地下礦山充填采礦若干技術(shù)問題的思考

崔哲森

遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 遼寧 鞍山 114000

引言

充填采礦的方法屬于人工支護(hù)采礦的方式，在圍堰穩(wěn)定性較差、貴重金屬等礦石開采中更加適用，在實(shí)際開采過程中可避免地表出現(xiàn)塌落。充填法施工條件比較繁雜，能在深部開采中對(duì)地壓進(jìn)行有效的控制。因此，在進(jìn)行礦山開采工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)應(yīng)用充填采礦法。然而，目前還存在許多問題，需要不斷地創(chuàng)新。

1 地下礦山充填采礦技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1 提高礦山開采的安全保障

目前，地下礦山開采安全問題成為阻礙煤礦企業(yè)發(fā)展的主要問題，為了使上述問題得到有效解決，則需要注重技術(shù)創(chuàng)新。在地下礦山開采階段，充填采礦技術(shù)是亟待突破的主要內(nèi)容，其一般涉及到充填體結(jié)構(gòu)作用機(jī)理、充填體力學(xué)作用機(jī)理、充填體讓壓作用機(jī)理等。通常情況下，將充填體充入采場(chǎng)，可以使采場(chǎng)巖壁維持良好的應(yīng)力狀態(tài)，并且從單軸或雙軸開始慢慢地過渡為雙軸或三軸，以此來使圍巖的強(qiáng)度得到提升，確保壁巖更加安全、可靠。在地下開采過程中，如果使原來的地質(zhì)機(jī)理結(jié)構(gòu)遭受破壞，將會(huì)導(dǎo)致承受載荷的幾何不變體系和本來的平衡發(fā)生變化，進(jìn)而誘發(fā)周圍巖石出現(xiàn)連鎖破壞，在一定程度上削弱了巖層結(jié)構(gòu)的維護(hù)和支撐，使圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失穩(wěn)。通常情況下，與原巖體相比，填充體的體積相對(duì)比較大，這樣一來充填體就可以使周圍巖石地壓得到有效釋放[1]。實(shí)際上，充填體將會(huì)與缺失支撐的巖石壁融合后得到新巖層結(jié)構(gòu)，從而將缺失巖石的能量擴(kuò)散至充填體中，由此確保了采場(chǎng)的穩(wěn)定，使采場(chǎng)內(nèi)部易發(fā)生坍塌現(xiàn)象得到解決，進(jìn)而保證礦山開采的安全性和有效性。

1.2 降低了礦石采礦的損失率，保證了礦山資源的利用率

在創(chuàng)新礦山充填采礦技術(shù)過程中，將會(huì)促進(jìn)地下礦山開采事業(yè)的發(fā)展，其不僅可以確保礦山開采的安全進(jìn)行，而且還可以使礦石的采礦損失率降低，進(jìn)而提高礦山資源利用率。在充填采礦過程中，要結(jié)合巖石開采的差異性來合理選擇充填方式，如窄分段分采空?qǐng)龇ā㈦A段充填采礦法、進(jìn)路充填采礦法等。同時(shí)，根據(jù)巖石層的不同特征，來對(duì)充填開采方法進(jìn)行選擇，也可以使整個(gè)礦業(yè)的開采效率得到保障，進(jìn)而在降低能源浪費(fèi)的同時(shí)，提高地下礦業(yè)開采技術(shù)水平。實(shí)際上，階段充填采礦法具有開采效率高，回采工藝比較簡單，方法比較靈活，地下巖石層開采的整體穩(wěn)定性較好，能夠在大規(guī)模礦業(yè)開采中充分發(fā)揮作用。

