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S e r i a l N o . 4 7 6 De c e mb e r . 2 0 o 8 矿业快报 E XP RE S S I N F ORMAT 1 0N OF MI N l NG I N DUs T RY 总 第4 7 6 期 2 0 0 8 年 1 2月第 l 2 期 综合述评 矿山充填采矿法综述 王湘桂唐开元 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司 摘要 介绍 了充填采矿法在国内外的发展现状及其安全性高、 回采率高、 对地表 生态环境破 坏较小等一 系列不可替代的优点, 论述 了干式充填法、 水砂充填法、 胶 结充填法和充填法的适用条 件、 发展方向, 提出了随着科学技术的进步, 充填采矿法必将成为矿床地下开采中的最主要的采矿 方 法。 关键词 充填采矿法; 干式充填; 水砂充填 ; 胶结充填; 膏体充填 中图分类号 T D 8 5 3 . 3 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 - 5 6 8 3 2 0 0 8 1 2 - 0 0 0 1 - 0 5 Ov e r v i e w 0 f Cut a n d Fi 1 1 M e t h o d f o r M i n e s W a n g Gu i x i a n g T a n g Ka i y u a n Ma a n s h a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g R e s e a r c h Ab s t r a c t T h e d e v e l o p me n t s i t u a t i o n o f t h e c u t a n d f i U me t h o d a t h o me a n d a b r o a d i s p r e s e n t e d a n d i t s a d v a n t a g e s a r e a l s o d e s c r i b e d s u c h a s h i g h s a f e t y ,h i g h r e c o v e r y r a t i o a n d s ma l l d e s t r u c t i o n t o e c o l o g i c e n v i r o n me n t o n g r o u n d s u r f a c e .Ap p l i c a b l e c o n d i t i o n a n d d e v e l o p me n t o r i e n t a t i o n o f t h e d r y fi l l i n g me t h - o d ,h y d r a u l i c s a n d fi l l i n g me t h o d,c e me n t e d fi l l i n g me t h o d a n d fi l l i n g me t h o d a r e d i s c u s s e d .I t t h i n k s t h a t w i t h p r o gre s s o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y。 