陳慶發(fā)，陳青林(廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院，廣西 南寧 530004)

采選技術(shù)

同步充填采礦技術(shù)理念及一種代表性采礦方法

陳慶發(fā)，陳青林
(廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院，廣西 南寧 530004)

在無廢開采與協(xié)同開采2種理念的指導(dǎo)下，區(qū)別于傳統(tǒng)的嗣后充填，在空區(qū)空間尚未全部釋放時(shí)，將空區(qū)部分空間先行作為轉(zhuǎn)換空間，將充填工藝前移至出礦工藝環(huán)節(jié)同步進(jìn)行實(shí)施，從而創(chuàng)新提出“同步充填”采礦技術(shù)理念。在同步充填理念的指引下，通過吸收充填采礦技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)淺孔留礦法采礦工藝進(jìn)行二次創(chuàng)新，提出了大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦法。新采礦方法防止了圍巖大量片落，控制了礦石貧化率和損失率，提高了礦石回收率，限制了地表沉陷；同時(shí)，新方法還為隔離層作用下放礦規(guī)律研究提供了契機(jī)，促進(jìn)了放礦學(xué)理論的新發(fā)展。

同步充填；協(xié)同開采；技術(shù)理念；采礦方法

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心，資源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)受到了全人類的特別關(guān)注[1-2]。

礦業(yè)在可持續(xù)發(fā)展理念指引下，采礦工藝正朝向安全、高效、無廢、綠色、協(xié)同等方向發(fā)生深刻變革，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷提出了一些新興的采礦技術(shù)理念與理論，如無廢開采、連續(xù)采礦、綠色開采、采礦環(huán)境再造、協(xié)調(diào)開采、協(xié)同開采等[3]。

1 同步充填理念的提出及內(nèi)涵

1.1 理念基礎(chǔ)

構(gòu)成同步充填理念的基礎(chǔ)主要有無廢開采與協(xié)同開采理念，2種理念具體表述參見文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]。

1.2 技術(shù)背景

充填工藝是隨著礦床回采工作面的持續(xù)推進(jìn)，逐步將充填物料填充采空區(qū)，利用充填物料的物理力學(xué)性質(zhì)支撐兩幫圍巖、控制巖移，防止圍巖片落、塌落。

傳統(tǒng)的充填主要指的是嗣后充填，又稱事后充填，指的是在礦房出礦結(jié)束后(即采空區(qū)空間全部釋放后)再實(shí)施的充填工序。

轉(zhuǎn)換空間是采空區(qū)協(xié)同利用模式之一[6]。該模式將采空區(qū)看作為某一空間進(jìn)行置換利用，直接將礦山產(chǎn)生的固體廢料充填至井下空區(qū)。

轉(zhuǎn)換空間空區(qū)協(xié)同利用不僅解決了這些廢料的排放堆積問題，而且強(qiáng)化了工程穩(wěn)定性。因此，資源回采與轉(zhuǎn)換空間利用同步技術(shù)是地下礦山采礦技術(shù)發(fā)展的主要方向。

1.3 同步充填理念

將無廢開采與采空區(qū)協(xié)同利用(轉(zhuǎn)換空間利用)2種技術(shù)思想相結(jié)合，區(qū)別于傳統(tǒng)的嗣后充填，同步充填是指在空區(qū)空間尚未全部釋放時(shí)，將空區(qū)部分空間先行作為轉(zhuǎn)換空間，將充填工藝前移至采場(chǎng)出礦工藝環(huán)節(jié)同步進(jìn)行實(shí)施，從而創(chuàng)新提出“同步充填”理念。

1.4 新理念提出的意義

1)新理念可以看作是協(xié)同開采理念的重要組成部分，是協(xié)同開采理念的新發(fā)展。

2)新理念持續(xù)改變與改進(jìn)傳統(tǒng)采礦技術(shù)認(rèn)知，不斷促進(jìn)采礦技術(shù)進(jìn)步。

3)新理念可能激發(fā)采礦技術(shù)人員的創(chuàng)造性思維，研發(fā)出系列具有同步充填性質(zhì)的本質(zhì)安全型采礦方法。

4)新理念有利于促進(jìn)礦山環(huán)境保護(hù)與地質(zhì)災(zāi)害防治，甚至將二者有機(jī)結(jié)合。

2 一種代表性采礦方法

2.1 問題的提出

淺孔留礦法是空?qǐng)霾傻V法的一種，主要適用于開采礦石穩(wěn)固和圍巖中等穩(wěn)固、礦石不結(jié)塊不自燃的急傾斜薄至中厚礦體，在我國(guó)金屬礦山得到廣泛應(yīng)用。

