同步充填采矿技术理念及一种代表性采矿方法.pdf

第 2 4卷第 1 2 期 2 0 1 5年 l 2月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo l _ 2 4。 NO ． 1 2 De c ． 2O1 5 采选技 术 同步充填采矿技 术理念及 一种代表性采矿 方法 陈庆发，陈青林 广西 大 学资源与 冶金 学 院 ，广 西 南 宁 5 3 O O 0 4 摘要 在无废开采与协 同开采 2种理念 的指导下 ， 区别于传统的嗣后 充填 ， 在 空区空 间尚未全部释 放时 ， 将 空区部分 空间先行 作为转换 空间 ， 将充 填工艺前 移至 出矿工艺 环节 同步进行 实施 ， 从而创 新提 出 “ 同步充 填” 采矿技术理念 。在同步充填理念的指引下 ， 通过吸收充填采矿技术 优势 ， 对浅孔 留矿法采矿工 艺进行二次创新 ， 提 出了大量放矿 同步充 填无 顶柱留矿采矿法 。新采矿方法 防止 了围岩大量片落 ， 控制 了 矿石贫化率和损失率 ， 提高 了矿 石回收率 ， 限制 了地表沉 陷； 同时 ， 新方法还 为隔离层 作用下放矿 规律研究 提供 了契机 ， 促进 了放矿学理论 的新 发展 。 关键词 同步充填 ；协同开采 ；技术理念 ；采矿方法 中图分类号 T D 8 5 1 文献标识码 A 文章编 号 S y n c h r o n o u s f i l l i n g mi n i n g t e c h no l o g y i d e a a n d a ki n d o f r e p r e s e nt a t i v e mi n i n g m e t ho d CEHN Qi n g f a ，CHEN Qi n l i n Co l l e g e o f Re s o u r c e s a n d M e t a l l u r g y，Gu a n g x i Un i v e r s i t y， Ab s t r a c t Unde r t he gu i d an c e o f t wo i de a s t h a t a r e n on wa s t e mi n i n g a nd s y ne r gi s t i c mi n i n g whi c h d i f f e r f r o m t h e t r a d i t i o n a l s y n c h r o n o u s f i l l i n g， wh e n t h e s p a c e o f g a p h a s n o t b e e n r e l e a s e d， ma k i n g p a r t i a l s pa c e of ga p a c t a s t r a n s f o r ma t i o n s p a c e i n a d v an c e a n d e x pl a nt i n g t h e f i l l i n g t e c h nol o gy t o t he f r o nt p ar t o f or e dr a wi ng pr oc e s s S O t h a t t he y c a n be s i mul t a ne o us l y i mp l e me n t e d．t he “s yn c hr on ous f i l l i n g” mi ni ng t e c hno l og y i de a i s c r e a t i v e l y d e r i v e d．Ba s e d o n t he gu i da nc e of s y nc hr on ou s f i l l i ng i d e a， t hr o u gh a b s or bi ng t h e a d v a n t a g e s o f f i l l i n g mi n i n g t e c h n o l o g y S O a s t o s e c o n d l y i n n o v a t e t h e mi n i n g p r o c e s s o f s h o r t h o l e s h r i n k a g e s t o p i n g m e t h o d， a n e w me t h o d o f “ o r e d r a wi n g l a r g e l y ， s y n c h r o n o u s f i l l i n g a n d n o n t o p p i l l a r s hr i n ka ge s t op i n g me t h od” wa s p ut f or wa r d．