充填智能化發(fā)展與實踐

充填智能化發(fā)展與實踐

中國礦業(yè)的強(qiáng)發(fā)展為中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供了動力，同時，由于發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)條件的限制，中國在環(huán)境和安全方面付出了巨大的代價。由于采砂和開采形成的尾砂累積量達(dá)到146億噸，占地面積的7700公里，相當(dāng)于四個深圳省。剩余的礦產(chǎn)污水處理能力超過100億噸，a-1。河流的流域性污染和大面積糧食重量的超標(biāo)。隨著國家“綠水青山”理念的提出與實踐，由粗放式開采引發(fā)的環(huán)境和安全問題正得到逐步解決金屬礦綠色礦山建設(shè)的重要內(nèi)涵是尾礦不入庫、廢石不出坑，廢水不外流.充填采礦法是國家綠色礦山建設(shè)和無廢礦山建設(shè)的重要手段和支撐技術(shù)1充采及發(fā)展1.1充填采礦技術(shù)發(fā)展歷程充填采礦法已有半個多世紀(jì)的發(fā)展歷史，最初以簡單處理廢石等礦山固體廢棄物為目的，逐漸發(fā)展為一種控制地壓、改善采礦環(huán)境、降低貧損指標(biāo)、形成完整回采工藝的綜合性技術(shù).按照充填材料和充填方式的不同，充填采礦經(jīng)歷了干式充填、水砂充填、低濃度膠結(jié)充填、高濃度充填、膏體充填等階段，每一個發(fā)展階段都有著其特殊的時代特征和技術(shù)特點，如圖1所示.不僅在惰性材料方面有所發(fā)展，在新型膠凝材料研發(fā)、使用等方面也進(jìn)行了諸多嘗試和探索.20世紀(jì)40年代以前，很多礦山在不了解充填材料性質(zhì)和使用效果的情況下將礦山廢料填入采空區(qū)、處理廢石，并逐漸發(fā)展為一種地壓控制方法.1864年，美國賓夕法尼亞州一煤礦為保護(hù)教堂基礎(chǔ)首次采用了水砂充填.1909年，南非韋特瓦特斯蘭、澳大利亞北萊爾礦相繼開展了水砂充填.我國在20世紀(jì)50年代有50%的有色金屬礦山采用干式充填采礦法.水砂充填是將尾砂、爐渣、碎石等充填料以固?液兩相流的方式輸送到井下采空區(qū)，本質(zhì)上沒有改善充填功能，但改變了傳統(tǒng)的輸送方式，是充填采礦技術(shù)的一次大膽嘗試，為后續(xù)充填技術(shù)的發(fā)展提供了創(chuàng)新平臺，促進(jìn)了充填采礦技術(shù)的繁榮發(fā)展.20世紀(jì)初，美國和加拿大發(fā)展了基于分級尾砂的水砂充填工藝，在懸浮液輸送固體物料、水力旋流器脫泥等方面取得了突破膠結(jié)充填一般是將尾砂、廢石等多種惰性材料與水泥等膠凝材料混合制備成充填料漿，輸送至井下采空區(qū)，形成具有一定強(qiáng)度和整體性的充填體，實現(xiàn)預(yù)定的充填功能.膠結(jié)充填擴(kuò)展了充填的采礦功能，是采礦工藝發(fā)展的新階段.1962年加拿大Food礦首次采用尾砂和水泥開展了膠結(jié)充填.1968年凡口鉛鋅礦試驗成功了基于臥式砂倉的分級尾砂膠結(jié)充填.高濃度膠結(jié)充填、似膏體膠結(jié)充填和膏體膠結(jié)充填本質(zhì)上是不同發(fā)展階段對同一理想目標(biāo)的不同表述，在料漿流動性、可塑性和穩(wěn)定性方面具有相似的考察指標(biāo).主要是通過將多尺度的惰性材料、膠凝材料、改性材料進(jìn)行混合攪拌，制備出高質(zhì)量漿體，輸送到井下采空區(qū)，以安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效為目標(biāo)，實現(xiàn)預(yù)定充填功能.1977年，金川鎳礦試驗了-3mm棒磨砂加水泥的高濃度膠結(jié)充填工藝，并成功進(jìn)行了工程應(yīng)用.同年，坎寧頓礦建成了澳大利亞首座膏體充填站.20世紀(jì)80年代初，德國巴德·格隆德鉛鋅礦成功試驗了膏體泵壓輸送充填系統(tǒng).1996年，我國金川鎳礦采用立式砂倉+皮帶過濾機(jī)+柱塞泵組合，建成了國內(nèi)第一套膏體充填系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了尾砂、廢水的利用.2006年，我國會澤鉛鋅礦建成了國內(nèi)第一座基于深錐濃密的全尾砂膏體充填系統(tǒng)，充填質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了79%～81%，輸送距離5188m.2014年，伽師銅礦采用深錐濃密機(jī)+兩級臥式攪拌+柱塞泵組合，膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)78%～80%，首創(chuàng)了高泥高黏膏體充填技術(shù)，同時實現(xiàn)了設(shè)備國產(chǎn)化示范.