1.3 降低對(duì)環(huán)境的污染

在地下礦山充填過程中，選擇選礦尾礦和礦山廢石可以有效降低選礦尾礦和礦產(chǎn)開采廢石的排出。由于傳統(tǒng)礦山開采，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不同程度的破壞，而且?guī)r石坍塌也會(huì)增加泥石流的發(fā)生，進(jìn)而對(duì)周圍地表植物的生長產(chǎn)生不利影響[2]。在進(jìn)行充填采礦時(shí)，可以對(duì)礦區(qū)中的空礦實(shí)施充填，這樣既可以避免地表出現(xiàn)變形和下沉現(xiàn)象，還可以維持地表的原來地貌。通常情況下，每一個(gè)開采環(huán)節(jié)結(jié)束后，往往會(huì)有大量的廢料產(chǎn)生，此時(shí)如果未對(duì)這些廢棄物進(jìn)行有效處理，并將其擱置在廢棄的礦山中，將會(huì)對(duì)周圍的土地造成破壞。此時(shí)，可以借助充填采礦技術(shù)，將開采出的廢料按照一定的方式重新擱置在地下，既能夠緩解對(duì)環(huán)境的污染，而且還可以降低各類安全事故的發(fā)生率，在提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了保護(hù)環(huán)境的目的。

1.4 減少了尾礦庫容

利用充填開采技術(shù)能夠在一定程度上減少資金的投入，充填開采技術(shù)應(yīng)用范圍比較廣泛，其中包括緩傾斜礦體、水平礦體、分支符合礦等多種礦體，其可以應(yīng)對(duì)各種開采條件，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省成本的效果。

2 充填采礦發(fā)展存在的問題

2.1 創(chuàng)新采礦工藝，提高充填質(zhì)量

在采用充填采礦技術(shù)過程中，最好結(jié)合礦山的實(shí)際特征來給予合理應(yīng)用，以此來達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用效果。在開采緩傾斜極薄礦脈時(shí)，一般會(huì)選擇礦巖分掘方式，并直接將廢石拋擲充填空區(qū)。在開采比較厚大礦巖時(shí)，可以選擇中深孔和淺孔空?qǐng)霾傻V法，隨后借助塊石膠結(jié)、尾砂膠結(jié)等材料來填充采后空區(qū)，從而有效控制成本，提高開采效率，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行很好的處理。除此之外，采場(chǎng)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)充填效果產(chǎn)生直接影響，此時(shí)就需要結(jié)合礦山的實(shí)際生產(chǎn)需求來設(shè)計(jì)采場(chǎng)幾何形狀，以此來提高充填料的充填水平[3]。當(dāng)充填料輸送至車輛鏟斗或機(jī)卸料端時(shí)，礦山工作人員無法對(duì)充填料的質(zhì)量給予有效控制，這樣一來充放點(diǎn)的位置將會(huì)直接影響充填料的分凝度，進(jìn)而影響充填效果。實(shí)際上，在開始沉淀前，需要適當(dāng)?shù)卦黾映涮盍弦苿?dòng)距離，這樣一來將會(huì)在充放點(diǎn)下部形成充填角，并且隨著與充放點(diǎn)距離的不斷擴(kuò)大，將會(huì)導(dǎo)致端壁逐漸松弱，一旦采場(chǎng)尺寸超出一定范圍時(shí)，則需要選擇另外的充放點(diǎn)給予合理放置，這樣不僅可以減少充填料移動(dòng)距離，而且還可以確保充填質(zhì)量。充填采礦技術(shù)要以礦山的地貌特征為基礎(chǔ)，準(zhǔn)備好礦床開采技術(shù)工作，重視采礦技術(shù)的相互結(jié)合，進(jìn)而研發(fā)出新型工藝，例如，對(duì)于厚度和面積較大的礦巖可以采用深孔空?qǐng)龇▉磉M(jìn)行操作，開采后的空區(qū)可以使用塊石膠結(jié)以及高水原材料填充，通過使用快捷的回填技術(shù)，能夠有效降低成本，保證開采的效率，合理處置采空區(qū)域。針對(duì)傾斜性比較薄的礦脈，可以采用廢石拋擲填充區(qū)，使得高強(qiáng)度運(yùn)礦和削壁充填進(jìn)行充分的結(jié)合。

