充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中运用分析

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矿山工程
充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中运用分析
刘 玉1，刘 洋2
摘要：为解决金属、非金属矿山采矿工程中出现的深部矿藏开采困难、巷道支护困难问题，规避由此引发的生产效率下降、生产事故频发困境，文章引入充填采矿技术进行探究论证。

先简要阐述充填采矿技术的发展历程和应用优势，指出其具有支持机械作业、回采率较高、采矿效益较好等特征，然后分几个方面梳理了充填采矿技术应用方向及现存问题、解决方法，在此基础上引入案例，探讨了胶结充填工艺、局部流态化虹吸砂仓等新工艺方法的可用性，希望能为类似工程提供借鉴。

关键词：充填采矿技术；采矿工程；金属非金属矿
近年来我国经济增速放缓，产业格局升级迭代趋势明朗，各行业、领域逐渐步入了高质量发展新阶段，对于各种金属、非金属材料的需求量明显上升，给金属、非金属采矿工程带来了较大压力。

很多区域浅部矿藏已经开发殆尽，深部矿藏的开发技术、工艺又相对受限，传统自然垮落法等手段适用性极差，严重影响了采矿工程综合效益和生产安全性，有必要引入充填采矿技术进行优化改善。

1 充填采矿技术的发展历程及应用优势概述
1.1 发展历程
充填采矿技术在我国有着较长的发展、应用历史，以时间为线索可以将其划分为以下几个阶段：①起步阶段。

主要指20世纪50到60年代，期间充填采矿技术开始在我国推广应用，使用的工艺类型较为单一，多数为废石干式充填工艺。

虽然废石干式充填工艺的出现提升了矿石开采率，优化了废弃物处理效果，但整体的处理效率较低，以有色金属矿产地下开采项目为例，使用废石干式填充的比例仅有38.2%，劳动强度大且投入收益不成比例，很难满足实际应用需求，在后续的采矿工程中逐渐被淘汰，至20世纪60年代，水力充填工艺出现，逐步取代了废石干式充填方法。

②发展阶段。

主要指20世纪70到80年代，此时尾砂胶结充填技术得到推广应用，经过胶结处理的尾砂填充材料综合性能得到优化，自立能力更强、充填效果更佳，尾砂的回收利用还进一步提升了资源配置效率，因此得到了诸多工程方的青睐。

③创新阶段。

主要指20世纪90年代之后，此时的采矿工程技术手段持续革新发展，采矿工业产业链更加成熟，对采矿成本的控制更加严格，对环境保护的需求更加迫切，原有工艺难以满足差异化要求，以高浓度填充为代表的更多新工艺、新技术涌现出来，为充填采矿技术的发展注入了活力。

1.2 应用优势
相较于传统采矿技术，充填采矿技术的优势特征是十分明显的，主要表现在以下几个方面：①能够优化采矿经济效益。

利用充填采矿技术进行金属非金属矿的开采活动，可以为开采面提供天然矿柱，进而减少矿石的损失，提升矿产的回采率和利用率，作业环节支持机械化方法，工程方可以结合实际需求引入浆料输送管路，引入凿岩台车、铲运机等，开采效率更有保障。

注意运用管路输送方式时，使用的充填浆料必须为高浓度、均质流材质，有助于提升运送效率，保证充填体的强度。

此外，现阶段可用的充填材料十分广泛，除水泥粉煤灰外，还有尾砂、废石等材料，来源广泛、获取方便且价格低廉，能够带给采矿工程方更多经济利益。

②能够提升采矿安全性能。

地压控制问题是传统采矿工程中较为常见的技术难题之一，控制不当很容易带来安全风险与事故，而充填采矿技术引入后，各种类型的充填体可以有效支撑围岩，避免出现陷落、坍塌等问题，在深部矿床的开采中适用性非常明显，对于存在自然倾向的矿床来说，应用充填采矿技术还能够降低火灾发生几率。

③能够缓解土层破坏问题。

现阶段矿床开采范围不断扩大，区域地压明显升高，对于高地应力矿区来说，采场面临的突变失稳风险也有所上升，潜在危害因素显著增多，采用充填采矿方式，可以有效缓解该种不平衡应力问题，防止采空区出现塌陷、沉降等状况，降低开采操作带来的破坏，提升采矿技术的环保性能。

