地下金属矿山充填采矿技术安全分析

蒲世海

摘要：近几年来国家积极推广充填采矿法，并出台了《2021年我国金矿采选行业相关政策》等诸多环保和安全法律法规，以促进充填法在矿山开采中的应用。由于国家对使用充填方式开采的矿产资源可以减免50%的资源税，因此新建的地下矿山开采中优先考虑充填法，可尽量将固体废弃物充填至井下，更好的推进矿山资源的开发和利用。基于此，本篇文章对地下金属矿山充填采矿技术进行研究，以供参考。

关键词：地下金属矿山；充填采矿技术；

引言

我国采用充填采矿法的矿山占比越来越大，特别是有色金属矿山占比超过３０％，越来越多的铁矿、煤矿等低价值矿石矿山也采用充填采矿法开采，而且随着国家安全和环保政策的日益严格，采用充填采矿法的矿山还会不断增加，充填采矿法的应用会越来越广。我国的矿产资源贫矿多、富矿少，难采矿体多，随着浅部资源、易采资源、高品位资源的逐渐消耗和枯竭，越来越多的矿山转入深部低品位难采矿体开采，开采成本越来越高，成本控制的压力也越来越大。针对日益严格的充填技术要求，科研院所、高校、矿山企业合作攻关，致力于矿山充填新工艺、新材料、新装备等方面的技术研发，开发出了尾砂高效浓缩、水泥精准添加、膏体均匀制备、料浆长距离大倍线管道输送、高效胶结剂等关键技术，形成了大能力低成本胶结充填综合技术，使充填能力达到１８０～２００ｍ３／ｈ并实现连续充填，将充填综合成本控制在较低的水平，并在大量矿山进行了推广应用。

1充填采矿法简介

由于矿山开采过程中容易出现安全事故，因此，安全是安全生产的首要任务，防止安全事故、中毒、火灾等，对充填采矿技术的推广与应用起到了积极的推动作用。在新建矿井特别是地下矿井中，应首先采用充填开采法，并对开采方法进行论证。在地质找矿工作中，要对有关地质数据进行全面地分析，并有针对性地开展地质勘探，以确保找矿工作的高质量。充填采矿法是指在开采矿山时，在采掘工作面的同时，采用填料，以物理性质充填采空区。在一些特殊的场合，也要配合支架和填料。采空区充填，主要是为了降低施工中存在的安全风险，比如，由于充填物料在地面上产生的压力，很容易引起周边岩体的崩塌等。充填采矿方法具有较好的环境适应性、较高的安全、较高的采收率和较高的作业效率，并能在一定程度上降低地面的损害。这是一种比较先进的技术，而且它的投资也比较大。在工程地质、施工等方面，必须配备专业的设备、人员和专业的管理人员，进行勘探设计、打桩、吊装等工作。尤其是在市政、采矿、隧道等工程中，为了节约工程造价，加速施工，经常采用爆破方法对坚硬岩石进行开挖。

2采空区基本概况

资源开发与利用可形成大量的深部采空区，导致原有的地质结构和应力平衡被破坏，进而可引发采空区塌陷甚至是持力层破坏等地质问题。根据采空区破坏现状，常见的破坏类型可分为塌陷型和空洞型２大类。其中，塌陷型采空区主要与采空区面积过大导致上覆岩矿层塌陷有关，进一步可分为冒落带、裂隙带和沉降带３部分；空洞型主要与掘进巷道关系密切，即为巷道开挖而形成。因此，塌陷型对资源损失更严重，也是矿山企业着重关注的热点问题之一。一般来说，沉降带位于塌陷区的最上方，属于采空区最外围的岩矿层，该区域的岩矿层发生了下沉，但是还没有出现塌落，具有形变量下大上小的特点；裂隙带位于下沉带和冒落带之间，该区域岩矿层的横向应力大于竖向应力，岩矿层形变强烈，形成了密集的裂隙带，但该层不完全塌陷，具有下部形变强甚至部分塌陷而上部裂隙相对稀疏的特点；冒落带一般直接与采空区相连接，当矿体开采完成后由于竖向应力明显大于横向应力，导致该区域岩矿层裂隙发育直至塌落，回填至采空区。

3充填采矿技术的有效改进措施

3.1膏体充填技术

一般在进行地下金属矿开采时，受到传统开采技术水平的限制和影响，经常会出现开采固废量过高、大气污染、水体污染等诸多问题。面对上述开采所引起的污染，我国在解决时主要采用了充填采矿技术，以此预防乃至杜绝因地下金属矿开采而破坏环境。膏体填充技术应用中，需要技术人员将开采矿山现场中包括全尾砂在内的诸多矿山固体废物制备为结构流料浆，此类物质呈饱和态、牙膏状，且无泌水，将此类膏体填充到开采后的空矿床中，可以全面保障矿山后续生态环境的可持续发展。同时，新式的膏体填充技术应用，能够比较传统的水砂填充具有“三不”优势，代表着不会出现分层、离析以及脱水的问题。现阶段，我国已经建设成功了工业级别的金属矿开采膏体填充平台，该平台中含有设备超出200套，占地面积超出2000㎡，作业精度高、功能全且实现了智能化操控，膏体填充的工艺实验全流程顺利，包括参数检测指导系统的设计在内，工程实践效果理想，在环管实验系统中，实现了多管径、多流量、多走向填充目标，且经过对填充成果的检测结果分析，与传统的水砂填充结果相似度极高，具有较强的推广价值。将各类金属矿作为矿山开采后的填充膏体，整个工艺操作过程所遵从的理论均是金属膏体流变学，即研究的重点围绕膏体流变本构方程展开，结合理论基础以及数值模拟分析下，并整合流变实验结果后，发现膏体填充技术高度契合地下金属矿的高质量开采处理要求。在上述研究工作开展过程中，稳定且适宜的底流浓度确定，很大程度上需要依赖于浓密技术的完成，才能确保所制备的膏体合格度。搅拌技术处理中，需要确保物料混合的均匀度符合要求，创造在管道中输送时的流态化条件。此外，应用膏体填充技术进行地下金属矿的开采处理时，还可全面发挥出技术本身的经济、环保及安全特性，以此实现金属矿的绿色开采目标。

