对充填采矿技术应用的讨论

摘 要：随着现有探明的矿产资源不断消耗，采矿向深部发展，地温地压不断增加，环境保护的日趋严格，充填采矿技术的优势凸现。本文讲述了充填采矿的发展现状历程与成功应用的经验，并对对矿山充填采矿技术发展趋势和所应解决关键技术问题进行了评述。

关键词: 充填采矿；技术；环境保护

与其他采矿方法相比，充填采矿法有提高矿石回采率、减少矿石贫化率、充分利用现有资源、有效地控制地压和地表塌陷、优化矿区周围环境、防止内因火灾和“三下开采”等显著特点。而且充填采矿在改进和完善现有技术的基础上，又有新的进步，在充填料制备、输送技术、充填材料开发和充填回采工艺技术等方面均有了长足的发展，加之井下无轨自行设备的广泛应用，充填采矿目前已成为一种高效的开采方法。

1 充填采矿技术应用现状

中国的充填技术经历了废石干式充填、分级尾砂水力充填、碎石水力充填、混凝土胶结充填、磨砂胶结充填、分级尾砂或天然砂充填、废石胶结充填、全尾砂胶结充填、赤泥胶结充填和膏体充填的发展过程。但中国矿山数量多，开发与应用的充填工艺与技术类型多，尤其是近十余年来，在新的充填技术的研究开发和推广应用方面均取得了长足的进步。综合起来，中国的充填采矿技术发展大体分以下几个阶段。

第一阶段是20世纪50年代、60年代，均是以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺。1955 年废石干式充填在有色金属矿产地下开采占38. 2% ，在黑色金属矿床地下开采中竟达到了54. 8%。但废石干式充填因其效率低、生产能力小和劳动强度大，满足不了采矿工业的发展，国内干式充填采矿所占比重逐年下降，几乎处于被淘汰的地位。

第二阶段是20世纪70年代、80年代, 开始应用尾砂胶结充填技术，由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，所以在水砂充填工艺得以发展并推广应用后，开始采用胶结充填技术。20世纪70年代细砂胶结充填在广东凡口铅锌矿、山东招远金矿和焦家金矿等矿山得以应用。这一时期的细砂胶结充填料主要以尾砂、天然砂和棒磨砂等作为充填集料，胶结剂为水泥。目前，以分级尾砂、天然砂和棒磨砂等材料作为集料的细砂胶结充填工艺与技术日臻成熟, 并已在广东凡口铅锌矿、甘肃小铁山铅锌矿、南京铅锌银矿、江西铜业集团公司武山铜矿、安徽铜都铜业安庆铜矿、金川二矿、湖北鸡冠嘴金矿、山东招远金矿等20 几座矿山应用。其中湖北鸡冠嘴金矿用江砂充填，山东招远金矿用海砂加尾砂充填，金川二矿用棒磨砂充填，其他均为分级尾砂充填。

第三阶段是20世纪90 年代以来，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要。因而发展了高浓度充填、膏体充填、废石胶结充填和全尾砂胶结充填等新技术。

2 充填采矿技术优势及存在问题分析

2. 1 充填采矿技术优势

矿山充填采矿法之所以得到广泛的应用，所占的比重日益增加，综合起来其原因有下列几点。

( 1)充填体可以控制采场地压，支撑围岩， 减少、延缓和阻止采后空区围岩的破坏和移动。有利于开采深部矿床，水下建筑物下和构筑物下的矿床，以及有自燃倾向的矿床。

( 2)矿石回采率高，贫化率低，采选综合经济效益好，并可减少地面尾矿坝占地面积；开采地面需要保护的矿床，使用充填采矿法可保护地面不发生陷落; 充填采矿法开采有自燃倾向的矿床，可有效地防止火灾的发生。

( 3)开采作业机械化，采用凿岩台车凿岩，铲运机出矿，锚杆机安装锚杆、锚索护顶等，使充填采矿法成为高效率的采矿方法；大力开展了充填理论的研究, 推广了充填料输送管路化, 充填过程自动化, 研发了代替水泥的胶凝材料, 采用高浓度均质流的浆体输送, 从而使充填体强度提高, 成本下降。

( 4)深部充填采矿技术, 随着矿床开采的不断延伸, 采场范围扩大, 地压增高, 尤其是高地应力矿区,不仅采场突变失稳风险在增加, 而且潜在的危害也加大。所以进行深部充填采矿可以解决采场不平衡应力的传递和调整, 其传递和调整的结果, 可能导致原岩应力场再次处于平衡状态。

2. 2 充填采矿发展存在问题

从上面的原因可以看出, 充填采矿法从某些方面代表了国内外矿山发展的趋势, 但是充填采矿的技术研究和应用方面还存在着某些问题, 下面笔者对充填采矿发展提出一些粗浅的改进观点, 供研讨。

