礦山充填技術(shù)的演進(jìn)歷程與基本類別

劉 浪 方治余 張 波 王 美 邱華富 張小艷

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054）

礦產(chǎn)資源開采對(duì)世界經(jīng)濟(jì)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(shí)會(huì)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(shí)，采礦的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物，對(duì)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(jì)，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(shí)充填采礦技術(shù)具有提高采出率、維護(hù)采場(chǎng)安全以及滿足環(huán)境需要等優(yōu)點(diǎn)而在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)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(jìn)入深部開采階段，然而深部開采面臨高應(yīng)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(yīng)的充填材料以及充填工藝。為了降低充填成本，并提高對(duì)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(shí)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(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了充填采礦法的改進(jìn)和創(chuàng)新。學(xué)者們按照充填位置、充填量、充填動(dòng)力以及充填材料對(duì)充填技術(shù)進(jìn)行了分類，但隨著生產(chǎn)實(shí)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(shù)。本研究以礦山充填、固廢處置、采空區(qū)再利用、地?zé)衢_發(fā)、戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備和智能控制等為協(xié)同發(fā)展目標(biāo)，以充填能效為發(fā)展主線，將礦山充填技術(shù)演進(jìn)歷程劃分為體積性充填、結(jié)構(gòu)性充填、功能性充填和智能性充填4個(gè)階段，分別從概念、功能和基本類別等進(jìn)行論述。

1 常規(guī)礦山充填技術(shù)分類及發(fā)展歷程

1.1 常規(guī)礦山充填技術(shù)分類

充填采礦技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在礦山中得到了廣泛應(yīng)用。由于每座礦山的生產(chǎn)技術(shù)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(shù)按照充填位置、充填量、充填動(dòng)力以及充填物質(zhì)的不同，可進(jìn)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(dòng)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(yùn)送充填材料動(dòng)力的不同可分為自溜充填（重力充填）、風(fēng)力充填、機(jī)械充填以及水力充填，前3種動(dòng)力主要運(yùn)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(zhì)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(shù)發(fā)展歷程概述

現(xiàn)階段廣大學(xué)者一般將充填技術(shù)的發(fā)展歷程劃分為廢石干式充填、水砂充填以及膠結(jié)充填三大階段。廢石干式充填在國內(nèi)始于20世紀(jì)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(zhì)和效果的情況下，通過人力、風(fēng)力、機(jī)械等方式將材料搬運(yùn)至采空區(qū)進(jìn)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(jì)50年代主要的充填技術(shù)之一。1965年為了控制大面積地壓活動(dòng)，我國首次使用水力充填技術(shù)，有效緩解了地表下沉［9］。水砂充填是指以水為輸送介質(zhì)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(shù)。隨著充填技術(shù)不斷發(fā)展，20世紀(jì)60—70年代，為了解決水力充填強(qiáng)度低、管輸離析嚴(yán)重、充填效率低等問題，膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)是在水力充填骨料的基礎(chǔ)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(zhì)量，降低了充填工藝成本和勞動(dòng)強(qiáng)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(jié)充填技術(shù)，有高水膠結(jié)充填、粉煤灰膠結(jié)充填以及礦渣基膠結(jié)充填等。礦山充填技術(shù)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(shù)分類及演進(jìn)歷程

根據(jù)礦山充填材料性能，本研究將充填采礦技術(shù)的發(fā)展歷程劃分為4個(gè)階段：體積性充填→結(jié)構(gòu)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(jī)械搬運(yùn)以及水力等方式充填至采空區(qū)，形成強(qiáng)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(qiáng)度低、充填效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、充填體壓縮率高，水砂充填的壓縮率達(dá)10%左右［10］。國外在20世紀(jì)40年代以前，以處置固體廢棄物為出發(fā)點(diǎn)，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(fēng)積沙以及建筑固廢等為主［11］。

