試析充填采礦技術的應用

張振海

[摘要]礦產資源開發過程中會產生大量的固體廢料，堆放地表易造成嚴重污染，誘發泥石流、尾礦潰壩等事故，目前必須發展綠色采礦，而充填采礦工藝是綠色采礦的主體支撐技術。

[關鍵詞]資源；綠色采礦；采空區；充填采礦

[中圖分類號]G71 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0425-02

前言

我國已進入礦產資源消耗的高峰期，而采礦業面臨深部巖爆、沖擊地壓等地質災害問題；地表下沉、塌陷等生態環境問題；生產能力、生產成本等技術經濟問題。由于大量工業廢水、廢料、廢氣的排放造成了自然生態環境的惡化，人們越來越認識到加強礦山環保和礦產資源綜合利用的重要性，迫切需要實現綠色采礦，而充填采礦工藝便是綠色采礦的主體支撐技術。

1 我國目前資源開采存在的問題

1.1 資源浪費與不足

有色金屬礦床大多是多金屬礦床，伴生許多種有用礦物，其綜合回收是關鍵。美國、日本的銅、鉛、鋅、鎳等多金屬礦山綜合利用率為76%～90%；前蘇聯的胡杰斯克礦回收了銅、鋅、鎘、鈷、鐵、硫、碲、硒等8種有用成分，利用率為87%以上。而我國的綜合利用水平還很低，大約在35%左右。

另外，我國還面臨資源不足，從總體上看，我國礦產資源總量較豐富，居世界第三位，但是人均占有量遠低于世界平均水平。在45種主要礦產資源中，我國人均儲量僅居世界第80位，只達到世界平均水平的58%，目前能夠滿足國民經濟發展需要的礦產資源僅有20多種，金屬礦產資源缺口達到約24L噸。

1.2 地下開采引起的地面變形和塌陷

我國大多數是地下礦山，由于地下進行大面積開采、挖掘，往往形成較大的采空區。一旦采空區放頂后，采空區上部的巖層便形成冒落帶、裂隙帶和變形帶，造成地面沉降，地表形成低洼地。隨著地下開采強度和廣度的擴大，地面變形和塌陷的危害不斷加劇，目前地面塌陷已在我國23個省區發現了800多處，塌陷坑約3萬多個，全國每年因地面塌陷造成的經濟損失約10多億元。

1.3 礦山廢石和尾礦對環境的影響

無論是地下還是露天開采，都會產生大量廢石；選礦過程則會產生大量的尾礦。據估計，由礦業生產所排放的工業固體廢棄物占到了全國工業固體廢棄物排放總量的80%，僅金屬礦山排放堆積的廢石和尾砂就已超過50億t，并且每年以4-5億t的排放量劇增。廢石和尾礦對環境的影響主要表現在以下幾個方面：

（1）固體廢料往往就地堆放，不可避免地要覆蓋農田、草地或堵塞水體，從而破壞生態環境。

（2）某些廢石堆或尾礦場會不斷溢出或滲濾析出各種有毒有害物質，污染大氣、地下或地表水體。

2 綠色采礦模式與充填技術

本世紀初，錢鳴高院士及其研究團隊提出了煤炭綠色開采的理念并構建了綠色開采技術框架。綠色采礦模式，就是最大限度地減少廢料的產出、排放，提高資源綜合利用率，減輕或杜絕礦產資源開發的負面影響的采礦模式。

符合科學發展觀的綠色采礦應基本滿足資源綜合利用效率高、廢料排放最小、地表不受破壞三要素。在目前眾多的采礦方法中，充填采礦工藝是綠色采礦的主體支撐技術。

3 充填采礦的優勢

3.1 降排功能

充填采礦的作用和意義已遠遠超出了礦山開采的范疇。在世界上已經出現了少數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路，不再有尾礦排棄到尾礦庫；在一些風景名勝區、自然保護區內采礦，如奧地利的布萊堡鉛鋅礦，我國南京棲霞山鉛鋅銀礦等。勿庸置疑，這類礦山開采的首先條件是能否將大量工業固體廢物回填到地下。

