矿山充填技术的发展与应用

矿山充填技术的发展与应用

伍冠东

广州大学土木工程学院广东广州510006

摘要：随着采矿科学技术的发展、开采技术条件的变化以及环保的要求，充填采矿法在国内外矿山得到了迅速发展和广泛应用，这对于促进矿山的安全生产、改善矿井劳动作业条件、提高矿山的综合经济效益起到了极大的促进作用。本文着重对矿山充填技术的研究与应用进行介绍，以期望借鉴这些经验为日后矿山充填技术进行优化升级。

关键词：矿山充填技术采矿发展应用

1.引言：

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高。现有探明的矿产资源不断消耗，采矿向深部发展，传统的采矿方法往往会在采矿后形成较大的采空区，随着时间的推移，很容易形成地表塌陷，山体开裂或者坍塌等地质灾害。同时，传统的采矿方法由于会留下大量的矿柱而无法回收，造成了资源的浪费。充填采矿法恰好能解决这些问题，充填采矿法采完矿石后用廉价的材料填充了采空区，防止了地面的塌陷，充填采矿法不需要留下矿柱，因此提高了矿石回收率，保护矿产资源，具有良好的经济效益，因此绝大部分矿山都在应用充填技术。

2.充填技术研究现状：

2.1发展历程

充填技术已成为采矿领域最引人注目的前沿研究课题，充填工艺和设备日益完善。发展历程大致为：20世纪50年代为废石干式充填，60年代发展为应用分级尾砂水力充填与碎石水力充填，胶结充填技术开始于70～80年代，那时为以分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充填技术。胶结充填技术在90年代得到推广，它发展了全尾砂胶结充填，块石砂浆胶结充填，碎石水泥浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填等新技术。进入21世纪以来，又研究出了密实性高、流动性好、含水量高的超高水充填材料。

2.1主要充填技术

2.2.1混凝土充填

混凝土胶结充填是以碎石、戈壁集料、河砂或分级尾砂为充填骨料掺和水泥加水制备成低标号混凝土进行井下充填。混凝土充填技术在我国应用较早。丰山铜矿采用下向分段碎石混凝土充填法,碎石由露天矿废石破碎而成,用溜井下放至地下混合碉室,水泥浆在地表制备,用管道输送至混合碉室。采用自淋混合工艺,铲运机将混合料运走,直接卸入采空区进行充填。富家矿采用破碎后的露天矿废石为充填骨料。充填料用溜井下放至地下搅拌站,水泥在地表制成水泥浆用管道输送至搅拌站,靠溜槽自重下放混合制成混凝土,然后用电耙接力方式输送到充填地点,在采场内自流充满采空进路。

混凝土胶结充填工艺复杂,系统建设投资较大,但充填体强度高是混凝土充填主要特点。可用于下向胶结充填,也可用来制做人工矿壁、人工底柱。目前存在的主要问题是水平输送不能管道化,用电耙输送环节多、水泥离析严重,充填体成本高等。

2.2.2块石胶结充填

块石胶结充填是以胶凝材料包裹充填骨料,并相互粘结形成充填体,增大充填骨料粒度,减少其比表面积,可提高充填体强度。在细砂胶结充填中按比例加入块石,形成块石砂浆胶结充填,或以块石为充填骨料加入水泥浆的无砂块石胶结充填,均能形成高强度充填体,并降低充填成本。块石胶结充填在我国大厂铜坑扬矿已试验成功并用于生产。该矿有两套充填系统:棒磨砂胶结充填系统和块石破碎及转运系统。地表设采石场,岩石破碎后用皮带输送到充填井上口,同时棒磨砂和水泥混合料浆用管道输送到天井口,砂浆与块石同时连续下料,两者在料堆斜面上滚动、混合、渗透,形成胶结充填体。

