空场嗣后充填采矿方法在黑色金属矿山的应用前景.pdf

SP u P I N ovem b e r Z5X刃 金 属 矿 山 M ETA L M IN E 增刊 2X 9年11月 充填采扩 空场嗣后充镇采矿方孩在黑色金属矿 山的 应用前幸 张传信 中钢集团马鞍山矿山研究 院 摘 要 介绍了国内外充填采矿方法的历史和现状以及黑色金属矿山开采中存在的一些问题 , 指 出采用嗣后 充填的空场采矿法是解决这些问题的较好途径 , 并从各个方面分析了应用嗣后充填的空场采矿法具有广阔的前 景 “ 关键词 矿山 朋后充填应用前景 AP两a cUo n Fo r雌犷o u n d o f o讲nSt0P ing A t f erwa r d s Bak c 一 皿n i g 加n创匕 9M eth d o n iM e七d lic h仁n e s zhn agChu a n xi n s i n o s e t e lM面n shn a 加 t众u e t o fM in e R e3e a c r h o c . , 及d A b s a r t C tIn i耐 ue d e h t e 址 st呵 朋d s ta t u s o fo f e ri, n ad d ome s t i e ba ek一f ili i ng 而 ning methd o a n d s m o e Po r b e lm s x ei ste n td丽ngh t e 而 n i邓O f m e t a l l i e 而 n e s . PO i nted o u t o那nstop ing砍 e川 a rdsba ck 一 f l li ing而ning m e h t d o 1 5 h t e b e t ter w即to s o l ve h t ese p b o r lem s n adn aa l y d e z the o f e r go r un do f ap P I外 n g 吐 e w r d a l 6 l ling s o tpi铭 而- n gmethd o o r f m v e e叮 Pa川旧 K盯w o r d s Min e , Ba ck一f i l i i ng, APPl i e a ti n o o f rego run d 矿产资源是人类赖以生存的重要 物质基础 , 是 人类文明进步和社会发展的必要条件 “ 随着人口的 急剧增加和科学技术的快速发展 , 矿产资源开发 的 数量越来越多 , 规模也越来越大 “ 以中国为例 , 截至 19 97年底 , 国有矿山已达1 0 83 8 个 , 乡镇集体矿山 15 4 6 4 3个 , 个体采矿点 37 6 个 , 全国黑色 有色 建材 化工 能源 非金属矿年采出量逾2 0 亿 t , 为世 界第三大矿业国家 “ 与此同时 , 矿产资源过度 过快 的开发所产生的负作用也越来越大 越来越明显 , 已 经引起了人们的忧虑和深切关注 “ 实践证明 , 充填 法采矿是解决该问题的重要途径 “ 1 金属矿山开采中存在的一些问题 1 . 1 采矿产生的废石 尾矿堆置占地和环境污染日 趋严重 据不完全统计 , 2 0 0 8年末我国尾矿堆积量为 6 3 亿 t , 每年新增 尾矿近 3 亿 t , 需占用土 地面积2 0 km Z ; 剥离废石岩土物料 的堆存量达数百亿 t , 仅 我国露天铁矿山每年剥离废石就达 4 亿 t 以上 “ 目 前我国尾矿库数量众多 , 不仅占用了大量的土地 , 并 且给库区周边环境带来了巨大的环境压力 , 并造成 矿产资源的严重浪费 , 且每年为了维持尾矿库的正 常运行和安全 , 企业和社会投人了大量的资金 “ 这 些矿山固体废物由于处理 处置不当 , 给社会 经济 环境造成了严重的危害 , 导致工程灾害加剧 