充填设计的关键是选择合适的料浆浓度，做到满贯连续输送。浓度高一些，可以减少离析，提高充填体固化强度的均匀性，同样强度要求下可以节省胶凝材料，降低成本。但浓度过高，流阻过大，流速偏小，不能实现自流输送，必须采用泵送加压。浓度低一些有利于长距离输送，但放料后易离析，泌水量大，加重排水负担，降低充填体的固化效果。如果制浆能力跟不上，过低的浓度会因流阻偏小流速过大吸进空气，使得料浆呈活塞状冲击运行。由于其间空气段的伸缩作用，这种充填会导致比较严重的后果：一是引起管道的震动和冲击磨损破坏；二是间断性停歇运行会导致料浆离析堵管。

合理浓度的选择有赖于对管道流阻损失或水力坡度参数的准确把握。管道水力坡度与管径、料浆浓度和流速密贴相关，如果制浆能力，即流速一旦确定，就只有通过管径调整和浓度选择，或通过人工增加阻力等办法解决满管输送问题。在缺乏实测数据的情况下，充填管路和浓度设计通常采用经验类比法和理论计算法取值。在众多的理论计算公式中，比较公认合理的是“金川公式”。该公式对于金属矿山的碎石和分级尾砂充填两相流比较适合，对于微粒成分较大的全尾砂和充填和粉煤灰矸石粉混合充填，“金川公式”误差较大。

为便于准确测定充填料浆的管道输送水力坡度，满足矿山充填特别是煤矿充填料多样化的充填系统设计急需，青岛理工大学与潍坊隆基建材设备有限公司共建了矿山充填管道流阻环管测试系统。该系统包括了DN76、DN89、DN108、DN114、DN133等五种管径的直管段和弯管段流阻测试，其中直管测试段长达15m。由于采用了双叶轮高浓度渣浆泵加压，料浆浓度可在清水到似膏体的70%左右之间变化。

充填工艺设计

充填工艺决定于充填方法。金属矿山充填根据采矿的矿块结构和工作面推进方向不同，分为单层充填、上向分层充填、下向分层充填等多种。根据所用充填料和输送方式的不同，又分为干式充填：用矿车、铲运机、传送带或风力等方式将废石、砂石等干料送至空区；水力充填：用水力管道输送尾砂、河砂、破碎碎石等至充填区；胶结充填：在充填过程中，通过添加水泥、胶固料等胶凝材料将充填料胶结固化在一起，使其具有承载作用。干式充填因为劳动强度大，生产能力低，上世纪50年代后即被其它充填方法替代，现在仅作为辅助充填法使用。水力充填因充填体无强度，不能实现全采，滤水排水压力大等原因，目前主要应用在低品位矿山，或者作为胶结充填的一个配合方法应用。由于资源的紧缺和环保压力，胶结充填正在成为一种主要充填方法。

煤矿充填和金属矿相比有很大不同。主要的特点是煤炭易采，推进速度快，产量要求高，但顶板稳定性一般比金属矿差，充填废料也不像金属矿那样容易获得。所以充填挡墙的快速制作，充填体的早凝、早强和高速度大量充填是其突出要求。正是由于这些特点和充填成本问题，煤矿充填特别是煤矿胶结充填远比金属矿发展缓慢，目前主要应用于缓倾斜中厚煤层的三下开采矿井。但随着煤炭供需矛盾的日趋紧张和三下压煤开采压力的加大，厚大和特厚煤层的充填开采与充填技术必然提到重要日程。

充填工艺设计需要解决以下一些关键问题：

（1）充填体固化强度标号设计。标号太高，强度浪费，提高充填成本；标号太低则不能满足地压管理要求。需要根据采矿或采煤的总体要求和采矿采煤方法安排，在认真研究的基础上，确定合理的充填标号和固化时间。如果经费许可，最好安排专题研究。

（2）滤水排水设计。充填料的多余水分必须排出，才能保证固化效果和充填质量。因此，充填之前需要在充填区设置滤水井或滤水管，以保证排水畅通。对于滤水比较困难的全尾砂胶结充填，主要任务是排出上部清水。

（3）充填挡墙设计。除缓倾斜矿体开采的单层充填外，金属矿山的挡墙设计相对容易，主要是端部挡墙设计。煤矿充填还要设置工作面隔离挡墙，并要求制作速度快，拆装方便。不论端部挡墙还是工作面挡墙，都要求满足：一要有足够的承载能力，保证充填安全；二要有良好的密闭性，防止充填过程中漏浆和跑浆；三要有方便的排水通道，将多余的积水排出。

（4）合理设置放料点。充填料放入空区后，会因流动产生离析，造成固化强度不均。料浆浓度越低，流动性越好，离析也越严重，应根据充填料浆浓度大小在认真研究的基础上确定放料点的数量和间距，减少料浆的流动，提高充填质量。

青岛理工大学充填技术与地压控制研究所有优越的充填工艺研究条件，有一支理论水平高，现场经验丰富，设计理念先进的研究设计队伍，特别在煤矿充填工艺设计上有突出优势。

离析实验研究

为了便于研究充填料在充填区中的流动离析和固化强度分散规律，为充填标号设计和放料点设计提供依据，我们在建设管道流阻测试环管实验系统的同时，根据料浆放料后以轴对称形式向外扩散流动的原理，独立设计建设了宽0.2m，高1.5m，长达15m的料浆流动离析槽。离析槽建设在一个四周有排水操的基座上，由两排立柱和模板、横撑等组成，拆装十分方便。使用时，装好模板，并采取必要的密封措施。将搅拌好的充填料浆从一端按一定流量垂直放入，让其自由流淌到另一端，泌水从模板接缝中渗出，通过基座的水槽中排走。待料浆固化至拆模强度时拆掉模板，可以观察到料浆垂直切面上的离析变化情况。取样养护可以进行各取样点的强度检验，了解固化强度变化规律。该离析槽平时兼作料浆流阻测试的废液池使用。