充填采矿技术应用发展及存在问题研究.pdf

2 0 1 0年第 1 期／ 第 3 1卷 黄金 GoLD 充填采矿技术应用发展及存在 问题研究 张海波 ， 宋卫 东 ， 许 英 霞 1 ． 北 京科 技大学 ； 2 ． 河北理工大学 摘要 总结 了充填采矿的发展现状历程与成功应用的经验 ， 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。最后得 出在资源利用和环境保护协 同并进的地下矿 山， 充填采 矿技术必将得到优先发展。 关键词 充填采矿 ； 资源利用； 环境保护 中图分类号 T D 8 3 3 ． 3 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 11 2 7 7 2 0 1 0 0 1 0 0 2 3 0 3 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。与其他采矿方法相 比，充填 采矿法有提高矿石 回采率 、 减少矿石贫化率 、 充分利 用现有资源、 有效地控制地压和地表塌陷 、 优化矿区 周围环境 、 防止内因火灾和“ 三下开采” 等显著特点。 而且充填采矿在改进 和完善现有技术的基础上 ，又 有新的进步， 在充填料制备 、 输送技术 、 充填材料开发 和充填 回采工艺技术等方面均有 了长足的发展 ， 加之 井下无轨 自行设备的广泛应用 ， 充填采矿 目前已成为 一 种高效的开采方法。 1 充填采矿技术应用现状 中国的充填技术经历了废石干式充填 、 分级尾砂 水力充填、 碎石水力充填、 混凝土胶结充填 、 磨砂胶结 充填 、 分级尾砂或天然砂充填 、 废石胶结充填 、 全尾砂 胶结充填、 赤泥胶结充填和膏体充填的发展过程。但 中国矿山数量多 ， 开发与应用 的充填工艺与技术类型 多， 尤其是近十余年来， 在新的充填技术的研究开发 和推广 应用方 面均取 得 了长足 的进 步⋯ 。综合 起 来 ， 中国的充填采矿技术发展大体分以下几个 阶段 。 第一阶段是 2 0世纪 5 0年代 、 6 0年代 ， 均是 以处 理废弃物为 目的的废石干式充填工艺。1 9 5 5年废石 干式充填在有色金属矿产地下开采 占 3 8 ． 2％ ， 在黑 色金属矿床地下开采中竞达到了5 4 ． 8％。但废石干 式充填因其效率低、 生产能力小和劳动强度大， 满足 不了采矿工业的发展 ， 国内干式充填采矿所 占比重逐 年下降 ， 几乎处于被淘汰 的地位。6 0年代开始应 用 水力充填工艺， 1 9 6 5年在湖南锡矿 山南矿为了控制 大面积的地压活动 ， 首次应用了尾砂水力充填 采空 区， 有效减缓了地表下沉 ； 湘潭锰矿当时也采用 了碎 石水力充填工艺 ， 以防止矿坑 内因火灾等。 第二阶段是2 0世纪 7 0年代、 8 0年代， 开始应用 尾砂胶结充填技术 ， 由于非胶结充填体无 自立能力， 难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要， 所 以 在水砂充填工艺得以发展并推广应用后 ， 开始采用胶 结充填技术。2 0世 纪 7 0年代 细砂胶结充填在广东 凡 口铅锌矿、 山东招远金矿和焦家金矿等矿山得以应 用。这一时期的细砂胶结充填料主要以尾砂 、 天然砂 和棒磨砂等作为充填集料， 胶结剂为水泥。目前， 以 分级尾砂 、 天然砂和棒磨砂等材料作为集料的细砂胶 结充填工艺与技术 日臻成熟 ， 并 已在广东凡 口铅锌 矿、 甘肃小铁 山铅锌矿 、 南京铅锌银矿、 江西铜业集团 公司武 山铜矿 、 安徽铜都铜业安庆铜矿 、 金i l l S． 矿、 湖 北鸡冠嘴金矿 、 山东招远金 矿等 2 0几座矿 山应用。 其 中湖北鸡冠嘴金矿用江砂充填 ， 山东招远金矿用海 砂加尾砂充填 ， 金J l I 二矿用棒磨砂充填 ， 其他均为分 级尾砂充填。 第三阶段是 2 O世纪 9 0年代 以来 ，随着采矿工 业的发展 ， 原充填工艺 已不能满足回采工艺的要求和 进一步降低采矿成本或环境保护的需要。因而发展 了高浓度充填、 膏体充填、 废石胶结充填和全尾砂胶 结充填等新技术 国外有澳大利亚的坎宁顿矿 ， 加拿 大的基德克里克矿， 德 国的格隆德矿 ， 以及南非、 美国 和俄罗斯 的一些地下矿 山都在近年来应用了这些充 填工艺与技术 。国内则分别在广东凡 口铅锌矿、 南京 铅锌银矿 、 广西大厂铜坑锡矿 、 湖北丰 山铜矿等矿 山 投产使用 。 2 充填采矿技术优势及存在问题分析 2 ． 