同步充填采矿技术理念及一种代表性采矿方法

陈庆发，陈青林(广西大学资源与冶金学院，广西 南宁 530004)

采选技术

同步充填采矿技术理念及一种代表性采矿方法

陈庆发，陈青林
(广西大学资源与冶金学院，广西 南宁 530004)

在无废开采与协同开采2种理念的指导下，区别于传统的嗣后充填，在空区空间尚未全部释放时，将空区部分空间先行作为转换空间，将充填工艺前移至出矿工艺环节同步进行实施，从而创新提出“同步充填”采矿技术理念。在同步充填理念的指引下，通过吸收充填采矿技术优势，对浅孔留矿法采矿工艺进行二次创新，提出了大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿法。新采矿方法防止了围岩大量片落，控制了矿石贫化率和损失率，提高了矿石回收率，限制了地表沉陷；同时，新方法还为隔离层作用下放矿规律研究提供了契机，促进了放矿学理论的新发展。

同步充填；协同开采；技术理念；采矿方法

随着国民经济的发展，可持续发展的理念深入人心，资源节约与环境保护受到了全人类的特别关注[1-2]。

矿业在可持续发展理念指引下，采矿工艺正朝向安全、高效、无废、绿色、协同等方向发生深刻变革，国内外学者不断提出了一些新兴的采矿技术理念与理论，如无废开采、连续采矿、绿色开采、采矿环境再造、协调开采、协同开采等[3]。

1 同步充填理念的提出及内涵

1.1 理念基础

构成同步充填理念的基础主要有无废开采与协同开采理念，2种理念具体表述参见文献[4]和文献[5]。

1.2 技术背景

充填工艺是随着矿床回采工作面的持续推进，逐步将充填物料填充采空区，利用充填物料的物理力学性质支撑两帮围岩、控制岩移，防止围岩片落、塌落。

传统的充填主要指的是嗣后充填，又称事后充填，指的是在矿房出矿结束后(即采空区空间全部释放后)再实施的充填工序。

转换空间是采空区协同利用模式之一[6]。该模式将采空区看作为某一空间进行置换利用，直接将矿山产生的固体废料充填至井下空区。

转换空间空区协同利用不仅解决了这些废料的排放堆积问题，而且强化了工程稳定性。因此，资源回采与转换空间利用同步技术是地下矿山采矿技术发展的主要方向。

1.3 同步充填理念

将无废开采与采空区协同利用(转换空间利用)2种技术思想相结合，区别于传统的嗣后充填，同步充填是指在空区空间尚未全部释放时，将空区部分空间先行作为转换空间，将充填工艺前移至采场出矿工艺环节同步进行实施，从而创新提出“同步充填”理念。

1.4 新理念提出的意义

1)新理念可以看作是协同开采理念的重要组成部分，是协同开采理念的新发展。

2)新理念持续改变与改进传统采矿技术认知，不断促进采矿技术进步。

3)新理念可能激发采矿技术人员的创造性思维，研发出系列具有同步充填性质的本质安全型采矿方法。

4)新理念有利于促进矿山环境保护与地质灾害防治，甚至将二者有机结合。

2 一种代表性采矿方法

2.1 问题的提出

浅孔留矿法是空场采矿法的一种，主要适用于开采矿石稳固和围岩中等稳固、矿石不结块不自燃的急倾斜薄至中厚矿体，在我国金属矿山得到广泛应用。

在应用浅孔留矿法分层向上回采时和局部放矿时，有限的暴露面积下没有发生围岩片落和大范围岩移的空间与现象。而当大量放矿时，由于围岩暴露面逐渐增加超过了极限暴露面积，往往引起围岩大量片落与围岩大范围岩移的现象，不但造成矿石贫化、漏斗堵塞，而且还有可能造成地表沉陷，破坏地表生态环境。

上述2种现象使人们有理由认为有限的空区暴露面积与暂留矿石的共同作用有利于支撑两帮围岩。这为大量放矿时采用同步充填技术来控制围岩暴露面积从而控制大规模岩移和地表沉陷提供了思想基础。

2.2 新采矿方法的提出

为了解决上述问题，笔者在无废开采、协同开采2种理念指导下，通过吸收充填采矿技术优势，对浅孔留矿法采矿工艺进行二次创新，于2010年提出一种大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿方法，其标准图见图1。

