采空区充填法的应用现状与发展前景

科技情报开发与经济SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT＆ECONOMY2009年第19卷第33期

我国矿山在20世纪70年代即对充填采矿法有一定的应用,后因经济、效率等原因,制约了这一技术的使用和推广。随着国民经济的持续稳定发展和我国对矿山资源回收率要求的提高,特别是矿产资源中煤炭价格的回升,利用充填采煤法进行“三下”采煤以及保护煤柱的开采已经提到了议事日程。充填采空区的开采方法具有改善深井支护条件、提高矿物回采率、减少贫化率、充分利用资源及有效控制地压等优点,因此充填采煤法越来越被人们所重视，这为我国今后矿山事业的发展走向成熟指明了方向。

1国内外充填开采方法的种类

充填工艺不仅可以减少地下开采对地面沉陷造成的危害，减轻井下巷道和工作面受采动影响，便于顶板管理，有利于安全生产、改善巷道维护及运输、通风和瓦斯管理，而且对实现绿色开采、美化生态环境有重要意义。我国充填采矿从20世纪70年代就开始研究，并形成了几类成熟的充填方法，按充填动力分，可分为水利充填、胶结充填、气力充填等。

1.1水力充填法

水力充填法是采用水力输送方式、通过充填管路将充填料浆送入采空区进行充填的充填采矿法。水力充填主要特点是将充填材料借助水力充入井下采空区，其充填料的输送浓度较低，一般在60％～70％，需要在采场大量脱水；且由于采用管道输送,故对充填料的最大粒径有所限制,否则管道易被堵塞。常用的水力充填材料有尾矿、碎石、砂卵石、山砂、河沙和工业废渣等。

1864年，在美国宾夕法尼亚的一个煤矿区进行了第一次水砂充填试验,以保护一座教堂的基础安全。随后南非、德国等国家也先后试验并成功运用了水砂充填工艺。进入20世纪后，加拿大和澳大利亚等国的一些矿山应用了水砂充填技术，从此真正开始将矿山充填纳入采矿计划，成为采矿系统的一个组成部分，并且对充填料及其充填工艺开展了研究。到目前为止，水砂充填的矿山已较多，如国外澳大利亚的布罗肯希尔矿和加拿大的一些矿山均广泛应用了这一工艺。早在1982年，加拿大多娒矿还对高浓度充填采矿法做了深入研究。

我国是世界上最早利用水力进行充填的国家之一。在20世纪初，内蒙古的扎赉诺尔矿和抚顺矿区就采用水力充填对特厚煤层进行开采，抚顺矿区在开采特厚煤层时还采用了倾斜分层V 型长壁上行充填采煤法。另外，新汶等矿区利用水力充填技术成功地解决了“三下”采煤问题。通过实践，我国在水力充填系统设计及水利充填采煤技术方面均已积累了丰富经验。在其他矿山应用的有：湘潭锰矿亦从1960年开始采用碎石水力充填工艺，以防止矿坑的内因火灾，并取得了较好的效果；锡矿山南矿在1965年为了控制大面积地压活动，首次采用了尾矿水力充填采空区工艺，有效地减缓了地表下沉。进入20世纪90年代，已在国内60余座黄金、有色和黑色等金属矿山的开采中广泛应用了水砂充填工艺。但由于采用水力充填采空区时需消耗大量充填材料，充填工艺复杂，全部人工操作，且由于输送时易造成输送管路堵塞、输送成本高等原因未能得到广泛的应用。

1.2胶结充填法

由于水砂充填体的强度较低,且井下排水较为困难，20世纪60至70年代开始应用和研发尾矿胶结充填技术。胶结充填始于20世纪50年代的加拿大，其代表矿山有澳大利亚的芒特艾萨矿。20世纪80至90年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要，因而发展了高浓度充填技术、膏体充填、块石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等新技术，使胶结充填技术日益完善，并获得推广应用。这些充填技术成果包括全尾矿胶结充填技术、块石砂浆胶结充填技术和膏体泵送充填技术等。