2.2 礦山結(jié)構(gòu)性充填

2.2.1 結(jié)構(gòu)性充填概念界定

結(jié)構(gòu)性充填以流動(dòng)性、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度為主要應(yīng)用指標(biāo)，制備理想結(jié)構(gòu)流狀態(tài)的充填料漿進(jìn)行充填，固結(jié)后具有保持充填體形狀、結(jié)構(gòu)及優(yōu)良力學(xué)性能的能力，如尾砂膠結(jié)充填、膏體充填等。對(duì)于全尾砂結(jié)構(gòu)性充填，20世紀(jì)80年代末廣東凡口鉛鋅礦就已經(jīng)開始使用了，但當(dāng)時(shí)由于造漿要求高、制備工藝復(fù)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(jié)構(gòu)流膠結(jié)充填在我國礦山得到了廣泛推廣與應(yīng)用［12］。

2.2.2 結(jié)構(gòu)性充填材料

結(jié)構(gòu)性充填材料是指以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，并具備良好流動(dòng)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(duì)充填材料的物理化學(xué)性能、優(yōu)化組合等方面進(jìn)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(xì)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(jié)構(gòu)流的形式流動(dòng)。由于細(xì)顆粒在管道壁形成了潤滑層，在管輸時(shí)可大大減少管道磨損，降低管輸成本。結(jié)構(gòu)性充填材料進(jìn)入采場(chǎng)后強(qiáng)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(fèi)用［15］。

2.2.3 結(jié)構(gòu)性流體

結(jié)構(gòu)性流體是指流體在流動(dòng)后的狀態(tài)像固體一樣做整體移動(dòng)，在管道輸送時(shí)以柱塞流形式流動(dòng)，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(duì)于結(jié)構(gòu)流體是以高濃度為基礎(chǔ)的，當(dāng)充填料漿濃度達(dá)到某一臨界值時(shí)，其流動(dòng)特性由兩相流轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)流。結(jié)構(gòu)流依靠包裹在管壁周圍由細(xì)顆粒成分形成的潤滑層進(jìn)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(jié)構(gòu)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?yàn)楣滔囝w粒間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性流體如圖4所示。

2.2.4 結(jié)構(gòu)性力學(xué)

在地下開采時(shí)，不可避免地會(huì)破壞巖體原始的應(yīng)力平衡體系，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布［16］。當(dāng)充填體充入采空區(qū)時(shí)，充填體與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)（采場(chǎng)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(fù)合承載結(jié)構(gòu)，起到維持原巖體完整的結(jié)構(gòu)作用，避免圍巖結(jié)構(gòu)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(shí)際地質(zhì)條件，需設(shè)計(jì)出合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)。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(xué)特性設(shè)計(jì)合理的條帶寬度，以滿足充填體結(jié)構(gòu)性力學(xué)要求。

2.3 礦山功能性充填

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(chǔ)能、資源儲(chǔ)備、核廢棄物堆存等拓展功能的礦山充填技術(shù)。根據(jù)充填材料實(shí)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(chǔ)能功能性充填以及儲(chǔ)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(shè)備正常運(yùn)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(shè)備布置多，施工、管理復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)化效率低等問題導(dǎo)致降溫成本居高不下，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jì)、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(zhì)，通過充填料漿輸運(yùn)系統(tǒng)將其送至井下，使其通過與采場(chǎng)間隔的隔板吸收采場(chǎng)熱量，即通過地面或壁面輻射供冷的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)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(yùn)、充填體相變降溫、充填體固結(jié)強(qiáng)化4個(gè)階段組成［19］，在保障傳統(tǒng)充填采礦對(duì)充填料漿流動(dòng)特性、充填體強(qiáng)度特性需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)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(shì)，利用采場(chǎng)與充填體空間位置始終相互毗鄰的特點(diǎn)，省去了繁雜的井下水—水、水—空氣換熱環(huán)節(jié)、井下空調(diào)末端裝置以及載冷介質(zhì)輸送系統(tǒng)，從而大幅縮減了降溫系統(tǒng)初始投資與運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)與安全效益顯著。

針對(duì)載冷/蓄冷功能性充填的關(guān)鍵技術(shù)問題，不少學(xué)者圍繞含冰粒充填料漿的流動(dòng)特性［5，20］、含冰粒充填體強(qiáng)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(shí)踐可行性，同時(shí)為工藝設(shè)計(jì)、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(yàn)和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.3.2 蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填