t h e c u t a n d f i l l me tho d wi l l b e c o me a f o r e mo s t mi n i n g me t h - o d i n u n d e r g r o u n d mi n i n g o f d e p o s i t . Ke y wo r d s Cu t a n d 6 l l me t h o d;Dry fi ll i n g;Hy d r a u l i c s a n d fi l l i n g ;C e me n t e d fi l l i n g ;P ast e fi ll i n g 无废采矿是采矿发展的必然趋势 。采用充填采 矿法 , 有提高矿物 回采率 , 减少贫化率 , 充分利用资 源, 有效控制地压, 防止内因火灾和可在“ 三下” 开 采等优点 , 加上空区可以用废石来充填 , 地面不需构 筑大面积的尾矿库, 改善矿区周围环境, 充填采矿法 越来越受到人们的重视, 充填工艺技术也在充填采 矿法不断改造与发展的过程中得到创新与发展。 1 国内外充填法采矿的现状及发展 1 . 1 国外充填法采矿的现状 充填采矿在国外较早引起 了人们 的重视 , 为了 控制采区的地表移动, 美国一个煤 矿首次应用 了水 砂充填法采矿。在 2 0世纪5 0年代, 澳洲一些地下 金属矿山, 以水力充填取代了早期使用的干式充填。 1 9 6 9年澳大利亚科学与工业研究 院开展 了机械落 矿充填采矿法的相关问题研究, 1 0余年后在水力充 王湘桂 1 9 6 9 一 , 男, 高级工程师, 2 4 3 0 0 4安徽省马鞍山市。 填等领域取得了显著成绩。1 9 7 7年芒特艾萨矿与 新南威尔士大学矿业学院合作研究出了低成本胶结 充填技术。目前南非由于矿体开采深度 日益加大, 充填是南非许多深采矿山的既定工艺 , 也是支护 的 主要方法 。加拿大矿山充填已经历将近 l O O a , 1 9 9 3 年加拿大发展 了膏体充填技术 , 目前仍继续使用这 种工艺 , 地下硬 岩采矿 企业 几乎都 采用充填工艺。 加拿大应用高浓度充填有两个途径 干式大体积废 石充填料和经过脱水的选厂尾矿。前者正在广泛使 用, 对后者的使用最近几年也有 了提高。可以说 1 0 a内加拿大矿山采用高浓度尾砂充填料将会成为 规范。由于经济的需要, 许多矿山应用了空场法采 矿 , 并进行嗣后充填。特别是在 2 0世纪 5 06 O年 代后, 各国都加大了充填采矿法所占的比重, 有关国 家还围绕灾害控制制定了相应规范。 1 . 2 我国充填采矿法的应用 充填采矿法在我国有色矿 山的应用历史悠久。 5 0年代中期, 充填法在有色金属地下矿山中占有较 】 总第4 7 6期 矿业快报 2 0 0 8年 1 2月第 1 2期 大 比重。然而由于充填采矿法具有矿石 回收率高 , 特别适合于不稳固矿岩条件下的高品位矿石回采的 特点 , 因此一些矿山、 科研和设计单位一直对其进行 研究探索。随着采场装运设备 的发展 , 8 0年代 以来 充填法取得了重大进展。由于实现了采场机械化 回 采和充填 , 充填采矿法已从一种低产、 低效采矿法发 展成为一种高产、 高效采矿法 , 因而许多矿山开始采 用充填采矿法 , 充填采矿法在我 国将进入一个新 的 发展时期 。 2 充填采矿法的分类 充填采矿法依据充填材料的不 同可分为 干式 充填法 ; 水砂充填法 ; 胶结充填法。其发展经历了由 干式充填到最初为不含胶结剂的水砂充填 , 以后发 展了胶结充填, 并使充填体的浓度逐步提高, 逐步发 展到高浓度的似膏体充填 、 膏体充填。 2 . 1 干式充填法 干式充填采矿法用矿车 、 风力或其它机械输送 干充填料 如废石、 砂石等 充填采空区, 也是充填 采矿技术最早采用的方法。