资源浪 费 水体污染 植被破坏 土地退化 沙漠化等一系列 问题 “ 其中尾矿库作为矿山企业重要的生产和安全 设施 , 同时又是重大事故危 险源和环境污染源 , 一旦 失事可能导致人民生命财产损失以及生态的严重破 坏 “ 多年来 , 矿山固体废物堆存诱发次生地质灾害 , 诸如排土场崩塌 滑坡 泥石流 尾矿库溃坝等多起 重大工程与地质灾害 , 给社会带来了极 大的损失 “ 据对我国具有较大规模的 8 5 4 0多座尾矿库统计表 明 , 上世纪8 0 年代以来 , 发生泥石流和溃坝近百起 “ 如 12年9月 2 6 日云南锡业公司火谷都尾矿库溃 坝事故 , 36 8 万 t 尾矿和泥浆向下游倾泻 , 掩埋万亩 农田和村庄 , 死亡 17 1 人 , 伤 9 2人 , 导致选厂停产达 3年之久 “ 198 6 年 4月 2 9 日 , 黄梅山铁矿尾矿库因 暴雨溃坝 , 致使下游一个村庄和大量农田被淹 , 1 9 张传信1 96 4一 , 男 , 中钢集团马鞍山矿山研究院 , 教授级高工 , 硕 士生导师 , 2 4 3 00 4 安徽省马鞍山市 “ 增刊 金属 矿 山 20 09年11月 人死亡 , 经济损失 20 X多万元 “ 2 0 0 0年广西南丹 县大厂镇鸿图选矿厂尾砂坝溃坝 , 殃及附近住宅区 , 造成 7 0 人伤亡 , 其中死亡人数2 8人 , 几十人失踪 “ 特别是 , 20 8年9月8日 , 山西襄汾新塔矿业公司 尾矿库溃坝特别重大事故 , 泄容量为2 6 . 8万 时 , 沿 途带出大量泥沙 , 流经长度达 2 km , 过泥面积 3 0 . 2 公顷 , 波及下游 so om 左右的矿区办公楼 集贸市场 和部分民宅 , 造成建筑毁坏 , 遇难人数 27 6 人 “ 保护土地 节约土地 , 是我国国民经济发展的基 本国策 “ 目前 , 我国仅有耕地 0 . 96 8 亿公顷 , 人均不 足 0 . 0 8 公顷 , 仅为世界人均数的四分之一 , 人多地 少 , 无论现在和将来都是一个大问题 “ 目前 , 全国矿 山开发 占用土地面积为58 1 . 7 1万公顷 , 并以每年 2 一 3万公顷速度增长 “ 以我国露天矿为例 , 排土场 占地面积占矿山用地面积的3 9 一 5 5 “ 全国固 体矿产采选作业排出的尾矿 废石破坏土地和堆存 占地约 20 0 万公顷 “ 由此可见 , 矿山 固体废物 占用 大量土地对我国这样一个人口众多 人均 占地面积 很少的农业大国 , 造成的影响是深远的 “ 据统计 , 金属矿山废石堆置占地一般占采场 占 地面积的5 7 . 3 , 这对于土地资源十分紧张的我国 是一项不小的损失 “ 堆置的废石中有害成分淋渗使 地表和地下水体受到严重污染 “ 如湘潭锰矿露天废 石场所渗出的酸性水每日达 670 0 耐之多 , 造成河 水污染 农田减产 ; 南山铁矿废石场酸性水使四条小 河和万余亩农田受到污染 “ 堆置在洪水通道上的废 石 , 可能由于洪水产生泥石流 , 造成人员伤亡和财产 损失 “ 1 . 2 对地质和自然环境的破坏日趋严重 我国的矿山开采中 , 以地下开采为主 , 地下开采 遗留下了大量的采空区 , 特别是 自上世纪8 0年代以 来 , 我国矿业开采秩序较为混乱 , 无规划的乱采滥挖 在一些国有矿山周边 留下 了大量的不 明采空区 , 成 为影响矿山安全生 产的最主要 的危 害源之一 , 据 11 73家国有大中型矿山调查 , 地下开采 占6 8 . 8 9 , 塌陷区占地面积为8 4 20 1 . 4公顷 , 占矿山开发破坏 土地面积的3 9 . 