高地溫雖然是導(dǎo)致深部礦床開采出現(xiàn)熱害的“罪魁禍?zhǔn)住?，但也為地?zé)豳Y源開發(fā)提供了有利條件。地?zé)崮鼙徽J(rèn)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(duì)較低的產(chǎn)熱成本和污染物排放量［25］。我國地下礦山儲(chǔ)存著豐富的地?zé)豳Y源，開展礦產(chǎn)資源—清潔地?zé)豳Y源的綠色協(xié)同開發(fā)與利用，對(duì)于實(shí)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(chǔ)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(yù)先鋪設(shè)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(chǔ)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?zé)崮?，然后在埋設(shè)的管道內(nèi)通入循環(huán)流體，將地下深處的地?zé)崮荛_采至地面，從而形成具備高熱能存儲(chǔ)/快速熱能釋放功能的復(fù)合充填體。

蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填主要包括蓄熱/儲(chǔ)能充填材料制備、采熱管群鋪設(shè)、料漿充填固化為充填體3個(gè)環(huán)節(jié)，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低采場(chǎng)溫度，治理礦井熱害，調(diào)節(jié)充填體養(yǎng)護(hù)溫度，改善充填體養(yǎng)護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)深部礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源協(xié)同開采。根據(jù)礦井分級(jí)開采工藝特點(diǎn)，本研究構(gòu)建了由充填體、采熱管群與集水器、分水器組成的分級(jí)采熱單元，多個(gè)采熱單元串聯(lián)組成采熱單位（圖7），通過階段運(yùn)輸巷道的管路經(jīng)豎井與熱利用系統(tǒng)連接。每個(gè)采熱單位獲取的地?zé)崮芡ㄟ^排風(fēng)井內(nèi)的地?zé)彷斔土⒐芩椭恋孛娴牡責(zé)岽鎯?chǔ)工廠，然后根據(jù)能級(jí)分送至住宅區(qū)、辦公區(qū)或有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)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?zé)豳Y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(yùn)輸通路，又可為地?zé)衢_發(fā)動(dòng)力供應(yīng)和管路布設(shè)提供保障。蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填可滿足在采空區(qū)修復(fù)治理的同時(shí)從深部礦井高溫圍巖中源源不斷地開采地?zé)豳Y源，實(shí)現(xiàn)深部礦床—地?zé)峋G色協(xié)同開采，既解決了深部礦井熱害問題，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)可再生地?zé)豳Y源的開發(fā)與利用。在深部開采過程中，以礦井充填體為儲(chǔ)/載熱體，利用礦井已有乃至廢棄工程實(shí)現(xiàn)深層地?zé)崮荛_采，有望成為一個(gè)嶄新的可再生能源生產(chǎn)模式。

針對(duì)蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填，已有學(xué)者對(duì)添加相變材料的蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填材料的流變性以及熱力學(xué)性能（熱導(dǎo)率、比熱容、密度、抗壓強(qiáng)度）進(jìn)行了研究［26-27］；并對(duì)圍巖溫度、充填體蓄熱初始溫度、采場(chǎng)風(fēng)流溫度及速度對(duì)充填體蓄熱性能的影響機(jī)理進(jìn)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?zé)?，?shí)現(xiàn)深部地?zé)崮荛_采奠定了基礎(chǔ)。

2.3.3 儲(chǔ)庫式功能性充填

國家油氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備是保障我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防安全、社會(huì)穩(wěn)定的有效手段，建立油氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫是保證國家能源安全、減小供需矛盾、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的重大舉措［29］。世界主要國家石油儲(chǔ)備量如圖8所示，目前，我國石油儲(chǔ)備量僅能維持40 d左右［30］，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家儲(chǔ)備量以及國際儲(chǔ)備安全標(biāo)準(zhǔn)（90 d）。同時(shí)，我國油氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫大多為地面儲(chǔ)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(chǔ)庫小。國內(nèi)外地下石油儲(chǔ)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(diǎn)，理想的儲(chǔ)庫地質(zhì)條件不容易找到［31］。

