淺析充填采礦技術(shù)應(yīng)用及現(xiàn)狀

【摘要】本文總結(jié)了充填采礦的發(fā)展現(xiàn)狀歷程與成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，并且分析了國內(nèi)外充填采礦的情況，對礦山充填采礦技術(shù)發(fā)展趨勢和所應(yīng)解決關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了評述。最后得出在資源利用和環(huán)境保護(hù)協(xié)同并進(jìn)的地下礦山，充填采礦技術(shù)必將得到優(yōu)先發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】充填采礦；資源利用；環(huán)境保護(hù)

一、我國充填采礦技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國的充填采礦技術(shù)經(jīng)歷了廢石干式充填、分級尾砂水力充填、碎石水力充填、混凝土膠結(jié)充填、磨砂膠結(jié)充填、分級尾砂或天然砂充填、廢石膠結(jié)充填、全尾砂膠結(jié)充填、赤泥膠結(jié)充填和膏體充填的發(fā)展過程。但中國礦山數(shù)量多，開發(fā)與應(yīng)用的充填工藝與技術(shù)類型多，尤其是近十余年來，在新的充填技術(shù)的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用方面均取得了長足的進(jìn)步。綜合起來，中國的充填采礦技術(shù)發(fā)展大體分以下幾個(gè)階段。

第一階段是20世紀(jì)50年代、60年代，均是以處理廢棄物為目的的廢石干式充填工藝。但廢石干式充填因其效率低、生產(chǎn)能力小和勞動強(qiáng)度大，滿足不了采礦工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)干式充填采礦所占比重逐年下降，幾乎處于被淘汰的地位。

第二階段是2O世紀(jì)70年代、80年代，開始應(yīng)用尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，由于非膠結(jié)充填體無自立能力，難以滿足采礦工藝高回采率和低貧化率的需要。所以在水砂充填工藝得以發(fā)展并推廣應(yīng)用后，開始采用膠結(jié)充填技術(shù)。這一時(shí)期的細(xì)砂膠結(jié)充填料主要以尾砂、天然砂和棒磨砂等作為充填集料，膠結(jié)劑為水泥。

第三階段是20世紀(jì)90年代以來，隨著采礦工業(yè)的迅速發(fā)展，原充填工藝已不能滿足回采工藝的要求和進(jìn)一步降低采礦成本或環(huán)境保護(hù)的需要。因而發(fā)展了高濃度充填、膏體充填、廢石膠結(jié)充填和全尾砂膠結(jié)充填等技術(shù)新。

二、國外充填采礦法的使用概況

在國外充填法采礦技術(shù)應(yīng)用較廣。20世紀(jì)80年代初，加拿大金屬礦山地下開采礦山中，用充填法的比重為35%～40%；澳大利亞的地下有色金屬礦山多用充填法開采；瑞典的布利登有色金屬公司70%的礦山是用充填法開采的；蘇聯(lián)1981年地下有色金屬礦山充填法的比重為24.2%，1970年克里沃羅格鐵礦區(qū)用充填法開采鐵礦僅占地下采出鐵礦石的0.8%，到1980年已達(dá)6.4%。日本金屬礦山使用充填法的比重亦是逐年上升的：1956年為24.5%，1967年35.2%，1970年為39%，1982年為43%。

1.加拿大充填采礦技術(shù)的發(fā)展

加拿大地下礦山充填技術(shù)從20世紀(jì)30年代開始，普遍采用沖擊砂作為充填料，到40年代末廣泛采用選廠沖積尾砂進(jìn)行充填。50年代中期到末期，用尾砂膠結(jié)充填澆面作為扒礦底板，采用分層水砂充填代替勞動強(qiáng)度大且靈活性差的方框支架采礦法。1985～1991年，加拿大在充填材料、充填工藝方面的研究取得了很大的成就。加拿大礦山相繼采用塊石膠結(jié)充填、高濃度管道輸送充填、膏體充填等，不僅提高了礦山的綜合生產(chǎn)能力，降低了充填成本，而且改善了井下的生產(chǎn)環(huán)境。

2.德國充填采礦技術(shù)