( 1)创造新型采矿工艺, 保证充填质量。充填采矿技术要结合矿山特点, 矿床开采技术条件, 发明或创造一些与其他采矿技术相结合的新型采矿法。对于缓倾斜极薄矿脉开采, 可用矿岩分掘, 废石抛掷充填空区, 即削壁充填和爆力运矿相结合的采矿法。对于厚大而矿岩较稳固的矿体, 可用浅孔和中深孔空场采矿法开采, 采后空区用尾砂胶结、块石胶结或高水材料充填, 即阶段连续回采快速充填工艺, 既降低成本, 又增大效率, 也作到对采空区的处理。

另外, 采场设计对充填质量的好坏影响很大, 采场几何形状的设计往往是为了适应矿山生产要求和便于通达, 而并非是为了充填料的充放和保持充填质量的功能。一旦充填料离开浆体供给管路, 输送机卸料端或车辆铲斗, 充填料质量控制可能不再受到矿山工作人员制约, 所以充放点的位置将会影响充填料可能发生的分凝度, 靠近采场一侧布置充放点时,随着分凝量增加, 在开始沉降前充填料必须移动的距离将会加大, 这种充放方式将在紧靠充放点的下部产生很强的充填角, 而离开充放点的距离越大, 端壁越松弱, 当采场尺寸很大时, 应当放置另外的充放点, 以便缩小充填料移动的距离, 从而使充填质量下降的趋势得到缓解。

( 2)开发研制低成本、高强度的新型充填固化材料。充填料的物理特性包含: 孔隙率、湿度、容重、粒度、固体含量及其级配、渗水度、抗压、抗剪力学强度、可压缩性等。充填体的物理力学特征与许多因素有关, 主要取决于骨料的成分及其结构, 胶结材料的成分及其组成方式等, 它直接影响充填体的强度和采场的稳定性, 这是充填采空区必不可少的材料基本性能研究, 因此各国对此进行了深入研究。

比如: 高水材料优点是可以使用全尾砂, 充填体固结速度快, 充填料无重力水排出因而避免了井下环境污染并节约了排水费用, 充填料可以低浓度远距离

输送、充填效率高。但是充填体强度不高, 这种固结材料在应用过程中极易风化, 脱水后强度有所降低。另外材料成本价格高。在矿山和其他工程应用中, 没有长期稳固性证明其有抵抗爆破震动性与冲击性, 抵抗各种性质渗滤水腐蚀性以及抵抗地应力作用变形破坏与地热作用、冰冻作用等特性。为此, 需要加强对高水材料的长期性能研究。

( 3)研制高效矿山充填设备和提高矿山充填自动控制与自动化水平。矿山充填系统的自动化程度的高低直接影响和制约矿山的发展, 但是由于国产的相关设备技术性能稳定性差, 遏止了矿山充填技术的发展。所以必须加强研制高效浓密备(如: 高效浓密机、陶瓷过滤机、真空过滤机、盘式过滤机等), 为高浓度全尾矿浆的制备提供有效保证, 同时研究减少或消除充填设备磨损和腐蚀的方法。更重要的是要研制高浓度输送设备, 采用压排设备输送调节各段输送压力, 防止输送堵管现象; 对于充填系统卸料浓度和物料流量的自动控制技术正常化, 最为关键的是要研制和引进适合于矿山应用的自动化设备和仪表,建立真正意义上的自动控制系统, 从而调节充填系统的全尾矿卸料、充填固化材料和清水等物流量来自动调节充填浓度。

( 4)严格充填站管理制度, 定期采样、确保充填质量。现代化的充填站都装备有各种电子设备和机械设备, 以利于生产所需的充填材料。这种充填站一般都是地表设施, 设置在矿山选矿厂内或其附近,以利于选矿厂供应充填站制备充填料所需的组分。各充填站的设计一般都很相似, 而且制备流程所需的各种设备, 包括泵、阀、流量计、浓度计和胶结计量装置, 都已使用电子控制。就胶结剂材料和混合浆体浓度的剂量控制对保持充填料质量都是最重要的因素。为达到有效的剂量, 许多称重装置和流量监测装置都取决于精确的校准。为保持松散充填材料的合理速度控制, 大多数充填料制备站对充填料制备流程的设备既不进行定期的也不进行系统的检查,即使有这种检查的话, 也只是安排每半年或更长的

周期进行维护和检查工作。另有一些充填站, 只是在设备发生故障或各种流量计计量系统发生故障时才进行检查。

因此, 为了使充填料制备站流程控制保持最低限度的适宜程度, 应当建立设备的定期检查制度。作为最终检验充填料制备站质量控制适宜程度的手段, 不管仪器的精度和机械化程度如何, 对充填站产品进行定期采样检查, 可确保充填料的物理特性维持在所需要求的水平上。

3 结 语

科学发展模式要求资源的合理开发利用和环境保护并重, 同时也对采矿方法的抉择提出了严格的要求, 因此充填采矿必将成为今后发展矿体地下开采的关键技术。在资源利用和环境保护协同并进的地下矿山，充填采矿技术必将得到优先发展。