近年來，膏體技術(shù)迅猛發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，1996—2017年間，國內(nèi)采用膏體技術(shù)的礦山共244座，如圖2所示.1.2充填采礦法的理念發(fā)展充填采礦設(shè)計理念與技術(shù)的革新長期伴隨著國家政策調(diào)整、經(jīng)濟(jì)狀況改善、安全意識提高、環(huán)保需求提升、工業(yè)基礎(chǔ)增強(qiáng)和科技水平進(jìn)步等不斷發(fā)展.近年來，充填采礦技術(shù)得到了極大推廣，也進(jìn)一步倒逼了充填理念、充填理論和充填技術(shù)的發(fā)展.吳愛祥、周愛民等認(rèn)為，在理想條件下，充填采礦法可達(dá)到回采率高、產(chǎn)廢率低、礦區(qū)環(huán)境損傷微小、無尾礦庫和無廢石場的目標(biāo).現(xiàn)代充填設(shè)計理念與技術(shù)路線如圖3所示.在充填采礦方法設(shè)計過程中，首先根據(jù)工程要求確定合理的預(yù)期目標(biāo)，主要包括固廢利用、改善強(qiáng)度、空區(qū)處置、資源回收、控制地壓等，在充填采礦設(shè)計時一般需要綜合考慮一個或多個目標(biāo)，并建立與經(jīng)濟(jì)成本、工程安全、系統(tǒng)效率相關(guān)聯(lián)的綜合化方案.固廢利用主要指采選冶形成的尾砂、廢石、爐渣等固體廢棄物的處理利用，近年來多所大型城市正在探索城市垃圾深埋充填的資源化利用.其次利用信息技術(shù)、自控技術(shù)和裝備技術(shù)實現(xiàn)充填材料的精細(xì)化配比、充填過程的自動化控制和充填參數(shù)的即時化反饋.這一過程伴隨著科技的發(fā)展在不斷調(diào)整優(yōu)化.通過集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)或DCS+PLC混合式控制系統(tǒng)，借助自動化設(shè)備、儀器、儀表對放砂質(zhì)量、配比質(zhì)量、攪拌質(zhì)量、輸送質(zhì)量和采場充填質(zhì)量全鏈條控制、聯(lián)鎖啟停，避免人為監(jiān)測、矯正帶來的隨機(jī)性與滯后效應(yīng).最后在充填效果方面，最終目標(biāo)是滿足充填采礦方法的宏觀需求，實現(xiàn)不同工藝下的人機(jī)行走、自立支撐、高強(qiáng)護(hù)頂?shù)裙δ?，形成安全、連續(xù)、高效的回采工序.這對強(qiáng)度的穩(wěn)定發(fā)揮提出了苛刻要求.由于充填料漿在井下受到熱?水?力?化多場、多因素綜合作用，同時料漿在采場流動、固結(jié)過程中存在分層離析等行為，在水平和豎直方向均存在強(qiáng)度分布紊動現(xiàn)象，沿深度強(qiáng)度差值可達(dá)11倍之巨，如圖4所示，充填體強(qiáng)度控制困難.以調(diào)控充填質(zhì)量分?jǐn)?shù)、改善級配結(jié)構(gòu)為主線，綜合平衡充填料漿的流動性、穩(wěn)定性和可塑性，制備優(yōu)質(zhì)的充填料漿成為了充填設(shè)計中最基礎(chǔ)、最有效和最關(guān)鍵的技術(shù)問題.近年來，隨著礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深化，新興的充填理念更迭涌現(xiàn)，朝著高效利用資源、有效保護(hù)環(huán)境、有序修復(fù)生態(tài)、減少三廢排放和安全高效節(jié)能的新階段邁進(jìn).較為典型的包括“膏體+多介質(zhì)協(xié)同充填”理念、“同步充填”理念和“功能性充填”理念等.(1）膏體+多介質(zhì)協(xié)同充填理念.膏體+多介質(zhì)協(xié)同充填是充填采礦法在綠色生態(tài)與工程安全綜合要求下的理念革新.膏體主要由礦山尾砂、礦山廢石、水泥等材料制備，能夠形成高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，起到有效承壓作用.