Thi s ne w m i n i n g me t ho d c a n pr e ve nt t h e s ur r o und i ng r oc k f r o m dr opp i ng， c o nt r ol t he o r e d i l ut i o n r a t i o a nd l os s r a t e， i mpr ov e t he o r e r e c ov e r y r at e， r e s t r i c t t he s u r f a c e s ubs i de nc e ．M e a n whi l e， t hi s n e w me t ho d n ot o nl y pr ov i de s a n o pp or t u ni t y f o r t he r e gu l a r p a t t e r n o f or e dr a wi ng u nd e r t he a c t i o n o f i s ol a t e d l a ye r bu t a l s o pr omot e s t he n e w d e ve l op me nt o f or e dr a wi ng t he o r y． Ke y wo r d s s ync hr on ous f i l l i ng； s y ne r gi s t i c mi n i n g； t e c h nol o gy i d e a； mi n i n g me t ho d 随着 国 民经济 的 发展 ， 可 持续 发 展 的理 念 深入 人 心 ， 资 源 节 约 与 环 境 保 护 受 到 了全 人 类 的 特 别 关 注 。 矿业在 可 持续 发 展理 念 指 引 下 ， 采 矿 工 艺 正朝 向安全、 高效 、 无 废 、 绿色、 协 同等 方 向发生深刻 变 革 ， 国 内外 学者 不 断提 出 了一 些新 兴 的采 矿 技术 理 念与 理论 ， 如 无 废 开 采 、 连 续 采 矿 、 绿 色 开 采 、 采 矿 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 6 1 8 基 金项 目国家 自然科学基金项 目资助 编号 5 1 4 6 4 0 0 5 作者简介 陈庆发 1 9 7 9 ， 男 ， 博士 ， 2 0 0 2年毕业于南方 冶金学院 采矿工程专业 ， 教授 、 硕士生导师 ， 主要从事 采矿工程 方面 的教学 与 研究工作 。E ma i l c h q f 9 8 1 2 1 1 6 3 ． c o rn。 环境 再 造 、 协 调 开采 、 协 同开采 等 ] 。 1 同步 充填 理念 的提 出及 内涵 1 ． 1 理 念基 础 构成 同步 充 填 理 念 的 基 础 主 要 有 无 废 开 采 与 协同开采理念 ， 2种理念具体表述参见文献E 4 ] 和文 献E s ] 。 1 ． 2 技术背景 充填 工艺 是 随着 矿 床 回采 工 作 面 的 持续 推 进 ， 逐 步将 充填 物料 填充 采 空 区 ， 利 用 充 填 物 料 的物 理 力学性质支撑两帮围岩、 控制岩移 ， 防止围岩片落 、 塌落 。 传统 的充填主要指 的是嗣后充填， 又称事后 充 填 ， 指 的是 在 矿 房 出矿 结 束 后 即采 空 区空 间全 部 第 l 2期 陈庆发 ，等 同步充填采矿技术理念 及一种代表性采矿方法 8 7 释放后 再实施 的充填工序 。 转换空间是采空区协同利用模式之一[ 6 ] 。该模 式将 采空 区看 作 为某 一 空 间 进 行 置换 利 用 ， 直接 将 矿山产生的固体废料充填至井下空区。 