5 7 “ 如广西 大厂矿区 甘肃厂坝 铅锌矿 铜陵狮子山铜矿 河南架川铂矿 云南兰坪 铅锌矿 广东大宝山矿 徐州利国铁矿 临钢塔儿山 和二峰山铁矿等许多矿山 , 都存在大量的采空区 , 致 使矿山开采条件恶化 “ 造成矿柱变形破坏 , 相邻作 业区采场和巷道维护困难 等地压现象 ; 引发大面积 顶板冒落和岩移 , 引起地表塌陷 ; 采空区突然垮塌的 5 高速气浪和冲击波造成人员伤亡和设 备破坏 ; 采空 区老窿的积水 , 形成突水隐患等 , 给矿山生产和安全 带来严重威胁 “ 地下水资源遭到破坏 “ 矿山疏干排水往往使地 下水位下降 , 导致区域性地下水位下降 , 地表水和地 下水动态平衡系统遭破坏 , 以致水源枯竭和河水断 流 “ 如山西因采煤造成1 8个县2 8万人吃水困难 , 15 0 万公顷水田变成旱地 “ 自然景观 地形地貌 土地山林受到破坏 “ 除此之外 , 与其他产业相比 , 矿产资源开发造成 的负作用 , 不仅在生产期间存在 , 而且在生产结束后 相当长的时间内继续存在 “ 众所周知 , 矿产资源开发造成的负作用 , 其根源 在于地下资源被采出和废弃物在地表堆 置造成的 “ 采出量越多 , 产生的废弃物也越多 , 对自然环境的影 响和破坏越大 “ 因此 , 如果采用不产生废弃物或产 生废弃物量少的采矿方法和工艺进行采矿 , 则对自 然环境的破坏也会相应地较小 “ 2 国内外充填法采矿的应用情况 充填采矿在国外较早就引起了人们的重视 , 为 了控制采区的地表移动 , 1 86 4年在美国宾西法尼亚 的一个煤矿首次应用了水砂充填法 采矿 “ 2 0 世纪 3 0年代开始 , 世界上各个国家纷纷开始研究和采用 充填采矿方法 , 如乌拉尔一些铜矿 澳洲一些地下金 属矿山 芒特艾萨铅 矿 科巴尔的 CSA 矿 澳 大利 亚 加拿大和斯堪的纳维亚等数十个矿也采用了充 填采矿方法 “ 加拿大矿山充填已经历将近 10 0 年 , 加拿大地下硬岩采矿企业几乎都采用充填工艺 “ 由于经济的需要 , 许多矿山应用了空场法采矿 , 采空区进行嗣后充填 “ 早在 70年代 , 美国矿冶局 前苏联曾开展过 电动固结法在井下处理尾矿的研 究 , 但可能由于成本高 , 未实现工业应用 “ 加拿大曾 提出尾砂回填工艺 , 并把分级粗尾砂浓缩 , 用管道输 送到井下采场 , 浓相回填 , 但这种尾砂浆形成的充填 体其抗压强度不能满足要求 “ 在珍8 9年 , 由 A . a n t lg a e 和An no r提出了冻结尾矿集料充填 , 即先对 部分全尾矿集料造粒 , 以粒料代替浓相充填中的粗 骨料 , 实现全部尾砂充填 “ 加拿大已有铀分级粗尾 砂充填的实践 , 说明尾砂可作为地下采矿的充填料 “ 充填采矿法在我国有色矿山的应用历史悠久 “ 由于人工或电耙出矿的传统充填法采场生产 能力 低 , 劳动强度大 , 生产成本高 , 上世纪7 0年代初有一 些适合采用充填法的矿山纷纷采用了崩落法 , 因而 2 8 张传信 空场嗣后充填采矿方法在黑色金属矿山的应用前景 20 09年11月 充填法的应用有些下降 “ 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 位从未放弃对其进行研究探索 “ 随着采场装运设备 的发展 , 上世纪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 法己从一种低产 低效采矿法发展成为一种高产 高 效采矿法 , 因而许多 矿山又开始采用充填采矿法 “ 凡口 金川等使用充填法的矿山 , 都是年产矿石百万 吨级的大型地下矿山 “ 金川二矿区 已超过设计能力 4 6 , 采矿工效达到了世界先进水平 “ 充填采矿法 进人了一个新的发展时期 “ 嗣后充填采矿方法即空场法采矿 , 将采矿所产 废石和尾矿全部或大部分充填到采空区 “ 我国采用 充填采矿法采矿的地下有色矿山有金川镍矿 凡口 铅锌矿 南京铅锌银矿安庆铜矿 冬瓜山铜矿 新疆 阿舍勒铜矿等 “ 南京铅锌银矿采用分级尾砂胶结充 填充填采场 , 尾泥和剩余尾砂全部充填采空区 , 真正 做到了尾砂不人库 , 成为国家环保局固废处理研究 中心的示范矿山 “ 目前采用空场法采矿嗣后充填的铁矿主要有安 徽霍邱地区的草楼铁矿 李楼铁矿 , 山东 张马屯铁 矿 金岭铁矿 马庄铁矿和谷家台铁矿 新疆宝山铁 矿等 “ 3 空场法采矿嗣后充填采空区的优势 3 . 