2 充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中的应用方向2.1 上向分层充填采矿技术
上向分层充填采矿技术遵循“自下而上”的工作面推进顺序，分层回采、出矿和充填，不断循环作业直至所有开采段采矿完成。

开采环节充填体可以起到支撑、维稳的作用，还可以作为上层开采的工作平台，整体的灵活性较强、采切操作也较为简单，矿石持续崩落在充填体表面，并搭配机械方式进行运送，使矿石统一进入到溜井当中，不容易出现超采、欠挖等问题，工程开采能力更有保障。

但该种作业方案下，施工人员会长时间处于暴露顶板之下，一旦出现顶板失稳问题，将会造成较为惨重的人员伤亡事故。

因此，在使用该种技术手段时，要对采场地质条件等有较为充足、系统的了解，只有开采矿石具备中等稳固以上等级才
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能实施该种方案。

急倾斜中厚至极厚矿体中，同样可以使用该种方案，但要适当倾斜布置工作面，倾斜度维持在7°～10°左右，围岩稳定性较差的区域，还可以搭配混凝土加固、锚杆加固等方式进行维稳。

根据填充材料的区别，上向分层充填采矿技术又可以划分为多种类型，比如上向倾斜分层干式填充，上向倾斜分层胶结式填充等，前种所用的充填设备较少，但劳动强度大，充填料本身的平整度也相对较差，更适用于矿体厚度不大的情况。

后者的安全性较好，工艺比传统水砂充填更为简便，但成本会相对较高，要控制好回采矿房尺寸，并做好后续的接顶工作。

2.2 下向分层充填采矿技术
下向分层充填采矿技术是对普通上向分层充填采矿的一种改良，在上向分层充填采矿方案中，施工面逐渐升高，施工人员始终处于暴露顶板之下，当开采的高品位矿石稳定性较差时，很容易造成塌落、掩埋等事故。

而下向分层充填采矿方案中，采用自上而下的施工推进思路，逐层充填保证安全性，在下层作业前，上层已经完成了人工假顶的制作，因此稳固性更有保障。

该种采矿方案下，不会专门划分出矿床、矿柱，而是采用矿块一步回采的思路，逐层充填和回采，回采面通常水平或倾斜设置，倾斜角度通常控制在10°～15°，伴随分层开采的对应设置溜井、天井等设施，方便采出矿石运送。

后期开采面持续推进，还可以通过切割巷道的掘进，完成不同构造之间的联通。

充填料的运送是下向分层充填采矿环节需要关注的焦点，通常需要从上部阶段下放，经由充填天井完成对接。

充填作业开始前，还应当在侧面设置滤水墙、密闭墙等。

下向分层充填采矿法中，施工人员在整体胶结充填体顶板下施工，安全性更高，但由于工艺流程较为复杂，因此充填成本较高，且单位面积产量也明显低于上向分层充填采矿。

不过在复杂矿山工程中，围岩稳定性较差、上覆岩层塌落风险较高，使用该种方法是极为适宜的，部分矿山中矿体松散破碎、节理发育，开采难度较大，同样可以使用该种方法辅助作业。

对于价值较高、不允许崩落的矿体，使用下向分层充填采矿技术，还可以进一步提升经济效益，保证开采质量的优化。

2.3 分段充填采矿技术
分段充填采矿法能够克服传统留矿法缺陷，促进矿体贫化率和损失率的降低，旧有分段充填采矿工艺中，由于掘进量过大、费用较高，因此施工较为受限，后经过发展改造后，使用回采后的空槽作为自由面，并向两帮扩展，搭建起分段平巷，扩帮过程中产生的废石可以用作填充料，成本更加低廉、施工更加方便，适用于大型矿体开采工程之中。

分段充填采矿技术应用环节，需要在分段平巷中布置一次采场、二次采场，一次采场开采期间后者作为矿柱存在，可以有效提升安全性，开采完毕后充填作为二次采场的矿柱，交替作业减少风险。

单个采场开采环节，需要提前布置向上的落矿炮眼，根据矿脉赋存状况优化调整炮眼设置位置、深度等参数，通常控制在4～4.5m为佳，围岩稳定性较差时，可以适当缩小取值。

提前在单元采场之中设置溜矿格，每个采矿设置3～4个为佳，矿石崩落完成后，由人工、机械负责接管，将矿石扒入其中并运送出场。

待到所有开采面的上向落矿操作结束，分段上部会形成空槽，按照前述的炮眼深度，空槽尺寸大约为4×0.6m，此时需要在空槽上2m左右的高段内打扩帮眼，进一步延伸空槽，打出的废石直接作为充填料，填入下部的空区，促进分段充填采矿作业的完成。