多介質(zhì)主要采用廉價的礦山廢石、工業(yè)固廢、城市建筑垃圾等散體材料制備，在采場中具有松散孔隙，可有效吸收采場高應(yīng)力，起到有效讓壓作用.具有深部安全適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)成本低廉性.基于該理念提出的高地應(yīng)力環(huán)境低成本采礦方法如圖5所示.在回采階段，采用六角形全斷面一次性回采；在充填階段，將六角形斷面沿水平半腰線劃分為上、下兩部分，下部的倒梯形斷面中采用多介質(zhì)充填，上部梯形斷面中采用膏體進(jìn)行充填，六角形采礦進(jìn)路形成交錯布置局面，膏體與多介質(zhì)呈蜂窩狀鑲嵌組合結(jié)構(gòu).該方法在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全等方面形成了綜合優(yōu)勢.(2）同步充填理念.同步充填基本理念是在采空區(qū)空間尚未全部釋放時，將采空區(qū)部分空間先行作為轉(zhuǎn)換空間，將充填工序前移至采場出礦工序環(huán)節(jié)同步實施(3）功能性充填理念.功能性充填是在滿足結(jié)構(gòu)性充填的基礎(chǔ)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(shù)2采礦固結(jié)力學(xué)2.1階段空場祖后充填采礦法1987版《采礦手冊》將充填采礦方法分為垂直分條充填采礦法、上向分層充填采礦法、上向進(jìn)路充填采礦法、下向分層充填采礦法、方框支架充填采礦法及削壁充填采礦法6大類.2009版《采礦工程師手冊》將充填采礦法分為分層充填法、進(jìn)路充填法、壁式充填法、削壁充填法、分段充填法和嗣后充填法6大類.隨著充填功能的不斷細(xì)化，充填采礦方法的范圍也在逐漸擴(kuò)展，按方向可劃分為上向式、下向式、傾斜式；按空區(qū)體積可劃分為進(jìn)路式、分層式、分段式；按充填時序可與空場法結(jié)合形成嗣后充填，包括分段空場嗣后充填、階段空場嗣后充填、垂直深孔落礦階段礦房(VCR)嗣后充填等.不同的充填采礦方法在綜合成本方面具有較大差異，階段空場嗣后充填采礦法成本一般在100元·t-1左右，上向水平分層充填采礦法綜合成本在175～200元·t-1，下向水平分層充填采礦法的綜合成本達(dá)到了400元·t-1.開采成本不僅決定于開采效率與開采產(chǎn)能，與充填強(qiáng)度設(shè)計也存在較大關(guān)聯(lián).《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》(GB50771—2012)中規(guī)定：采用低強(qiáng)度上向水平分層膠結(jié)充填時，每分層充填面上宜鋪設(shè)厚度不小于0.3m、強(qiáng)度不低于3MPa膠結(jié)充填體；下向分層充填采礦法，分層假頂充填體單軸抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于3MPa；嗣后充填時，當(dāng)充填體需要為相鄰礦塊提供出礦通道或底柱需要回收時，充填體底部應(yīng)采用高灰砂比膠結(jié)充填，充填體強(qiáng)度應(yīng)大于5MPa.在國外，僅進(jìn)行空區(qū)處置時，充填體早期單軸抗壓強(qiáng)度一般要達(dá)到150～300kPa；當(dāng)作為礦柱回采支撐時，28d單軸抗壓強(qiáng)度要大于1MPa；當(dāng)充填體作為頂板支撐時，單軸抗壓強(qiáng)度要大于4MPa礦山充填不僅涉及充填體與圍巖的相互作用關(guān)系，還涉及充填料漿制備、輸送與采場流動等問題，與巖石力學(xué)、流體力學(xué)、流變力學(xué)、彈塑性力學(xué)等學(xué)科密切相關(guān).礦山充填力學(xué)研究框架如圖8所示2.2剪切應(yīng)力的影響充填料漿作為一種高固含的固液混合材料，表現(xiàn)出典型的非牛頓流體特性，傳統(tǒng)的兩相流理論在特征描述及定量分析中表現(xiàn)出明顯的局限性.充填中的濃密、攪拌、輸送、充填各工藝環(huán)節(jié)均存在不同形式的流動與變形行為，流變力學(xué)是研究充填料漿流變行為、構(gòu)建數(shù)學(xué)描述及指導(dǎo)工程應(yīng)用的有效手段充填料漿表現(xiàn)為非牛頓流體特性，但在黏性、塑性、彈性、觸變性、剪切稀化及剪切增稠等特征上各有差異，如圖10所示，4種材料下的剪切應(yīng)力響應(yīng)具有較大差異.