采礦工程充填技術的應用與發展

摘要：隨著我國采礦工程的廣泛開展，充填技術日益進步。在采礦過程中應用充填技術可顯著提升采礦率，維護生產的安全與穩定。為此，對充填技術理論與應用進行深入研究，完善理論體系，提高采礦的經濟效益，對于推動采礦工程的進步與發展有積極意義。本文就采礦工程充填技術的應用與發展進行探究，首先分析了充填技術的概念、優勢和分類，其次結合實例對充填技術的應用進行論述，然后提出該技術未來的發展重點，旨在為采礦業提供參考。

關鍵詞：采礦工程；充填技術；應用與發展

引言

我國礦業的快速發展對相關生產技術提出了更為嚴格的要求，傳統技術已經不能滿足生產要求。面對競爭激烈和復雜的生產環境，礦業企業應當充分利用技術優勢，提高生產效率。與傳統采礦技術相較，充填技術優勢突出，可提高地層的穩定性，有效避免塌陷問題。同時，該技術有利于礦產資源的回收與利用，經濟價值較高。下文對充填技術的應用與發展進行詳細分析。

1.采礦工程充填技術概述

所謂充填技術是指在落礦、搬運和其他作業環節，使用特制的充填材料對采礦區進行充填處理，以提高采礦區的穩定性。當礦區開采難度較大、巖層不穩固時采用該技術，可有效保護周邊的生態環境，維護礦區生產安全。該技術優勢及具體方法如下：一是可顯著減少頂板冒落和片幫等問題；二是涉及切割的工作量較小，操作更為便捷；三是材料成本低，可就地取材，選用現有的自然資源作為充填材料的主要成分。充填采礦法，按照材料可分為以下幾種：

1.1干式充填法

干式充填法是利用礦車、風力等，向采空區運輸廢石及砂石等干式材料，在采場內通過電耙或鏟運機運輸和存放充填材料。應用該法過程中，需提前設置填料井，區域內注意通風粉塵，而后分層充填。該方法應用時間較久，工序繁雜，會產生大量的粉塵，且充填的作業周期長，充填體的強度不高；但該法也有一定的優勢，即成本低，可適用于各類礦體形態。

1.2水砂充填法

水砂充填法是按照一定比例將尾砂、河砂或爐渣等材料與水混合，再通過砂漿泵或者自流的方式運送至指定的井下充填點，實現支撐圍巖和控制地壓的目的。送至采空區內的材料利用自身重力便可沉降，其上層的清水和夾雜的細砂經過過濾后排出。該方法的優點為成本低廉、充填能力強，可以減緩地表下沉；缺點為漿體濃稠，需使用大量的水進行攪拌，充填量和使用范圍有所局限。

1.3膠結充填法

膠結充填法是按照一定比例將河砂、尾砂與普通硅酸鹽水泥等膠結劑混合，制備成濃度較低的漿體或膏體，再通過管道自流或者專業設備直接泵送至井下待填區。該方法的優點為工藝簡單，施工效率高，充填材料強度大；缺點為后期需進行精細養護，施工成本高，同時階段間柱回采難度大，尾砂等資源的回收利用率低。

1.4膏體充填法

膏體充填法是將一種或者是多種材料，如尾砂、河砂、粉煤灰或膠結料等，按照一定比例與水混合，制備成無須脫水且無臨界流速的牙膏狀漿體，再使用專用的大型工業泵將膏體通過管道運送至井下采空區。作業流程如圖1所示。該方法的優點為對于尾砂的利用率較高，生產過程中不會生成有毒物質，使用的水泥量較少，施工成本低；缺點為施工中涉及設備的工序較多，為保證正常生產，還需對設備進行養護。

2.實例探析采礦工程充填技術的應用

2.1工程概況

某采場礦體走向南東，傾向南西—南，∠70°～75°，礦體厚度為20m～30m；場區內的礦巖普氏硬度系數為6～8，礦石的比重為2.62t/m3。設計初期，經前期勘測，為保證采礦安全，計劃采用分段崩落嗣后膠結充填采礦法。采場按照垂直礦體的走向進行布設，寬度為12.5m，預柱預留5m，各分段的高度控制在12m左右，底部為塹溝出礦。中深孔爆破采礦階段，采用拉槽爆破法。如圖2所示。當底部結構可出礦后，按照從上至下的順序超前爆破，構建梯形爆破空間。采礦工作結束后進行膠結充填，當充填體達到設計強度時，便對相鄰采礦進行開采。此時充填體可起人工礦柱的作用，也可有效抵御相鄰采場爆破作業引發的擾動。該礦區采礦作業結束后，進行二步驟膠結充填。

2.2施工設計

該工程中，一步驟為高強度膠結充填，充填體的強度關系著相鄰采場回采的安全性。若充填體的強度超出設計標準則會增加水泥用量，若強度過低則會使二步驟回采的貧化損失率提高。為此，施工單位經從充填體強度、管輸特征、采場充填接頂率和采場脫水量四個方面出發，對充填材料的混合比例進行試驗，試驗結果如表1所示。