2.4 削壁充填采矿技术
削壁充填采矿法是干式充填采矿技术中颇具代表性的种类，多用于0.3m或0.4m的极薄矿体回采工程中，能够有效降低废石混入率，提升采矿工程效益，崩落的围岩直接作为充填体使用，还能够起到支撑作用，防止采场顶部、底盘围岩等出现错动。

但该种方式也具有一定局限性，那就是回采工序较为复杂，材料消耗相对较多，仅在矿脉围岩接触明显，且围岩不包含矿体、分离较为便捷的工程中较为适用。

应用削壁充填采矿技术时，要先对矿石、围岩进行分次崩落，要提前做好地质调查和分析，准确评估矿岩稳固程度，全面把握矿脉倾角，并对应确定崩落工艺先后顺序。

通常情况下先崩落矿石，但现场围岩稳固性较差时，应当将围岩崩落操作提前。

同时，不同工艺顺序之下，应当采用的开采机械也是存在差异的，先崩落矿体时，要考虑到矿脉过薄可能引发的夹制性过大问题，优先使用小直径钻头打设钻孔，深度维持在1.0～1.5m为佳，孔间距维持在0.4～0.6m为佳，通过间隔装药爆破的方式，能够有效缓解开采带来的破坏。

待到矿石崩落后，使用机械将矿石运送到指定地点，扒入溜井实现产出。

考虑到削壁充填采矿过程中，机械作业面较为狭窄，因此更推荐使用小型电耙、小型电动铲等辅助施工。

充填环节直接用崩落下的大块废石作原料，每隔一段距离砌筑一道石墙，与水平面保持70°～80°的夹角，以防爆破环节石墙倒塌。

3 充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中的应用问题及解决措施
3.1 采场顶板管理问题
在充填采矿技术，尤其是上向充填采矿技术中，采场顶板管理问题是相当突出的，施工人员长期处于暴露顶板之下，面临的风险因素非常巨大。

且顶板管理难度与地质、地段因素关联紧密，若地段本身的稳定性较差，地质条件和矿体赋存情况较为复杂，顶板管理难度还会进一步增加。

基于此，实践过程中必须要建立起健全的充填站管理制度，进一步规范作业流程和内容。

通常情况下冒落事故的发生与顶板暴露时间是存在正相关关系的，要合理安排采场作业循环节奏，缩短循环时间周期，必要时可以增设2～3个点柱，或者借助注浆加固方式提升顶板稳定性，搭配锚索、锚杆等方式，对严重不稳定段进行特殊加固，最
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大限度确保施工安全。

3.2 充填材料质量问题
充填材料质量直接影响到采矿工程安全性和经济性，部分充填材料质量把控不过关、配比设计不合理，充填环节凝结时间过长，甚至出现充填强度不达标、后期破损开裂等问题，严重影响着充填采矿技术的应用效能。

基于此，实践过程中务必要加强对充填材料质量的控制，做好后期的施工管理和质量监管。

尾砂应用环节，要严格进行去泥、胶结搅拌、称重配比等工序处理，减少因充填材料处理不当造成的充填体强度下降风险，保证矿山开采工作的顺利推进。

水泥、粉煤灰同样是较为常见的材料种类，应用环节要搭配使用螺旋输送机、粉煤灰仓、电磁流量计等设备机械，确保拌合操作、配比操作可靠性。

未来技术应用过程中，也要积极开发高性能固化剂、稳定剂以及各类强化剂、凝结剂等，确保充填开采效能的优化。

3.3 充填工艺设计问题
充填采矿技术综合性能优良，充填体本身可以作为矿柱和工作面使用，降低了爆破废石混入几率，提升了矿石回采率和利用率。

但从充填工艺实际运用情况看，其工艺流程相对复杂、施工难度相对较大的问题仍旧客观存在，严重制约了技术的推广普及。

以分段充填采矿技术为例，该技术中涉及到工作面设计、凿岩爆破、溜矿格设置、扩帮操作等多项工序，工序之间环环相扣、关联紧密，交叉作业内容多样，不仅容易增加施工成本，还容易降低施工效率。

