試析充填采礦技術(shù)的應(yīng)用

張振海

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

[關(guān)鍵詞]資源；綠色采礦；采空區(qū)；充填采礦

[中圖分類號(hào)]G71 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1672-5158（2013）06-0425-02

前言

我國已進(jìn)入礦產(chǎn)資源消耗的高峰期，而采礦業(yè)面臨深部巖爆、沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害問題；地表下沉、塌陷等生態(tài)環(huán)境問題；生產(chǎn)能力、生產(chǎn)成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。由于大量工業(yè)廢水、廢料、廢氣的排放造成了自然生態(tài)環(huán)境的惡化，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到加強(qiáng)礦山環(huán)保和礦產(chǎn)資源綜合利用的重要性，迫切需要實(shí)現(xiàn)綠色采礦，而充填采礦工藝便是綠色采礦的主體支撐技術(shù)。

1 我國目前資源開采存在的問題

1.1 資源浪費(fèi)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(guān)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(lián)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(chǎn)資源總量較豐富，居世界第三位，但是人均占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平。在45種主要礦產(chǎn)資源中，我國人均儲(chǔ)量?jī)H居世界第80位，只達(dá)到世界平均水平的58%，目前能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的礦產(chǎn)資源僅有20多種，金屬礦產(chǎn)資源缺口達(dá)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(shù)是地下礦山，由于地下進(jìn)行大面積開采、挖掘，往往形成較大的采空區(qū)。一旦采空區(qū)放頂后，采空區(qū)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(qiáng)度和廣度的擴(kuò)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(gè)省區(qū)發(fā)現(xiàn)了800多處，塌陷坑約3萬多個(gè)，全國每年因地面塌陷造成的經(jīng)濟(jì)損失約10多億元。

1.3 礦山廢石和尾礦對(duì)環(huán)境的影響

無論是地下還是露天開采，都會(huì)產(chǎn)生大量廢石；選礦過程則會(huì)產(chǎn)生大量的尾礦。據(jù)估計(jì)，由礦業(yè)生產(chǎn)所排放的工業(yè)固體廢棄物占到了全國工業(yè)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(duì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）固體廢料往往就地堆放，不可避免地要覆蓋農(nóng)田、草地或堵塞水體，從而破壞生態(tài)環(huán)境。

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

2 綠色采礦模式與充填技術(shù)

本世紀(jì)初，錢鳴高院士及其研究團(tuán)隊(duì)提出了煤炭綠色開采的理念并構(gòu)建了綠色開采技術(shù)框架。綠色采礦模式，就是最大限度地減少廢料的產(chǎn)出、排放，提高資源綜合利用率，減輕或杜絕礦產(chǎn)資源開發(fā)的負(fù)面影響的采礦模式。

符合科學(xué)發(fā)展觀的綠色采礦應(yīng)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(shù)。

3 充填采礦的優(yōu)勢(shì)

3.1 降排功能

充填采礦的作用和意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了礦山開采的范疇。在世界上已經(jīng)出現(xiàn)了少數(shù)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(jìn)路，不再有尾礦排棄到尾礦庫；在一些風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)內(nèi)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(yè)固體廢物回填到地下。

大量處理工業(yè)固體廢料將是礦山今后設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮的重要任務(wù)，是解決礦區(qū)環(huán)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(shù)快速、有效地充填采空區(qū)，可以及時(shí)支撐采空區(qū)圍巖，阻止和抵抗圍巖進(jìn)一步變形，防止大幅度的位移發(fā)生；通過充填可以快速形成新的工作面，為后續(xù)作業(yè)創(chuàng)造條件，縮短采充循環(huán)周期，提高采礦綜合生產(chǎn)能力；充填采礦技術(shù)可以有效地阻止巖層發(fā)生大規(guī)模移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水體下、建筑物下采礦，同時(shí)保護(hù)了地表不遭破壞，維持原有的生態(tài)環(huán)境。