1 提高采矿回收率 , 大大减少矿山减少用地 以安徽草楼铁矿为例 “ 草楼铁矿总储量 8 60 0 万 t , 地表多为农田 , 且矿体上覆存在 17 0 m 左右的 第四系粘土 砂层及砂砾岩 ; 2004年开始建设 , 总投 资 4 . 7亿元 , 设汁能力 20 0 万口 a , 服务年限约3 0 a “ 设计采用了空场法采矿嗣后全尾砂充填采矿方法 , 全尾砂 9 0以上回填坑下 , 资源回收率达到九成以 上 , 节约地表建尾矿库用地达 20 0 公顷 “ 不仅减少 了环境污染 , 还避免了地表塌陷 , 消除了矿山生产的 重大安全隐患 “ 据测算 , 采用全尾砂充填 , 每吨矿石 增加成本1 2元 , 按全部开采需增加投人1 0亿多元 , 多采铁矿石 2仪旧多万 t 铁精砂 70 0 万 t , 可多创效 益约1 6亿多元 “ 3 . 2 尾矿用作充填料 以全尾砂或全尾砂为主的各类膏体充填料或高 浓度的充填料用于矿山充填 , 即可减少或取消尾矿 库 , 降低水泥消耗及充填成本 , 又可大大改善坑 内外 环境 , 彻底解决了尾矿的处理问题 “ 如广东凡 口铅 锌矿 , 采用全尾砂高浓度胶结充填料 自流输送工艺 , 将尾砂产出总量的8 0用于井下充填 , 辅以尾砂用 作生产水泥的原料 , 基本上消除了尾砂的地表堆放 “ 凡口矿全尾砂胶结充填系统尾砂利用率在9 5 以 上 “ 济南铁厂推广应用该 技术 , 成为我国第一个不 造尾砂坝 不外排尾砂的矿山 “ 3 . 3 控制地表塌陷 地层控制技术的研究已有几十年的历史 , 用充 填来控制地层 的移动目前国内外研究的还比较成 功 “ 如我国抚顺矿务局是用充填开采取得经验最多 的矿区 , 曾用水沙充填法实现了车辆检修厂 炼油厂 等建筑物下的安全采煤 “ 用充填法采矿可以避免可能导致地表和地下巷 道破坏的岩石力学问题 “ 可以开采几乎整个矿床 , 回来率最高 , 贫化率最低 “ 把充填体看作是盘区和 采场支护方式 , 在特定区域内至少可使弹性闭合速 度以及由此引起的能量释放率降低5 0 , 根据国内 外研究目前充填开采是用来控制地表沉陷与变形的 主要开采技术措施之一 “ 3 . 4 改善地下采矿环境 用充填法采矿可以有效地保护开采现场的环 境 “ 矿石采出后进行及时的充填 , 不仅保护了待采 矿体和主要运输大巷道 , 在一些多金属高品位高硫 矿体中 , 还避免了高硫矿石的自燃和自爆 , 同时也降 低了氧等有害气体的析出量 “ 4 嗣后充填采矿方法应用前景 采用深孔嗣后全尾砂充填法和分段空场嗣后全 尾砂充填法采矿方法 , 把选矿后 的尾矿用胶结法胶 结再回填到井下采空区 , 这种采矿方法可使采矿作 业更加安全 , 而且还可 以有效地减少占用林地 , 有效 防止了采空区的地面沉降变形 “ 嗣后充填采矿方法 在我国黑色金属矿山的市场是巨大的 , 具有广 阔的 应用前景 “ 理由是 l我国正处于发展经济的高潮之中 , 经济建 设的发展对资源的需求也不断增加 , 虽然一部分可 以通过进口来解决 , 但对于我们这样一个资源需求 大国来说 , 主要还要依靠发展自己的采矿工业来满 足经济建设的需要 “ 因此 , 采矿工业的发展是必须 的 肯定的 “ 2我国矿山企业数量巨大 “ 全国县以上国营 矿山近1 0 00 {座 , 乡镇和个体矿山2 0多万座 , 这些 矿山中相当一部分矿山废石 尾矿占地和环境污染 问题还十分严重 “ 