同步充填采礦技術理念及一種代表性采礦方法

陳慶發，陳青林(廣西大學資源與冶金學院，廣西 南寧 530004)

采選技術

同步充填采礦技術理念及一種代表性采礦方法

陳慶發，陳青林
(廣西大學資源與冶金學院，廣西 南寧 530004)

在無廢開采與協同開采2種理念的指導下，區別于傳統的嗣后充填，在空區空間尚未全部釋放時，將空區部分空間先行作為轉換空間，將充填工藝前移至出礦工藝環節同步進行實施，從而創新提出“同步充填”采礦技術理念。在同步充填理念的指引下，通過吸收充填采礦技術優勢，對淺孔留礦法采礦工藝進行二次創新，提出了大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦法。新采礦方法防止了圍巖大量片落，控制了礦石貧化率和損失率，提高了礦石回收率，限制了地表沉陷；同時，新方法還為隔離層作用下放礦規律研究提供了契機，促進了放礦學理論的新發展。

同步充填；協同開采；技術理念；采礦方法

隨著國民經濟的發展，可持續發展的理念深入人心，資源節約與環境保護受到了全人類的特別關注[1-2]。

礦業在可持續發展理念指引下，采礦工藝正朝向安全、高效、無廢、綠色、協同等方向發生深刻變革，國內外學者不斷提出了一些新興的采礦技術理念與理論，如無廢開采、連續采礦、綠色開采、采礦環境再造、協調開采、協同開采等[3]。

1 同步充填理念的提出及內涵

1.1 理念基礎

構成同步充填理念的基礎主要有無廢開采與協同開采理念，2種理念具體表述參見文獻[4]和文獻[5]。

1.2 技術背景

充填工藝是隨著礦床回采工作面的持續推進，逐步將充填物料填充采空區，利用充填物料的物理力學性質支撐兩幫圍巖、控制巖移，防止圍巖片落、塌落。

傳統的充填主要指的是嗣后充填，又稱事后充填，指的是在礦房出礦結束后(即采空區空間全部釋放后)再實施的充填工序。

轉換空間是采空區協同利用模式之一[6]。該模式將采空區看作為某一空間進行置換利用，直接將礦山產生的固體廢料充填至井下空區。

轉換空間空區協同利用不僅解決了這些廢料的排放堆積問題，而且強化了工程穩定性。因此，資源回采與轉換空間利用同步技術是地下礦山采礦技術發展的主要方向。

1.3 同步充填理念

將無廢開采與采空區協同利用(轉換空間利用)2種技術思想相結合，區別于傳統的嗣后充填，同步充填是指在空區空間尚未全部釋放時，將空區部分空間先行作為轉換空間，將充填工藝前移至采場出礦工藝環節同步進行實施，從而創新提出“同步充填”理念。

1.4 新理念提出的意義

1)新理念可以看作是協同開采理念的重要組成部分，是協同開采理念的新發展。

2)新理念持續改變與改進傳統采礦技術認知，不斷促進采礦技術進步。

3)新理念可能激發采礦技術人員的創造性思維，研發出系列具有同步充填性質的本質安全型采礦方法。

4)新理念有利于促進礦山環境保護與地質災害防治，甚至將二者有機結合。

2 一種代表性采礦方法

2.1 問題的提出

淺孔留礦法是空場采礦法的一種，主要適用于開采礦石穩固和圍巖中等穩固、礦石不結塊不自燃的急傾斜薄至中厚礦體，在我國金屬礦山得到廣泛應用。

在應用淺孔留礦法分層向上回采時和局部放礦時，有限的暴露面積下沒有發生圍巖片落和大范圍巖移的空間與現象。而當大量放礦時，由于圍巖暴露面逐漸增加超過了極限暴露面積，往往引起圍巖大量片落與圍巖大范圍巖移的現象，不但造成礦石貧化、漏斗堵塞，而且還有可能造成地表沉陷，破壞地表生態環境。

上述2種現象使人們有理由認為有限的空區暴露面積與暫留礦石的共同作用有利于支撐兩幫圍巖。這為大量放礦時采用同步充填技術來控制圍巖暴露面積從而控制大規模巖移和地表沉陷提供了思想基礎。

2.2 新采礦方法的提出

為了解決上述問題，筆者在無廢開采、協同開采2種理念指導下，通過吸收充填采礦技術優勢，對淺孔留礦法采礦工藝進行二次創新，于2010年提出一種大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法，其標準圖見圖1。

圖1 大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法圖

新采礦方法2012年8月獲國家發明專利授權，申報的《柔性隔離層作用下散體介質流理論研究》課題2014年獲國家自然科學基金資助。

新采礦方法詳細介紹見文獻[7]。

2.3 新采礦方法具體實施步驟

1)根據擬采礦床勘探程度、圍巖穩固情況、礦體傾角、埋深等因素，將急傾斜薄至中厚礦體自上而下劃分出若干階段，階段內基于礦石和圍巖的穩固性，計算出頂柱的極限暴露面積，再沿走向劃分出若干礦塊。為更好地控制礦石溜出率，與常規留礦法相比，階段高度和礦塊長度一般取值略小一些。

2)礦房內礦石連同頂柱一起按傳統留礦采礦法由下而上逐層回采，不留頂柱。

3)大量放礦前在留礦堆上表面鋪設柔性隔離層。柔性隔離層從下之上由雜草、麻袋片和防滲土工布等三層組成，或由廢舊橡膠片等材料層構成。柔性隔離層主要作用起到隔離礦石與充填料，防止干式充填料大幅度混入礦石的作用，從根本上降低礦石貧化率。

4)大量放礦時，從回風巷道下放塊度適中的干式充填料，并由人工或者電耙的方式對干式充填料進行平場作業。干式充填料可以是廢石、尾砂或戈壁集料。有條件情況下，與礦石塊度與密度相差不多的充填料優先選用。