转换空间空 区协 同利 用不仅解决 了这些废 料 的排 放 堆 积 问题 ， 而 且 强 化 了 工 程 稳 定 性 。 因此 ， 资 源 回采 与 转 换 空 间 利 用 同步 技 术 是 地 下 矿 山 采 矿技术发展的主要方向。 1 ． 3同步充填理念 将无废 开采 与采 空 区协 同利 用 转换 空 间利 用 2种技 术思想相结合 ， 区别 于传统 的嗣后充填， 同步充 填是 指在 空 区 空 间 尚未 全 部 释 放 时 ， 将 空 区 部 分空 间先 行作 为 转换 空 问 ， 将 充填 工艺 前 移 至 采 场出矿工艺环节 同步进行实施 ， 从而创新 提 出“ 同 步 充填 ” 理念 。 1 ． 4 新 理念 提 出 的意义 1 新理念 可以看 作是协 同开采理念 的重要组 成 部分 ， 是协 同开采 理念 的新 发展 。 2 新理念持续改变与改进传统采矿技术认知 ， 不 断促 进采 矿技 术进 步 。 3 新理 念 可 能 激 发 采 矿 技 术 人 员 的创 造 性 思 维 ， 研发 出系列 具有 同步 充 填 性 质 的本 质 安 全 型 采 矿 方法 。 4 新理 念 有 利 于 促 进 矿 山 环 境 保 护 与 地 质 灾 害防治， 甚至将二者有机结合 。 2一 种代 表性 采矿 方 法 2 ． 1 问题 的提 出 浅孑 L 留矿法是空场采矿法的一种 ， 主要适用于 开 采矿 石稳 固 和 围岩 中 等稳 固 、 矿石 不结 块 不 自燃 的急倾斜薄至中厚矿体 ， 在我 国金属矿山得 到广泛 应 用 。 在 应用 浅 孔 留 矿 法 分 层 向 上 回采 时 和 局 部 放 矿 时 ， 有 限的暴 露面 积 下 没 有 发 生 围 岩 片落 和 大 范 围岩移 的空 间 与现 象 。而 当大 量 放 矿 时 ， 由于 围岩 暴露面逐渐增加超过了极 限暴露面积 ， 往往引起 围 岩大量片落与围岩大范围岩移 的现象 ， 不但造成矿 石贫化 、 漏斗堵塞 ， 而且 还有 可能造成地表沉陷， 破 坏 地表 生态 环境 。 上述 2种现象使人们有理 由认为有限的空区暴 露 面积 与 暂 留 矿 石 的共 同作 用 有 利 于 支 撑 两 帮 围 岩。这为大量放矿 时采用 同步 充填技术来控 制围 岩暴露面积从 而控制大规模岩 移和地表沉 陷提供 了思想基 础 。 2 ． 2新 采矿 方法 的提 出 为 了解 决 上 述 问题 ， 笔 者 在 无 废 开 采 、 协 同 开 采 2种理念指导下 ， 通过吸收充填采矿技术优势， 对 浅 孔 留矿法 采矿 工艺 进行 二次 创新 ， 于 2 0 1 0年提 出 一 种大量放矿同步充填 无顶柱 留矿采矿方法 ， 其标 准 图见 图 1 。 1 一 回风巷道 ； 2 - 顶柱； 3 - 天井； 4 - 联络道； 5 - 间柱 6 一 存 留矿石 ； 7 - 底柱； 8 - 漏斗； 9 - 阶段运输平巷 1 O 一 未采矿石； 1 1 - 充填料； 1 2 一 隔离层 图 1 大量放矿 同步 充填 无顶柱 留矿 采矿方法图 新采矿方法 2 0 1 2年 8月获国家发明专利授权 ， 申报的 柔性隔离层作用 下散体 介质流理论研究 课 题 2 0 1 4年 获 国家 自然 科学 基金 资助 。 新采矿方法详细介绍见文献E 7 ] 。 2 ． 3 新采矿方法具体实施步骤 1 根 据 拟 采 矿 床 勘 探 程 度 、 围 岩 稳 固情 况 、 矿 体倾角、 埋深等 因素， 将急倾斜 薄至 中厚矿体 自上 而下划分出若干阶段 ， 阶段 内基于矿石 和围岩的稳 固性 ， 计算 出顶 柱的极限暴露 面积， 再沿走 向划分 出若 干矿块 。为更 好 地 控 制 矿石 溜 出率 ， 与 常 规 留 矿法相比， 阶段高度和矿块长度一般取值略小一些。 2 矿 房 内 矿 石 连 同顶 柱 一 起 按 传 统 留矿 采 矿 法 由下而 上逐 层 回采 ， 不 留顶 柱 。 3 大量放 矿前在 留矿堆上 表面铺设柔性 隔离 层 。柔性隔离层从下之上 由杂草 、 麻袋片和防渗土 工布等三层组成 ， 或 由废 旧橡胶 片等材料层构成 。 柔性隔离层主要作用起 到隔离矿石与充填料 ， 防止 干式充填料大幅度混入矿石的作用 ， 从根本上降低 矿 石 贫化率 。 