我國礦產(chǎn)資源充填技術(shù)及綠色開采方式研究

李 雷

（冀中能源股份有限公司邢臺礦，河北 邢臺 054000）

礦產(chǎn)資源作為工業(yè)化發(fā)展過程中必不可少的能源之一，在給社會發(fā)展提供助力的同時，其開采過程也給環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的損害。在過去對礦產(chǎn)進(jìn)行開采過程中，由于環(huán)保理念的缺乏，導(dǎo)致施工工程所在區(qū)域周邊都產(chǎn)生了較大的污染。而且不合理開采技術(shù)的使用還會致使地面塌陷、地表裂縫等情況，不僅影響周邊地表建筑的安全，還極易引起水土流失等問題，嚴(yán)重影響了人們的生存環(huán)境。基于此，必須要對礦產(chǎn)資源開采技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，堅持綠色開采理念，創(chuàng)新開采技術(shù)，保證可持續(xù)發(fā)展。而充填開采技術(shù)就是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生的，且經(jīng)由此技術(shù)的應(yīng)用，不僅極大地提升了對礦井廢料的利用效率，減少了對環(huán)境的污染，還在一定程度上減少了對環(huán)境的破壞。

1 礦產(chǎn)充填開采技術(shù)類別

在對礦產(chǎn)資源進(jìn)行開采過程中，首當(dāng)其中要面臨的就是污水的排放問題，若未能做好對這些污水的有效凈化，污水在排放出來后必然會對地表以及地下水源造成污染。再加上過去在對礦產(chǎn)資源進(jìn)行開采時所應(yīng)用的機(jī)械也較為落后，因此伴隨著開采的不斷深入，其所排放出的污染氣體也逐漸增多，給工程周邊的居民造成了諸多困擾?；诖?，對于開采企業(yè)而言，必須應(yīng)當(dāng)在開采方式上有所改進(jìn)，通過開采技術(shù)的不斷提升以及結(jié)合先進(jìn)開采設(shè)備的使用，來保障周邊的生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。

充填開采其實(shí)就是指通過才礦產(chǎn)采空區(qū)填入粉塵、河砂以及矸石等，來減少地面因采出而導(dǎo)致的變形，避免地面下沉的一種技術(shù)措施。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以有效減少工作面的壓力，對資源的回收率較高，且對于開采所產(chǎn)生的廢料，在礦井內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)處理，因此可極大地減少對環(huán)境的污染[1]。

1.1 采礦充填開采技術(shù)分類

當(dāng)前現(xiàn)有的采礦充填開采技術(shù)主要有如下三類，第一類的主要依據(jù)充填材料進(jìn)行劃分，如可分為矸石充填、高水充填以及廢棄物充填等。其中矸石充填主要是指將矸石破碎后直接填充入采空區(qū)；而高水充填則主要是通過將石灰及石膏等進(jìn)行混合制成高水后進(jìn)行充填的方式，最后廢棄物充填，顧名思義就是指采用廢棄的石料或建筑廢料等作為采空區(qū)的填充料。第二類則主要依據(jù)填充材料的含水量來進(jìn)行劃分，如可分為固體填充、膏體填充以及漿料填充等。這三種填料的含水量依次遞增，其中填充物為漿料時其填充物的含水量均超過50%。最后則是根據(jù)充填工作開展過程中所需要的動力源來進(jìn)行劃分，具體可分為自流充填、機(jī)械充填以及泵送充填等。其中，自流充填就是指依照填充物的自身重量來實(shí)現(xiàn)對填充物的運(yùn)輸及充填；而機(jī)械充填則指需要借助于傳送帶等機(jī)械來實(shí)現(xiàn)填充物料的傳輸及充填。最后則是泵送充填，也即通過將物料制作成為漿料，之后采用特定的傳送泵來完成運(yùn)輸及充填。

1.2 常見的采礦充填開采技術(shù)

當(dāng)前較為常用且常見的采礦充填開采技術(shù)主要有如下四中，分別為礦矸石充填開采、膏體充填開采、超高水充填開采以及高濃度膠結(jié)充填開采等。其中對于前三種充填開采技術(shù)，均是依據(jù)其充填物料的成分來進(jìn)行命名的，其所運(yùn)用的原理也較為簡單。最后則是一種較為新穎的采礦充填開采技術(shù)，其優(yōu)勢在于不僅穩(wěn)定性較高，其抗壓能力也較大[2]。

1.2.1 超高水充填開采技術(shù)和高水充填開采技術(shù)