原苏联及 日本、 澳大利 亚曾广泛采用 , 2 O世纪 5 0年代 , 我国有色金属矿山 5 0 %以上使用干式充填采矿法。用此法采出的矿石 占总矿石量的 1 / 3之多 。 采用此法应注意以下几个问题。 1 为了使充填工作能延续进行 , 应有充分 的 充填料和储存场地 , 填料不能有太高 的含硫量和放 射性物质, 含泥量亦不宜超过 1 5 %。 2 充填料井 的位置应选择在便于运输和稳固 地层中。井口应加固并装上格筛, 使填料尺寸不至 于过大 。井 口下部宜装有 闸门, 以策安全和延续放 料。 3 充填时宜有序分层装填 , 层 间可视情况铺 垫人工织物或荆巴、 柴棍类填充物 , 以增加填料稳定 性 。 4 在 回采 区中可用人工 隔离墙替代 自然间 柱, 宜利用钢筋混凝土假巷替代底柱和用水泥砂浆 垫板作底板 , 以减少矿物贫化。 5 加强采场内通风, 如有氡气析出应将氡气 浓度降至对人体无害标准, 一般可以 1 爱曼为标 准⋯。 随着充填技术的发展 , 干式充填法因工艺繁杂, 劳动力需求大, 作业成本高, 采场充填时间长, 矿石 贫化率高 , 生产率低 , 采场充填时不能进行回采等缺 点 , 已不能满足“ 三强” 强采 、 强出、 强充 采矿生产 的需要 。因而, 国内干式充填法所 占的比重逐年下 2 降。但能适应矿体产状复杂变化的矿区, 因此至今 仍有矿山使用此法。 2 . 2 水砂充填法 利用砂浆泵或 自流方式, 将选厂尾砂 、 冶炼场炉 渣 、 碎石砂石等固液两相浆体输送到井下 , 作为充填 料来充填采空区。 1 8 6 4年在美 国宾夕法尼亚的一个煤矿 区进行 了第一次水砂充填试验, 以保护一座教堂的基础安 全。随后南非、 德国、 澳大利亚等国家也先后试验并 成功运用了水砂充填工艺。进入 2 0世纪后 , 美国和 加拿大开发了基于采用选厂分级尾砂进行水砂充填 的充填工艺, 在悬浮液输送固体物料、 水力旋流器脱 泥等方面取得了进步, 实现了低浓度 3 5 % 一7 0 % 泵压或 自流输送 的水力充填采矿 J 。我 国的水砂 充填工艺从 2 0世纪 6 0年代开始采用, 1 9 6 5年首次 采用了尾砂水力充填采空区工艺 , 有效地减缓了地 表下沉 , 取得 了较好的效果 ; 7 0年代一些矿山都先 后成功应用了尾砂水力充填工艺; 进入 8 0年代后 , 分级尾砂充填工艺与技术应用更加广泛, 有6 0 余座 有色 、 黑色和黄金 矿山都推广 应用 了该项工 艺技 术 引。 采用此法时应充分考虑到围岩矿体的稳固性、 地表沉陷的可能性及回采巷道的尺寸。为提高水砂 充填的工艺效果应注意以下几点。 1 尽量采用混料硐室制备砂浆 , 使混料工艺 达到机械化、 自动化 , 以提高水砂比, 增强充填体强 度。根据 国外经验采用混料硐室制浆 , 使水砂 比由 原来的3 . 0~ 5 . O 1降到 1 . 5~ 1 . 0 1 , 浆体浓度达 6 0 % 以上 。 2 使充填料输送 自动化, 以提高水砂充填的 速度。 水砂充填一般要求构筑专门的护壁和隔墙 , 但 是我国水砂充填多数采用敞开式混料沟方式混料, 造成水砂 比过大, 混料不匀 , 质量难以控制。加上水 砂充填工艺较 为复杂 需 砌筑溜矿井 和人行滤水 井, 构筑混凝土隔墙, 铺设混凝土底板等 , 从采场 渗出的泥水污染巷道、 水沟和水仓, 清理工作量大、 排水费用高、 充填量小, 对回采的安全问题和充填体 压缩沉降均未很好解决。因此, 充填体强度一般不 高, 不能从根本上阻止岩石移动, 使其应用范围受到 很大限制 , 发展胶结充填已成为当今的必然趋势。 2 . 