劉 浪 方治余 張 波 王 美 邱華富 張小艷

（1.西安科技大學能源學院，陜西西安710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西西安710054）

礦產(chǎn)資源開采對世界經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義，許多工業(yè)的原材料依賴于礦產(chǎn)資源。然而在礦產(chǎn)資源開采的同時會產(chǎn)生大量采空區(qū)，造成地表塌陷、水資源流失等問題。同時，采礦的同時也會產(chǎn)生大量的固體廢棄物，對環(huán)境產(chǎn)生巨大的壓力。一方面固體廢棄物的管理成本高，另一方面固體廢棄物的排放占用土地，污染環(huán)境，固體廢棄物的處置已是全球性問題［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國礦山固體廢棄物總量已超過250億t，且每年以6億t的速度增加［2］。

充填采礦法可有效解決以上問題，同時充填采礦技術具有提高采出率、維護采場安全以及滿足環(huán)境需要等優(yōu)點而在世界范圍內得到廣泛應用，經(jīng)過多年的發(fā)展已逐漸成為綠色開采中不可替代的一部分。隨著淺部資源的枯竭，越來越多的礦山進入深部開采階段，然而深部開采面臨高應力、高地溫、高滲透壓等挑戰(zhàn)，需要采用與深部環(huán)境相適應的充填材料以及充填工藝。為了降低充填成本，并提高對大宗固體廢棄物的處置效率，人們不斷探索研發(fā)充填新材料以及革新充填采礦工藝。

隨著生產(chǎn)實踐的深入，涌現(xiàn)出了許多新型充填材料。如礦渣充填膠凝材料［3］、高水充填材料［4］、含冰粒功能性充填材料［5-6］等。礦山新型充填材料的研發(fā)及新技術的應用促進了充填采礦法的改進和創(chuàng)新。學者們按照充填位置、充填量、充填動力以及充填材料對充填技術進行了分類，但隨著生產(chǎn)實踐的深入，充填的附帶功能不斷拓展，傳統(tǒng)的分類方法并不能很好地涵蓋新型礦山充填技術。本研究以礦山充填、固廢處置、采空區(qū)再利用、地熱開發(fā)、戰(zhàn)略資源儲備和智能控制等為協(xié)同發(fā)展目標，以充填能效為發(fā)展主線，將礦山充填技術演進歷程劃分為體積性充填、結構性充填、功能性充填和智能性充填4個階段，分別從概念、功能和基本類別等進行論述。

1 常規(guī)礦山充填技術分類及發(fā)展歷程

1.1 常規(guī)礦山充填技術分類

充填采礦技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在礦山中得到了廣泛應用。由于每座礦山的生產(chǎn)技術條件存在差異，選用的充填材料、充填方法也不盡相同。充填采礦技術按照充填位置、充填量、充填動力以及充填物質的不同，可進行如圖1所示的劃分。按照充填位置可分為采空區(qū)充填、冒落區(qū)充填和離層區(qū)充填，后兩者主要用于煤礦中來控制巖層移動和地表沉陷［7］。按充填量可分為全部充填和部分充填，全部充填指礦石或者煤等開采前所占的空間，也即為頂板未塌落之前的采空區(qū)充填；部分充填主要有冒落區(qū)充填、離層區(qū)充填以及條帶充填等。根據(jù)運送充填材料動力的不同可分為自溜充填（重力充填）、風力充填、機械充填以及水力充填，前3種動力主要運送固體松散材料，水力充填主要輸送不同濃度的充填料漿。按照充填物質可分為水砂充填、矸石充填、膏體充填以及高水充填［8］。