1 充填采矿技术优势 矿山充填采矿法之所 以得到广泛的应用 ， 所占的 收稿 日期 2 0 0 9一l l一1 1 作者简介 张海波 1 9 7 8 一 ， 男， 河北磁县人， 讲师， 博士研究生， 主要从事采矿工程、 安全技术方面的研究工作； 河北省唐山市新华西道4 6 号， 0 6 3 0 0 9 黄金 比重 日益增加 ， 综合起来其原因有下列几点。 1 充填体可以控制采场地压 ， 支撑 围岩， 减 少、 延缓和阻止采后空区围岩的破坏和移动。有利于开 采深部矿床 ， 水下 、 建筑物下和构筑物下的矿床， 以及 有自燃倾向的矿床 J 。 2 矿石回采率高， 贫化率低， 采选综合经济效 益好 ， 并可减少地面尾矿坝 占地面积； 开采地面需要 保护的矿床， 使用充填采矿法可保护地面不发生陷 落； 充填采矿法开采有 自燃倾向的矿床， 可有效地防 止火灾的发生。 3 开采作业 机械化 ， 采用 凿岩台车凿岩 ， 铲运 机出矿， 锚杆机安装锚杆、 锚索护顶等， 使充填采矿法 成为高效率 的采矿方法 ； 大力开展 了充填理论 的研 究， 推广 了充填料输送管路化 ， 充填过程 自动化 ， 研发 了代替水泥的胶凝材料， 采用高浓度均质流的浆体输 送， 从而使充填体强度提高， 成本下降。 4 深部充填采矿技术， 随着矿床开采的不断延 伸， 采场范围扩大， 地压增高， 尤其是高地应力矿区， 不仅采场突变失稳风险在增加， 而且潜在的危害也加 大 J 。所 以进行深部充填采矿 可以解 决采场不平衡 应力的传递和调整 ， 其传递和调整的结果 ， 可能导致 原岩应力场再次处于平衡状态。 2 ． 2 充填采矿发展存在问题 从上面的原因可以看出， 充填采矿法从某些方面 代表了国内外矿山发展的趋势 ， 但是充填采矿的技术 研究和应用方面还存在着某些问题， 下面笔者对充填 采矿发展提出一些粗浅的改进观点， 供研讨。 1 创造新型采矿工艺 ， 保证充填质量。充填采 矿技术要结合矿山特点， 矿床开采技术条件， 发明或 创造一些与其他采矿技术相结合的新型采矿法。对 于缓倾斜极薄矿脉开采， 可用矿岩分掘 ， 废石抛掷充 填空区， 即削壁充填和爆力运矿相结合的采矿法。对 于厚大而矿岩较稳固的矿体 ， 可用浅孔和中深孔空场 采矿法开采 ， 采后空 区用尾砂胶结、 块石胶结或高水 材料充填， 即阶段连续回采快速充填工艺， 既降低成 本， 又增大效率 ， 也作到对采空区的处理。 另外， 采场设计对充填质量的好坏影响很大 ， 采 场几何形状的设计往往是为了适应矿山生产要求和 便于通达，而并非是为 了充填料 的充放和保持充填 质量的功能。一旦充填料离开浆体供给管路， 输送 机卸料端或车辆铲斗， 充填料质量控制可能不再受到 矿山工作人员制约， 所以充放点的位置将会影响充填 料可能发生的分凝度， 靠近采场一侧布置充放点时， 随着分凝量增加 ， 在开始沉降前充填料必须移动 的 距离将会加大，这种充放方式将在紧靠充放点 的下 部产生很强的充填角 ， 而离开充放点的距离越大 ， 端 壁越松弱 ，当采场尺寸很大时，应 当放置另外 的充 放点 ，以便缩小充填料 移动的距离 ，从而使充填质 量下降的趋势得到缓解 。 2 开发研制低成本、 高强度的新型充填固化材 料。充填料的物理特性包含 孑 L 隙率、 湿度、 容重、 粒 度、 固体含量及其级配、 渗水度、 抗压、 抗剪力学强度、 可压缩性等 ] 。充填体的物理力学特征与许多因素 有关， 主要取决于骨料的成分及其结构， 胶结材料 的成分及其组成方式等， 它直接影响充填体的强度 和采场的稳定性， 这是充填采空区必不可少的材料 基本性能研究， 因此各国都对此进行了深入研究。 比如 高水材料优点是可以使用全尾砂， 充填体 固结速度快， 充填料无重力水排出因而避免了井下环 境污染并节约了排水费用， 充填料可以低浓度远距离 输送、 充填效率高。但是充填体强度不高， 这种固结 材料在应用过程 中极易风化 ， 脱水后强度有所降低。 另外材料成本价格高。在矿山和其他工程应用中， 没 有长期稳固性证明其有抵抗爆破震动性与冲击性， 抵 抗各种性质渗滤水腐蚀性以及抵抗地应力作用变形 破坏与地热作用 、 冰冻作用等特性。为此， 需要加强 对高水材料的长期性能研究。 3 研制高效矿山充填设备和提高矿山充填自 动控制与自动化水平。矿山充填系统的 自动化程度 的高低直接影响和制约矿山的发展， 但是由于国产的 相关设备技术性能稳定性差 ， 遏止了矿山充填技术的 发展 。