漿體的黏彈塑性特征可通過理想應(yīng)力測試曲線進(jìn)行闡述.在控制剪切速率（CSR）模式下，剪切應(yīng)力緩慢增加，在初始階段未發(fā)生流動，表現(xiàn)出彈性性質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，滿足胡克定律（AB段）；剪切應(yīng)力增加到某一值時，應(yīng)力應(yīng)變呈非線性變化，表現(xiàn)出黏彈性特征（BC段）；剪切應(yīng)力持續(xù)增加至超過某一特定值時（τy,C點，通常將C點作為屈服點，認(rèn)為在此點發(fā)生固?流轉(zhuǎn)變行為），漿體發(fā)生流動，主要表現(xiàn)出黏性性質(zhì)（CD段）.漿體的觸變性表現(xiàn)為：在給定的溫度等外界條件下，當(dāng)受到剪切作用時，屈服應(yīng)力及黏度隨時間減小；當(dāng)剪切作用撤去后，屈服應(yīng)力及黏度隨時間逐漸增大.通常認(rèn)為觸變行為反映了漿體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的破壞與重建過程.分析認(rèn)為，觸變環(huán)僅能作為材料觸變性的定性判別依據(jù)，而無法定量描述觸變性的大小，亦不能據(jù)此獲得真實觸變參數(shù).流變特性的復(fù)雜，導(dǎo)致構(gòu)建數(shù)學(xué)描述十分困難.建立流變本構(gòu)方程以準(zhǔn)確地描述充填料漿流變特性，已成為充填技術(shù)發(fā)展的首要問題，也是流變學(xué)的核心問題.非牛頓流體力學(xué)中最重要的參量是剪切速率漿體的流變特性受到多種因素的影響，主要包括其內(nèi)部組成成分及物化性質(zhì)，如固體含量、尾砂密度、固體顆粒配比和水化作用等，以及外部作用，如溫度和剪切歷史等環(huán)管測試是最接近實際生產(chǎn)的有效測試技術(shù)，特別是工業(yè)級環(huán)管測試系統(tǒng)，能反映現(xiàn)場輸送的管徑、流量等指標(biāo)，根據(jù)需求模擬多種工況條件，如管道布置形式、管道材質(zhì)等，試驗結(jié)果可直接指導(dǎo)生產(chǎn)實踐.如圖11所示的工業(yè)級環(huán)管系統(tǒng)包括了尾砂濃密、攪拌制備、不同布置形式的環(huán)管系統(tǒng)、廢料處置以及自動控制系統(tǒng)等.環(huán)管系統(tǒng)具備精準(zhǔn)的監(jiān)測和控制儀表，能夠同時對料漿制備及輸送等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，可長時間穩(wěn)定運(yùn)行并連續(xù)監(jiān)測.但環(huán)管試驗通常需耗費較多物料、時間、資金、人力和物力，在大型工程和重點工程中具有重要指導(dǎo)意義.充填流變力學(xué)能夠描述復(fù)雜的流變行為，作者通過《全尾砂膏體流變學(xué)研究現(xiàn)狀與展望》對流變力學(xué)的概念、流變特性、流變模型、流變影響因素以及流變測量學(xué)進(jìn)行了專門詳細(xì)論述.2.3充填體力學(xué)特性充填體在采場中通過應(yīng)力吸收與應(yīng)力轉(zhuǎn)移、應(yīng)力隔離和系統(tǒng)的共同作用，能夠限制巖體破碎加劇，控制圍巖變形和位移；對礦柱提供側(cè)限應(yīng)力在力學(xué)作用方面，充填體改變了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖由二維受力變成了三維受力，圍壓的產(chǎn)生不僅表現(xiàn)為充填體起到支撐作用，更重要的是提高了圍巖的強(qiáng)度和自身支撐能力.在結(jié)構(gòu)方面，工程開挖導(dǎo)致巖體由“穩(wěn)定不變結(jié)構(gòu)體”演化為“幾何可變體”，圍巖產(chǎn)生漸進(jìn)破壞，充填體可起到表面支護(hù)、局部支護(hù)和整體支護(hù)作用等，維護(hù)原巖結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定.在讓壓作用方面，一般充填體的變形能力遠(yuǎn)大于巖體，巖體應(yīng)變能在充填環(huán)境中可緩慢釋放，同時充填體產(chǎn)生圍巖對巖體可起到柔性支護(hù)作用.不同采礦方法中，充填體的力學(xué)狀態(tài)有較大差異.