梅世洲

(大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司)

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充填采礦工藝特點(diǎn)及發(fā)展趨勢分析

梅世洲

(大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司)

摘要在礦山開采中，充填采礦工藝作為一種有效的開采方法得到了廣泛應(yīng)用，該工藝主要有干式充填、尾砂充填、膠結(jié)充填等3類充填方式，在分析該類充填方式基本原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了充填采礦工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并分別從充填物優(yōu)化、機(jī)械化和自動(dòng)化、改良充填方式、新型膠凝材料等方面對(duì)充填采礦工藝的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討，為進(jìn)一步完善充填采礦工藝、提升礦山開采的技術(shù)水平提供參考。

關(guān)鍵詞充填采礦工藝干式充填尾砂充填膠結(jié)充填發(fā)展趨勢

在礦山開采過程中，采出礦體之后，采區(qū)會(huì)形成一定的采空區(qū)域，對(duì)后續(xù)開采工作和周邊地質(zhì)環(huán)境造成了較大影響。充填采礦工藝的核心思想是在礦體開采過程中，通過一定的充填物對(duì)被采礦體進(jìn)行置換，以彌補(bǔ)采空區(qū)的承載力，減小采空區(qū)受到的破壞，提升采礦作業(yè)的安全性[1-3]。本研究對(duì)該工藝的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行探討，為相關(guān)應(yīng)用提供參考。

1充填方式

(1)干式充填。主要通過砂石、廢石等干式填料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，是礦山開采中最早使用的充填方式。在使用干式充填方式進(jìn)行礦山開采時(shí)，需要注意的問題有：①礦山開采應(yīng)保持延續(xù)性，即開采作業(yè)不能出現(xiàn)中斷；②進(jìn)行干式充填時(shí)，需設(shè)置填料井；③填料過程需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分層充填，層間可用柴棍、荊巴等物料進(jìn)行隔離，以增強(qiáng)充填體的穩(wěn)定性。

(2)水砂充填。水砂充填相對(duì)于干式充填而言，其緊密度更高。通常情況下，水砂充填是利用爐渣、砂石、尾砂等物質(zhì)混合為固液兩相，通過泵送入井下充填采空區(qū)。在進(jìn)行水砂充填時(shí)，注意點(diǎn)有：①制備充填物時(shí)，宜通過混料硐室進(jìn)行，采用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)砂漿制備流程的自動(dòng)化和精準(zhǔn)化；②制備砂漿時(shí)需根據(jù)采空區(qū)的實(shí)際情況合理確定水砂比；③構(gòu)建自動(dòng)化的送料平臺(tái)，提高并穩(wěn)定充填物的送入速度，確保充填效果符合預(yù)期。

(3)膠結(jié)充填[4]。膠結(jié)充填是一種不同于干式充填、水砂充填的采空區(qū)充填方式，主要是利用膠結(jié)材料將碎石、骨料或河砂等物質(zhì)通過拌合制成膠體，經(jīng)過管道將膠結(jié)體泵送至采空區(qū)進(jìn)行充填。近年來，膠結(jié)充填技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多不同材料的膠結(jié)充填工藝，如尾砂膠結(jié)充填、塊石膠結(jié)充填、膏體泵送充填等。尾砂膠結(jié)充填工藝主要是利用粗骨料制備充填膠結(jié)體，盡管該工藝在20世紀(jì)60年代便已出現(xiàn)，由于當(dāng)時(shí)級(jí)配難以達(dá)到膠結(jié)體的制備要求，因而未被得到推廣應(yīng)用，20世紀(jì)80年代，細(xì)砂膠體完全取代了粗骨料膠體，推動(dòng)了該工藝的快速發(fā)展。

2充填采礦工藝特點(diǎn)

2.1優(yōu)點(diǎn)

(1)充填采礦工藝靈活性較高，其采準(zhǔn)切割工作量較小，對(duì)于井下開采作業(yè)而言，較小的工作量和較高的靈活性具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢。

(2)利用充填采礦工藝進(jìn)行礦山開采，將采出的廢石等物料進(jìn)行二次利用，不僅可降低該類物料的運(yùn)出成本，還可降低采空區(qū)的維護(hù)成本。

(3)在礦山開采過程中，隨著礦體被逐漸采出，采空區(qū)的穩(wěn)定性會(huì)大幅度下降，危及后續(xù)正常作業(yè)。在礦體采出后及時(shí)進(jìn)行充填，可有效防止巷道頂板發(fā)生冒落，強(qiáng)化圍巖的力學(xué)性能，增強(qiáng)采空區(qū)的穩(wěn)定性，為后續(xù)采礦作業(yè)提供良好的安全保障。

(4)對(duì)賦存較薄的礦體或存在多種品質(zhì)礦石的礦體，通過選別回采的方式進(jìn)行采礦作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)高效開采礦體。