2.2 開發(fā)研制低成本、高強(qiáng)度的新型充填固化材料

充填料的物理性質(zhì)有孔隙率、濕度、滲水度和粒度等。充填體所具有的物理力學(xué)特征一般與骨料的結(jié)構(gòu)和成分保持緊密聯(lián)系，同時(shí)膠結(jié)材料的組成方式和成分也會(huì)影響采場(chǎng)穩(wěn)定性和充填體強(qiáng)度。例如，高水材料可以選擇全尾砂，這就使得充填體具有比較快的固結(jié)速度，并保證充填料可以實(shí)現(xiàn)無重力水排出，避免誘發(fā)井下環(huán)境污染，在降低排水費(fèi)用的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充填料的遠(yuǎn)距離輸送。但是，如果充填體具有比較弱的強(qiáng)度時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用過程中固結(jié)材料極易被風(fēng)化，并且在脫水后將會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

2.3 研發(fā)高效礦山充填設(shè)備和提高礦山充填自動(dòng)化水平

礦山充填系統(tǒng)自動(dòng)化水平的高低對(duì)礦山的實(shí)際發(fā)展有著直接的影響作用，然而由于國產(chǎn)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備在實(shí)際使用階段存在比較差的穩(wěn)定性，在一定程度上使礦山充填技術(shù)的發(fā)展受阻。此時(shí)，要注重對(duì)高效農(nóng)牧設(shè)備的研發(fā)，這樣既可以達(dá)到制備高濃度全尾礦漿的目的，而且還可以有效降低對(duì)充填設(shè)備造成的磨損。同時(shí)，注重研發(fā)高濃度運(yùn)輸設(shè)備，借助壓排設(shè)備運(yùn)輸?shù)姆绞絹碚{(diào)節(jié)各段的輸送壓力，以此來避免輸送管被堵塞。此外，加強(qiáng)對(duì)充填系統(tǒng)物料流量和卸料濃度自動(dòng)控制技術(shù)的研發(fā)，注重對(duì)礦山自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用，以此來構(gòu)建自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)充填固化材料濃度和充填系統(tǒng)全尾礦卸料的效果。

2.4 嚴(yán)格按照充填站管理制度執(zhí)行，保證充填質(zhì)量

如今，大多數(shù)充填站配備了多種機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備，以確保充填材料生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行，上述充填站基本上為地表設(shè)施，一般會(huì)選擇設(shè)置在礦山選礦廠內(nèi)，以確保為地下礦山充填提供所需要的充填料。通常情況下，各種充填站的設(shè)計(jì)存在比較明顯的相似性，其所選擇的設(shè)備和制備流程等均能夠?qū)崿F(xiàn)電子控制?；旌蠞{體和膠結(jié)劑材料濃度計(jì)量的控制可以確保充填材料的整體質(zhì)量，此時(shí)為了確保劑量的精確度，一般需要做好流量監(jiān)測(cè)裝置和稱重裝置的精確校準(zhǔn)工作。同時(shí)為了確保松散充填材料具備合理的流動(dòng)速度，在制備充填材料過程中，還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)檢查，對(duì)存在的問題及時(shí)采取有效措施給予處理。實(shí)際上，很多充填站在設(shè)備出現(xiàn)故障后，才會(huì)選擇對(duì)其進(jìn)行檢查。為了避免類似問題的發(fā)生，則需要構(gòu)建系統(tǒng)、完善的檢查制度，以確保充填料制備設(shè)備的安全、高效運(yùn)行。

2.5 及時(shí)更新合理的采礦方式

因?yàn)榈叵虏傻V工程會(huì)受到空間的限制，很多礦山企業(yè)采礦效率普遍不高，礦山企業(yè)在作業(yè)前要全面了解礦山的基本情況，同時(shí)采用合理的方式來對(duì)其進(jìn)行研究和分析。在實(shí)際分析的過程中要有針對(duì)性地進(jìn)行制定設(shè)計(jì)方案，從而選擇合適的科學(xué)充填技術(shù)。例如，當(dāng)穩(wěn)定性巖體厚度較大時(shí)，一般會(huì)選擇深孔空?qǐng)霾傻V方式，而對(duì)于充填法不管是選擇尾砂膠結(jié)材料，還是塊石膠結(jié)，最好針對(duì)礦巖進(jìn)行分別挖掘，這樣既可以確保緩傾斜擠爆礦脈開采的有序進(jìn)行，而且還可以提高采礦質(zhì)量，有效控制了成本。