王俊充填體在原位采場養(yǎng)護(hù)環(huán)境中受到壓力場、溫度場、化學(xué)場、滲流場等多場作用，充填體強(qiáng)度發(fā)育過程極具擾動性.例如在富含硫酸鹽的采場中，礦井水中硫酸鹽濃度可達(dá)2000mg·L-1陳順滿等3填充材料的制備和運(yùn)輸3.1全尾砂膏體充填技術(shù)要求充填材料一般由惰性材料、活性材料和改性材料3大類組成.惰性材料是充填料漿的主體，起到骨架支撐作用，也是形成充填功能的主要成分；活性材料主要起到膠結(jié)作用，使惰性材料凝結(jié)成具有一定強(qiáng)度的整體；改性材料一般包括絮凝劑、泵送劑、減水劑和早強(qiáng)劑等，主要起到改善沉降性、流動性以及強(qiáng)度等作用.充填材料選用時一般要滿足6個方面的技術(shù)要求.（1）材料來源充足，便于采集、加工和運(yùn)輸，保證充填質(zhì)量的穩(wěn)定；（2）有效降低充填成本，實現(xiàn)采礦活動的經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行；（3）固廢利用，最大限度利用固體廢棄物，實現(xiàn)變廢為寶，并符合國家政策要求；（4）無毒無害，不會對地下水體產(chǎn)生有毒有害的影響；（5）工藝簡單，應(yīng)盡可能減少工藝的復(fù)雜程度，生產(chǎn)流程簡約化；（6）保證充填體質(zhì)量，滿足采礦工藝需求，實現(xiàn)安全回采.充填材料具有顯著的地域特征，充填材料的配比一般無固定組成.對于膏體充填，最新頒布的《全尾砂膏體充填技術(shù)規(guī)范》(GB/T39489—2020)，要求全尾砂粒徑組成中小于20μm的尾砂含量應(yīng)大于15%；粗骨料粒徑范圍應(yīng)在4.75～20mm，細(xì)骨料粒徑應(yīng)在0.075～4.75mm.在20世紀(jì)70年代，一般選用普通硅酸鹽水泥或復(fù)合硅酸鹽水泥作為充填膠凝材料；80年代開發(fā)了以鋁礬土、石灰、石膏和多種無機(jī)原料為基配制的高水材料；21世紀(jì)面向低成本、節(jié)能環(huán)保高效為主題，以粉煤灰、礦渣、冶煉爐渣、磷石膏等具有潛在膠凝活性的材料為基礎(chǔ)原料開發(fā)了膠固粉、固結(jié)粉等新型膠凝材料.3.2全尾砂深度機(jī)械制品根據(jù)不同的充填工藝，砂漿制備可采用臥式砂倉、立式砂倉、深錐濃密機(jī)或壓濾機(jī)等設(shè)備.臥式砂倉一般用于儲存廢石、尾砂、河沙、山砂、棒磨砂等干料，由電耙、抓斗或水槍出料，經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送.立式砂倉是儲存自然沉淀飽和砂的一種筒倉，一般將低濃度全尾砂漿或分級尾砂漿由倉頂輸入，通過多次自然沉降、溢流水排出、水力造漿或風(fēng)力造漿或風(fēng)水聯(lián)動造漿等環(huán)節(jié)將低濃度尾砂漿制備成較高濃度的底流砂漿.單系統(tǒng)立式砂倉一般不具有連續(xù)性，生產(chǎn)效能低，多采用立式砂倉組的形式協(xié)調(diào)實現(xiàn)工藝的連續(xù).壓濾機(jī)是通過陶瓷等特殊過濾介質(zhì)將低濃度砂漿中的液體析出，生產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%的濾餅狀砂體，通過皮帶運(yùn)輸機(jī)或汽車運(yùn)送至尾礦庫進(jìn)行干排，但壓濾機(jī)能耗較高，生產(chǎn)效率低.深錐濃密機(jī)通過重力、化學(xué)力和耙架剪切力等聯(lián)合作用，可將低濃度全尾砂漿制備成高濃度底流砂漿，是實現(xiàn)尾砂深度濃密的重要裝備，同時可實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料的連續(xù)性工藝，生產(chǎn)效率高，得到了越來越廣泛的應(yīng)用.隨著充填理論與技術(shù)的不斷提升，對底流砂漿的濃度以及穩(wěn)定性要求趨于精細(xì)化.濃密理論經(jīng)歷了以下4個階段近兩年，深錐濃密理論與技術(shù)在我國也得到了長足發(fā)展.李公成3.3連續(xù)攪拌工藝固液混合與攪拌制備是充填料漿形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要是將廢石等多尺度惰性材料、水泥等活性材料、泵送劑等改性材料與高濃度砂漿混合攪拌，在攪拌機(jī)葉片作用下通過物料的軸向循環(huán)與徑向?qū)α鲾嚢铏C(jī)是充填料漿攪拌制備的核心設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到料漿生產(chǎn)的質(zhì)量和效率.