4 大量放矿时 ， 从 回风巷道下放块度适 中的干 式 充 填料 ， 并 由人工 或 者 电耙 的 方式 对 干式 充 填 料 进行平场作业 。干式充填料可以是废石、 尾砂或戈 壁集料。有条件情况下 ， 与矿石块度 与密度相差不 多 的充 填料 优先 选用 。 5 借 助振 动放 矿 机 配 合重 力 放 矿 ， 使 充 填 料 与 矿石同步均匀下沉 ； 通过调整矿石溜 出率和充填料 8 8 中 国 矿业 第2 4 卷 下放率 ， 严格控制 围岩暴露 面积， 充分发挥 充填料 的 支撑作 用 ， 避 免 围 岩 大 规 模 移 动 和 地 表 沉 陷 ， 降 低矿石贫化率和损失率 。 6 矿 石全 部放 出 ， 充 填料 充满 采场 空 区 。 2 ． 4 新 采矿 方法 的优 缺点分 析 1 优点 。①对传统浅孔留矿法进行 了改进 ， 使 大量放矿与充填同步进行， 避免了因围岩大面积暴 露 而造成 矿 石 贫 化 、 漏 斗 堵 塞 ， 以 及 围岩 大 范 围 移 动、 地表沉陷等缺陷。②通过发挥充填体对 围岩的 支撑 作用 ， 拓展 了 留矿 法 的应 用 范 围。借 助 振 动 放 矿机配合重力放矿 ， 保持矿石溜 出率和充填料下放 率协调一致。③ 由于不 留顶 柱 ， 提高 了矿 石 回收 率。④工艺简单 、 便于工人掌握 。 2 缺点 。①新采 矿方法要求 散体矿 石 同步 下 沉 ， 给放 矿管 理 带来 了难度 。② 隔离 层存 在采场 中 ， 造成 了一 定 的材 料 损 失 。③ 铺 设 隔 离层 工艺 要 求相对较高 ， 需要防止大量放矿 时充填废石与下部 矿石 的混 合 。 2 ． 5 新 采矿 方法 提 出的意 义 1 防止了围岩 大面积 冒落后混 入采场矿石 ， 有 力地控制 了矿石 贫化率 ， 有效 地提 高 了矿石 回收 率 ， 实现了对地表大规模沉陷有效控制 ； 同时 ， 有利 于 矿 山废 料排 放促 进矿 区绿 色开 发 。 2 新方法不仅 改善 了地下采矿环境 ， 同时还保 护了地表环境 ， 是解决当前我 国矿 山开采中环境 问 题 的途径 之 一 。 3 随着矿 产 资源 的大 量 消 耗 ， 及 金属 价 格 上 升 及选 矿技 术水 平 的提 升 ， 如 果 充 填 的废 石 中金 属 含 量达到了盈利点 ， 将来可能再造一座地下矿 山。 4 由于 隔离层 的存 在 ， 散 体 矿 石 流动 规 律 不 同 于传统放矿规律 ， 使用经典放矿学理论 已不 能精确 描述 。开 展 全 新 的柔 性 隔 离 层 作 用 下 散 体 介 质 流 基础 理论 研究 对 于完善 放矿 学理论 具 有重要 意义 。 2 ． 6 新采矿方法应用展望 一 种 新采 矿 理 念 及 采 矿 方 法 从 提 出 到 工 程 届 大量 推广 应用 ， 往 往需 要 5 ～ 1 0年 的时 间 ， 甚至 更长 的 时间才 能不 断发 展成 熟并 成功 应用 。 目前 ， 该采 矿方 法 正 在 国家 自然科 学 基 金 项 目 编号 5 1 4 6 4 0 0 5 的资 助 下 开 展 扎实 的实 验 室 及基 础理论 研究 ， 课题 组 亦 正 在努 力 寻 找企 业 开 展应 用 洽谈。相信 不久 的将来 ， 人 们定 能将 理论 应用 于 实践 。 3 结 论 1 在 无废 开采 与协 同开 采 2种 理 念 的指 导 下 ， 将 充填 工 艺 前 移 至 出矿 同步 进 行 ， 提 出 了“ 同步 充 填 ” 采矿 技术 理念 。 2 在 同步充填 理念 的指 引 下 ， 通 过 吸 收 充填 采 矿技 术 优 势 ， 对 浅 孔 留 矿 法 采 矿 工 艺 进 行 二 次 创 新 ， 提 出了大 量放 矿 同步充 填无 顶柱 留矿采 矿 法 。 3 大量放矿 同步充填 无顶柱 留矿采 矿法 的提 出 ， 为隔 离层 下放 矿 规 律 研 究 提 供 了契 机 ， 促 进 了 放矿 学理 论 的新发 展 。 4 同步 充 填 理 念 可 能 会 激 发 采 矿 技 术 人 员 研 究 出更多 具 有 采 场 同步 充 填 性 质 的本 质 安 全 型 采 矿方法 ， 推 动采 矿技 术 的进步 。 ■一 参 考文 献 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一一一一一一～一一一一一一一一一一一一