [32, 33]等人采用單流體模型對彎管中的漿體流動情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析漿體在彎管中的“二次流”現(xiàn)象以及固體顆粒對管道的磨損情況：劉天寶 [34]采用連續(xù)介質(zhì)滑動模型對擴(kuò)散管內(nèi)的固液兩相流速度分布和濃度分布進(jìn)行了數(shù)值計算；魏家進(jìn) [35]推導(dǎo)出了適用于密相固液兩相流的顆粒湍動能、耗散能、溫度模型，對豎直管中的密相固液兩相流進(jìn)行了數(shù)值計算；費(fèi)祥俊對固液混合物的流變特性、沉降特性及管道輸送理論作了系統(tǒng)深入的研究。 充填體力學(xué)性能（作用機(jī)理）研究充填采場屬于人工支護(hù)的范疇，類似于采用錨桿、噴射混凝土等人工措施支護(hù)采場巷道，其目的在于維護(hù)采場圍巖的自身強(qiáng)度和支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，防止采場或巷道圍巖的整體失穩(wěn)或局部垮冒。對于充填體的支護(hù)作用，布雷迪和布朗 [36]認(rèn)為有下列三種充填類型：1）表面支護(hù)作用通過對采場邊界關(guān)鍵塊體的位移施加運(yùn)動約束，充填體可以防止在低應(yīng)力條件下開挖空間周邊巖體時空間上的漸進(jìn)破壞。2）局部支護(hù)作用中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論6由鄰近的采礦活動引起的采場幫壁巖體的準(zhǔn)連續(xù)性剛體位移，使得充填體發(fā)揮被動抗體的作用。作用在充填體與巖體交界面上的支護(hù)壓力允許在采場周邊產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力梯度。實踐已證明，即使小的表面荷載對摩擦型介質(zhì)中的屈服區(qū)范圍也可能產(chǎn)生重大的影響。3）總體支護(hù)作用如果充填體受到適當(dāng)?shù)募s束，它在礦山結(jié)構(gòu)中可以起到一種總體支護(hù)構(gòu)件的作用。也就是說，在巖體與充填體交界面上采礦所誘導(dǎo)的位移將引起充填體的變形，而這類變形又導(dǎo)致了整個礦山近場區(qū)域中應(yīng)力狀態(tài)的降低。上述三種機(jī)理代表了充填體在礦山結(jié)構(gòu)中不同的支護(hù)作用，即表面的、局部的和總體支護(hù)。在任何情況下支護(hù)的工作方式都可假說既與巖體性質(zhì)也與充填體性質(zhì)有關(guān)。北京科技大學(xué)于學(xué)馥教授針對金川礦區(qū)所采用的充填材料與充填工藝，研究提出充填體三種作用機(jī)理 [37]：1）應(yīng)力轉(zhuǎn)移與吸收充填體進(jìn)入空區(qū)，最初是不受力的，以后隨著充填體強(qiáng)度的提高，具備了吸收應(yīng)力和轉(zhuǎn)移應(yīng)力的能力。從而也形成了地層“大家族”的成員，參與地層的自組織系統(tǒng)和活動。2）應(yīng)力隔離機(jī)理充填體對