矿山充填采矿法的实际应用与发展

刘铎

摘要：文中对由于矿山开采引起的地表塌陷、冲击地压、采矿地震、采场和巷道围岩失稳等灾害及排放的“三废”污染环境问题，简述利用充填采矿法进行地压管理控制围岩崩落和地表塌陷为回采工作创造安全的生产条件，有效地保护采空区地表的环境和生态平衡。介绍充填作用机理以及几种充填法的特点及使用条件，最后展望充填采矿法未来的发展方向。

关键词：地表塌陷；冲击地压；充填采矿法；地压管理.

1 概述

矿山采矿和选矿的生产过程中，所排放的“三废”对周围的土壤、地下水文和地表水域造成了严重污染。因地下开采的采空区引起的地面沉降、塌陷、滑坡、地裂缝及泥石流等灾害也日益增加。

充填法是随着工作面的推进用充填料充填采空区进行地压管理的采矿方法，充填体起到支撑围岩、减少或延迟回采后的空区及地表的变形或位移。充填材料使用选厂排放的尾砂作充填骨料，降低充填成本的同时减少选厂排尾对周边环境造成的污染和危害。

2 充填法特点及使用条件

由于充填采矿法的不断改革和发展，单从技术可能性来看，几乎所有赋存条件的矿床都能够用充填采矿法开采，但是，不同的充填方法特点和使用条件不同，现对目前所应用比较先进的充填法做一总结。

2.1阶段空场嗣后充填采矿法

阶段空场嗣后充填采矿是以矿岩自身稳固性和嗣后一次性充填矿房的充填体的有机组合来控制采场地压。将阶段划分为一步矿房和二步矿房，先回采一步矿房，回采结束后用强度较高的充填料充填，再回采二步矿房，回采结束后用强度较低的充填料充填。阶段空场嗣后充填采矿具有回采工艺简单、效率高、成本低等空场采矿法的优点，同时又具有与嗣后一次充填矿房相结合的灵活性，能大幅度提高充填效率，降低充填成本，消除回采和充填工艺相互制约的关系，将空场法回采和矿房充填有机的结合，可显著地提高矿石回采率和综合回收率。阶段空场嗣后充填采矿适用于矿石和岩石稳固及中等稳固以上的厚大连续规整矿体，这种采矿法由于无残留采空区，当地表或围岩需要保护时，该法应为首选。

本钢歪头山铁矿的后备矿山花岭沟地下矿初步设计采用了分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法，充填材料采用选厂尾砂作为骨料、普通硅酸盐水泥作为胶结材料。花岭沟铁矿的年产量为150万t/a，每年综合利用选矿厂尾砂约80万t，将很大程度改善选厂排尾问题和对周围环境的污染。

2.2窄分段分采空场法

窄分段分采空场法的特点：沿矿脉走向划成窄分段，并以此分别开掘凿岩天井，然后从凿岩天井向两侧的极薄矿脉内穿凿炮孔，以分采薄矿脉，剔除围岩。在该类型矿体的开采中，采用窄分段分采空场采矿法与传统的采矿法相比有以下优点：比现行一般留矿法的矿石贫化率低，可进一步降低采、选费用，提高金属回收率，改变目前矿山计算和确定矿脉最低可采品位、可采厚度的界限，以扩大可采矿量范围，充分利用地下有限的资源。这种采矿充填法适用于大量的急倾斜、矿岩不稳固、厚度薄的回采难度大的矿脉。

2.3进路充填采矿法

该采矿方法采用巷道式掘进方法，用矿山先进的采矿设备进行凿岩出矿，技术成熟、可靠、采用隔一采一的回采方式，各工作面回采技术参数与安全性不受矿体厚度的影响，采场数量多，盘区生产能力大，单位面积内的回采强度大。进路充填采矿法适用于深度较大，矿体的地质成因与开采技术条件都会发生较大改变，无论是矿床的成因、矿岩的稳固性，还是品位、厚度等都与上部矿体不同，开采技术条件比较复杂的矿山。

3 充填体的综合作用机理

3.1充填体力学作用机理

充填体充入采场后改变了采场帮壁的应力状态，使其单轴或双轴应力状态变为双轴或三轴应力状态，围岩的强度得到很大提高，从而增强了围岩的自支撑能力。因此，充填体不仅起到支撑作用，更重要的是提高了围岩的强度和承载能力。

3.2充填体结构作用机理

通常岩体中的断层、节理裂隙将岩体切割成一些力结构体。这些结构体的组成方式决定了结构体的稳定状况。当地下开采破坏了岩体原始的结构体系，使其本来能够维持平衡的承受载荷发生变化。因此，导致围岩的连锁破坏。当充填体充入到采场中，尽管充填体的强度低、承载时变形大，但是它可以起到维护原岩体的结构作用，使围岩能够维持稳定和承受载荷。这就是说，充填体在一定的条件下，具有维持围岩的结构作用，可以避免围岩结构系统的突变失稳。

3.3充填体让压作用机理

由于充填体变形远比原岩体大，因此，充填体能够在维护围岩系统结构体系的情况下，緩慢让压，使其围岩地压能够得到一定的释放，对围岩起到一种柔性支护的作用。

充填体的支护作用，主要在于对围岩的限制作用和与围岩的共同作用。即一方面充填体以对松脱岩块的滑移施加侧压、支撑破碎围岩、限制空区围岩移动等多种方式来组织和限制围岩发生变形和位移，达到对围岩的限制作用；另一方面充填体与围岩按变形协调理论共同承担载荷，改善采场周围岩体的应力分布和状态，提高围岩自身的承载能力，共同维护采场的稳定性。

4 充填采矿法的发展趋势

充填采矿法在地下采矿中一直发挥着重要的作用。不断完善充填工艺技术及开发经济可靠、来源广泛新型充填材料是采矿技术的重要发展方向之一，今后充填工艺技术的研究方向可在以下几个方面开展进行。

4.1开发研制新型充填材料，降低充填材料成本并且方便采购或制造。研发能够替代充填胶结材料中的普通硅酸盐水泥，降低充填成本；利用城市垃圾作为充填料来充填采空区，不仅有助于城市固体垃圾的消除，而且有助于矿山采空区隐患的治理，是一种有效的环境综合治理方法。

4.2继续研制与现有工艺配套的高效充填设备，在提高充填作业机械化、自动化程度的同时，促进充填工艺进一步改造，全面实现充填参数自动连续检测、分析与控制，确保充填料配比和搅拌质量达到设计标准；加强在数字化、智能化充填方面的科学研究，实现信息化、智能化的充填信息管理系统。

4.3研究完善深井充填工艺。由于地表或近地表矿产资源的不断开发和日益枯竭，矿山的开采方向必然是向深部矿体发展，这将给充填工艺提出更严格的要求，如充填体的强度，充填管路的设计，充填工艺，充填体流体力学，管道磨损严重等技术难题。因此很有必要对这些技术问题进行综合研究，以满足深井开采的需要。

5 结语

随着科学技术的进步，充填法已成为高效采矿方法之一，并且具有安全、回采率高、对地表生态环境破坏较小等一系列不可替代的优点。虽然充填技术存在一些弊端和不足，但是它正朝着机械化、自动化、智能化的方向发展，其前景是非常值得期待的。

参 考 文 献：

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