1.2 常規(guī)礦山充填技術發(fā)展歷程概述

現(xiàn)階段廣大學者一般將充填技術的發(fā)展歷程劃分為廢石干式充填、水砂充填以及膠結充填三大階段。廢石干式充填在國內始于20世紀50年代前，主要以廢石、砂石、工業(yè)廢渣為原料，在完全不考慮充填物料性質和效果的情況下，通過人力、風力、機械等方式將材料搬運至采空區(qū)進行充填，其主要目的是處理固體廢棄物，減少廢石提升成本。廢石干式充填曾是我國20世紀50年代主要的充填技術之一。1965年為了控制大面積地壓活動，我國首次使用水力充填技術，有效緩解了地表下沉［9］。水砂充填是指以水為輸送介質通過管道輸送選廠尾砂、冶煉廠爐渣、碎石等充填采空區(qū)的技術。隨著充填技術不斷發(fā)展，20世紀60—70年代，為了解決水力充填強度低、管輸離析嚴重、充填效率低等問題，膠結充填技術應運而生。該技術是在水力充填骨料的基礎上加入膠凝劑（硅酸鹽水泥或者水泥替代品），以管道自流輸送或者泵送方式輸送，提高了充填體質量，降低了充填工藝成本和勞動強度。為了降低水泥充填成本，隨著新型膠凝材料的不斷研發(fā)，涌現(xiàn)出了新型膠凝材料的膠結充填技術，有高水膠結充填、粉煤灰膠結充填以及礦渣基膠結充填等。礦山充填技術發(fā)展歷程的常規(guī)劃分如圖2所示。

2 新型礦山充填技術分類及演進歷程

根據(jù)礦山充填材料性能，本研究將充填采礦技術的發(fā)展歷程劃分為4個階段：體積性充填→結構性充填→功能性充填→智能性充填，如圖3所示。

2.1 礦山體積性充填

體積性充填是以堆存、排放等方式將廢石、砂石、尾砂等固體廢棄物直接通過人力、機械搬運以及水力等方式充填至采空區(qū)，形成強度較低的松散充填體以滿足采空區(qū)體積的需要，如矸石/廢石充填、尾砂水力充填等。體積性充填的主要目的是減少固體廢棄物排放，但體積性充填體強度低、充填效率低、勞動強度大、充填體壓縮率高，水砂充填的壓縮率達10%左右［10］。國外在20世紀40年代以前，以處置固體廢棄物為出發(fā)點，在充填材料和充填效果未知的情況下，將礦山固廢充填至采空區(qū)，如澳大利亞的塔斯馬尼亞芒特萊爾礦和北萊爾礦的廢石充填，以及加拿大諾蘭大師公司霍恩礦將粒狀爐渣沖入采空區(qū)等。目前，我國僅有一些煤礦采用體積性充填，充填材料以煤矸石、粉煤灰、鎂渣、煤氣化渣、風積沙以及建筑固廢等為主［11］。

2.2 礦山結構性充填

2.2.1 結構性充填概念界定

結構性充填以流動性、結構和強度為主要應用指標，制備理想結構流狀態(tài)的充填料漿進行充填，固結后具有保持充填體形狀、結構及優(yōu)良力學性能的能力，如尾砂膠結充填、膏體充填等。對于全尾砂結構性充填，20世紀80年代末廣東凡口鉛鋅礦就已經(jīng)開始使用了，但當時由于造漿要求高、制備工藝復雜，未能大面積推廣使用。經(jīng)過十多年的研究，全尾砂充填料漿制備問題得到有效解決，相繼地，全尾砂結構流膠結充填在我國礦山得到了廣泛推廣與應用［12］。

2.2.2 結構性充填材料

結構性充填材料是指以力學性能為基礎，并具備良好流動性能的充填材料，是以尾砂、廢石等為骨料，水泥、粉煤灰等為膠凝劑制備而成。近數(shù)十年，人們對充填材料的物理化學性能、優(yōu)化組合等方面進行了大量研究。為了制備性能優(yōu)良的充填料漿，固相物料中，小于20 μm的細顆粒含量不宜少于15%［13］，充填材料的不均勻系數(shù)Cu一般為5～10，曲率系數(shù)為1～3［14］。在高濃度情況下，充填料漿表現(xiàn)出不離析、不沉降，在管道中以結構流的形式流動。由于細顆粒在管道壁形成了潤滑層，在管輸時可大大減少管道磨損，降低管輸成本。結構性充填材料進入采場后強度高、接頂率高、無需脫水，改善了井下作業(yè)環(huán)境以及減少了排污費用［15］。