3 充填采礦技術(shù)發(fā)展

3.1 干式填充法

結(jié)合礦山基本特征來對(duì)充填采礦技術(shù)進(jìn)行合理選擇，并注重對(duì)新型采礦方式的研發(fā)。干式填充法屬于傳統(tǒng)的方法技術(shù)，需要人力和機(jī)器設(shè)備的共同作用，方法比較落后，具有明顯的不足，工藝比較復(fù)雜，使用成本較高，采礦時(shí)間長，生產(chǎn)率低，從而不適應(yīng)于現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的需求，干式填充法無法滿足高效的工作需求。

3.2 水砂充填法

通常情況下，水砂充填法技術(shù)選擇了尾砂、碎石渣和爐渣進(jìn)行充填，以自流形式或借助砂漿泵來使充填物質(zhì)往地下運(yùn)輸。與干式充填法相比，該方法更加完善，然而工藝流程相對(duì)比較復(fù)雜，且排水成本高，此時(shí)就需要適當(dāng)?shù)靥岣叱涮钏俣取Ｈ欢?，該方法所得到的充填?qiáng)度不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，無法很好地滿足企業(yè)運(yùn)行的需求。

3.3 膠結(jié)充填法

由于礦山的礦巖很多都處于破碎的狀況，同時(shí)礦體的品位比較高，經(jīng)過對(duì)礦山實(shí)際狀況分析后，采用下向膠結(jié)充填采礦法，主要是第一分層回采和開層支護(hù)結(jié)構(gòu)問題，通過使用下向膠結(jié)的充填采礦的方式很好地解決了存在的物理問題，包括力學(xué)結(jié)構(gòu)問題、緩沖擠壓等。在運(yùn)用該技術(shù)的過程中能夠提高混凝土填充技術(shù)，保證一定的強(qiáng)度。人工假頂充填強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)要求存在較大的差距，該種充填采礦工藝比較簡便，填充量和強(qiáng)度較大，從而保證了井下的安全性，提高了生產(chǎn)效率，在很多礦山企業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

4 充填采礦技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國充填采礦技術(shù)得到了一定的發(fā)展，其經(jīng)歷了廢石干式充填、分級(jí)尾砂水利充填以及碎石水利充填等，由于我國礦山數(shù)量較多，所應(yīng)用的充填技術(shù)工藝類型有多種多樣，針對(duì)近幾年來在新填充技術(shù)研制方面獲得了明顯的進(jìn)步。充填采礦技術(shù)在我國經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：①廢石干式充填工藝，其主要是以廢棄物處理為主要目標(biāo)，同時(shí)也會(huì)選擇尾礦砂水利充填采空區(qū)，其不僅可以降低地表下沉量，而且還可以避免礦坑火災(zāi)的發(fā)生；②尾砂膠結(jié)充填技術(shù)的應(yīng)用，然而該階段的非膠結(jié)充填體無法實(shí)現(xiàn)自立，無法更好地滿足采礦工業(yè)高回采率要求；③隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)充填工藝已經(jīng)無法更好地滿足企業(yè)發(fā)展需求，此時(shí)就需要注重對(duì)其進(jìn)行研發(fā)，進(jìn)而得到了廢石膠結(jié)充填、高濃度充填等技術(shù)，其既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自然環(huán)境的有效保護(hù)，而且還可以降低采礦成本。

5 結(jié)束語

簡而言之，當(dāng)前建設(shè)綠色礦山和提高資源的利用率成為礦山企業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，因此要對(duì)保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排給予高度重視。在地下礦山開采階段，要結(jié)合實(shí)際情況合理選擇采礦方式，同時(shí)礦山企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就要進(jìn)一步完善和創(chuàng)新采礦技術(shù)，及時(shí)總結(jié)采礦階段存在的問題，對(duì)這些問題進(jìn)行歸納和總結(jié)，給予更正和修改，提高采礦的工作效率，滿足新時(shí)代發(fā)展對(duì)充填采礦技術(shù)的需求，促進(jìn)礦山企業(yè)的持續(xù)發(fā)展，保證開礦工作的安全性。