3.2实现开采的环保化

随着经济的快速发展，环境问题成为世界关注的焦点。很多发达国家针对这一现象，采取了一系列治理措施，明确了工业三废的排放标准。我国在各级政府的严格监管下，对很多低品位的矿山进行了停产整顿，通过先覆盖、再绿化的方式，加强了对环境的保护，同时也加大了对开采过程中产生的废气固体材料的管理制度。尾砂充填工艺可以有效地对矿区的环境进行保护，从而达到期望的治理效果。我国在增加矿山开采深度的同时，也需要提高矿石回采率，适当增加充填采矿法的使用率，注重生态环境的保护，从而提高采矿工作的实际效率。要想完善深层次的充填和分段充填，就需要加大高浓度全尾胶结充填、泵送膏体胶结充填等技术的推广力度，促进充填材料的改革创新。

3.3空场法（留矿法）

该金矿矿体以极倾斜极薄至薄矿体为主，少部分为中厚矿体。矿体平均厚度仅有1.39m、平均品位为1.5g/t。在该金矿开采过程中存在多种问题，如回采过程中容易因顶板冒落引发安全事故；在空场法（留矿法）运用中，需要保留2/3的回采高度持续性的回采，以避免出矿大量废石混入矿体，造成资源损失；在大量放矿期间，矿石的损失率高达20%以上，导致矿石贫化等。据统计，矿石贫化率甚至达到30%，这对矿山技术经济指标造成严重的影响。多年实践表明，空场法（留矿法）开采并不适合该矿山的开采技术条件。因此，需要适当调整和优化开采方式，选择安全可靠、资源回收率高的开采方式，以有效减少安全事故的发生，并降低矿石贫化率。

3.4提高资源的有效利用率

由于金矿所处的位置较为特殊，矿体赋存条件制约了空场法采矿的效率，矿石回采率仅有50%左右，导致大量的矿产资源被浪费，不利于有效回收和利用。此外，金矿矿体结构复杂，存在很多破裂的空区结构，使得矿体顶板和底板的岩性较差。若利用传统的采矿方法，不仅会造成资源的浪费，还会存在顶板自然冒落的现象，严重威胁工作人员的生命健康与安全。因此，对比分析表明，空场法（留矿法）采矿虽然结构简单且易于管理，但也存在着损失贫化率较大，甚至永久性的损失。转变采矿方式，例如将空场法转化为充填采矿法，可以降低矿石的损失贫化率，同时能够延长矿山的服务年限。

3.5向上水平分层充填采矿法

根据某金矿矿体赋存及开采条件，为了提高开采效益和经济价值，首先采取了在国内外应用较为广泛的上向水平分层充填采矿法，该方法能够对工作面分层推进开采。根据矿岩稳固性条件，将上向水平分层充填法改为上向进路充填法来循环作业，但开采工艺环节繁琐复杂。矿石开采的生产能力可随着生产管理水平和机械化程度提高而不断的提升，分层回采过程中采用上向水平分层充填采矿法能够更好地适应矿体变化，不容易出现超采的现象。同时能有效控制采场顶板冒落风险，提高安全系数。因此，根据矿岩稳固性情况采用上向水平分层充填法开采，可有效提高开采效率。在该方法中，水平分层高度约为2m，采场高约为40~50m。以充填天井为界，采矿过程中通过分区凿上向倾斜炮孔，将采场分成两个区。在凿岩爆破方面，根据矿体厚度分为0.8～1.0m和大于1.0m两种情况，按照“之”、“梅花”形布孔，爆破采用2#岩石炸药，炮孔装药系数为0.7。采用由下而上分层回采的方法，每次爆破长度为15~20m。爆破之后，新鲜的风流由水平巷经人行井进入采场作业面，污风由充填通风天井排至上中段回风巷。后续充填前需采用电耙出矿，充填体强度要求达到1.5MPa以上完成充填工作。

结束语

新时代，可持续发展的理念已经渗透到社会里的各行各业，为绿色采矿技术的发展和推广打下了基础。充填采矿技术是解决地表下沉问题的重要手段，也是践行科学发展观、保护自然环境的有效方法。近年来，在国家和政府的大力支持下，开采工作实现了标准化、智能化的发展。在实际运用中，充填采矿法取得了良好的效果，为采矿方式的选择奠定了基础。运用充填采矿工艺能够使得金矿的开采更加完善，对安全生产提升也发挥了重要的促进作用，并降低充填的比例和成本，以获取更高的经济效益。

参考文献

[1]高建新.充填采矿技术在采矿中的应用分析[J].中国石油和化工标准与质量,2020,40(23):157-159.

[2]王云.现代采矿理念与充填采矿研究[J].能源与节能,2020(09):92-93.

[3]刘玉勇.黄金矿山充填采矿技术存在的一些问题分析[J].世界有色金属,2020(18):53-54.

[4]崔忠贵.地下金属矿山的充填采矿技术研究[J].科学大众(科学教育),2019(03):201.

[5]杜德岗,章锦荣,杜戴光.试析充填采矿技术在采矿中的应用与相关问题[J].世界有色金属,2018(22):191+193.

[6]王禄海.黄金矿山充填采矿技术存在问题研究[J].中国金属通报,2019(01):32+34.报,2019(01):32+34.