充填采矿法提高矿产资源利用率的若干研究

充填采矿法提高矿产资源利用率的若干研究

①罗丹青②范允鑫③孙可光

①山东黄金矿业（玲珑）有限公司山东招远265406②③山东黄金集团蓬莱矿业有限公司山东蓬莱265601

摘要：随着现有探明的矿产资源不断消耗，采矿向深部发展，地温地压不断增加，环境保护的日趋严格，充填采矿技术的优势凸现。本文讲述了充填采矿的发展现状历程与成功应用的经验，并对对矿山充填采矿技术发展趋势和所应解决关键技术问题进行了评述。

关键词：绿色采矿；采空区；充填采矿

我国已进入矿产资源消耗的高峰期，而采矿业面临深部岩爆、冲击地压等地质灾害问题；地表下沉、塌陷等生态环境问题；生产能力、生产成本等技术经济问题。由于大量工业废水、废料、废气的排放造成了自然生态环境的恶化，人们越来越认识到加强矿山环保和矿产资源综合利用的重要性，迫切需要实现绿色采矿，而充填采矿工艺便是绿色采矿的主体支撑技术。

1、我国目前资源开采存在的问题

1.1资源浪费与不足

有色金属矿床大多是多金属矿床，伴生许多种有用矿物，其综合回收是关键。美国、日本的铜、铅、锌、镍等多金属矿山综合利用率为76%～90%；前苏联的胡杰斯克矿回收了铜、锌、镉、钴、铁、硫、碲、硒等8种有用成分，利用率为87%以上。而我国的综合利用水平还很低，大约在35%左右。

另外，我国还面临资源不足，从总体上看，我国矿产资源总量较丰富，居世界第三位，但是人均占有量远低于世界平均水平。在45种主要矿产资源中，我国人均储量仅居世界第80位，只达到世界平均水平的58%，目前能够满足国民经济发展需要的矿产资源仅有20多种，金属矿产资源缺口达到约2亿吨。

1.2地下开采引起的地面变形和塌陷

我国大多数是地下矿山，由于地下进行大面积开采、挖掘，往往形成较大的采空区。一旦采空区放顶后，采空区上部的岩层便形成冒落带、裂隙带和变形带，造成地面沉降，地表形成低洼地。随着地下开采强度和广度的扩大，地面变形和塌陷的危害不断加剧，目前地面塌陷已在我国23个省区发现了800多处，塌陷坑约3万多个，全国每年因地面塌陷造成的经济损失约10多亿元。

1.3矿山废石和尾矿对环境的影响

无论是地下还是露天开采，都会产生大量废石；选矿过程则会产生大量的尾矿。据估计，由矿业生产所排放的工业固体废弃物占到了全国工业固体废弃物排放总量的80%，仅金属矿山排放堆积的废石和尾砂就已超过50亿t，并且每年以4-5亿t的排放量剧增。废石和尾矿对环境的影响主要表现在以下几个方面：

（1）固体废料往往就地堆放，不可避免地要覆盖农田、草地或堵塞水体，从而破坏生态环境。

（2）某些废石堆或尾矿场会不断溢出或渗滤析出各种有毒有害物质，污染大气、地下或地表水体。

2、绿色采矿模式与充填技术

本世纪初，钱鸣高院士及其研究团队提出了煤炭绿色开采的理念并构建了绿色开采技术框架。绿色采矿模式，就是最大限度地减少废料的产出、排放，提高资源综合利用率，减轻或杜绝矿产资源开发的负面影响的采矿模式。

符合科学发展观的绿色采矿应基本满足资源综合利用效率高、废料排放最小、地表不受破坏三要素。在目前众多的采矿方法中，充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。

3、充填采矿的优势

3.1降排功能

充填采矿的作用和意义已远远超出了矿山开采的范畴。在世界上已经出现了少数典型的无废料排弃的矿山。例如，德国格隆德铅锌矿利用浮选后的全尾砂和重选碎石制备膏体充填料回填下向充填进路，不再有尾矿排弃到尾矿库；在一些风景名胜区、自然保护区内采矿，如奥地利的布莱堡铅锌矿，我国南京栖霞山铅锌银矿等。勿庸置疑，这类矿山开采的首先条件是能否将大量工业固体废物回填到地下。