所以必须加强研制高效浓密设备 如 高效浓 密机、 陶瓷过滤机、 真空过滤机、 盘式过滤机等 ， 为 高浓度全尾矿浆的制备提供有效保证， 同时研究减少 或消除充填设备磨损和腐蚀的方法 J 。更重要的是 要研制高浓度输送设备， 采用压排设备输送调节各段 输送压力， 防止输送堵管现象； 对于充填系统卸料浓 度和物料流量的自动控制技术正常化 ， 最为关键的是 要研制和引进适合于矿山应用的 自动化设备和仪表 ， 建立真正意义上的 自动控制系统 ， 从而调节充填系统 的全尾矿卸料、 充填固化材料和清水等物流量来自动 调节充填浓度。 4 严格充填站管理制度 ， 定期采样 、 确保充填 质量 。现代化的充填站都装备有各种 电子设备和机 械设备， 以利于生产所需的充填材料。这种充填站 一 般都是地表设施， 设置在矿山选矿厂内或其附近， 以利于选矿厂供应充填站制备充填料所需的组分。 各充填站的设计一般都很相似， 而且制备流程所需 的各种设备 ， 包括泵 、 阀、 流量计 、 浓度计和胶结计量 装置， 都已使用电子控制。就胶结剂材料和混合浆 体浓度的剂量控制对保持充填料质量都是最重要 的 因素。为达到有效的剂量， 许多称重装置和流量监 加1 0年第 1 期／ 第 3 1卷 测装置都取决于精确 的校准。为保持松散充填材料 的合理速度控制， 大多数充填料制备站对充填料制 备流程的设备既不进行定期的也不进行系统的检查 ， 即使有这种检查的话， 也只是安排每半年或更长的 词期进行维护和检查工作。另有一些充填站， 只是 在设备发生故障或各种流量计计量系统发生故障时 才进行检查 。 因此 ，为了使充填料制备站流程控制保持最低 限度的适宜程度 ，应 当建立设备 的定期 检查制度。 作为最终检验充填料制备站质量控制适宜程度的手 段， 不管仪器的精度和机械化程度如何， 对充填站 产品进行定期采样检查 ，可确保充填料 的物理特性 维持在所需要求的水平上。 3 结语 随着中国倡议建设绿色矿山， 提高资源综合利用 率， 节能减排， 保护环境； 科学发展的模式得到人们的 普遍认同， 人们逐渐意识到充填采矿技术的优势， 充 填采矿已经成为高效采矿方法之一 ， 并且具有回采率 高 、 对地表生态环境破坏小等一系列优势。特别是随 着矿体向地表深部延伸 ， 开采深度和难度 日益加大 ， 充填采矿技术优势凸显， 一些尚未开发的难采矿体将 得以开采。科学发展模式要求资源的合理开发利用 和环境保护并重 ， 同时也对采矿方法的抉择提 出了严 格的要求， 因此充填采矿必将成为今后发展矿体地下 开采的关键技术。 [ 参考文献】 [ 1 ] 解伟， 隋利军， 何哲祥． 基于采矿充填的尾矿处置技术应用前景 [ J ] ． 工业安全与环保 ， 2 0 0 8 ， 3 4 8 3 73 9 ． [ 2 ] 采矿手册 编辑委员会． 采矿手册 第 4 卷 [ M] ． 北京 冶金工 业出版社； 1 9 9 0 ． [ 3 ] 王新民 ， 肖卫国 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c o o r d i n a t e d d e v e l o p m e n t o f m i n e r e s o u r c e d e v e l o p m e n t a n d e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n i n u nd e r g r o u n d mi ne s ． Ke y w o r d s b a c k fi l l mi n i n g ； r e s o u r c e d e v e l o p me n t ； e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n 编辑 邢万芳 上接第 1 4页 Ana l y s i s o f o r e - f o r mi n g s t r u c t u r e s a nd s t u dy o f pr o s pe c t i ng di r e c t i o n o f J i n h u a s h a n g o l d d e p o s i t a r e a，Zh a o y u a n Q i a n J i a n p i n g ， Wa n g Z i g u o ， S u n T a o ， C h e n H o n g y i 1 ． C o l l e g e o fE a r t h S c i e n c e ， G u i l i n U n i v e m i t y of T e c h n o l o g y ； 2 ． C o a l G e o l o g ic a l B u r e a u ofJ i a n g s u P r o v i nce ； 3 ． L i n g s h a n G 0 Mi n e ．