2.2.3 結構性流體

結構性流體是指流體在流動后的狀態(tài)像固體一樣做整體移動，在管道輸送時以柱塞流形式流動，流體在管道中無速度和濃度梯度、不離析，泌水率較少（3%～5%）［13］。對于結構流體是以高濃度為基礎的，當充填料漿濃度達到某一臨界值時，其流動特性由兩相流轉變?yōu)榻Y構流。結構流依靠包裹在管壁周圍由細顆粒成分形成的潤滑層進行輸送，其與管壁之間的摩擦力很小，因此管道輸送摩擦阻力損失較小。結構性充填料漿屬于非牛頓流體，其流變模型近似于賓漢模型［16］。因為固相顆粒間不發(fā)生相對運動，結構流柱塞區(qū)域的速度為常數(shù)，自潤滑層至管壁，速度逐漸減小，管壁處速度趨近于零，結構性流體如圖4所示。

2.2.4 結構性力學

在地下開采時，不可避免地會破壞巖體原始的應力平衡體系，導致應力重新分布［16］。當充填體充入采空區(qū)時，充填體與采場結構（采場圍巖，礦柱等）相互作用，形成充填體—頂板或充填體—礦（煤）柱等復合承載結構，起到維持原巖體完整的結構作用，避免圍巖結構系統(tǒng)的突變失穩(wěn)。為了維持上覆巖層的穩(wěn)定性，根據(jù)實際地質條件，需設計出合理的采場結構。例如經(jīng)常被用于“保水開采”和“三下”開采的條帶充填，需要根據(jù)煤巖體力學特性設計合理的條帶寬度，以滿足充填體結構性力學要求。

2.3 礦山功能性充填

功能性充填是在滿足結構性充填的基礎上，具有載冷、蓄熱、儲能、資源儲備、核廢棄物堆存等拓展功能的礦山充填技術。根據(jù)充填材料實現(xiàn)效能的不同，可將功能性充填劃分為載冷/蓄冷功能性充填、蓄熱/儲能功能性充填以及儲庫式功能性充填3種基本類別［17］。

2.3.1 載冷/蓄冷功能性充填

原巖散熱是造成深井極端熱環(huán)境的主要原因，并且隨著開采深度的增加，原巖溫度逐漸遞增。為保障井下工作人員安全高效地開展工作，開采設備正常運行，降溫成為深井開采必須解決的問題。傳統(tǒng)降溫方法所具有的井下降溫設備布置多，施工、管理復雜，能量轉化效率低等問題導致降溫成本居高不下，據(jù)統(tǒng)計，熱害礦井的降溫系統(tǒng)用電量約占礦井開采總耗電量的25%［18］。探索高效、環(huán)保、經(jīng)濟、適合于深井開采的降溫方法具有重要意義。

載冷/蓄冷功能性充填（Cold Load/Storage Functional Backfill）是通過在充填材料中加入蓄存了冷量的相變物質，通過充填料漿輸運系統(tǒng)將其送至井下，使其通過與采場間隔的隔板吸收采場熱量，即通過地面或壁面輻射供冷的方式實現(xiàn)對采場降溫（圖5）［17］。載冷/蓄冷功能性充填主要由材料制備、充填料漿輸運、充填體相變降溫、充填體固結強化4個階段組成［19］，在保障傳統(tǒng)充填采礦對充填料漿流動特性、充填體強度特性需求的同時，實現(xiàn)采場降溫。與傳統(tǒng)井下降溫方法相比較，載冷/蓄冷充填降溫方法充分發(fā)揮了充填采礦的優(yōu)勢，利用采場與充填體空間位置始終相互毗鄰的特點，省去了繁雜的井下水—水、水—空氣換熱環(huán)節(jié)、井下空調末端裝置以及載冷介質輸送系統(tǒng)，從而大幅縮減了降溫系統(tǒng)初始投資與運行成本，經(jīng)濟與安全效益顯著。

