充填采矿法历史悠久，古代就有充填采矿的雏形，如：春秋战国时期古人在铜矿山进行开采时，就将废石、贫矿等充填到井下采空区，以提高矿石品位和减少提运量[1,2]。现代充填采矿始于1864年，美国宾夕法尼亚州的一座煤矿为了避免采空区塌陷对地表建筑物的结构造成影响，就将煤矸石等充填到井下以达到控制地压的目的，随后许多矿山都采用水力充填法进行采矿充填[3]。自20世纪中期以来，为了满足经济发展对资源的需求，矿山开采规模和生产总量不断扩大，资源开采逐渐从浅部露天矿转向地下和深部[4]。进入深部开采的矿山，岩爆、片帮和冒顶等采空区失稳现象会大量出现，而采空区充填是控制地压、预防岩爆的有效手段，同时也是实现资源循环利用的有效措施[5,6]。
2013年，国务院提出的循环经济发展战略中指出在有色金属领域要推进尾矿资源综合开发利用[7]。因此，基于“就地选材”原则，探讨各种尾废作为充填材料或替代材料用于井下充填，实现矿山“绿色开采”及“资源循环利用”，达到“少开采、高利用、低排放”的可持续发展目标是当期的迫切任务。除充填材料“多样化”外，充填工艺也需“深部化”。随着采深不断增大，垂直高压带来的充填浆体不满管流输送问题、管道易于磨损或堵管问题难以解决。因此，与深部开采相适应的充填工艺需要得到革新，如研究建立地下选厂或使用新技术输送充填材料等。本文以国内外充填采矿工艺现状及其研究成果为基础，探讨深部矿山安全高效充填的方法，预测深井充填新模式，以期引起工业和学术界对深部充填相关问题的重视，进而为深部矿山安全高效环保的充填采矿工艺提供理论支持和技术保障[4]。
1 充填采矿研究现状
1.1 充填采矿技术研究现状
图1
膏体充填首先是由Robinsky于1975年在使用地面管道进行尾砂浓缩处理过程中提出，并于1979年在德国的Bad Grund矿首次应用，其中细粒占比为50%[12,13]。和全尾砂高浓度充填相比，膏体充填以其“不分层、不沉淀、泌水少”的优良特性在各国矿山充填中均得到了试验和应用，但目前国内外对“膏体”尚无统一定义。Brackebusch[14]认为膏体是可泵可流的高浓度非牛顿浆体；Jiang等[15]和Debreczeni等[16]认为不分层泌水少的输送浆体为膏体，其屈服应力在100~800 Pa之间；但多数认为膏体是固体浓度在70%以上，塌落度在18~25 cm之间，屈服应力在200 Pa左右的结构流浆体[17,18]。
| 国家 | 时间 | 矿山 | 充填材料 |
|---|---|---|---|
| 德国 | 1979 | Bad Grund(铅锌矿) | 全尾砂 |
| 美国 | 1985 | Lucky Friday | 全尾砂 |
| 加拿大 | 1992 | Creighton | 全尾砂 |
| 中国 | 1999 | 金川镍矿二矿区 | 全尾砂 |
| 澳大利亚 | 1998 | Mount Isa | 全尾砂 |
1.2 国外充填采矿现状
图2
1.3 国内充填采矿现状
表2 国内采用膏体（似膏体）充填的金属矿山[9,29,30]
Table 2
| 矿山名称 | 建成时间/年 | 充填浓度/% | 流动性（塌落度）/cm | 充填材料 |
|---|---|---|---|---|
| 山东莱芜矿业 | 2014 | 56~58 | 22~24 | 尾砂，水泥 |
| 中色非洲矿业 | 1998 | 65~70 | 18~23 | 铜尾砂，水泥 |
| 五矿闪星锑业 | 2009 | 68~76 | 23 | 锑尾矿，水泥，粉煤灰 |
| 新疆伽师铜矿 | 2014 | 78~80 | 26 | 全尾砂、戈壁集料、水泥 |