德國在過去的幾年間，發(fā)展了不同的膠結(jié)充填采礦系統(tǒng)。其中比較典型的有：拉梅爾斯貝格鉛鋅礦，采用了下向分層膠結(jié)充填采礦法結(jié)合風(fēng)力充填，回采了高品位的鉛鋅銅礦，采用碎石和高爐爐渣水泥的混合物作充填料。梅根鉛鋅礦，根據(jù)礦體各部位的情況不同，采用了不同的采礦方法，主要是分層充填法和巷道充填法回采脈狀鉛鋅礦，用帶式拋擲充填車輸送和拋放含水泥和飛灰的漿液塊石充填料。格隆德鉛鋅礦，在20世紀(jì)60年代至70年代初，該礦采用無底柱分段崩落法采礦，由于礦巖不穩(wěn)固，采礦條件差，礦石損失和貧化大，故改用分段充填采礦法。

3.南非充填采礦技術(shù)

南非的許多礦山，在20世紀(jì)80年代初期開始應(yīng)用膠結(jié)充填工藝，整個(gè)80年代是南非充填工藝發(fā)展最快時(shí)期，主要有廢石膠結(jié)充填、脫泥尾砂膠結(jié)充填等，并開始進(jìn)行高濃度管道充填和膏體充填的研究和應(yīng)用。目前，南非許多礦山的開采深度已經(jīng)達(dá)到2135m以上，隨著淺水平礦石儲量的耗盡，可開采利用礦石儲量的深度不斷加大。進(jìn)入深部開采階段，最大的問題就是控制地壓，防止和減少巖爆和巖層冒落等災(zāi)害性事故的發(fā)生，膠結(jié)充填可以有效的實(shí)現(xiàn)對開采區(qū)域的巖層移動控制，并同時(shí)具有環(huán)境保護(hù)和提高礦石回收率的綜合功效。

三、充填采礦的優(yōu)勢

1.減排功能

充填采礦技術(shù)的作用和意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了礦山開采的范疇。在世界上已經(jīng)出現(xiàn)了少數(shù)典型的無廢料排棄的礦山。例如，德國格隆德鉛鋅礦利用浮選后的全尾砂和重選碎石制備膏體充填料回填下向充填進(jìn)路，不再有尾礦排棄到尾礦庫。勿庸置疑，這類礦山開采的首先條件是能否將大量工業(yè)固體廢物回填到地下。大量處理工業(yè)固體廢料將是礦山今后設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮的重要任務(wù)，是解決礦區(qū)環(huán)境污染問題的最好方法。

2.消除地表變形及下沉功能

利用充填技術(shù)快速、有效地充填采空區(qū)，可以及時(shí)支撐采空區(qū)頂部巖層，阻止和抵抗圍巖進(jìn)一步變形，防止大幅度的位移發(fā)生。通過充填可以快速形成新的工作面，為后續(xù)作業(yè)創(chuàng)造條件，縮短采充循環(huán)周期，提高采礦綜合生產(chǎn)能力。充填采礦技術(shù)可以有效地阻止巖層發(fā)生大規(guī)模移動，實(shí)現(xiàn)水體下、建筑物下采礦，同時(shí)保護(hù)了地表不遭破壞，維持原有的生態(tài)環(huán)境。

3.低貧損開采功能和遠(yuǎn)景資源保護(hù)功能

充填采礦技術(shù)可以應(yīng)用到水平礦體、緩傾斜礦體、急傾斜礦體、分枝復(fù)合礦體等各種復(fù)雜多變的礦體，特別是厚大礦體，將大幅度提高礦柱回收率和出礦品位，最大限度地回收礦石。充填采礦技術(shù)可以對某些需要優(yōu)先開采下部或底盤富礦的礦山實(shí)現(xiàn)“采富保貧”而不會造成礦產(chǎn)資源的破壞和浪費(fèi)。廢石、尾礦、廢碴仍含有當(dāng)前技術(shù)不能回收的有用物質(zhì)，置于地表難以長期保存，充填也是一種最為可靠的保護(hù)方式

四、充填采礦發(fā)展存在的問題及改進(jìn)措施

從上面的原因可以看出，充填采礦法從某些方面代表了國內(nèi)外礦山發(fā)展的趨勢，但是充填采礦的技術(shù)研究和應(yīng)用方面還存在著某些問題，下面筆者對充填采礦發(fā)展提出一些粗淺的改進(jìn)觀點(diǎn)，供研討。

