金属矿山充填采矿技术应用研究进展

金属矿山充填采矿技术应用研究进展

王博

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摘要：金属矿山在地下开采过程中产生的采空区，若不及时处理极易引发冒顶、透水、坍塌等问题。地表堆存的大量废石和尾砂也易引发滑坡、泥石流及尾矿库溃坝等灾害。因此将矿体开采过程产生的固体废弃物作为充填物料充入采空区，可谓“一废治两害”，在确保井下安全生产的同时，提高矿产资源的回采率，使矿山获得更高的经济效益。基于此，对金属矿山充填采矿技术应用进行研究，以供参考。

关键词：金属;矿山充填;采矿技术;技术应用

引言

随着人类生态环境意识提升和科技进步发展，充填采矿法在全球范围内得到了更加广泛的应用。据2018年中国有色金属工业协会发布的《全国有色金属资源开采公示信息核查分析报告》，充填采矿法在我国有色金属矿山和黄金矿山所占比重已超过40%；近年来，随着先进交叉技术、先进实验方法与充填采矿技术的融合，金属矿充填采矿工艺与技术也得到迅速发展，在矿山充填基础理论与应用技术方面出现了许多新理论、新方法与新技术。

1金属矿产资源在国民经济发展中的重要性分析

工业生产中所需的金属元素都来自于金属矿产资源，随着经济的快速发展，矿产资源的需求越来越高，加快矿产开采的速度。据数据资料显示，截至2020年年底我国已经发现的矿产资源为172种，已经探明储量的也达到了158种，其中金属矿产为54种。虽然我国矿产资源种类齐全、储量丰富，总储量达到了世界前列，但是人均资源占有量与世界平均水平相差甚远。目前我国金属矿产的整体趋势是产量持续下降、进口量逐年走高，作为重要战略资源的铁矿、铜精矿，我国对外依存度都在80%以上，铝土矿接近60%，近80%的铬来自于南非。随着新冠疫情爆发并持续蔓延，全球矿产行业均受到影响，一些矿产企业被迫停产或限产，重灾区国家普遍采取了“封城”、限运等措施。这些因素对我国矿产行业的发展形成了冲击，金属矿产资源供需矛盾凸显，矿产开采需求日益增长。我国多数金属矿山都采用地下开采的方式，由于长期开采，地下矿山的埋藏越来越深，浅部开采已经无法满足当前社会经济发展所需，一些露天矿山开采也逐步转为地下开采。比如南京凤凰山铁矿和安徽铜陵铜官山铜矿，为了降低开采成本，开始向着地下开采发展，国内其一些地下开采的金属矿山企业开始向着深部开采发展，地下开采将成为金属矿山开采的主要方式。

2充填采矿技术概述

2.1干式充填法

该技术才进行填充时，运用到的材料大多为废石，将废石碎成渣之后输送至采空区。运用干式充填法来展开煤矿开采时，需要始终秉承着从下到上的开采原则，实行分层次地回采，依照施工进度来对物料进行充填，为进一步向上方进行开采打下坚实的基础和外部条件。干式充填法对于矿体不够稳定的地区，具备着较为良好的充填效果。

2.2水力填充法

水力填充法使用过程中所用到的填料大多数都是炉渣以及碎石等，通过对输水管道的有效使用，将水资源作为运输动力，将充填材料运输到采空区，等到填料脱水之后，就能够转化为充填体。水力填充法具备较强的适用性和抗压水平，能够有效避免周边岩石的移动，有效管控矿山的压力。

2.3胶结充填法

胶结充填法的使用主要是将碎石和炉渣作为充填材料，通过这些材料的有效配比，将其混合为浆状的胶状物，等到凝固之后，将其传输到采空区来展开充填。这样的充填物具备一定的膨胀性，同时强度增强过程非常快，操作方式也较为便捷，相较于上述两种充填方式来说，在成本投入以及环境保护上具备着更强的价值和优势。