同时，充填采矿技术应用环节，为节省充填用料成本，很多工程会适当缩小工作面尺寸，这使得运送开采作业的空间环境更加恶劣。

基于此，实践中还应加强对工艺技术的开发研究，将更多自动化监测、自动化控制技术引入到充填开采过程中来，开发更多动力充足、体积较小的运送电耙等实用工具，切实减轻劳动强度，保证开采质量。

4 充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中的应用案例及技术要点探究
4.1 胶结充填工艺设计
为直观说明充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中的应用要点与创新要点，本文引入某地金、钨、锑多金属矿开采案例辅助阐述。

工程所处矿山为缓倾斜薄矿体，从地质构造调查结果上看，弱面较多且顶板岩石稳固性差，整体的施工难度较大。

综合考虑案例工程地质条件、施工需求后，决定采用尾砂胶结填充方式，引入新型胶结充填系统，可以对尾砂、水泥等原材料进行分级、存储和定量化给料，还可以对混合后的浆料进行搅拌，另外配置输送系统和中央控制系统，能够远程调节各项参数。

尾砂来自选矿厂，送至现场后直接进入分级站，经过旋流器进行脱泥处理，砂泵提供动力并促使尾砂动作，使之直接进入尾砂仓，在重力作用下沉降存储。

仓顶布置有环形溢流槽，可以为溢流水的通过提供便利。

4.2 局部流态化虹吸砂仓应用
案例工程胶结填充工艺优越性主要得益于自动化系统的应用和局部流态化虹吸砂仓的应用，该种虹吸砂仓可以在卸料口部位形成流化床层，使得进入系统的尾砂处于悬浮状态，并在虹吸管的帮助下，将该种硫化浆料吸出运送到仓外完成卸料。

与旧有设备系统相比，其卸料效率更高，工程方完全可以根据回采效率、工作面推进效率等，灵活决定卸料速度，通过合理调整流化床布置方式增减流化喷嘴个数等，达成调节目标，进而保证工艺适配性。

本次采用的料仓为圆筒形结构，底部为半球形态，设置有混凝土底座，总高在21.5m。

为保证工艺运行稳定性和可靠性，在仓内配备了两根虹吸管，其中一根为备用，当主要虹吸管出现堵塞等故障问题后，备用虹吸管自动开启运行，保证矿体开采连续性。

管体吸入端设置在料仓中心，借助多根钢丝绳吊挂，能够缓解振动移位问题。

卸料出口下端还设置有电磁流量计、电动夹管调节阀等，能够较为便捷地调节硫化砂浆浓度，保证卸料供给速度的提升。

4.3 其他高新设备应用
除局部流态化虹吸砂仓外，本次还配备了水泥仓、自动化水泥砂浆搅拌桶以及自动化检测控制系统等，互为配合能够更好地提升施工效率。

其中水泥仓高4.5m，可以盛装120t水泥，顶部设置了袋式除尘器，上料环节可以自动抖动除尘。

底部设置卸料口，由手动插板阀控制，外侧与螺旋电子秤连接，可以精准称量水泥用料。

水泥称量完毕后由自卸车辆运送倒入水泥砂浆搅拌桶，该搅拌桶电机功率为15kW，叶轮转速可达320r/min，直径可达600mm，能够按照设定参数对混合料进行均匀搅拌，保证水泥砂浆供应及时性，搅拌桶出口与电动调节夹管阀相连接，可以由4寸输送管路实现外送，液位高度控制在0.75～1.00m。

另外配置自动检测与控制系统，可以对砂浆浓度、流量等进行监控，最大限度保障充填浆料配比质量。

5 结论
综上所述，充填采矿技术综合优势明显，应用于金属非金属矿采矿工程中，能够显著提升矿产回采率、降低矿产贫化率，保障采矿工程经济效益的优化改善，实践中务必要给予充分重视。

要合理区分上向分层充填采矿技术、下向分层充填采矿技术、分段充填采矿技术等的优势特点，结合采矿工程实际情况合理选用。

正视现阶段充填技术应用环节存在的顶板管理困难、充填材料质量不佳等问题，加快对工艺、材料的研发速度，不断引进胶结充填、局部流态化虹吸砂仓等技术手段，保障充填采矿效能的发挥和优化。

（作单位：1.山东黄金矿业（玲珑）有限公司 ；
2.招金有色矿业有限公司）
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