5)借助振動放礦機配合重力放礦，使充填料與礦石同步均勻下沉；通過調整礦石溜出率和充填料下放率，嚴格控制圍巖暴露面積，充分發揮充填料的支撐作用，避免圍巖大規模移動和地表沉陷，降低礦石貧化率和損失率。

6)礦石全部放出，充填料充滿采場空區。

2.4 新采礦方法的優缺點分析

1)優點。①對傳統淺孔留礦法進行了改進，使大量放礦與充填同步進行，避免了因圍巖大面積暴露而造成礦石貧化、漏斗堵塞，以及圍巖大范圍移動、地表沉陷等缺陷。②通過發揮充填體對圍巖的支撐作用，拓展了留礦法的應用范圍。借助振動放礦機配合重力放礦，保持礦石溜出率和充填料下放率協調一致。③由于不留頂柱，提高了礦石回收率。④工藝簡單、便于工人掌握。

2)缺點。①新采礦方法要求散體礦石同步下沉，給放礦管理帶來了難度。②隔離層存在采場中，造成了一定的材料損失。③鋪設隔離層工藝要求相對較高，需要防止大量放礦時充填廢石與下部礦石的混合。

2.5 新采礦方法提出的意義

1)防止了圍巖大面積冒落后混入采場礦石，有力地控制了礦石貧化率，有效地提高了礦石回收率，實現了對地表大規模沉陷有效控制；同時，有利于礦山廢料排放促進礦區綠色開發。

2)新方法不僅改善了地下采礦環境，同時還保護了地表環境，是解決當前我國礦山開采中環境問題的途徑之一。

3)隨著礦產資源的大量消耗，及金屬價格上升及選礦技術水平的提升，如果充填的廢石中金屬含量達到了盈利點，將來可能再造一座地下礦山。

4)由于隔離層的存在，散體礦石流動規律不同于傳統放礦規律，使用經典放礦學理論已不能精確描述。開展全新的柔性隔離層作用下散體介質流基礎理論研究對于完善放礦學理論具有重要意義。

2.6 新采礦方法應用展望

一種新采礦理念及采礦方法從提出到工程屆大量推廣應用，往往需要5～10年的時間，甚至更長的時間才能不斷發展成熟并成功應用。

目前，該采礦方法正在國家自然科學基金項目(編號：51464005)的資助下開展扎實的實驗室及基礎理論研究，課題組亦正在努力尋找企業開展應用洽談。相信不久的將來，人們定能將理論應用于實踐。

3 結 論

1)在無廢開采與協同開采2種理念的指導下，將充填工藝前移至出礦同步進行，提出了“同步充填”采礦技術理念。

2)在同步充填理念的指引下，通過吸收充填采礦技術優勢，對淺孔留礦法采礦工藝進行二次創新，提出了大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦法。

3)大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦法的提出，為隔離層下放礦規律研究提供了契機，促進了放礦學理論的新發展。

4)同步充填理念可能會激發采礦技術人員研究出更多具有采場同步充填性質的本質安全型采礦方法，推動采礦技術的進步。

[1] 古德生，李夕兵.現代金屬礦床開采科學技術[M].北京：冶金工業出版社，2006：66-86.

[2] Bruno Milanez，Jose Antonio Puppim de Oliveira.Innovation for sustainable development in artisanal mining：Advances in a cluster of opal mining in Brazil[J].Resources Policy，2013，38(4)：427-434.

[3] Guo L Y，Ren Z Y.The causes of land landscape changes in semi-arid area of northwest China：a case study of Yulin city[J].Journal of Geographical Sciences，2006，16(2)：192-198.

[4] Bruce Finnie，Jeffrey Stuart，Linda Ginson，etal.Balancing environmental and industry sustainability：A case study of the US gold mining industry[J].Journal of Environmental Management，2009，90(12)：3690- 3699.

[5] 陳慶發，蘇家紅.協同開采及其技術體系[J].中南大學學報:自然科學版，2013，44(2)：732-737.

[6] 陳慶發，周科平，古德生，等.采空區協同利用機制[J].中南大學學報:自然科學版，2012，43(3):1081-1086.

[7] 陳慶發，吳仲雄.大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法.中國，201010181971.2[P].2010-10-20.

Synchronous filling mining technology idea and a kind of representative mining method

CEHN Qing-fa，CHEN Qin-lin

(College of Resources and Metallurgy，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Under the guidance of two ideas that are non-waste mining and synergistic mining which differ from the traditional synchronous filling，when the space of gap has not been released，making partial space of gap act as transformation space in advance and explanting the filling technology to the front part of ore drawing process so that they can be simultaneously implemented，the “synchronous filling” mining technology idea is creatively derived.Based on the guidance of synchronous filling idea，through absorbing the advantages of filling mining technology so as to secondly innovate the mining process of short-hole shrinkage stoping method，a new method of “ore drawing largely，synchronous filling and non-top-pillar shrinkage stoping method” was put forward.This new mining method can prevent the surrounding rock from dropping，control the ore dilution ratio and loss rate，improve the ore recovery rate，restrict the surface subsidence.Meanwhile，this new method not only provides an opportunity for the regular pattern of ore drawing under the action of isolated layer but also promotes the new development of ore drawing theory.

synchronous filling；synergistic mining；technology idea；mining method

2015-06-18

國家自然科學基金項目資助(編號：51464005)

陳慶發(1979-)，男，博士，2002年畢業于南方冶金學院采礦工程專業，教授、碩士生導師，主要從事采礦工程方面的教學與研究工作。E-mail：chqf98121@163.com。

TD851

A

1004-4051(2015)12-0086-03