參照相關理論，當充填體的自立條件達標后，便可承受上覆巖層的壓力以及相鄰采場爆破造成的擾動。因此，該工程充填體的強度必須>2.1MPa。因采場上覆巖層的巖石結構破碎嚴重，采場設為區域井下充填的工業試驗示范采場。綜合考量，為確保充填施工和采礦作業安全，充填體的設計強度設置為2.69MPa。經試驗最終確定充填體的配比為1∶3.5∶1.5（水泥∶尾砂∶碎石骨料），質量分數為70%，充填體所需水泥量為200kg/m3。

2.3充填效果

在正式開始充填作業前，需先在各分段和底部結構出礦的進路位置，架構充填擋墻，墻體由紅磚砌成，寬度為37cm。擋墻的外側需安裝12號工字鋼，縱橫方向安裝數量為3根～5根，并使用錨桿對工字鋼進行加固。對最終的充填效果進行觀察可知：當膏體到達采場后泌水情況良好，在3d后已呈凝結狀態，擋墻無明顯裂縫變形；對采場上部進行充填時，因為膏體的含水量較低，也未分層，充填體和頂板完全分離，未出現應力集中現象，對于上覆巖層的支撐效果良好。在充填作業中，對充填體進行了現場取樣，并開展了單周抗壓強度測試：3d強度為0.81MPa，15d強度為2.2MPa，28d強度為2.82MPa，符合設計要求。

經初步估算，該礦區采用膏體充填技術后，采區的回采率提高至90%，供礦量達3×104t，貧化率降低至6%～10%。因膏體充填具有泌水率低、強度高等優勢，對于周邊采場的擾動較小，降低了支護成本，噴射混凝土方量和鋼材消耗量也較小。同時，該工程采礦選用隔一采一模式，留設了礦柱，可對二步驟進行回采，采場數量有所增加，井下生產力顯著提升。

3.采礦工程充填技術發展趨勢

3.1完善充填站管理制度

充填站在充填采礦作業流程中是重要的一環，其主要負責采礦相關的調配和管理工作。通常情況下，充填站中配備了專業的機械設備，為充填材料的配置和運送等提供了極大的便利；但是充填站的管理存在諸多缺陷，造成生產過程中材料損壞和設備故障等問題頻發。為此，需注重充填站的管理，建立健全囊括人、物、料的管理制度。對于人的管理，需加強人員的培訓考核，實行專人專崗，將安全生產責任落實至個人，提前排除現場隱患；對于設備的管理，安排專人進行定期檢查和養護，保證設備性能正常，延長使用壽命；對于材料的管理，需注意松散填充材料的檢測和堆放管理，必要時場區內需配置專用的排水系統或其他防護措施，避免材料受潮等。

3.2創新型的充填采礦工藝

作為礦山生產企業，要想在競爭激烈的市場中占據一席之地，必須擁有技術優勢和良好的社會信譽，而技術的創新就意味著企業核心競爭力的提升。從企業發展層面來說，對于工藝的創新，需先對以往的生產資料和工藝體系進行深入探究，準確掌握充填采礦工藝的特點；同時，企業應以地方區域為戰略主要陣地，對當地的礦產類型、地質條件等進行全面調查，為工藝創新提供基礎。例如，厚大礦體所在礦山一般開采難度較大，則優選中深孔和淺孔空場等技術，而充填材料也應選擇高水材料或塊石膠結材料。

3.3加強對新型充填固化材料的研制

充填材料的配制和使用是充填采礦的關鍵所在，使用的材料不合適，最終的充填效果也會有所差異。按照采礦需求科學確定材料混合比例，采用適宜的材料類型，可提升采礦生產效率和采礦質量。隨著采礦技術的進步，新型的充填固化材料應運而生。為保證最終的施工效果，需充分了解充填固化材料的物理特性、具體構成以及骨料的結構等，以發揮材料自身的優勢。新型充填固化材料與傳統充填材料相比，材料強度更高，成本更為低廉。優化材料及其使用方法對于采礦行業的可持續發展具有重要作用。就當前發展現狀來看，市面流通的充填材料多為固化材料，固結速率快，充填體濃度低，具有輕質性、輕便性特征，使用更為便捷，也更適宜于材料遠程運輸。

4.結語

綜上所述，充填采礦技術為采礦工作的主要技術。該技術的有效運用，對于礦區穩定性的維護、資源的利用回收和生態環境維護等，均有積極作用。隨著我國社會經濟的快速發展，對于礦產資源的需求量日益增長，礦山開采周期較長，隨之開采深度也相應增加，這使得充填采礦難度逐漸增加，施工要求更為嚴格。為此，需基于現有的技術水平和采礦工程生產情況，加強技術研發力度，遵循綠色生產理念，在保證采礦效益的同時，維護生態穩定。

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