3 胶结充填法 胶结充填法一般采用以碎石、 河砂或尾砂或戈 壁集料为骨料 间或掺人块石 , 与水泥或石灰类胶 王湘桂唐开元 矿山充填采矿法综述 2 0 0 8年 1 2月第 1 2期 结材料经拌合形成浆体或膏体 , 以管道泵送或重力 自流方式输送到充填区的充填。与水砂充填相比, 胶结充填的充填料强度大, 充填速度快 , 充填量大 , 工艺简单。随着材料科学 的发展 , 目前胶结材料类 型、 品种多样, 加上掺合料的多样化, 使胶体、 浆体或 膏体的成份愈加复杂和多样, 再加上浆体泵送工艺 的发展, 使胶结充填出现了空前的繁荣局面。 2 . 3 . 1 尾砂胶结充填 2 0世纪 6 0~ 7 0年代 , 中国开始开发和应用尾 砂胶结充填技术 。这一时期的胶结充填均为传统的 混凝土充填 , 即完全按建筑混凝土的要求和工艺制 备和输送胶结充填料, 这种传统的粗骨料胶结充填 输送工艺复杂 , 对物料的级配要求较高 , 因而一直未 获得大规模推广使用, 到2 0世纪7 O~ 8 O 年代, 几乎 被细砂胶结充 填完 全取代 J 。细砂胶结充填 以尾 砂 、 天然砂和棒磨砂等材料作为充填骨料 , 以水泥为 主要胶结剂 , 集料与胶结剂通过搅拌制备成料浆后 , 以两相流管道输送方式输入采场进行充填 。因而细 砂胶结充填兼有胶结强度和适于管道水力输送的特 点。 尾砂胶结充填虽然具有较高的生产能力和良好 的管道输送特性 , 但由于使用大量水泥作为胶结剂 , 使充填成本增加 , 而且受 自流管道输送浓度限制 , 普 通的尾砂胶结充填质量浓度不高 一般 7 0 % 以下 , 充入采场后 , 大量的水份必须通过滤水设施排出, 不 仅增加了排水费用 、 污染 了井下环境 , 而且降低了充 填体强度。 2 . 3 . 2 块石胶结充填 国外块石胶结充填已有多年的历史, 块石胶结 充填技术在国外一些矿山用作空场法嗣后充填。该 方法从 7 0年代在澳大利亚艺特艾萨矿的大规模试 验取得成功后 , 即在许多国家得到了全面的发展。 该技术是根据混凝土理论 , 在废石干式充填 和 砂浆胶结充填基础上发展起来 的一种新型充填工 艺。其实质是利用块石或井下掘进废石或将一定量 的粗骨料和胶结料浆混合作为充填骨料 , 水泥砂浆 填充块石间隙将其胶结成一个整体 , 充填于采场或 采空区, 并使之成为胶结整体 , 以控制矿山地压、 防 止地表塌陷。它 可分 为嗣后充 填和分层充填两大 类。 嗣后充填实质上是向采空区倾卸废石, 同时按 一 定配比注入水泥砂浆或水泥浆, 使料浆包裹废石 形成胶结充填体。或者将块石与水泥砂浆按照一定 的配比分别输送至井下 , 同时同点下放到采空区 自 行混合形成胶结体。 分层充填是将废石放到充填工作面, 用 电耙或 铲运机平场后 , 再用胶结料浆浇面 以减少矿石损失 和贫化。由于分层充填需 电耙或铲运机平场 , 工艺 复杂, 因此, 块石胶结充填更多地应用于阶段空场 法、 V C R法、 分段空场法、 留矿法等大空场采矿法的 嗣后充填。 块石 砂 浆 胶 结 充 填 的 块 石 粒 径 一 般 小 于 3 0 0 m m, 砂浆为尾砂浆或细砂浆。与尾砂胶结充填 相 比, 可以节约水泥 6 0 % , 成本降低近 5 0 % , 而同龄 期抗压强度可提高 l 一 2 倍。同时, 由于块石与砂浆 分开输送 , 利用砂浆 的穿透性 固结块石, 无需搅拌, 其充填体强度接近于混凝土胶结充填强度, 与混凝 土胶结充填相 比, 充填效率 大大提高 , 工艺更为简 单, 工人劳动强度大大降低。 2 . 3 . 3 高浓度全尾砂胶结充填 为了提高尾砂利用率 和充填浓度 , 7 0年代 后 期 , 开始探索实现全尾砂高 浓度充填技术 的途径 。 