,Z h a o y u a n 1 Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o g e o l o g i c a l i n v e s t i g a t i o n i n t u n n e l ，ma p c o mp i l a t i o n o f s t r u c t u r e a n d n u me ri c al s i mu l a t i o n o f t e c t o n i c s e s s fie l d i n mi n e r a l i z a t i o n p e rio d，t h e t y p e o f o r e c o n t r o l l i n g s t ruc t u r e i n t h i s a r e a i s p r o p o s e d，wh i c h i s t h e e c h e l o n t e n s i l e f r a c t u r e b e l t c o n t r o l l e d b y Q i a n s u n j i a - Wa s u n j i a ma i n f a u l t s a n d i t s p a r a l l e l s e c o n d a r y f a u l t s ．S t r u c r u r a l o r e c o n t r o l l i n g r e g u l a r i t y i s s h o wn a s t h e z o n i n g o f s t ruc t u r e a n d mi n e r ali z a t i o n i n v e r t i c a l d i r e c t i o n， t h e c o i n c i d e n c e o f s t ruc t u r al o p e n i n g c e n t r e a n d c e n t r e o f mi n e r ali z a t i o n e n ri c h me n t ，t h e p r e f e r r e d d i r e c t i o n o f n e ar S N a n d NNE me t a l l o g e n i c s t ruc t u r e ，the r e gul a r i t y o f s o u t h e a s t e r n t e n d e n c y a n d s o u t h w e s t e r n l a t e r al t r e n d i n g o f o r e b o d y，a n d t h e o b v i o u s o r e c o n t r o l l i n g r o l e o f v e i n r o c k ．On t h i s b a s i s ，t h e n e x t p r o s p e c t i n g d i r e c t i o n s 单 ‘ {l o c a t i o n s w e r e p r o - ． p o s e d ． ’ Ke y wo r d s me t a l l o g e n i c s t ruc t u r e a n a l y s i s ； t y p e o f o r e - c o n t r o l l i n g s t ruc t u r e ；s t r u c t u r al o r e c o n t r o l l i n g r e gu l a r i t y； t e c t o n i c s t r e s s fi e l d o f m i n e r a l i z a t i o n p e ri o d ； J i n h u a s h a n g o l d d e p o s i t a r e e 编辑 宿晓静