| 会泽铅锌矿 | 2007 | 79~81 | 18~23 | 全尾砂、水泥 |
| 金川镍矿 | 1999 | 77~79 | 20~23 | 全尾砂、水泥 |
| 矿山名称 | 充填浓度/% | 膏体充填试验中出现的问题 |
|---|---|---|
| 云南会泽铅锌矿 | 79~81 | 堵管问题：膏体系统投产之初，堵管事件频繁发生，主要为钻孔堵塞和充填管线全线、局部堵管；2007~2010年，每年堵管8~12次；2011年后，全线堵管每年1次，采场局部堵管每年发生3~4次 |
| 甘肃金川镍矿 | 77~79 | 建设周期漫长：1987年，开展对全尾砂膏体充填进行研究；1992年，膏体充填系统的建设；1999年膏体充填进入试产；又经过6年多不间断试验和技术改造，2005年开始正常生产；2011年达到设计能力 |
| 大冶铜绿山铜矿 | 84~86 | 1999年铜绿山铜矿进行了膏体充填工业试验，但膏体充填未能进入工业化生产 |
2 充填采矿面临的主要挑战
2.1 深井充填方式的选择
目前深井膏体充填主要存在以下技术难点：
图3
③设备和培训费用昂贵。膏体充填引进设备昂贵、系统复杂且操作要求高。成套的膏体充填设备包括浓密系统（深锥浓密机）、泵送系统（柱塞式泵）和其他配套设备，同时，复杂膏体充填系统的操控难度较大[35]。
鉴于膏体充填存在的技术困难，目前深井充填应用较多的充填方式为高浓度充填，其原因是泌水少且不容易堵管，结合了低浓度胶结充填与膏体充填的优点。未来深井充填可考虑采用似膏体充填方式，其采用结构流的管道输送方式，技术要求更高，但流动性相对较好。
（2）国外深部矿山充填实例。
实例一：加拿大Kidd Creek矿山的膏体充填系统，其充填系统管道布置如图4（a）所示。加拿大Kidd Creek铜锌矿采深超过2 800 m，起初设计时采用膏体充填方式，系统建成时间为2004年9月，充填能力为400 t/h，塌落度为6~7英寸（15.2~17.8 cm），充填水平管长300 m，充填管径8寸，充填浓度为81%~84%[24]。在膏体充填系统运行2年之后，膏体充填出现了若干问题，如：管道磨损、堵管现象严重，维护成本高，故障停机时间长等。图4（b）是管道正常磨损与Kidd Creek矿深井充填管道磨损对比图，可以看出深井充填管道磨损相当严重。为维持正常生产，Kidd Creek矿充填工艺由“膏体充填”改为“高浓度充填”，并使用新型抗磨损管道[24]。
图4
图4
(a)加拿大Kidd Creek深井充填系统管道布置图[36]；(b)浅井正常管道磨损和深井膏体充填管道磨损[24]；(c)南非TauTona金矿的超高强度回填充填原理图[36]
Fig.4
(a)Pipeline layout of Kidd Creek deep mine filling system in Canada[24]；(b)paste backfill pipeline wear in shallow and deep mine[36]；(c)schematic diagram of ultra high strength backfill in TauTona gold mine[36]
图5
2.2 充填体强度的长期时效性