8 0 年代以来, 全尾砂胶结充填技术首先在德国、 南 非等国进行 了试验研究 , 取得 了一定成果 , 并在一些 矿山试验应用 , 如南非 的西德瑞方登金矿。全尾砂 在井下脱水后 , 砂浆质量浓度达到 7 0 % 一 7 8 %。 该工艺是 以物理化学和胶体化学的理论 为基 础 , 直接采用选厂的尾砂浆, 经高效浓密机和真空过 滤机两段脱水获取湿尾砂, 应用带破拱架 的振动放 矿装置和强力机械搅拌装置 , 将全粒级尾砂与适量 的水泥和水合成高浓度的均质胶结充填料, 以管路 输送、 宾汉流体的方式充入采场。尾砂流量、 水泥流 量、 加水量和混合料 的质量浓度等参数均 由微机处 理系统 自动检测。全尾砂胶结充填的尾砂利用率达 到 9 5 % 以上 。 该技术 的成功应用 , 解决了许多矿山充填料不 足 的问题 , 而且有效地避免环境污染 , 大大减少尾矿 库筑坝费用。但该工艺需用机械方法进行浓缩、 过 滤 , 工艺复杂 , 成本较高。 2 . 3 . 4 膏体泵送充填 膏体充填在最近的 1 0多年中发展极为迅速 , 世 界上一些矿业发达的国家投入了大量的人力、 物力 、 研究和开发应用膏体充填技术。传统的水力充填工 艺, 料浆浓度很难提高到 7 0 %以上, 且通常需要对 尾砂进行分级脱泥, 其结果是充填尾砂的利用率低, 充人采场后的充填体需脱水。脱水时会带走充填料 中的水泥 , 造成水泥流失, 削弱充填体的强度 , 且造 成井下严重污染。提高充填料浆的浓度是解决这类 3 总第 4 7 6期 矿业快报 2 0 0 8年 1 2月第 1 2期 问题的关键。但由于受管道 自流输送的限制 , 要想 进一步提高料浆浓度, 必须借助适当的设备, 实现膏 体充填。 膏体充填技术已先后在南非几个大金矿陆续推 广使用, 效果良好。由于膏体充填综合运用了现代 工业的多项高新技术 , 如微细颗粒材料浓缩脱水技 术与设备 、 高浓度浆体泵送设备、 活化搅拌设备 、 计 算机在线控制技术等 , 是现代采矿工业中一项技术 含量最高的新技术之一 。其充填材料是使用全尾砂 或全尾砂与碎石的混合料。由于膏体充填料浆可使 用全尾砂 , 充填料充人采场后浆无需脱水 , 又不会出 现离析现象 , 因而减少了井下充填水污染及排水 费 用 , 充填体强度高且水泥耗量小 , 可以适当降低充填 成本 , 凝 固时间相对于自流充填短 , 可以减小充填作 业循环周期 , 充填体易于接顶 , 有利于采场稳定和采 矿作业安全性 , 膏体的稳定性 、 和易性和可泵性 , 决 定了进行长距离输送时不会造成堵管 , 从而解决了 实际操作中长距离管道输送的问题等 J 。 水泥的添加方式通常有两种 , 其一将水泥制成 砂浆后 在井下泵站 内添加 ; 其二在 膏体 出口前 约 3 0 m处安装一个 4 5 。 角 的喷射头, 由压风吹人干水 泥, 使之与膏体混合。 但该系统 目前也存在一些缺点 , 如充填系统投 资高, 充填倍线要求大或需大功率泵送设备, 充填管 道容易堵塞等。从世界范围以及长远发展来看, 膏 体充填技术是充填采矿技术发展的方向。 2 . 3 . 5 高水速凝充填 高水速凝充填是与迄今为止的充填理念完全不 同的一种新型充填工艺 , 它不刻意强调提高充填料 浆的质量浓度, 而是利用高水速凝材料混合后形成 的钙矾石具有较强固水能力的特点, 实现较广范 围 内浓度的胶结充填 j 。 该技术的优点是 可将高比例水凝结为固态结 晶体; 充填料浆凝固快, 早期强度高, 可以通过添加 剂缩短采场回采周期 , 提高了采场生产率; 井下不脱 水 , 无环境污染; 易 于实现 中低浓度料浆 的水力输 送。 但高水速凝充填也存在许多不足之处, 如充填 料输送、 混合工艺复杂; 高水材料配比要求严格, 否 则会造成不凝固的现象; 在干燥条件下充填体易失 水粉化; 高水材料来源困难, 充填成本高等。 