1.2.1全尾矿胶结充填

这是以全尾矿作为集料的胶结充填方式，近年来国内外对此开展了广泛的研究与推广应用。全尾矿胶结充填料的主要特点是细粒级颗粒含量大，其表面积大大增加，构成一种具有触变性质的标准分散系。国外在这方面的贡献主要有前苏联列宁诺尔克公司在活化搅拌技术方面的研究，加拿大威斯特明资源公司在全尾矿脱水技术方面的研究。我国于“七五”期间在高浓度全尾矿胶结充填技术攻关试验研究获得成功，其中凡口矿在全尾矿胶结充填试验期间的尾矿利用率达到90％，充填料输送质量分数达到75％。“九五”期间开展的“深部全尾矿胶结充填新材料新技术研究”，试验期间的尾矿利用率达到85％。20世纪90年代全尾矿活化搅拌机的应用标志着全尾矿胶结充填技术在我国走向成熟。

全尾矿胶结充填的优点是可以解决充填材料来源不足、地表上不适宜建尾矿库和尾矿中含有有害物质而需要处理的矿山，从而实现矿山的绿色开采。全尾矿胶结充填之所以没有得到广泛应用，是因为其充填材料力学强度不够，需要消耗大量水泥，经济效益低。

1.2.2块石砂浆胶结充填

块石胶结充填是将一定量的粗骨料和胶结料浆混合充入采场或采空区，并使之成为胶结整体的工艺过程。块石砂浆胶结充填方式的基本特点是以砂浆包裹块石形成胶结充填体,无需搅

文章编号:1005－6033（2009）33－0110-02收稿日期:2009－10－15采空区充填法的应用现状与发展前景

王飞，张东峰

（太原理工大学，山西太原，030024）

摘要：介绍了国内外采空区充填工艺现状，总结了传统矿山采空区充填工艺的特点,

对我国充填采矿现状和充填采矿的种类进行了分析,对充填技术的应用前景进行了展

望。

关键词:采空区；充填采矿；充填工艺

中图分类号：TD82文献标识码：A

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拌,其充填体强度接近于混凝土胶结充填强度。与混凝土胶结充填相比,充填效率大大提高,工艺更为简单,工人劳动强度大大降低。由于充填体中的部分砂浆被块石替代，可显著降低充填成本，因此其发展速度较快。该工艺一般适用于大采场充填，块石主要来自于地表采石场。

国外采用这种充填方式的有芬兰Enonkoski矿和哈萨克斯坦有色系统矿山，国内代表是铜坑锡矿。这种充填方式的优点是能缓解或减少坑下废石提升及其费用,减少地表废石堆场及对环境的污染,减少水泥砂浆用量,降低水泥消耗量,从而降低充填成本，且充填体易于接顶,有利于采场稳定和采矿作业安全。不过由于块石及块石胶结料的运输比细砂浆管道输送困难得多,且需要设地表采石场，初期投资偏大，在我国没有得到广泛的应用。

1.2.3膏体泵送充填

膏体泵送充填是将充填材料制成膏状稠料，借助正压排量泵输送到采空区的工艺过程。膏体泵送充填特点是充填料是一种不析水的物料集合体。为了有可泵性好的稠料，则物料配合有较严格的要求。现在工业上较常用的配方是粗物料＋细物料＋超细物料。膏体泵送充填可获得高密度充填体，井下不需脱水，易实现自动控制。

20世纪80年代末，膏体泵送充填技术首先在德国的格隆德矿应用成功，随后又在美国、英国、澳大利亚、加拿大、土耳其和葡萄牙等主要采矿国家的金属矿山得到了广泛应用。1991年，德国沃尔萨姆煤矿成功应用了这一技术。我国于1994年在金川二矿率先成功应用了这一技术，随后又在铜绿山铜矿、喀啦通克铜矿和山东湖田铝土矿建成了膏体泵送充填系统。

1.3气力充填法

气力充填又称风力充填。气力充填是一种利用空气流作为输送动力，在管道中搬运粉粒状固体物料进行充填的一种方法。气力充填具有充填带密实性好、护巷带窄、强度高、对充填材料性能要求不高且充填系统简单等特点。