攪拌工藝一般分為間歇式和連續(xù)式兩種.間歇式攪拌工藝為周期性循環(huán)作業(yè)，具有物料計量準(zhǔn)確、可靠，攪拌均質(zhì)等優(yōu)點.連續(xù)攪拌的料漿進(jìn)料、拌和和卸料工序不間斷進(jìn)行，具有工藝便捷、效率高等優(yōu)點.礦山充填中多采用連續(xù)攪拌工藝.連續(xù)攪拌設(shè)備主要包括立式攪拌桶、臥式攪拌機(jī)等，通過對流混合、擴(kuò)散混合與剪切混合綜合實現(xiàn)良好的攪拌效果.立式攪拌通過創(chuàng)造強(qiáng)大的局部湍動，破壞漿體內(nèi)部平衡，實現(xiàn)多種物料的均勻混合.優(yōu)點是活化效果好，質(zhì)量均勻，缺點為濃度高時負(fù)荷較大，轉(zhuǎn)子磨損快，適應(yīng)性較差.臥式攪拌采用螺旋葉片，與漿體接觸點多，機(jī)械力大的特點，通常使用二級串聯(lián)攪拌，具有適應(yīng)性強(qiáng)，制備質(zhì)量穩(wěn)定，能夠連續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點.大量研究表明，攪拌時間越長，拌合物黏度越小，良好的攪拌時間可以改善物料輸送性能.Mazanec研究認(rèn)為，攪拌過程的強(qiáng)剪切作用可釋放團(tuán)塊內(nèi)部的包裹水分，提高自由水含量，改善流動性.王洪江等3.4基于流固耦合的流固耦合數(shù)值分析方法充填料漿在長距離、高落差管道輸送過程中，存在壓力脈沖擾動劇烈、溫度敏感性高、觸變性強(qiáng)等一系列影響因素，阻力變化異常復(fù)雜.復(fù)雜條件下的流變行為和阻力變化不僅與微觀絮團(tuán)間的強(qiáng)力化學(xué)鍵相關(guān)，同時還受跨尺度顆粒群間的摩擦作用、顆粒與流體間動態(tài)連接機(jī)制的影響.同時由于輸送壓力工況擾動劇烈、管路布設(shè)形態(tài)復(fù)雜，輸送阻力波動敏感性高，堵管、爆管等一系列問題嚴(yán)重影響充填工作的有序開展.傳統(tǒng)的阻力計算模型多是在固?液兩相流理論基礎(chǔ)上發(fā)展的.各模型的發(fā)展都是在擴(kuò)散理論、重力理論和能量理論3大理論的基礎(chǔ)上建立的.根據(jù)重力理論發(fā)展的有杜蘭德公式、卡杜里斯基公式、金川公式等，根據(jù)能量理論發(fā)展的有全蘇煤炭科學(xué)研究院公式、鞍山黑色金屬礦山設(shè)計院公式等.重力理論認(rèn)為固體顆粒的加入不會改變水在流動中的力學(xué)性質(zhì)，固體顆粒的懸浮是由水的紊流產(chǎn)生脈沖引起的.擴(kuò)散理論則考慮了固體顆粒與水之間的相互作用，能量理論不僅考慮了固體顆粒懸浮所消耗的能量，同時考慮了顆粒運(yùn)動所消耗的能量.根據(jù)非牛頓流體力學(xué)推導(dǎo)出的主要有白金漢公式等，主要基于對水平圓管層流狀態(tài)的假設(shè)，通過壁面剪切應(yīng)力與流速、管道半徑、壓降與流態(tài)關(guān)系的分析，建立層流條件下的管流阻力計算公式.由于充填料漿成分復(fù)雜，流變測試的可重復(fù)性、測試樣品成分分布的均勻性難以精確控制，單次或有限數(shù)量的研究難以獲得穩(wěn)定性較好的結(jié)果.管道阻力特性及輸送理論的研究是礦山充填“卡脖子”工程，國內(nèi)外許多學(xué)者在阻力產(chǎn)生機(jī)理、實驗、計算模型等方面做了大量工作基于流?固耦合數(shù)值分析方法，在流體特征分析和顆粒特征分析方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢，很多學(xué)者也采用了稠密氣固兩相流介尺度耦合模型(LBM?DEM)或者計算流體力學(xué)與離散單元法雙向耦合模型(CFD?DEM)來研究顆粒?非牛頓流體之間的相互作用.Leonardi等采用LBM?DEM耦合算法研究了大直徑的球形顆粒在具有非牛頓屬性的新拌水泥砂漿中的重力驅(qū)動流，與實驗有較好吻合度.陳松貴采用LBM?DEM耦合的方法研究了自密實混凝土中粗骨料的流動性，采用質(zhì)量追蹤算法來模擬自由表面流動，對于具有顆粒?