3.3 低貧損開采功能和遠(yuǎn)景資源保護(hù)功能

充填采礦技術(shù)可以應(yīng)用到水平礦體、緩傾斜礦體、急傾斜礦體、分枝復(fù)合礦體等各種復(fù)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(shù)可以對(duì)某些需要優(yōu)先開采下部或底盤富礦的礦山實(shí)現(xiàn)“采富保貧”而不會(huì)造成礦產(chǎn)資源的破壞和損失；廢石、尾礦、廢碴仍含有當(dāng)前技術(shù)不能回收的有用物質(zhì)，置于地表難以長期保存，充填也是一種最為可靠的保護(hù)方式。

4 常用的充填采礦技術(shù)

隨著回采和充填工藝逐漸完善，采裝設(shè)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(yōu)點(diǎn)，提高了采場(chǎng)產(chǎn)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，應(yīng)用前景日趨廣泛。

4.1 盤區(qū)高分層充填采礦技術(shù)

傳統(tǒng)分層充填采礦工藝的分層高度一般在2-3m左右，生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率較低。凡口鉛礦盤區(qū)機(jī)械化高分層充填采礦法，盤區(qū)沿礦體走向布置，盤區(qū)內(nèi)劃分為礦房、礦柱。第一步回采礦房，回采后尾砂膠結(jié)充填；第二步回采礦柱，，回采后尾砂充填。采場(chǎng)分層高度達(dá)到4.5-5m，運(yùn)用上向鑿巖采礦工藝、分層采場(chǎng)一次微差爆破與界面控制爆破技術(shù)，從鑿巖到出礦全盤大型無軌機(jī)械化配套作業(yè)，實(shí)現(xiàn)分層充填采礦法集中強(qiáng)化采礦，標(biāo)準(zhǔn)盤區(qū)（3個(gè)采場(chǎng)）的生產(chǎn)能力達(dá)到840 t/d，顯著提高了生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。

4.2 點(diǎn)柱充填采礦技術(shù)

點(diǎn)柱式充填采礦法實(shí)質(zhì)上是房柱采礦法和充填采礦法的結(jié)合，兼有房柱法生產(chǎn)能力大和充填法有效控制地壓的優(yōu)點(diǎn)。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(chǎn)規(guī)模，礦石價(jià)值較低或品位相對(duì)較低，可避免二步驟回采間柱。

4.3 分段充填采礦新技術(shù)

將暴露面積較大的分層采場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦螖嗝娼Y(jié)構(gòu)，大幅度縮小采場(chǎng)暴露面積，可以在礦體不太穩(wěn)固的條件下實(shí)行高效率充填和無礦柱連續(xù)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(chǎng)進(jìn)行采礦與充填作業(yè)，分段采場(chǎng)垂直礦體走向布置，可在中段內(nèi)呈梯狀多分段布置采場(chǎng)?；夭膳c充填作業(yè)在分段采場(chǎng)內(nèi)按采礦步距交替進(jìn)行。在巷道內(nèi)進(jìn)行鑿巖、出礦和充填作業(yè)；上向中深孔擠壓充填體爆破，放礦形成采空區(qū)后立即進(jìn)行膠結(jié)充填。臺(tái)車鑿巖，鏟運(yùn)機(jī)出礦和運(yùn)料充填，推卸式鏟運(yùn)機(jī)充填接頂，實(shí)現(xiàn)了采、出、充作業(yè)全盤無軌機(jī)械化。

4.4 大直徑深孔嗣后充填采礦技術(shù)

由高效率的落礦技術(shù)與階段嗣后充填工藝相結(jié)合，既發(fā)揮了充填采礦法的優(yōu)點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)高效率、大規(guī)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(cè)向崩礦、水孔排水氣囊和水孔裝藥工藝。在安慶銅礦成功應(yīng)用120m高階段大直徑深孔采礦工藝。通過鏟運(yùn)機(jī)平底出礦，遙控鏟運(yùn)機(jī)回收殘礦，采空區(qū)嗣后高濃度尾砂膠結(jié)充填等工藝的集成，使采場(chǎng)綜合生產(chǎn)能力達(dá)到1039 t/d，大量出礦期間平均生產(chǎn)能力達(dá)2418 t/d，采礦工效達(dá)67.4 t/工班，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平。

5 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

[1]喬登攀，程偉華《現(xiàn)代采礦理念與充填采礦》有色金屬科學(xué)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(shù)進(jìn)步》礦業(yè)研究與開發(fā)，第9卷第3期