針對載冷/蓄冷功能性充填的關鍵技術問題，不少學者圍繞含冰粒充填料漿的流動特性［5，20］、含冰粒充填體強度特性［21］、充填材料相變降溫特性［22-23］以及充填材料配比優(yōu)化［24］等方面展開了深入研究。這些研究從不同角度印證了載冷/蓄冷功能性充填的工程實踐可行性，同時為工藝設計、材料優(yōu)化等問題的研究提供了理論依據(jù)，為載冷/蓄冷功能性充填的礦山工業(yè)試驗和工程應用奠定了基礎。

2.3.2 蓄熱/儲能功能性充填

高地溫雖然是導致深部礦床開采出現(xiàn)熱害的“罪魁禍首”，但也為地熱資源開發(fā)提供了有利條件。地熱能被認為是用于產(chǎn)生熱量最有前途和最清潔的能源之一，具有相對較低的產(chǎn)熱成本和污染物排放量［25］。我國地下礦山儲存著豐富的地熱資源，開展礦產(chǎn)資源—清潔地熱資源的綠色協(xié)同開發(fā)與利用，對于實現(xiàn)深部礦山的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

蓄熱/儲能功能性充填（Heat/Energy Storage Functional Backfill）是以傳統(tǒng)充填材料為載體，均勻拌合一定量的蓄熱材料，在采空區(qū)充填前預先鋪設采熱管路，使之與充填材料固化后成為一體性的功能性充填體。借鑒地源熱泵埋管換熱器系統(tǒng)，本研究建立了特有的礦井充填體耦合熱交換系統(tǒng)形式（Backfill Coupled Heat Exchanger，BCHE），如圖6所示。蓄熱/儲能功能性充填體通過與深部礦井圍巖的熱交換，不斷積蓄地熱能，然后在埋設的管道內通入循環(huán)流體，將地下深處的地熱能開采至地面，從而形成具備高熱能存儲/快速熱能釋放功能的復合充填體。

蓄熱/儲能功能性充填主要包括蓄熱/儲能充填材料制備、采熱管群鋪設、料漿充填固化為充填體3個環(huán)節(jié)，以同時實現(xiàn)降低采場溫度，治理礦井熱害，調節(jié)充填體養(yǎng)護溫度，改善充填體養(yǎng)護環(huán)境，實現(xiàn)深部礦產(chǎn)資源與地熱資源協(xié)同開采。根據(jù)礦井分級開采工藝特點，本研究構建了由充填體、采熱管群與集水器、分水器組成的分級采熱單元，多個采熱單元串聯(lián)組成采熱單位（圖7），通過階段運輸巷道的管路經(jīng)豎井與熱利用系統(tǒng)連接。每個采熱單位獲取的地熱能通過排風井內的地熱輸送立管送至地面的地熱存儲工廠，然后根據(jù)能級分送至住宅區(qū)、辦公區(qū)或有機朗肯循環(huán)發(fā)電機組加以利用。

由于深部礦井已開拓一定采深，有效節(jié)約了地熱資源開發(fā)所需的鉆探和開采成本，深部礦床開采所具備的完善的電力、給排水系統(tǒng)及提升運輸通路，又可為地熱開發(fā)動力供應和管路布設提供保障。蓄熱/儲能功能性充填可滿足在采空區(qū)修復治理的同時從深部礦井高溫圍巖中源源不斷地開采地熱資源，實現(xiàn)深部礦床—地熱綠色協(xié)同開采，既解決了深部礦井熱害問題，又實現(xiàn)了對可再生地熱資源的開發(fā)與利用。在深部開采過程中，以礦井充填體為儲/載熱體，利用礦井已有乃至廢棄工程實現(xiàn)深層地熱能開采，有望成為一個嶄新的可再生能源生產(chǎn)模式。