3胶结充填技术在金属矿山中的应用

3.1块石胶结充填

块石胶结充填的原理是利用砂浆的渗透作用对充填到空区内的块石起到固结作用，在充填过程中块石和砂浆分开运输，无需搅拌，充填体强度与混凝土胶结充填强度近似。但却比混凝土胶结充填效率高、工艺简单、劳动强度低。因此国外有较多矿山通过创新块石胶结充填技术以取得良好成效。块石胶结充填作为当今乃至今后应对矿山地表塌陷、降低固废排放、控制深部地压的重要手段，具有广泛的应用前景。当前应主要关注的是块石胶结充填体在地下的稳定性及其承载性能和破坏机理，探寻影响其强度的主要因素以及如何提高强度以达到稳定的承载效果。

3.2连续开采充填采矿法

地下金属矿采场空区的暴露面积达到临界值时，容易失稳垮塌，因此不同采矿方法采取了不同措施限制采场空区的暴露面积。例如，阶段空场嗣后充填采矿法将矿体划分为连续的矿房，隔一采一，逐次回采充填，从而限制采场空区的暴露面积。水平上向/下向分层充填采矿法将采场内矿体划分为不同分层，逐次回采、充填每一分层，限制采场空区的暴露面积。这两种采矿方法的共同特点是，在每个开采循环中，充填工序必须滞后于回采、出矿工序，下一开采循环需等待充填体养护完成后才能继续进行，因此开采工序间的等待时间提高了生产管理难度、降低了开采效率。为此，近年来有学者提出了“同步充填”的连续开采充填采矿法，其基本理念是在采空区空间未全部释放的情况下，将部分采空区先行作为临时转换空间，将充填工序提前移至出矿工序环节同步实施。

3.3寻找替代水泥的新型充填胶凝材料

开发应用低廉的充填用胶凝材料以部分替代水泥是降低胶结充填成本的有效途径。粉煤灰和有色冶金渣（铜渣、镍渣、铅锌渣等）含有硅酸盐、铝酸盐和铁铝酸盐等矿物成分，在机械激发、化学激发、热活化激发和物相重构等激发作用下，能活化生成C-S-H凝胶，因此具备制作低廉充填用胶凝材料的潜力和可行性。现有研究表明，向普通硅酸盐水泥中掺入粉煤灰和有色冶金渣能延缓尾砂充填体的早期强度发展，且提高掺量会进一步影响强度发展，但随养护龄期增加，这种不利影响逐渐减弱，并且适量掺入粉煤灰能提高尾砂充填体的长期强度。另外，也有研究表明采用铜渣作为矿物掺合料取代水泥制备尾砂料浆，可提高充填体抵抗硫酸盐侵蚀的能力，减少高硫尾砂充填体长期强度损失。所以，基于尾砂的化学性质和矿物组成，适量掺入粉煤灰和有色冶金渣是实现开发利用低廉充填用胶凝材料的有效方法，可为胶结充填采矿成本优化提供重要支持。

3.4充填体质量检测

由于深井复杂的环境，井下充填体的质量与室内实验有较大偏差，井下采场内充填体质量如何，井下充填体质量与室内试验充填体质量有着怎样的关系正在被越来越多的学者们关注。随着设备和自动化的发展，井下充填体质量检测技术手段也在不断进步，充填体原位取芯检测、充填体原位透明监测正在推广应用。

结束语

现代社会对于金属矿产资源的需求与日俱增，金属矿产的埋深不断增加，开采的难度不断提高。金属矿产在国民经济发展中发挥着非常重要的作用，国家一直都在大力支持矿山开采技术的研究，采矿技术也因此而得到了快速发展。一直以来，金属矿山开采过程都存在着严重的环境破坏问题，矿区周围的植被遭到破坏，对环境造成污染和资源浪费等。为了解决这些问题，就需要加快采矿技术的研发攻关，打破关键技术壁垒，做好采矿过程的环境保护，提高生产效率和资源利用率，推进矿产行业的可持续发展。

参考文献

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