大量處理工業固體廢料將是礦山今后設計優先考慮的重要任務，是解決礦區環境污染問題的最好方法。

3.2 消除地表變形及下沉功能

利用充填技術快速、有效地充填采空區，可以及時支撐采空區圍巖，阻止和抵抗圍巖進一步變形，防止大幅度的位移發生；通過充填可以快速形成新的工作面，為后續作業創造條件，縮短采充循環周期，提高采礦綜合生產能力；充填采礦技術可以有效地阻止巖層發生大規模移動，實現水體下、建筑物下采礦，同時保護了地表不遭破壞，維持原有的生態環境。

3.3 低貧損開采功能和遠景資源保護功能

充填采礦技術可以應用到水平礦體、緩傾斜礦體、急傾斜礦體、分枝復合礦體等各種復雜多變的礦體，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；充填采礦技術可以對某些需要優先開采下部或底盤富礦的礦山實現“采富保貧”而不會造成礦產資源的破壞和損失；廢石、尾礦、廢碴仍含有當前技術不能回收的有用物質，置于地表難以長期保存，充填也是一種最為可靠的保護方式。

4 常用的充填采礦技術

隨著回采和充填工藝逐漸完善，采裝設備配套成型，適合不同礦床開采條件的各種充填采礦法，如分層充填法、分段充填法和階段充填法等具有高回收率、低貧化率的優點，提高了采場產量和勞動生產率，應用前景日趨廣泛。

4.1 盤區高分層充填采礦技術

傳統分層充填采礦工藝的分層高度一般在2-3m左右，生產能力和生產效率較低。凡口鉛礦盤區機械化高分層充填采礦法，盤區沿礦體走向布置，盤區內劃分為礦房、礦柱。第一步回采礦房，回采后尾砂膠結充填；第二步回采礦柱，，回采后尾砂充填。采場分層高度達到4.5-5m，運用上向鑿巖采礦工藝、分層采場一次微差爆破與界面控制爆破技術，從鑿巖到出礦全盤大型無軌機械化配套作業，實現分層充填采礦法集中強化采礦，標準盤區（3個采場）的生產能力達到840 t/d，顯著提高了生產能力和生產效率。

4.2 點柱充填采礦技術

點柱式充填采礦法實質上是房柱采礦法和充填采礦法的結合，兼有房柱法生產能力大和充填法有效控制地壓的優點。主要適用于厚度大于8m以上的緩傾斜或傾斜厚大礦體，礦山要求較大的生產規模，礦石價值較低或品位相對較低，可避免二步驟回采間柱。

4.3 分段充填采礦新技術

將暴露面積較大的分層采場轉變為矩形斷面結構，大幅度縮小采場暴露面積，可以在礦體不太穩固的條件下實行高效率充填和無礦柱連續開采。豐山銅礦將中段劃分為10m高度的分段，在各分段布置采場進行采礦與充填作業，分段采場垂直礦體走向布置，可在中段內呈梯狀多分段布置采場。回采與充填作業在分段采場內按采礦步距交替進行。在巷道內進行鑿巖、出礦和充填作業；上向中深孔擠壓充填體爆破，放礦形成采空區后立即進行膠結充填。臺車鑿巖，鏟運機出礦和運料充填，推卸式鏟運機充填接頂，實現了采、出、充作業全盤無軌機械化。

4.4 大直徑深孔嗣后充填采礦技術

由高效率的落礦技術與階段嗣后充填工藝相結合，既發揮了充填采礦法的優點，又能實現高效率、大規模地下采礦。采用大孔距小抵抗線爆破、小斷面VCR法掏槽、倒梯段側向崩礦、水孔排水氣囊和水孔裝藥工藝。在安慶銅礦成功應用120m高階段大直徑深孔采礦工藝。通過鏟運機平底出礦，遙控鏟運機回收殘礦，采空區嗣后高濃度尾砂膠結充填等工藝的集成，使采場綜合生產能力達到1039 t/d，大量出礦期間平均生產能力達2418 t/d，采礦工效達67.4 t/工班，主要技術經濟指標接近國際先進水平。

5 結論

為保證我國礦產資源的正常需求，必須發展綠色采礦模式，綠色無廢采礦技術已納入我國中長期科技發展規劃，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，無廢、少廢采礦工藝技術的創新及其技術的工程化集成配套，將成為我國礦山技術的主要發展方向。

參考文獻

[1]喬登攀，程偉華《現代采礦理念與充填采礦》有色金屬科學與工程，第2卷第2期

[2]張世雄，褚洪濤《我國金屬礦山地下采礦的技術進步》礦業研究與開發，第9卷第3期