超高水充填開采技術(shù)中使用的填充材料主要為燒制礦物質(zhì)以及復(fù)合速凝劑與礦物質(zhì)組成的混合物。在填充過程中，首先將兩種填充料各自加水分別制成漿液，之后將兩種漿液混合后通過管路對工作面采空區(qū)進(jìn)行填充。填充后經(jīng)過一段時間，混合后的漿液就會發(fā)生凝聚及膠結(jié)，并最終形成具備一定強(qiáng)度的填充料。這一方式可以結(jié)合頂?shù)装宓默F(xiàn)狀對初凝時間進(jìn)行初步判斷，同時還能結(jié)合礦層角度的賦存狀況對工作面進(jìn)行不同方式的布置，其中當(dāng)前較為理想的布置為仰斜開采充填。

圖1 超高水充填開采

在進(jìn)行高水充填開采時主要使用的材料以沙、赤坭以及尾礦等為基料組合而成的硅質(zhì)材料，以及膨脹劑和石灰等輔料。將輔料與基料加水進(jìn)行混合后制作出含水量在50%以上的充填料漿。此料漿的特點(diǎn)在于其具備較高的流動性以及較強(qiáng)的抗壓性，而且還具備較為適宜的膨脹性。而在對其工作面進(jìn)行布置時，其布置方式與超高水充填開采較為相似。

綜合相關(guān)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用如上兩種充填開采技術(shù)，不僅經(jīng)濟(jì)效益高，節(jié)省開采成本，而且作業(yè)方式還具備較高的自動化水平，發(fā)生故障的概率較低。然而其不足之處在于由于填充漿液含水量均較高，因此較之于傳統(tǒng)的充填方式，其所需要的凝固時間較長，因此在生產(chǎn)效率上有所下降。此外，采用此充填方式還對作業(yè)區(qū)域的充填空間具有較高的要求，尤其是對近水平礦層，其適應(yīng)性較弱，施工后需要長期進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

1.2.2 膏體充填開采

在進(jìn)行膏體充填開采時，所采用的充填材料主要為礦井內(nèi)的水、粉塵、矸石粉以及一些膠固材料等。在充填是需要首先在地面指定位置處布置充填站，之后需要將充填物料進(jìn)行破碎及攪拌使之成為膏狀；其次則需要在礦井設(shè)置相應(yīng)的充填管路，并在地面進(jìn)行鉆孔的方式實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)的充填。在膏體充填開采中，還有一種技術(shù)為似膏體充填開采，這一技術(shù)所使用的充填物主要為礦井水、添加劑以及破碎后的矸石。在充填時需要在礦井內(nèi)首先將原生矸石進(jìn)行破碎，之后再與水及添加劑進(jìn)行混合攪拌，最后通過泵送劑管道加壓的方式實(shí)現(xiàn)充填。而通過在似膏體中加入適量膨脹劑還能使得充填物凝固之后產(chǎn)生一定的膨脹效果。

兩種充填開采技術(shù)對比而言，其優(yōu)勢在于可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)對采礦中的粉塵以及矸石等物料的回收利用，充填成本也較低，且在充填物料凝固后期強(qiáng)度也較高，便于控制。但其缺點(diǎn)在于所消耗的時間較長，制約了采礦生產(chǎn)效率的提升。其次則是在物料的管理上也存在較大的難度，應(yīng)當(dāng)時刻避免物料在運(yùn)輸過程中發(fā)生凝固[3]。

1.2.3 礦產(chǎn)中矸石充填開采技術(shù)

礦產(chǎn)中矸石充填開采技術(shù)主要有如下三種技術(shù)形式，首先是原生矸石普采技術(shù)，這一技術(shù)在操作上較為簡便，且對于裝置的數(shù)量要求較少，較多用于高檔普采及炮采中。充填所用的原生矸石通過皮帶實(shí)現(xiàn)自動化充填；而與矸石普采充填不同，綜采充填主要采用綜采支架后懸掛底槽可抽拉的刮板輸送機(jī)以及壓實(shí)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對矸石的充填，其工作效率更高。最后是矸石低壓風(fēng)力充填技術(shù)，這一技術(shù)與泵送充填較為相似，都是借助管道來實(shí)現(xiàn)對充填物料的輸送，最長可輸送距離為1400m。

圖2 矸石充填開采示意圖

1.2.4 高濃度膠結(jié)充填開采技術(shù)