1.創(chuàng)造新型采礦工藝，保證充填質(zhì)量

充填采礦技術(shù)要結(jié)合礦山特點(diǎn)，礦床開采技術(shù)條件，發(fā)明或創(chuàng)造一些與其他采礦技術(shù)相結(jié)合的新型采礦法。對于緩傾斜極薄礦脈開采，可用礦巖分掘，廢石拋擲充填空區(qū)，即削壁充填和爆力運(yùn)礦相結(jié)合的采礦法。對于厚大而礦巖較穩(wěn)固的礦體，可用淺孔和中深孔空場采礦法開采，采后空區(qū)采用尾砂膠結(jié)、塊石膠結(jié)或高水材料充填，即階段連續(xù)回采快速充填工藝，既降低成本，又提高效率，也做到對采空區(qū)的合理處理。

2.開發(fā)研制低成本、高強(qiáng)度的新型充填固化材料

充填料的物理特性包含：孔隙率、濕度、容重、粒度、固體含量及其級配、滲水度、抗壓、抗剪力學(xué)強(qiáng)度、可壓縮性等。充填體的物理力學(xué)特征與許多因素有關(guān)，主要取決于骨料的成分及其結(jié)構(gòu)，膠結(jié)材料的成分及其組成方式等，它直接影響充填體的強(qiáng)度和采場的穩(wěn)定性，這是充填采空區(qū)必不可少的材料基本性能研究，因此各國都對此進(jìn)行了深入研究。

3.研制高效礦山充填設(shè)備和提高礦山充填自動控制化

礦山充填系統(tǒng)的自動化程度的高低直接影響和制約礦山充填采礦技術(shù)的發(fā)展，但是由于國產(chǎn)的相關(guān)設(shè)備技術(shù)性能穩(wěn)定性差，遏止了礦山充填技術(shù)的發(fā)展。所以必須加強(qiáng)研制高效濃密設(shè)備（如：高效濃密機(jī)、陶瓷過濾機(jī)、真空過濾機(jī)、盤式過濾機(jī)等），為高濃度全尾礦漿的制造提供有效保證，同時(shí)研究減少或消除充填設(shè)備磨損和腐蝕的方法。更重要的是要研制高濃度輸送設(shè)備，采用壓排設(shè)備輸送調(diào)節(jié)各段輸送壓力，防止輸送堵管現(xiàn)象。對于充填系統(tǒng)卸料濃度和物料流量的自動控制技術(shù)正常化，最為關(guān)鍵的是要研制和引進(jìn)適合于礦山應(yīng)用的自動化設(shè)備和儀表，建立真正意義上的自動控制系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)充填系統(tǒng)的全尾礦卸料、充填固化材料和清水等物流量來自動調(diào)節(jié)充填濃度。

4.嚴(yán)格充填站管理制度，定期采樣、確保充填質(zhì)量

現(xiàn)代化的充填站都裝備有各種電子設(shè)備和機(jī)械設(shè)備，以利于生產(chǎn)所需的充填材料。這種充填站一般都是地表設(shè)施，設(shè)置在礦山選礦廠內(nèi)或其附近，以利于選礦廠供應(yīng)充填站制造充填料所需的組分。各充填站的設(shè)計(jì)一般都很相似，而且制造流程所需的各種設(shè)備，包括泵、閥、流量計(jì)、濃度計(jì)和膠結(jié)計(jì)量裝置，都已使用電子控制。就膠結(jié)劑材料和混合漿體濃度的劑量控制對保持充填料質(zhì)量都是最重要的因素。

五、結(jié)束語

為保證我國礦產(chǎn)資源的正常需求，必須發(fā)展綠色采礦模式，無廢料采礦技術(shù)已納入我國中長期科技發(fā)展規(guī)劃，而礦山固體廢料充填采礦工藝是綠色采礦的主體支撐技術(shù)，無廢、少廢采礦工藝技術(shù)的創(chuàng)新及其技術(shù)的工程化集成配套，將成為我國礦山技術(shù)的主要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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