充填体强度是考察充填材料能否用于井下充填的重要参考指标。为确保充填强度的稳定性，除了开展实验室短期强度试验外，仍需考察充填体的长期强度。有的充填材料短期实验强度很高，但充填后随着时间和环境的改变，其强度就会衰减甚至失效。例如：高水固化充填体充填初期凭借固结速度快、强度高等优点得到了广泛好评，但充填后期易发生碳化，致使强度失效，对矿山的安全生产和地面建筑物造成了严重威胁[40]。磷化工废料磷石膏作为新型充填材料，于2004年在贵州开磷集团首次应用于井下充填，取得了巨大成功。为了测试磷石膏充填体的长期强度，2013年中南大学和开磷集团合作展开2007~2011年磷石膏充填体强度试验研究，对其单轴抗压强度试验、抗拉实验、抗剪试验和渗透性能试验均进行了测试。图5（b）中抗压强度测试结果显示，磷石膏充填体的抗压强度逐年增长，其充填体长期强度完全能够满足矿山要求[34]。因此，为避免充填材料的长期强度失效对矿山安全生产造成隐患，跟踪研究充填体的长期强度是十分必要的。
2.3 矿山开采相关法律及其对环境的影响
国外与矿业开采相关的立法以美国最为悠久和完善，较著名的法案有1977年出台的《露天开采治理与复垦法案》，以及《美国的国家环境政策法》和《综合环境效应、赔偿与责任法案》[41]。除此之外，美国矿业法律会根据新材料、新工艺的应用适时作出修订，最大程度上使环境得到保护。1992年，美国环境保护署对佛罗里达州堆存磷石膏的放射物质含量进行测试，发现放射性元素226Ra、210Pb和210Po严重超标，因此美国环境保护署明令禁止使用磷石膏[42,43]。2017年美国环境保护署颁布法令：浆体形式的燃煤残渣废弃物（Slurried Coal Combustion Residues）不可用于处置和堆存[44]。因此，在美国领土范围内，2017年之后粉煤灰不能作为充填胶结材料运用于井下充填。另外，加拿大、澳大利亚、日本和印度等其他国家均制定了环境保护法。由此可见，充填骨料和胶结剂等形成的固体充填体对地下水和地表环境的影响越来越受到国家立法的重视。
我国用于矿山充填的材料大部分来自选厂尾砂，尾砂中的有害化学物质（如选矿药剂）可能会对地下水源造成潜在危害[45]。但截至目前，我国发布的与矿山充填开采相关的法律甚少，对使用充填采矿法产生的地下水源污染的责任划定，目前鲜有相关法律法规涉及[46]。2018年1月1日起施行的《中华人民共和国水污染防治法》（2017年修订版）中将第38条改为第42条，增加了一款条例，即“报废矿井、钻井或者取水井等，应当实施封井或者回填”，但是对于回填材料并没有给出明确说明。2017年10月，习近平总书记在十九大报告明确提出[47]，“要加快生态文明体制改革，建设美丽中国”，并且要“提高污染排放标准，强化排污者责任，健全环保信用评价、信息强制性披露、严惩重罚等制度。” 因此，我国除了严格执行和修订相关法律制度来规范矿山充填行为外，更应设立重大研究专项进行不同充填料对地下环境和水环境影响的研究。
3 充填技术展望
3.1 似膏体充填的推广应用
似膏体充填在国外浅部开采中应用较为广泛，国内首先由金川镍矿引入Paste充填，称为“膏体”，并普遍认为“不泌水、不分层、不沉淀”的结构流浆体才是膏体。金川镍矿从1989年开始投入大量成本研究“膏体”，经过多年不间断的试验和技术改造，于2005年开始正常生产。由于物料粒度和水分经常变化，特别是尾砂的粒级组成和料浆浓度变化大、控制难度高，难以生产出合格的“膏体”[30]。因此，“膏体”是一个理想概念，只能无限接近。结合低浓度充填与膏体充填的优点，流动性好、沿程阻力相对不大且泌水率小的似膏体充填应是未来矿山充填的发展趋势。
3.2 充填材料和充填工艺的改进
| 矿山名称` | 充填骨料 | 胶结材料 | 年份 |
|---|---|---|---|
| 开阳磷矿 | 磷石膏 | 黄磷渣水泥 | 2004 |
| 瓮福磷矿 | 磷尾砂 | 粉煤灰水泥 | 2015 |
| 山东铝业 | 水淬渣 | 赤泥 | 1990 |
| 金川镍矿 | 淬渣尾砂 | 粉煤灰水泥 | 1991 |
