欢迎来到中国矿山建设第一门户网站!
您当前所在位置:首页 > 注浆加固 > 

矿山充填技术的演进历程与基本类别

发布时间:2021-02-24

图片     刘浪,博士(后),西安科技大学能源学院教授,博士研究生导师,澳大利亚西澳大学联合培养博士,韩国仁荷大学高级访问学者,先后获得全国煤炭青年五四奖章、教育部霍英东青年教师奖、陕西省青年科技奖,入选陕西省青年“百人计划”、陕西省青年科技新星、全国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才提名、西安科技大学胡杨学者等荣誉。主要从事矿山功能性充填方面的教学与科研工作,先后主持国家自然科学基金4项(3面上/1青年)、中国博士后基金1项、陕西省自然科学基金2项、陕西省教育厅基金1项;在Constr. Build. Mater.,Powder Technol.,J. Environ. Manage. 等期刊发表论文100余篇,其中SCI收录66篇(第一作者/通讯作者45篇,ESI高被引8篇,ESI热点论文3篇),EI收录18篇,单篇论文最高SCIIF=16.229;出版专著1部,出版“十二五”规划教材1部;获得授权国家发明专利52项,获授权国家实用新型专利5项,获得软件著作权3项;获得省部级一等奖4项、二等奖4项、三等奖1项;担任《Natrual Hazards》等20余个国际期刊审稿人、中国有色金属学会矿山信息化智能化专业委员会常务委员、韩国仁荷大学国际学术委员会委员、《Journal of Central South University》《西安科技大学学报》《Journal of Civil, Structural and Transportation Engineering》《金属矿山》等刊物青年编委/青年专家学术委员等学术兼职。










研究背景

      矿产资源开采对世界经济发展具有重要意义,许多工业的原材料依赖于矿产资源。然而在矿产资源开采的同时会产生大量采空区,造成地表塌陷、水资源流失等问题。同时,采矿的同时也会产生大量的固体废弃物,对环境产生巨大的压力。一方面固体废弃物的管理成本高,另一方面固体废弃物的排放占用土地,污染环境,固体废弃物的处置已是全球性问题。据统计,我国矿山固体废弃物总量已超过250亿t,且每年以6万t的速度增加。

      充填采矿法可有效解决以上问题,同时充填采矿技术具有提高采出率、维护采场安全以及满足环境需要等优点而在世界范围内得到广泛应用,经过多年的发展已逐渐成为绿色开采中不可替代的一部分。随着浅部资源枯竭,越来越多的矿山进入深部开采阶段,然而深部开采面临高应力、高地温、高渗透压等挑战,需要采用与深部环境相适应的充填材料以及充填工艺。为了降低充填成本,并提高对大宗固体废弃物的处置效率,人们不断探索研发充填新材料以及革新充填采矿工艺。

      随着生产实践的深入,涌现出了许多新型充填材料。如矿渣充填胶凝材料、高水充填材料、含冰粒功能性充填材料等。矿山新型充填材料的研发及新技术的应用促进了充填采矿法的改进和创新。学者们按照充填位置、充填量、充填动力以及充填材料对充填技术进行了分类,但随着生产实践的深入,充填的附带功能不断拓展,传统的分类方法并不能很好地涵盖新型矿山充填技术。


研究思路

      在综述常规矿山充填技术发展历程和基本类别的基础上,提出以矿山充填、固废处置、采空区再利用、地热开发、战略资源储备和智能控制等为协同发展目标,以充填能效为发展主线,将矿山充填技术演进历程划分为体积性充填、结构性充填、功能性充填和智能性充填4个阶段,分别从概念、功能和基本类别等进行了论述。

核心观点

      (1)目前矿山充填发展阶段为结构性充填,随着矿山生产实践与科学技术的不断发展,功能性充填和智能性充填将成为矿山充填技术发展的新方向,进一步革新充填材料、充填工艺和充填装备,将对深地矿产资源开发与未来矿山转型升级等产生重要而又深远的影响。

      (2)矿山充填成本是制约充填技术推广应用的主要因素,而充填成本主要来自水泥的消耗。目前,工业固体废弃物(矿渣、煤矸石、煤渣等)的排放越来越多,而综合利用率较低。这些固废不仅占用大量的土地资源,而且会导致较为严重的环境和生态问题。因此将固废经过改性处理,制备低成本新型胶凝材料,实现固废资源化、无害化、规模化处理,同时降低充填成本,是矿山充填技术发展需要解决的关键问题。

      (3)“向地球深部进军”是我国必须解决的战略科技问题,随着浅部资源的枯竭,深部开采将成为常态,深部开采面临的高地温问题,使劳动效率大幅下降和生产事故大量增加,同时还会降低井下设备的工作性能。地热是一种清洁能源,因此可将矿山充填、深井降温与地热开发有机结合,从而拓展充填的功能,大幅降低深井降温与充填成本,革新充填采矿技术,实现矿山绿色、安全、高效开采。

      (4)目前尽管矿山充填自动化水平与信息化水平得到了一定的提升,但一些矿井实现的自动化充填,主要通过集控系统手动调节充填料浆配比等,尚未真正达到智能充填水平。智能充填是基于智能充填材料的智能感知,通过智能控制系统的自学习、自决策、自执行,实现矿山充填全过程的智能化。智能充填材料与智能控制是实现智能充填的前提,需要多学科学者协作研发,这是实现智能充填的关键。

主要附图

图片
矿山充填技术基本分类
图片
矿山充填技术发展历程常规划分

图片
矿山充填技术演进历

图片
结构性流体示意

图片
载冷/蓄冷功能性充填实施方案与降温原理

图片
矿床—地热协同开采系统

图片
分级采热单元示意

图片
矿山功能性储库工作原理


图片

矿山智能性充填材料概念模型

图片
矿山智能性充填基本原理






0