在這一充填開采技術(shù)中，充填物料主要為膠結(jié)填充材料，其來源較為廣泛，并且較之于傳統(tǒng)的活性凝膠材料，其物理性能更加優(yōu)越，并能實(shí)現(xiàn)對開采環(huán)境的進(jìn)一步保護(hù)。其中當(dāng)前較為常見的膠結(jié)充填材料主要為礦渣膠結(jié)料、高水固化材料以及赤泥膠結(jié)材料等。

2 綠色開采技術(shù)的運(yùn)用

2.1 綠色開采技術(shù)的重要性

由于在礦產(chǎn)開采過程中必然會伴隨著土壤及矸石的產(chǎn)生，而通過綠色開采可成功實(shí)現(xiàn)對礦產(chǎn)中廢土的回收，降低礦產(chǎn)開采對當(dāng)?shù)赝恋刭Y源的破壞；其次是綠色開采可實(shí)現(xiàn)對地表水資源的保護(hù)；最后則是在開采過程中通過綠色開采技術(shù)可以成功將混合氣體進(jìn)行分離，并實(shí)現(xiàn)對有害氣體的回收及分類，且可對其排放進(jìn)行控制以減少對大氣的污染，并減少周邊酸雨的形成?？偠灾?，通過綠色開采的使用可以從源頭上減少有害氣體的排放，保護(hù)大氣環(huán)境。

2.2 采礦過程綠色開采技術(shù)及應(yīng)用

2.2.1 分層注漿開采技術(shù)及應(yīng)用

通過分層注漿機(jī)充填可以有效避免礦場以及周邊土地資源的破壞，通過配合適宜的礦路支護(hù)技術(shù)，可以保護(hù)礦層，凈化空氣以及減少矸石排放的目的。而且通過將礦產(chǎn)周邊進(jìn)行注漿機(jī)離層充填后，還能避免礦山地面塌陷情況的發(fā)生。

2.2.2 礦產(chǎn)資源與有害氣體共采技術(shù)

這一技術(shù)主要是指在開采時，通過采取相應(yīng)措施來對抽采技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體措施主要有，首先是通過采用高分辨率地震勘探技術(shù)，將開采區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況以及礦層分布情況進(jìn)行呈現(xiàn)后，對礦層厚度進(jìn)行預(yù)測，之后再結(jié)合勘探結(jié)果對開采區(qū)內(nèi)有害氣體的分布情況及含量進(jìn)行預(yù)測，指導(dǎo)后期的共采實(shí)施；其次是通過設(shè)置分區(qū)，開提升井下工作的安全性，減少開采工程量及成本，縮短工期。最后未在最大程度上減少工作面的搬家情況，可以在對采取進(jìn)行劃分時擴(kuò)大采取面積，此外還可以在礦層的頂?shù)装逯胁贾孟锏酪灾τ泻怏w的抽采。

2.2.3 支護(hù)技術(shù)減少矸石排放

由于矸石的排放會對周邊環(huán)境造成影響，因此可在礦層之中設(shè)置相應(yīng)的巷道以減少矸石的排放，然而由于巷道周邊圍巖經(jīng)常會出現(xiàn)較大程度的變形，因此在進(jìn)行充填是可結(jié)合使用可縮性支架以及在巷道旁進(jìn)行充填的方式。但這一技術(shù)的應(yīng)用難度較大，且尚不成熟。

2.2.4 礦產(chǎn)資源地下氣化技術(shù)

這一技術(shù)主要通過熱化學(xué)反應(yīng)將礦產(chǎn)資源轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，如此一來不僅可以有效改善采礦的作業(yè)環(huán)境，還能在一定程度上減少礦產(chǎn)資源對外界環(huán)境的影響[4]。

3 結(jié)語

伴隨著礦產(chǎn)開采過程中各種問題的發(fā)生，充填開采以及綠色開采必然會成為開采的主流趨勢。然而針對不同的礦體而言，在開采過程中應(yīng)當(dāng)因地制宜采取適宜的開采技術(shù)。因此，開采企業(yè)也應(yīng)當(dāng)重視對開采技術(shù)的創(chuàng)新及改進(jìn)，從而在提升自身競爭力的同時也能提升開采工作的安全性及高效性。經(jīng)由開采實(shí)踐及相關(guān)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，充填開采技術(shù)的使用不僅可以有效節(jié)約開采成本，還能進(jìn)一步提升礦產(chǎn)開采企業(yè)的生產(chǎn)及管理水平，提升礦產(chǎn)開采效益，并助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益及社會效益的雙豐收。