3 充填法的优缺点及适用条件 3 . 1 充填法的优缺点 生产实践表明, 充填采矿法与其他采矿法相 比 4 较, 具有以下几个方面的优点 ①采准切割工程量 小, 灵活性大; ②矿石损失和贫化小; ③能够较有效 地维护围岩, 减少围岩的移动和防止其大量冒落; ④ 对于薄矿脉或多品种矿石可以进行选别回采; ⑤可 防止矿床开采的内因火灾; ⑥可利用废石、 尾矿用作 充填料; ⑦控制地表塌陷; ⑧改善地下采矿环境。 充填法 的主要缺点是 回采工艺和充填工艺 比 较复杂 , 采矿和充填相互影响, 如果 回采作业机械化 问题不能妥善解决 , 则生产效率和能力均较低, 加之 充填料开采 、 加工 、 输送及其他一系列耗 费, 故原矿 成本较高。 3 . 2 充填法的使用条件 1 品位较高的富矿, 并且要求有较高的回采 率和较低的贫化率 。 2 赋存 条件和开采技术 条件 比较复杂 的矿 床 , 如水文地质条件 , 矿体形状 比较复杂 、 矿体埋藏 较深而且地压较大, 矿石或围岩有 自然发火的危险, 地表或围岩不允许大面积沉陷或剧烈移动且需要特 殊保护 , 需要选别回采或优先开采富矿、 保护岩石移 动区的贫矿和滞后开采 的矿石露天地下 同时开采, 以及采掘 的大量废石或选厂尾砂无处堆积需要 回填 到采空区等。 3 适用于矿石稳 固、 围岩不稳 固的矿床, 但如 果能采用特殊的支护方法或下向分层充填法 , 也可 以用来开采矿石不稳固的矿体。 4 一般适用 于开采急倾斜矿体 , 因为便于 向 采场输送充填料并可以减少充填不到的空间和充填 料接顶的面积, 如能采用水力充填和风力充填, 也可 用于缓倾斜薄矿体。 5 适用于开采厚度不大的矿体。这样可以沿 走向布置采场或连续回采而减少矿柱矿量, 并且使 采场暴露面积不致过大而有利于安全。但是, 如果 能够采用胶结充填和有效 的支护顶板, 也可 以用于 开采厚矿体。 4 充填技术的发展 矿山充填技术在地下采矿中一直发挥着重要的 作用, 完善充填工艺技术及发明新型充填材料, 是采 矿技术的重要发展方向 ①要大力发展和使用低成 本的可靠充填物料; ②要做好尾砂、 全尾砂高浓度、 自流输送和膏体泵送 的研究 , 以减少充填成本 , 减少 环境污染, 建设无废料矿山; ③在推广充填采矿的同 时 , 注意采矿能力的适应 , 加大机械化采矿进程, 综 合提高采矿能力; ④要注意影响充填采矿效率, 降低 成本; ⑤采用新型的胶结固化材料替代水泥, 改善充 王湘桂唐开元 矿山充填采矿法综述 2 0 0 8年 1 2月第 l 2期 填料浆 的输送条件 , 是胶结充填采矿今后研究的重 要课题; ⑥针对矿山充填料浆的浓度和流量检测仪 表寿命短、 故障多、 检测失准 , 使得制备的充填料浆 达不到设计要求 , 应加强对充填监测仪表新产品的 研制与开发 。 5结语 随着科学技术的进步, 充填法已成为高效采矿 方法之一, 并且具有安全、 回采率高、 对地表生态环 境破坏较小等一系列不可替代的优点。加上充填采 矿法的许多复杂的工艺实现 了机械化和 自动化 , 运 用起来变得 日益简单。随着今后开采深度的 日益加 大 , 充填法在一些尚未开发的难采矿体将得以开发。 资源的合理开发利用和 日益强烈 的环境保护 的意 识 , 也对采矿方法提 出了更加严格的要求 。因此 , 充 填采矿法必将成为地下矿床开采 中一种最主要的采 矿方法 。 参考文献 [ 1 ] 解世俊. 金属矿床地 下开采[ M] . 北京 冶金工业出版社, 1 9 8 6 . 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