針對蓄熱/儲能功能性充填，已有學者對添加相變材料的蓄熱/儲能功能性充填材料的流變性以及熱力學性能（熱導率、比熱容、密度、抗壓強度）進行了研究［26-27］；并對圍巖溫度、充填體蓄熱初始溫度、采場風流溫度及速度對充填體蓄熱性能的影響機理進行了探討［28］。這些研究為礦山不同工作環(huán)境下充填體的蓄熱性能分析提供了理論依據(jù)，也為高效聚集地熱，實現(xiàn)深部地熱能開采奠定了基礎。

2.3.3 儲庫式功能性充填

國家油氣戰(zhàn)略儲備是保障我國經(jīng)濟發(fā)展、國防安全、社會穩(wěn)定的有效手段，建立油氣戰(zhàn)略儲備庫是保證國家能源安全、減小供需矛盾、應對突發(fā)事件的重大舉措［29］。世界主要國家石油儲備量如圖8所示，目前，我國石油儲備量僅能維持40 d左右［30］，遠低于發(fā)達國家儲備量以及國際儲備安全標準（90 d）。同時，我國油氣戰(zhàn)略儲備庫大多為地面儲庫，不僅占用了大量土地，而且易受外界環(huán)境影響，安全性也較地下儲庫小。國內外地下石油儲備庫大多建在鹽穴中，但我國鹽礦具有鹽巖層數(shù)多、單層厚度薄、不/難溶夾層多等特點，理想的儲庫地質條件不容易找到［31］。

我國礦山地下空間規(guī)模巨大，據(jù)報道，預計到2030年，我國廢棄礦井將達到1.5萬處［32］，賦存的地下空間資源約為234.52億m3［33］。充填采礦技術可解決礦井采空區(qū)重大安全隱患和生態(tài)環(huán)境破壞問題，能夠有效處置采礦等活動產(chǎn)生的固體廢棄物，符合我國綠色發(fā)展理念。但采空區(qū)空間大，充填物料不足，全部充填成本高［34］。

儲庫式功能性充填（Cavity-Building-Functional Backfill，CB-FB）是將礦山充填、固廢處置、采空區(qū)利用及建立戰(zhàn)略能源儲庫有機結合，先采礦后充填，利用儲庫式功能性充填材料來滿足充填體強度、防滲等儲備條件，在礦井大型空區(qū)群內構筑一定的空間，用于儲備石油（儲油庫）、天然氣（儲氣庫）等戰(zhàn)略能源或堆存放射性核廢料（儲物庫），以應對戰(zhàn)爭、強地震、恐怖事件、極端氣候及油氣極其緊張等情形致使能源供應中斷帶來的影響［17，35］，如圖9所示。儲庫式功能性充填能夠滿足我國能源戰(zhàn)略儲備需求，實現(xiàn)采礦—充填—建庫協(xié)同發(fā)展，降低充填成本，同時符合綠色開采［36］、地下空間利用［34］等礦山綠色發(fā)展理念。

2.4 礦山智能性充填

現(xiàn)階段世界礦業(yè)逐漸向綠色、安全、高效和智能化方向發(fā)展。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，智能化技術不斷地向各行業(yè)滲透。同時在5G等新一代信息技術加速應用的背景下，智能充填將是礦山未來發(fā)展的趨勢，智能充填主要體現(xiàn)在智能充填材料和智能控制兩個方面。

2.4.1 智能充填材料

智能充填材料（Intelligent Backfill Materials，SBM）是指具有感知環(huán)境條件（力、溫度、應力、應變、化學等），對之進行適度響應的智能特征的材料［37］。根據(jù)智能材料的組成，可將傳統(tǒng)充填材料作為基體材料，加入敏感材料、驅動材料以及其它功能材料來制備智能充填材料。將傳感、控制和驅動功能集于一身，從而實現(xiàn)對充填材料系統(tǒng)結構進行“健康”自診斷、偏差自矯正、損傷自修復與環(huán)境自適應等智能功能，以提高充填體整體性能。礦山智能充填材料概念模型如圖10所示。