我國礦山地下空間規(guī)模巨大，據(jù)報(bào)道，預(yù)計(jì)到2030年，我國廢棄礦井將達(dá)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(shù)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(dòng)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(chǔ)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(chǔ)庫有機(jī)結(jié)合，先采礦后充填，利用儲(chǔ)庫式功能性充填材料來滿足充填體強(qiáng)度、防滲等儲(chǔ)備條件，在礦井大型空區(qū)群內(nèi)構(gòu)筑一定的空間，用于儲(chǔ)備石油（儲(chǔ)油庫）、天然氣（儲(chǔ)氣庫）等戰(zhàn)略能源或堆存放射性核廢料（儲(chǔ)物庫），以應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)、強(qiáng)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(yīng)中斷帶來的影響［17，35］，如圖9所示。儲(chǔ)庫式功能性充填能夠滿足我國能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備需求，實(shí)現(xiàn)采礦—充填—建庫協(xié)同發(fā)展，降低充填成本，同時(shí)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(shù)的發(fā)展，智能化技術(shù)不斷地向各行業(yè)滲透。同時(shí)在5G等新一代信息技術(shù)加速應(yīng)用的背景下，智能充填將是礦山未來發(fā)展的趨勢(shì)，智能充填主要體現(xiàn)在智能充填材料和智能控制兩個(gè)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(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)等），對(duì)之進(jìn)行適度響應(yīng)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)功能集于一身，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充填材料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行“健康”自診斷、偏差自矯正、損傷自修復(fù)與環(huán)境自適應(yīng)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(yīng)和自診斷功能，可提高混凝土結(jié)構(gòu)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(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人裝備等與現(xiàn)代礦山充填技術(shù)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(xué)習(xí)、自決策與自執(zhí)行的基本能力。基于智能充填材料能對(duì)外部環(huán)境和自身所處環(huán)境進(jìn)行感知，對(duì)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(duì)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(dòng)特性、接頂情況和充填體的強(qiáng)度等）進(jìn)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(xué)習(xí)、自決策來不斷優(yōu)化配比（濃度、砂灰比、級(jí)配等），實(shí)時(shí)調(diào)整，同時(shí)能對(duì)礦山充填事故進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和預(yù)警、快速?zèng)Q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(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)充填材料攪拌、管道運(yùn)輸、安全保障等過程的智能化運(yùn)行，形成礦山全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，最終實(shí)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(shù)距離大規(guī)模普及應(yīng)用還有一定的距離，但《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案》提出了研發(fā)智能化綠色充填開采技術(shù)裝備的目標(biāo)，國家正在不斷加速礦山信息化和智能化建設(shè)，快速推進(jìn)“兩化”的深度融合，推動(dòng)礦山智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型，礦山智能化發(fā)展成為必然趨勢(shì)，這為智能充填的發(fā)展提供了新機(jī)遇。目前國內(nèi)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(gè)智能充填工作面，實(shí)現(xiàn)了充填料漿自動(dòng)配比、壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、液位自動(dòng)監(jiān)測(cè)的智能化、可視化充填開采［40］。這為智能充填技術(shù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，礦山充填技術(shù)必將向更高階段的智能充填技術(shù)方向發(fā)展。

3 展 望

（1）礦山充填成本是制約充填技術(shù)推廣應(yīng)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(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)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(shí)現(xiàn)固廢資源化、無害化、規(guī)?；幚恚瑫r(shí)降低充填成本，是礦山充填技術(shù)發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題。

（2）“向地球深部進(jìn)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(dòng)效率大幅下降和生產(chǎn)事故大量增加，同時(shí)還會(huì)降低井下設(shè)備的工作性能。地?zé)崾且环N清潔能源，因此可將礦山充填、深井降溫與地?zé)衢_發(fā)有機(jī)結(jié)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(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山綠色、安全、高效開采。

（3）目前盡管礦山充填自動(dòng)化水平與信息化水平得到了一定的提升，但一些礦井實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化充填，主要通過集控系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)充填料漿配比等，尚未真正達(dá)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(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行，實(shí)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(shí)現(xiàn)智能充填的前提，需要多學(xué)科學(xué)者協(xié)作研發(fā)，這是實(shí)現(xiàn)智能充填的關(guān)鍵。