国外西德是最早应用气力充填的国家之一。根据不同的条件和液压支架的形式，西德研究了3种架后充填的配置方式：跺式支架正面充填、节式支架侧向充填和掩护式支架正面充填。加拿大国际金属公司的D·兰德里雅特等人对高浓度充填料的气力充填方法也进行了一定的研究，并指出了其最大的缺点是管路磨损消耗。

国内学者林江对气力输送系统流动特性进行了一系列研究，对气力输送系统的气固两相流动特性、气力输送系统的堵塞控制、低能耗、高效率设计运行等过程控制作了比较全面的探讨，进一步完善了气力输送系统的输送理论和设计准则。开滦矿务局与北京开采所主动承担了科技攻关项目——

—采煤工艺改革安全技术研究，并在唐山矿进行了风力充填护巷带沿空留巷和一巷两用的工业性试验。我国焦作和北京等矿区也曾进行过工

业试验，但未能推广，现仍在进一步实验。目前气力充填技术在煤矿中应用还不成熟。

2充填技术研究展望

我国是矿产资源大国，同时也是矿产资源生产和消耗大国，我们在开采矿产资源的同时不可避免地会扰动和破坏地表环境，带来安全隐患。随着工业飞速发展，矿产需求迅速增加，开采矿产资源所引发的环境破坏和废料排放已成为相当严峻的问题，世界各国领导人、环境专家和采矿专家均提出了矿山资源绿色开采。

采空区充填可以解决地表环境、废料排放、安全方面等问题。在矿山开采的同时，因开采形成了大量采空区，用崩落采矿法回采时会造成地表塌陷。如果用空场采矿法回采时，又会留下采空区。采空区的存在又会使岩体中应力重新分布，这又会导致采空区顶板、围岩和矿柱发生变形、破坏和移动，而采用充填采矿法会很好解决这些问题。在废料排放方面，采矿实际就是开采资源和废料排放的过程。我国在开采矿产资源过程中排放的废料占全国工业废弃物排放总量的85％。现在的采矿模式显著增加了地球环境负荷，不能满足可持续发展原则。而充填采矿法正是利用这些废料作为充填物料，这不仅解决了物料排放问题，而且还大大降低了充填费用。安全方面，充填采矿还可以解决由于采空区诱发的矿区塌陷、滑坡、地震、矿井突水、瓦斯、顶板冒落等地质灾害，以及废石场引发泥石流及尾砂库溃坝等灾害。在煤矿方面，充填采矿还可以更好地解决“三下”压煤及留设保护煤柱问题，能明显地改善深井支护条件、提高回采率降低贫化率等。充填采矿法必将是矿山开采中的一朵奇葩，在21世纪娇艳地绽放。

3结语

本文主要分析了国内外充填技术发展现状，并对充填技术应用前景进行了展望。采空区充填在矿山中具有控制上覆岩层沉陷、保证矿山安全生产、减少留设煤柱等重要作用。因此，采空区充填对矿井开采具有重大现实意义。这也正符合科学发展观走可持续发展道路，树立“发展循环经济，打造绿色矿山”的崭新理念。

参考文献

［1］王新民,肖卫国,张钦礼.深井矿山充填理论与技术［M］.长沙:中南大学出版社，2005.

（责任编辑：戚米莎）────────────────

第一作者简介：王飞，男，1979年11月生，现为太原理工大学采矿专业2007级在读硕士研究生，山西省太原市，030024.

The Present Applications and Development Prospects

of Filling Method of Mined－out Area

WANG Fei,ZHANG Dong-feng

ABSTRACT:This paper introduced the present situation of filling techniques of mined－out areas adopted in China and foreign countries,summarizes the characteristics of traditional filling techniques adopted in mined－out areas,analyzes the status and the types of back filling methods in China,and looks forward to the application prospects of filling technique. KEY WORDS:mined－out area;back filling method;filling technique

王飞，张东峰采空区充填法的应用现状与发展前景本刊E-mail:bjb＠sxinfo．net综述

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