金属矿充填固化过程监测理论与技术

本书是作者十余年研究成果的集成，涵盖了室内实验、理论分析、数值模拟、工程应用，形成了较为系统的金属矿充填固化过程监测理论与技术。针对金属矿充填固化过程多场性能监测理论及技术研究的需求，本书全面阐述金属矿充填固化过程的多场性能监测方法以及相关理论研究，具体内容包括充填固化过程多场性能的监测方法，多因素条件下多场性能监测案例，多场性能演化规律、作用机理、关联机制，强度-多场性能表征模型，多场性能数值模拟，多场性能原位监测工程实践等，建立充填固化过程多场性能监测理论的学术架构，对未来多场性能的研究方向以及发展趋势进行展望。

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，充填采矿法最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。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，在最近几十年中发展最快。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。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。

襄汾尾矿库溃坝现场

湖北某矿区采矿导致地表塌陷

充填采矿技术在我国的发展历程

第一阶段：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：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：该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，与水拌合最终形成浆体或膏体，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。

第四阶段：该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，是代表胶结充填的最新技术水平。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。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。

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。研究充填料固化过程对采场充填体结构安全及采充策略个性化制定具有重要意义。

充填料浆是一种多相、多尺度的水泥基材料，其固化过程实际是水泥材料化学反应的过程，该反应过程伴随着水化放热、反应耗水、孔隙结构改变、基质吸力演化等现象发生，而充填料固化强度的获得也主要依赖大量水化产物的产生。可见，充填料固化强度和固化过程性能演化均与其水化反应有关。

抗压强度代表充填体的主要力学性能，充填到采场的充填体主要的目的是控制地压，这就要求充填体的强度需要满足采矿工艺的要求。影响充填体强度的因素较为复杂。目前，大多数研究只是针对以上因素对充填体终端强度的影响，没有考虑这些因素对充填料固化过程多场性能演化的影响，所以传统的研究主要通过对比充填体的终端强度来表征相应因素的影响效果，忽略了不同影响因素下充填料固化过程中内部性能演化规律和表征的研究。因此，对充填料的固化过程进行研究具有重要意义，体现在以下四个方面。

(1)有利于拓展矿山充填基础理论。本书以金属矿充填料为研究对象，系统开展充填料固化过程性能演化机制及数值仿真研究。专著引入土力学、无机非金属材料学、化学、岩石力学和计算机等多个学科基础理论，属于多学科融合交叉，对拓展充填采矿理论基础具有重要意义。

(2)突破了充填固化过程多场性能难以监测的技术难题。充填料一旦充填到空区之后，便开启了“黑箱”养护时代，其固化过程复杂，且无法预见、无法调控。通过研究充填料固化过程的多场性能演化规律及其与强度之间的关系，捕获充填料固化过程中多指标演化规律，将这些规律用数学模型协同表征出来，在今后的工程实践中为充填料固化过程的监测服务，从而突破全尾砂胶结充填料固化过程无法监测的技术瓶颈，为实际采场充填料固化过程“透明”养护提供技术原型。

(3)积极助力矿山充填系统的智能化建设。智能矿山是矿山未来发展的一个重要方向，国内外都在加紧智能矿山的研发与建设工作。未来的充填系统也会向着智能化、数字化的方向发展，提高充填系统的充填效率、充填精度、充填效果等。矿山充填系统智能化的建设依赖现有的一些具有数据集成、数据传输、数据分析的元器件以及软件来实现，本书利用国际领先的传感器和数据分析软件对充填料固化过程相应的热、水、力、化等行为进行同步连续数据监测、采集和分析。这是一种智能化的研究思路，对智能化充填系统及智能化矿山的建设具有重要意义。

(4)在我国海量金属矿充填固化效果评价方面应用前景广阔。我国金属矿开采遗留大量尾砂，其最主要的利用途径之一为采空区充填。本专著的核心思想为服务于采空区充填体固化过程和力学演化评价，为矿山充填配比精细化和采充策略精准化提供重要依据，同时可为采矿过程中的充填体安全保障提供技术支撑。因此，本书成果在我国金属矿山具有广阔的工程应用前景。

全尾砂充填料固化过程中热-水-力-化性能耦合作用示意图

水泥水化反应过程示意图

地球为你而转！

欢迎关注并设星标：赛杰奥（sci_geo）

科学出版社地球科学订阅号

传播科学，欢迎分享“在看”▼