在應(yīng)用淺孔留礦法分層向上回采時(shí)和局部放礦時(shí)，有限的暴露面積下沒有發(fā)生圍巖片落和大范圍巖移的空間與現(xiàn)象。而當(dāng)大量放礦時(shí)，由于圍巖暴露面逐漸增加超過了極限暴露面積，往往引起圍巖大量片落與圍巖大范圍巖移的現(xiàn)象，不但造成礦石貧化、漏斗堵塞，而且還有可能造成地表沉陷，破壞地表生態(tài)環(huán)境。

上述2種現(xiàn)象使人們有理由認(rèn)為有限的空區(qū)暴露面積與暫留礦石的共同作用有利于支撐兩幫圍巖。這為大量放礦時(shí)采用同步充填技術(shù)來控制圍巖暴露面積從而控制大規(guī)模巖移和地表沉陷提供了思想基礎(chǔ)。

2.2 新采礦方法的提出

為了解決上述問題，筆者在無廢開采、協(xié)同開采2種理念指導(dǎo)下，通過吸收充填采礦技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)淺孔留礦法采礦工藝進(jìn)行二次創(chuàng)新，于2010年提出一種大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法，其標(biāo)準(zhǔn)圖見圖1。

圖1 大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法圖

新采礦方法2012年8月獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，申報(bào)的《柔性隔離層作用下散體介質(zhì)流理論研究》課題2014年獲國(guó)家自然科學(xué)基金資助。

新采礦方法詳細(xì)介紹見文獻(xiàn)[7]。

2.3 新采礦方法具體實(shí)施步驟

1)根據(jù)擬采礦床勘探程度、圍巖穩(wěn)固情況、礦體傾角、埋深等因素，將急傾斜薄至中厚礦體自上而下劃分出若干階段，階段內(nèi)基于礦石和圍巖的穩(wěn)固性，計(jì)算出頂柱的極限暴露面積，再沿走向劃分出若干礦塊。為更好地控制礦石溜出率，與常規(guī)留礦法相比，階段高度和礦塊長(zhǎng)度一般取值略小一些。

2)礦房?jī)?nèi)礦石連同頂柱一起按傳統(tǒng)留礦采礦法由下而上逐層回采，不留頂柱。

3)大量放礦前在留礦堆上表面鋪設(shè)柔性隔離層。柔性隔離層從下之上由雜草、麻袋片和防滲土工布等三層組成，或由廢舊橡膠片等材料層構(gòu)成。柔性隔離層主要作用起到隔離礦石與充填料，防止干式充填料大幅度混入礦石的作用，從根本上降低礦石貧化率。

4)大量放礦時(shí)，從回風(fēng)巷道下放塊度適中的干式充填料，并由人工或者電耙的方式對(duì)干式充填料進(jìn)行平場(chǎng)作業(yè)。干式充填料可以是廢石、尾砂或戈壁集料。有條件情況下，與礦石塊度與密度相差不多的充填料優(yōu)先選用。

5)借助振動(dòng)放礦機(jī)配合重力放礦，使充填料與礦石同步均勻下沉；通過調(diào)整礦石溜出率和充填料下放率，嚴(yán)格控制圍巖暴露面積，充分發(fā)揮充填料的支撐作用，避免圍巖大規(guī)模移動(dòng)和地表沉陷，降低礦石貧化率和損失率。

6)礦石全部放出，充填料充滿采場(chǎng)空區(qū)。

2.4 新采礦方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析

1)優(yōu)點(diǎn)。①對(duì)傳統(tǒng)淺孔留礦法進(jìn)行了改進(jìn)，使大量放礦與充填同步進(jìn)行，避免了因圍巖大面積暴露而造成礦石貧化、漏斗堵塞，以及圍巖大范圍移動(dòng)、地表沉陷等缺陷。②通過發(fā)揮充填體對(duì)圍巖的支撐作用，拓展了留礦法的應(yīng)用范圍。借助振動(dòng)放礦機(jī)配合重力放礦，保持礦石溜出率和充填料下放率協(xié)調(diào)一致。③由于不留頂柱，提高了礦石回收率。④工藝簡(jiǎn)單、便于工人掌握。

2)缺點(diǎn)。①新采礦方法要求散體礦石同步下沉，給放礦管理帶來了難度。②隔離層存在采場(chǎng)中，造成了一定的材料損失。③鋪設(shè)隔離層工藝要求相對(duì)較高，需要防止大量放礦時(shí)充填廢石與下部礦石的混合。

2.5 新采礦方法提出的意義

1)防止了圍巖大面積冒落后混入采場(chǎng)礦石，有力地控制了礦石貧化率，有效地提高了礦石回收率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地表大規(guī)模沉陷有效控制；同時(shí)，有利于礦山廢料排放促進(jìn)礦區(qū)綠色開發(fā)。