| 张马屯铁矿 | 全尾砂 | 高炉水渣 | 1994 |
| 加拿大Louvicourt | 尾砂 | 硅粉 | 1998 |
| 加拿大Kidd Creek | 尾砂 | 炉渣粉煤灰 | 1982 |
| 澳大利亚Mount Isa | 铜尾砂 | 铜炉渣 | 1988 |
| 芬兰奥托昆普公司 | 尾砂 | 高炉渣 | 1978 |
充填工艺的改进应以新材料和新技术的应用为前提。以澳大利亚Mount Isa矿为例：1969年，澳大利亚Mount Isa铜矿率先使用水泥、炉渣和尾砂组成的胶结充填体代替回采底柱，推动了胶结充填技术的发展；1975年，该矿开始采用全尾砂充填技术；1998年，又尝试采用Paste充填，积极推进采矿充填工艺的变革。随着采深的增加，建立地下选厂实现“边采边充”以及在井下配制充填材料等各种新的充填工艺将会不断涌现。
3.3 矿山循环经济和绿色开采
循环经济（Circular Economy）是由环境经济学家Pearce和Turner[51]于1989年最先提出的。以矿山为例，矿山循环经济以“低开采、高利用、低排放”为主要特点[52]。在磷化工企业中，贵州开阳磷矿率先提出使用磷化废料进行采空区充填，不仅实现了矿山绿色开采，而且建立了“磷化废料—充填材料—采空区充填”、“磷化废料—建筑材料—建材产品（铺路砖、地板、桌柜）”的循环经济[53]。2004年，开磷集团建立了国际上第一套超细全磷渣充填系统，实现了全磷渣无废害充填，取得了巨大的经济效益，并于2009年获得了国家科技进步二等奖。目前开磷集团与中南大学合作对原有充填工艺进行改造，进行高浓度似膏体充填研究和实践[34]。
3.4 充填标准的建立和充填理论的完善
胶结充填始于1952年， 在近70年的充填实践中，矿山充填工艺从低浓度胶结充填发展到高水平的似膏体充填和膏体充填，但目前尚未形成统一标准。由于充填骨料、胶结剂和化学添加剂等充填材料不同，配比和充填深度因矿山而异，目前建立规范尚存在一定的困难，但对于成熟的充填技术，应该尽快制定相关的国家和行业标准，以规范和指导矿山的充填方法。
4 结语
随着矿产资源开发走向深部以及国家对“矿山无废开采”和“资源循环经济”的重视，充填采矿法将成为未来矿山采矿方法的首选。本文从充填工艺、充填材料等方面详细介绍了国内外现有的充填采矿技术，并分析了矿山采深增加对现有采矿充填技术的挑战。结合国内外矿山充填采矿实例，提出了对深井充填采矿的若干认识和思考：
（1）目前矿山充填方式仍以块石胶结充填、全尾砂高浓度充填和似膏体充填为主；深井充填中，为了尽量减少排水和堵管问题的发生，大部分矿山采用全尾砂高浓度充填，也有矿山尝试采用新技术和建立地下选厂，但成本和规模化应用仍存在较大问题。
（2）国外Paste充填浆体均含有少量泌水，类似于国内的“似膏体”，真正“不泌水、不分层、不沉淀”的膏体难以通过管道输送。对目前尝试应用膏体充填的国内矿山进行分析得出，由于设备投资高、建设周期长、堵管现象频发和精确控制困难等原因，膏体充填工艺的应用仍存在困难，“泌水少、阻力小、流动性好”的似膏体充填应是未来的发展趋势。
（3）随着矿山无废开采和资源循环经济战略的提出，矿山充填材料不再局限于全尾砂和水泥，基于“就地取材”原则的充填材料选择愈加广泛，这就要求矿山应与科研院所紧密合作进行材料的改性研究，使之符合矿山的充填要求。
（4）由于部分充填材料中的有害物质可能会对地下水源造成潜在危害，因此充填体对地下水和环境的影响等也应引起重视；另外，矿山充填标准和相关法律亟待制定。
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