(5)在礦體開采過程中，由于存在粉塵以及一些易燃易爆氣體，會(huì)對(duì)采礦作業(yè)造成一定程度的安全威脅。通過對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效充填，可有效降低采空區(qū)粉塵及易燃易爆氣體的含量，有效降低礦山開采過程中火災(zāi)發(fā)生的可能性。

(6)在礦體開采過程中，使用尾礦或廢石對(duì)開采區(qū)進(jìn)行充填，不僅可提高礦體的開采率，還可有效利用開采過程中產(chǎn)生的各類廢石，降低廢石處理的投入。

(7)通過應(yīng)用充填采礦工藝可有效控制地表沉陷，提高開采區(qū)的穩(wěn)定性和安全性，大幅改善井下作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)人員安全。

2.2缺點(diǎn)

(1)充填采礦工藝充填環(huán)節(jié)和回采環(huán)節(jié)的實(shí)際作業(yè)過程均較復(fù)雜，在礦體開采過程中，會(huì)給采礦作業(yè)造成不小的難度，可能導(dǎo)致采礦作業(yè)成本大幅上升或采礦效率大幅下降。

(2)充填作業(yè)和采礦作業(yè)同時(shí)展開，兩者勢必會(huì)相互影響，在一定程度上降低了開采作業(yè)效率。

(3)充填采礦工藝在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于機(jī)械化程度不高，相對(duì)于其他開采工藝而言，開采效率較低、耗時(shí)較多，導(dǎo)致采礦的作業(yè)效率和能力難以符合礦山生產(chǎn)的進(jìn)度要求。

(4)充填采礦工藝分類眾多，若采用一些較新穎的充填工藝，使用人工拌料進(jìn)行充填，不僅需送出采礦產(chǎn)生的廢石、廢料，還需購入原料制備充填料，使得礦山開采成本大幅上升，在很大程度上降低了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3發(fā)展趨勢

(1)充填物優(yōu)化。充填物是充填采礦工藝的核心，干式充填法利用礫石、廢石等進(jìn)行充填，盡管成本較低，但整體性不佳，充填物的整體承載力較低，難以滿足礦井安全開采的要求。膠結(jié)充填法可提升充填物的整體性，增強(qiáng)充填性能，但在一定程度上增加了采礦成本，降低了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。為此，可通過大力開發(fā)新型固結(jié)材料，用以取代傳統(tǒng)的水泥漿液，不斷升級(jí)充填物的物理化學(xué)性能[5]，進(jìn)一步降低礦山生產(chǎn)成本。

(2)機(jī)械化和自動(dòng)化。在充填采礦工藝應(yīng)用過程中，需將大量的充填物輸送至采空區(qū)進(jìn)行充填作業(yè)，目前，國內(nèi)井下充填的機(jī)械化、自動(dòng)化水平仍不高。對(duì)此，①對(duì)采礦機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)化和智能化設(shè)計(jì)，通過先進(jìn)的信息技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，在采礦機(jī)械設(shè)備上安裝各類傳感器，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)其形成自動(dòng)化控制。②構(gòu)建全方位的檢測系統(tǒng)，針對(duì)礦山開采的各環(huán)節(jié)，對(duì)粉塵、氣體、溫度、濕度等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測，尤其注意對(duì)采空區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)圍巖變化和地表沉陷等問題進(jìn)行預(yù)警。③有效協(xié)調(diào)開采環(huán)節(jié)、充填環(huán)節(jié)的工藝流程，使其能夠合理有序地交替進(jìn)行，減少兩者之間的相互影響，確保開采自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)[6]。

(3)改良充填方式。當(dāng)前的充填方式主要利用管道泵將充填料送入采空區(qū)，該充填方式易導(dǎo)致輸送某些充填料時(shí)管道泵的零部件磨損嚴(yán)重，管道內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)垢，充填效率大幅下降。對(duì)此，可利用高溫保持充填物的流動(dòng)性，減少結(jié)垢現(xiàn)象，也可利用高壓增強(qiáng)推力，使充填物能夠被完全送入采空區(qū)。此外，還需確保充填作業(yè)和開采作業(yè)能夠同步進(jìn)行。

(4)新型膠凝材料[7-9]。新型膠凝材料主要是由氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂等物質(zhì)組成的混合物，其比表面積超過3 900 cm2/g，密度達(dá)到3 t/m3，整體表現(xiàn)出堿性。近年來，新型膠凝材料發(fā)展迅速，成分配比不斷優(yōu)化升級(jí)，性能顯著提升。通過模糊指標(biāo)、不同量綱和可量化指標(biāo)綜合分析，新型膠凝材料表現(xiàn)出了較傳統(tǒng)充填材料更加優(yōu)越的性能，應(yīng)用前景較好。

4結(jié)語

分別分析了干式充填、水砂充填以及膠結(jié)充填的基本原理，并對(duì)充填采礦工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)該工藝的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，認(rèn)為新型膠凝材料由于具有較好的性能，是充填采礦工藝發(fā)展的重要方向。

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(收稿日期2015-09-15)

梅世洲(1964—)，男，工程師，435005 湖北省黃石市新下陸冶煉路65號(hào)。