2)新方法不僅改善了地下采礦環(huán)境，同時(shí)還保護(hù)了地表環(huán)境，是解決當(dāng)前我國(guó)礦山開采中環(huán)境問題的途徑之一。

3)隨著礦產(chǎn)資源的大量消耗，及金屬價(jià)格上升及選礦技術(shù)水平的提升，如果充填的廢石中金屬含量達(dá)到了盈利點(diǎn)，將來可能再造一座地下礦山。

4)由于隔離層的存在，散體礦石流動(dòng)規(guī)律不同于傳統(tǒng)放礦規(guī)律，使用經(jīng)典放礦學(xué)理論已不能精確描述。開展全新的柔性隔離層作用下散體介質(zhì)流基礎(chǔ)理論研究對(duì)于完善放礦學(xué)理論具有重要意義。

2.6 新采礦方法應(yīng)用展望

一種新采礦理念及采礦方法從提出到工程屆大量推廣應(yīng)用，往往需要5～10年的時(shí)間，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間才能不斷發(fā)展成熟并成功應(yīng)用。

目前，該采礦方法正在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51464005)的資助下開展扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)室及基礎(chǔ)理論研究，課題組亦正在努力尋找企業(yè)開展應(yīng)用洽談。相信不久的將來，人們定能將理論應(yīng)用于實(shí)踐。

3 結(jié) 論

1)在無廢開采與協(xié)同開采2種理念的指導(dǎo)下，將充填工藝前移至出礦同步進(jìn)行，提出了“同步充填”采礦技術(shù)理念。

2)在同步充填理念的指引下，通過吸收充填采礦技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)淺孔留礦法采礦工藝進(jìn)行二次創(chuàng)新，提出了大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦法。

3)大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦法的提出，為隔離層下放礦規(guī)律研究提供了契機(jī)，促進(jìn)了放礦學(xué)理論的新發(fā)展。

4)同步充填理念可能會(huì)激發(fā)采礦技術(shù)人員研究出更多具有采場(chǎng)同步充填性質(zhì)的本質(zhì)安全型采礦方法，推動(dòng)采礦技術(shù)的進(jìn)步。

[1] 古德生，李夕兵.現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：66-86.

[2] Bruno Milanez，Jose Antonio Puppim de Oliveira.Innovation for sustainable development in artisanal mining：Advances in a cluster of opal mining in Brazil[J].Resources Policy，2013，38(4)：427-434.

[3] Guo L Y，Ren Z Y.The causes of land landscape changes in semi-arid area of northwest China：a case study of Yulin city[J].Journal of Geographical Sciences，2006，16(2)：192-198.

[4] Bruce Finnie，Jeffrey Stuart，Linda Ginson，etal.Balancing environmental and industry sustainability：A case study of the US gold mining industry[J].Journal of Environmental Management，2009，90(12)：3690- 3699.

[5] 陳慶發(fā)，蘇家紅.協(xié)同開采及其技術(shù)體系[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，44(2)：732-737.

[6] 陳慶發(fā)，周科平，古德生，等.采空區(qū)協(xié)同利用機(jī)制[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，43(3):1081-1086.

[7] 陳慶發(fā)，吳仲雄.大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法.中國(guó)，201010181971.2[P].2010-10-20.

Synchronous filling mining technology idea and a kind of representative mining method

CEHN Qing-fa，CHEN Qin-lin

(College of Resources and Metallurgy，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Under the guidance of two ideas that are non-waste mining and synergistic mining which differ from the traditional synchronous filling，when the space of gap has not been released，making partial space of gap act as transformation space in advance and explanting the filling technology to the front part of ore drawing process so that they can be simultaneously implemented，the “synchronous filling” mining technology idea is creatively derived.Based on the guidance of synchronous filling idea，through absorbing the advantages of filling mining technology so as to secondly innovate the mining process of short-hole shrinkage stoping method，a new method of “ore drawing largely，synchronous filling and non-top-pillar shrinkage stoping method” was put forward.This new mining method can prevent the surrounding rock from dropping，control the ore dilution ratio and loss rate，improve the ore recovery rate，restrict the surface subsidence.Meanwhile，this new method not only provides an opportunity for the regular pattern of ore drawing under the action of isolated layer but also promotes the new development of ore drawing theory.

synchronous filling；synergistic mining；technology idea；mining method

2015-06-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51464005)

陳慶發(fā)(1979-)，男，博士，2002年畢業(yè)于南方冶金學(xué)院采礦工程專業(yè)，教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事采礦工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：chqf98121@163.com。

TD851

A

1004-4051(2015)12-0086-03