非牛頓流體相互耦合作用的研究對象具有較好適用性.Wadnerkar等在Fluent軟件基礎(chǔ)上借助用戶定義函數(shù)(UDF)方式調(diào)用了宏觀顆粒模型，模擬研究了球形顆粒在具有Herschel?Bulkley流變模型特性的非牛頓流體中的運(yùn)動規(guī)律，同時證實了物質(zhì)點法模型(MPM)適應(yīng)于非牛頓流體流變模型.Andy等為了更好地追蹤流體體積法(VOF)中的顆粒，通過Openfoam將VOF法與歐拉?拉格朗日法耦合，有效的模擬出了顆粒的大小、位置和速度.4填充智能4.1充填智能化發(fā)展特點近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)異軍突起，得到了各行業(yè)的廣泛重視.智慧礦山建設(shè)是加快實現(xiàn)礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑，越來越多的國家加入了礦山智能化建設(shè).在國外，以瑞典、芬蘭等為代表，從國家戰(zhàn)略層面，先后出臺了2050計劃、未來礦山計劃、IM計劃等，開展了智能化開采技術(shù)攻關(guān)與推廣應(yīng)用，如圖15所示.國內(nèi)，在中國制造2025戰(zhàn)略背景下，國家工信部提出智能制造和兩化融合，發(fā)改委提出互聯(lián)網(wǎng)+、云計算和大數(shù)據(jù)，應(yīng)急管理部提出機(jī)械化換人、自動化減人，大力推動深部金屬礦開采智能化進(jìn)程.礦山充填智能化需要考慮3個層面的內(nèi)容.（1）充填采礦方法選擇與參數(shù)設(shè)計.通過人工智能方法對礦區(qū)開采技術(shù)條件、環(huán)境地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析4.2充填材料智能化控制技術(shù)隨著工業(yè)自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，礦山充填各階段的控制系統(tǒng)在不斷提高，從最初簡單的配料、攪拌、泵送的機(jī)械裝置，到采用自動化技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的邏輯控制，到現(xiàn)在的智能化充填技術(shù).目前礦山自動化控制使用的控制器有可編程序控制器（PLC），分散控制系統(tǒng)（DCS）等，為工業(yè)控制系統(tǒng)的自動化、遠(yuǎn)程化和智能化創(chuàng)造了條件.充填過程中的數(shù)學(xué)模型很復(fù)雜，需通過經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，充填過程一般采用比例、積分和微分控制算法(PID).崔曉慶等研究了智能控制等數(shù)十種控制算法，通過開發(fā)智能化儀器儀表，實現(xiàn)了對充填制備過程的檢測和控制.目前在充填領(lǐng)域得到發(fā)展使用的算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificialneuralnetwork,ANN)、粒子群優(yōu)化算法(Particleswarmoptimization,PSO)、決策樹(Decisiontree,DT)、隨機(jī)森林(Randomforest,RF)、迭代回歸樹(Gradientboostingregressiontree,GBRT)、遺傳編程(Geneticprogramming,GP)等隨著傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能算法相結(jié)合，充分利用人類的控制知識對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制，逐漸形成了智能化控制系統(tǒng)的雛形.郭科偉基于PID傳統(tǒng)控制技術(shù)和模糊邏輯方法與對充填原材料配料過程誤差進(jìn)行補(bǔ)償；最后以工控機(jī)和PLC為核心，配以高性能的數(shù)字模塊化組成的一體化計算機(jī)形成了多級膏體充填自動控制系統(tǒng).ANN通過模擬人腦神經(jīng)元構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決問題，由大量節(jié)點（神經(jīng)元）相互聯(lián)接構(gòu)成，在處理統(tǒng)計問題、發(fā)現(xiàn)復(fù)雜模式和檢測總體趨勢方面具有較好適用性DT是在已知各種情況發(fā)生概率的基礎(chǔ)上，從訓(xùn)練集中歸納出一組分類規(guī)則，或者說由訓(xùn)練數(shù)據(jù)集估計條件概率模型，它利用樹狀圖或模型來輔助決策，包括了分類樹和回歸樹.GBRT利用迭代法來結(jié)合大量單樹模型提高預(yù)測性能，比單一樹模型顯示出更好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性智能算法的發(fā)展有效推動了礦山充填智能化的進(jìn)程.