块石胶结充填生产能力大,块石用皮带输送,料浆用管道输送便于计量,充填体强度高,成本比混凝土充填低。该技术最适宜空场法嗣后充填,也可用于分段充填和处理采空区。

2.2.3高浓度全尾砂胶结充填

高浓度全尾砂胶结充填工艺是以物化力学和胶体化学理论为基础,直接采用选厂的尾砂矿浆,经脱水装置获取含水率20%左右的湿尾砂滤饼,通过强力机械搅拌装置,将全尾砂与适量的水泥和水混合制备成高浓度均质胶结充填料,以管道输送宾汉流体的方式或膏体泵压输送方式充入采空区,形成高质量充填体。凡口铅锌矿是我国利用尾砂胶结充填最早的矿山,先后建设了几套尾砂胶结充填系统。为解决尾砂不足和充填浓度低等问题,进行了高浓度全尾砂胶结充填试验,现已推广应用

2.2.4高水速凝固化胶结充填

高水速凝固化胶结充填技术是充填技术的新发展,在我国研究、设计单位和矿山企业的共同努力下,已在许多矿山试验成功和应用,如招远金矿、龙首矿、栖霞山铅锌银矿、大厂矿务局、鸡冠嘴金矿、凡口铅锌矿、焦家金矿、富家矿等。高水充填材料有双浆和单浆两种。高水速凝固化充填最突出的特点是初凝快、充填体早期强度高,充填体不收缩、不泄水,破坏后有自愈能力。最适宜浇注上向分层充填法的工作面地板,可缩短采场循环周期,提高开采强度。存在的主要问题是高水材料价格比普通水泥高30%～50%,而且特种水泥厂数量少,在全国的布局也不均衡,存在供货、运输和储存问题。

2.2.5全尾砂细石膏体泵送胶结充填

这种新工艺的实质是将尾砂或其它用作充填的骨料经浓密机浓缩和真空过滤机过滤后,形成浓度达85%左右的膏体,再用往复式活塞泵经管道压送到待充地点。金川公司为解决全尾砂高浓度输送问题,进行了全尾砂细石膏体泵送充填试验,并获得成功。该工艺是将全尾砂经高效浓密机和过滤机浓缩成含水率为22%的滤饼,再用高效搅拌机与水泥、细石和水混合,形成浓度为75%～76%的膏体,用PM泵经管道输送到采空区。这种充填工艺特点是充填体不脱水,加上细石骨料,充填体强度高。由于采用泵压输送,不受充填倍线限制,水平输送距离长。存在的主要问题是PM泵尚需从国外引进,全尾砂脱水设备多,初期投资大,目前仅适用于大型矿山推广应用。

3.未来发展趋势改进方向：

（1）虽然充填采矿法具有很多的优势，但是采矿成本较高一直困扰其发展。胶结充填采矿中，充填费用一般占采矿总成本费用的20％左右，有的甚至高达40％。例如，金川镍矿充填成本就占到了采矿总成本的1／3，而充填成本中充填材料的费用占85％以上，其中水泥成本占总充填材料成本的40％～50。因此降低充填成本主要途径就是开发研制能够取代水泥并且低成本、高强度的新型充填胶凝材料。通过十多年的研究，虽然取得了大量高水平的研究成果，但是国内外的许多资料表明，我国目前采用胶结充填时的水泥消耗量远高于国外，因此仍有很大的改善空间。

（2）继续研制与现有工艺配套的高效充填设备,在提高充填作业机械化、自动化程度的同时,促进充填工艺进一步改进,全面实现充填参数自动检测、分析与控制,确保充填体质量达到设计标准。

（3）进一步完善膏体泵送充填技术,彻底解决盘区进路机械化充填采矿法中进路充填接顶的问题,以实现高效采矿。

（4）有利于环境保护的全尾砂胶结充填技术受到普遍重视,其工艺进一步完善后,将得到大范围推广应用。

参考文献：

[1]夏长念,孙学森.充填采矿法及充填技术的应用现状及发展趋势[J].中国矿山工程,2014,43(1):61-64.

[2]张士岭.矿山充填技术及其发展方向[J].煤炭科技,2011(2).

[3]吕辉,陈广平.矿山胶结充填技术述评与展望[J].现代矿业,2004,20(10):1-2.

[4]彭怀生,古德生.充填采矿法的技术评价及对冬瓜山矿充填开采的设想[J].矿业研究与开发,1997(4):8-12.

[5]陈偶,乔登攀,张国龙,etal.现代矿山充填采矿法浅析[J].矿冶,2013,22(3).