智能材料在土木工程中已有研究，如光纖維混凝土、玻璃空心纖維混凝土、記憶合金混凝土等智能材料通過自適應和自診斷功能，可提高混凝土結構的穩(wěn)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處理、智能信息反饋和智能控制決策的控制方式。將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、移動互聯(lián)網(wǎng)、機器人裝備等與現(xiàn)代礦山充填技術深度融合，使充填過程中的攪拌、管道輸送等主要充填系統(tǒng)具有自感知、自學習、自決策與自執(zhí)行的基本能力?；谥悄艹涮畈牧夏軐ν獠凯h(huán)境和自身所處環(huán)境進行感知，對充填料漿在管道輸送中的壓力、流速以及流入采空區(qū)后對采空區(qū)環(huán)境（如圍巖穩(wěn)定性、充填料漿在采空區(qū)中的流動特性、接頂情況和充填體的強度等）進行感知，并將所獲信息反饋給控制系統(tǒng)。通過智能控制系統(tǒng)的自學習、自決策來不斷優(yōu)化配比（濃度、砂灰比、級配等），實時調整，同時能對礦山充填事故進行實時預測和預警、快速決策與自處理等，從而避免充填事故發(fā)生，提高充填體穩(wěn)定性和充填效率，降低充填成本和工人勞動強度，實現(xiàn)充填材料攪拌、管道運輸、安全保障等過程的智能化運行，形成礦山全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、精準協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，最終實現(xiàn)礦山充填的智能化［39-40］。礦山智能性充填基本原理如圖11所示。

雖然現(xiàn)階段智能充填技術距離大規(guī)模普及應用還有一定的距離，但《中國制造2025—能源裝備實施方案》提出了研發(fā)智能化綠色充填開采技術裝備的目標，國家正在不斷加速礦山信息化和智能化建設，快速推進“兩化”的深度融合，推動礦山智能化升級轉型，礦山智能化發(fā)展成為必然趨勢，這為智能充填的發(fā)展提供了新機遇。目前國內已開發(fā)了首套智能充填系統(tǒng)（KG3000），并在許廠煤礦建立了首個智能充填工作面，實現(xiàn)了充填料漿自動配比、壓力自動調節(jié)、液位自動監(jiān)測的智能化、可視化充填開采［40］。這為智能充填技術發(fā)展奠定了良好的基礎，隨著科學技術的發(fā)展，礦山充填技術必將向更高階段的智能充填技術方向發(fā)展。

3 展 望

（1）礦山充填成本是制約充填技術推廣應用的主要因素，而充填成本主要來自水泥的消耗。目前，工業(yè)固體廢棄物（礦渣、煤矸石、煤渣等）的排放越來越多，而綜合利用率較低。這些固廢不僅占用大量的土地資源，而且會導致較為嚴重的環(huán)境和生態(tài)問題。因此將固廢經(jīng)過改性處理，制備低成本新型膠凝材料，實現(xiàn)固廢資源化、無害化、規(guī)?；幚恚瑫r降低充填成本，是礦山充填技術發(fā)展需要解決的關鍵問題。

（2）“向地球深部進軍”是我國必須解決的戰(zhàn)略科技問題，隨著淺部資源的枯竭，深部開采將成為常態(tài)，深部開采面臨的高地溫問題，使勞動效率大幅下降和生產(chǎn)事故大量增加，同時還會降低井下設備的工作性能。地熱是一種清潔能源，因此可將礦山充填、深井降溫與地熱開發(fā)有機結合，從而拓展充填的功能，大幅降低深井降溫與充填成本，革新充填采礦技術，實現(xiàn)礦山綠色、安全、高效開采。

（3）目前盡管礦山充填自動化水平與信息化水平得到了一定的提升，但一些礦井實現(xiàn)的自動化充填，主要通過集控系統(tǒng)手動調節(jié)充填料漿配比等，尚未真正達到智能充填水平。智能充填是基于智能充填材料的智能感知，通過智能控制系統(tǒng)的自學習、自決策、自執(zhí)行，實現(xiàn)礦山充填全過程的智能化。智能充填材料與智能控制是實現(xiàn)智能充填的前提，需要多學科學者協(xié)作研發(fā)，這是實現(xiàn)智能充填的關鍵。