采用空场嗣后全尾砂充填法采矿 5 29 增刊金属矿 山20 09年11月 嘴. .J门.J工. .J,二1j,.J,e sJ - ,山飞 q4 咤 qqOr.LF.LF.L. r.J工. .Lq . .L 方法 , 把尾矿充填至井下采空区 , 即可减少或取消尾 矿库 , 彻底解决尾矿 占地和环境污染问题 “ 3我国的环境保护要求越来越高 , 相关法律 法规不断出台和完善 , 这就使得许多矿山必须实施 无废开采以满足环境保护的要求 “ 在建和待建矿山 必须满足环保要求才能批准投产 , 因而其无废或少 废开采势在必行 “ 这就要求在建和待建矿山必须采 用空场嗣后全尾砂充填法采矿方法 “ 4我国近期开发或即将开发的矿山多数为厚 大第四系 含流沙层下矿床 “ 如安徽霍邱地区和 淮北地区的铁矿床 山东莱芜地区的莱芜 固家台矿 床 山东黄金集团的昌邑铁矿床 河南许昌武庄 磨 李 翟庄和岗河矿床 , 河北省中关铁矿床 司家营铁 矿床 , 等等 , 资源量近5 0亿 t“ 特别是安徽霍邱铁矿 区南北走向长度近3 0 m k , 宽 1 一 2km 内已探明十 余个大型铁矿床 , 资源量近2 0亿 t“ 其特点是 缓倾 斜 一 极倾斜矿体 , 矿床上部为巨厚的第三 四系松散 沉积物 , 地表地形平坦 , 多为大量的农田 水田 “ 开 采此类矿床时如何确保地表不塌陷 不沉降或减缓 沉降 , 是极其关键的问题 “ 而采用空场嗣后全尾砂 充填法可大大地减缓地表沉降 , 甚至确保地表不塌 陷 不沉降 “ 参考文献 刘同有 , 金铭良 . 中国镍钻矿山现代化开采技术1M8 . 北京 冶 金工业 出版社 , 19 9.5 周勃 , 吴爱样 . 地下矿山无低废采矿技术发展与应用J8 . 采矿快报 , 2X 25 . 郭金峰 , 论地下矿山无废料开采技术的研究J2 . 金属矿山 , 2X l , 2 9 63 . 朱靖 , 王永春 , 任宏伟 . 阶段充填采矿方法在宝山铁矿 的应 用] J . 采矿技术 , 20 07 3 . 刘仁勤 , 郑荣祥 . 阶段空场用后充填采矿法在铜山铜矿的应用 ] J . 采矿技术 , 2加7 3 . 张省军 . 全尾砂用 于分段空场法嗣后胶结充填的实践J1 . 金 属矿 J l i , 19 9641 521 . 收稿日期 2X 9刁9刃 8 .州卜. 叫卜.州卜.叫卜.叫卜.叫卜.叫卜.叫卜.州卜.叫卜.叫卜.州卜.叫卜.叫卜.叫卜.叫卜.叫卜. 叫卜刊 卜.叫卜 叫卜. 冲一问 神 一卜.州卜. 叫卜.叫卜 叫卜-刊卜 十一州卜.叫卜. 卜问 卜 呼 十 卜怜刊卜. 叫卜.州卜.州卜.州卜. 卜肉 州卜. 上接第2 4 0页 4 . 3 . 2 放出体的参数 应通过实验确定放出体厚度 倾角及有关放出 体边部形状的参数 “ 4 . 3 . 3 回采方向与采切工程的布置 用于倾斜矿体特别是多层倾斜矿体时 , 回采进 路应尽可能垂直矿体走向布置 , 进路的回采方向应 自矿体下盘向上盘回采 “ 矿石溜井应布置在矿体上盘或穿过矿体 “ 采用进路端部出矿 端部相互连通或长工作面 均匀出矿时 , 矿块通风条件好 , 可以减少或取消矿块 天井 “ 5 结语 l 板式放矿模型的放出体与实际回采放出体 更加接近 , 有利于降低矿石的损失贫化 “ 2 采用板式放矿模型的无底柱分段崩落采矿 法能应用于矿体倾角大于自然安息角的倾斜中厚单 层或多层矿体 , 扩大无底柱分段崩落采矿法的适宜 范围 , 有利于从倾斜厚大矿体下盘向上盘回采 “ 3 在矿岩稳固条件下采用长工作面均匀出矿 板式放矿的回采工艺将改善作业面通风条件 “ 4板式放矿模型比椭球 体放矿 模型的炮孔 长 , 应采用效率较高 成本较低的凿岩设备凿岩 “ 5 对板式放矿模型需要开展进一步的实验研 究 , 逐步完善 “ 收稿日期 20 09 一 1 0一8