張欽禮等通過遺傳算法對全尾砂絮凝沉降過程進(jìn)行了研究，分析并建立了供砂濃度、絮凝劑單耗、絮凝劑添加濃度與沉降速度的映射關(guān)系.齊沖沖等使用粒子群算法實現(xiàn)了尾砂沉降效果的有效預(yù)測.秦學(xué)斌等利用充填材料的孔隙特征，結(jié)合人工智能方法，提出了充填強(qiáng)度預(yù)測新方法.充填智能化正逐步由科學(xué)研究走向工程應(yīng)用，也必將成為金屬礦山固廢充填發(fā)展史上的閃耀亮點.4.3基于人機(jī)構(gòu)的充填預(yù)測優(yōu)化管理(1）建立終端數(shù)據(jù)采集與交流平臺.大數(shù)據(jù)采集是礦山充填智能化的基礎(chǔ)，由于不同礦山具有特異性，在數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)可靠性方面存在巨大差異.完善的數(shù)據(jù)采集方式及采集標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行多礦山數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)，也是深度學(xué)習(xí)精準(zhǔn)預(yù)測的保障.(2）形成以機(jī)為主，人機(jī)交互式管理模式.針對充填設(shè)計階段和充填管理階段開展個性化、模塊化設(shè)計，建立以智能分析和智能決策為主的管理模式，管理人員對目標(biāo)結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，并通過交互式窗口和友好化界面進(jìn)行頂層干預(yù).(3）建立膏體充填預(yù)測模型.在完善的數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上，提取目標(biāo)充填材料及工藝的相關(guān)特征，結(jié)合礦山具體工況進(jìn)行智能化分析處理，實現(xiàn)對充填輸送特性和力學(xué)特性較為準(zhǔn)確的預(yù)測，并實現(xiàn)智能推薦充填設(shè)計方案.5金屬礦山固廢充填的綠色發(fā)展內(nèi)涵目前金屬礦山固廢充填仍面臨一系列挑戰(zhàn)和難題.首先，充填材料受制于成本制約，一般只能因地制宜，就地取材，外區(qū)域的優(yōu)質(zhì)惰性材料、活性材料和改性材料難以大量使用，同時惰性充填材料也難以實現(xiàn)深度加工，充填材料的波動性為充填質(zhì)量的調(diào)控引入了巨大的不可靠性.其次，充填過程仍以經(jīng)驗干預(yù)為主，充填過程的品質(zhì)調(diào)控具有典型的高延時性和不確定性，裝備的自動化、物料調(diào)配的自動化以及控制系統(tǒng)的自動化水平仍將是制約充填快速發(fā)展和全面推廣的核心問題；第三，充填方案的適用性與經(jīng)濟(jì)模型的匹配關(guān)系表現(xiàn)出了特殊的平衡關(guān)系.由于充填采礦方法的復(fù)雜性和時效性，確定滿足安全回采需求的最優(yōu)充填方法是充填方案設(shè)計的基礎(chǔ)和前提，也是經(jīng)濟(jì)評價的立足點.建立采礦方法—充填方案—充填效果—經(jīng)濟(jì)模型綜合評價體系將成為促進(jìn)礦山固廢充填標(biāo)準(zhǔn)化評價的重要支撐.在金屬礦山資源開采蓬勃發(fā)展的今天，有效解決安全與環(huán)境問題已成為固廢充填采礦替代其他采礦方法而存在的最大合理性.未來幾年，圍繞國家生態(tài)建設(shè)、資源開發(fā)需求，結(jié)合行業(yè)發(fā)展特點，金屬礦山固廢充填仍將持續(xù)性發(fā)揮重要作用.在消除深部采礦安全隱患、保護(hù)礦山生態(tài)環(huán)境方面，充填采礦法或?qū)⒊蔀樯畈坎傻V和綠色采礦未來可期的唯一解決方案，這也對金屬礦山固廢充填發(fā)展質(zhì)量提出了更高的要求.(1）拓展綠色