大量处理工业固体废料将是矿山今后设计优先考虑的重要任务，是解决矿区环境污染问题的最好方法。

3.2消除地表变形及下沉功能

利用充填技术快速、有效地充填采空区，可以及时支撑采空区围岩，阻止和抵抗围岩进一步变形，防止大幅度的位移发生；通过充填可以快速形成新的工作面，为后续作业创造条件，缩短采充循环周期，提高采矿综合生产能力；充填采矿技术可以有效地阻止岩层发生大规模移动，实现水体下、建筑物下采矿，同时保护了地表不遭破坏，维持原有的生态环境。

3.3低贫损开采功能和远景资源保护功能

充填采矿技术可以应用到水平矿体、缓倾斜矿体、急倾斜矿体、分枝复合矿体等各种复杂多变的矿体，特别是厚大矿体，将大幅度提高矿柱回收率和出矿品位，最大限度地回收矿石；充填采矿技术可以对某些需要优先开采下部或底盘富矿的矿山实现“采富保贫”而不会造成矿产资源的破坏和损失；废石、尾矿、废碴仍含有当前技术不能回收的有用物质，置于地表难以长期保存，充填也是一种最为可靠的保护方式。

4、常用的充填采矿技术

随着回采和充填工艺逐渐完善，采装设备配套成型，适合不同矿床开采条件的各种充填采矿法，如分层充填法、分段充填法和阶段充填法等具有高回收率、低贫化率的优点，提高了采场产量和劳动生产率，应用前景日趋广泛。

4.1盘区高分层充填采矿技术

传统分层充填采矿工艺的分层高度一般在2--3m左右，生产能力和生产效率较低。凡口铅矿盘区机械化高分层充填采矿法，盘区沿矿体走向布置，盘区内划分为矿房、矿柱。第一步回采矿房，回采后尾砂胶结充填；第二步回采矿柱，，回采后尾砂充填。采场分层高度达到4.5--5m，运用上向凿岩采矿工艺、分层采场一次微差爆破与界面控制爆破技术，，从凿岩到出矿全盘大型无轨机械化配套作业，实现分层充填采矿法集中强化采矿，标准盘区（3个采场）的生产能力达到840t/d，显著提高了生产能力和生产效率。

4.2点柱充填采矿技术

点柱式充填采矿法实质上是房柱采矿法和充填采矿法的结合，兼有房柱法生产能力大和充填法有效控制地压的优点。主要适用于厚度大于8m以上的缓倾斜或倾斜厚大矿体，矿山要求较大的生产规模，，矿石价值较低或品位相对较低，可避免二步骤回采间柱。

4.3分段充填采矿新技术

将暴露面积较大的分层采场转变为矩形断面结构，大幅度缩小采场暴露面积，可以在矿体不太稳固的条件下实行高效率充填和无矿柱连续开采。丰山铜矿将中段划分为10m高度的分段，在各分段布置采场进行采矿与充填作业，分段采场垂直矿体走向布置，可在中段内呈梯状多分段布置采场。回采与充填作业在分段采场内按采矿步距交替进行。在巷道内进行凿岩、出矿和充填作业；上向中深孔挤压充填体爆破，放矿形成采空区后立即进行胶结充填。台车凿岩，铲运机出矿和运料充填，推卸式铲运机充填接顶，实现了采、出、充作业全盘无轨机械化。

4.4大直径深孔嗣后充填采矿技术

由高效率的落矿技术与阶段嗣后充填工艺相结合，既发挥了充填采矿法的优点，又能实现高效率、大规模地下采矿。采用大孔距小抵抗线爆破、小断面VCR法掏槽、倒梯段侧向崩矿、水孔排水气囊和水孔装药工艺。在安庆铜矿成功应用120m高阶段大直径深孔采矿工艺。通过铲运机平底出矿，遥控铲运机回收残矿，采空区嗣后高浓度尾砂胶结充填等工艺的集成，使采场综合生产能力达到1039t/d，大量出矿期间平均生产能力达2418t/d，采矿工效达67.4t/工班，主要技术经济指标接近国际先进水平。

5、结论

为保证我国矿产资源的正常需求，必须发展绿色采矿模式，绿色无废采矿技术已纳入我国中长期科技发展规划，而矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术，无废、少废采矿工艺技术的创新及其技术的工程化集成配套，将成为我国矿山技术的主要发展方向。

参考文献：

[1]乔登攀，程伟华《现代采矿理念与充填采矿》有色金属科学与工程，第2卷第2期.

[2]张世雄，褚洪涛《我国金属矿山地下采矿的技术进步》矿业研究与开发，第9卷第3期

[3]周爱民《矿山废料胶结充填》北京：冶金工业出版社，2007.20.