图1 大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿方法图

新采矿方法2012年8月获国家发明专利授权，申报的《柔性隔离层作用下散体介质流理论研究》课题2014年获国家自然科学基金资助。

新采矿方法详细介绍见文献[7]。

2.3 新采矿方法具体实施步骤

1)根据拟采矿床勘探程度、围岩稳固情况、矿体倾角、埋深等因素，将急倾斜薄至中厚矿体自上而下划分出若干阶段，阶段内基于矿石和围岩的稳固性，计算出顶柱的极限暴露面积，再沿走向划分出若干矿块。为更好地控制矿石溜出率，与常规留矿法相比，阶段高度和矿块长度一般取值略小一些。

2)矿房内矿石连同顶柱一起按传统留矿采矿法由下而上逐层回采，不留顶柱。

3)大量放矿前在留矿堆上表面铺设柔性隔离层。柔性隔离层从下之上由杂草、麻袋片和防渗土工布等三层组成，或由废旧橡胶片等材料层构成。柔性隔离层主要作用起到隔离矿石与充填料，防止干式充填料大幅度混入矿石的作用，从根本上降低矿石贫化率。

4)大量放矿时，从回风巷道下放块度适中的干式充填料，并由人工或者电耙的方式对干式充填料进行平场作业。干式充填料可以是废石、尾砂或戈壁集料。有条件情况下，与矿石块度与密度相差不多的充填料优先选用。

5)借助振动放矿机配合重力放矿，使充填料与矿石同步均匀下沉；通过调整矿石溜出率和充填料下放率，严格控制围岩暴露面积，充分发挥充填料的支撑作用，避免围岩大规模移动和地表沉陷，降低矿石贫化率和损失率。

6)矿石全部放出，充填料充满采场空区。

2.4 新采矿方法的优缺点分析

1)优点。①对传统浅孔留矿法进行了改进，使大量放矿与充填同步进行，避免了因围岩大面积暴露而造成矿石贫化、漏斗堵塞，以及围岩大范围移动、地表沉陷等缺陷。②通过发挥充填体对围岩的支撑作用，拓展了留矿法的应用范围。借助振动放矿机配合重力放矿，保持矿石溜出率和充填料下放率协调一致。③由于不留顶柱，提高了矿石回收率。④工艺简单、便于工人掌握。

2)缺点。①新采矿方法要求散体矿石同步下沉，给放矿管理带来了难度。②隔离层存在采场中，造成了一定的材料损失。③铺设隔离层工艺要求相对较高，需要防止大量放矿时充填废石与下部矿石的混合。

2.5 新采矿方法提出的意义

1)防止了围岩大面积冒落后混入采场矿石，有力地控制了矿石贫化率，有效地提高了矿石回收率，实现了对地表大规模沉陷有效控制；同时，有利于矿山废料排放促进矿区绿色开发。

2)新方法不仅改善了地下采矿环境，同时还保护了地表环境，是解决当前我国矿山开采中环境问题的途径之一。

3)随着矿产资源的大量消耗，及金属价格上升及选矿技术水平的提升，如果充填的废石中金属含量达到了盈利点，将来可能再造一座地下矿山。

4)由于隔离层的存在，散体矿石流动规律不同于传统放矿规律，使用经典放矿学理论已不能精确描述。开展全新的柔性隔离层作用下散体介质流基础理论研究对于完善放矿学理论具有重要意义。

2.6 新采矿方法应用展望

一种新采矿理念及采矿方法从提出到工程届大量推广应用，往往需要5～10年的时间，甚至更长的时间才能不断发展成熟并成功应用。

目前，该采矿方法正在国家自然科学基金项目(编号：51464005)的资助下开展扎实的实验室及基础理论研究，课题组亦正在努力寻找企业开展应用洽谈。相信不久的将来，人们定能将理论应用于实践。

3 结 论

1)在无废开采与协同开采2种理念的指导下，将充填工艺前移至出矿同步进行，提出了“同步充填”采矿技术理念。

2)在同步充填理念的指引下，通过吸收充填采矿技术优势，对浅孔留矿法采矿工艺进行二次创新，提出了大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿法。

3)大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿法的提出，为隔离层下放矿规律研究提供了契机，促进了放矿学理论的新发展。

4)同步充填理念可能会激发采矿技术人员研究出更多具有采场同步充填性质的本质安全型采矿方法，推动采矿技术的进步。

[1] 古德生，李夕兵.现代金属矿床开采科学技术[M].北京：冶金工业出版社，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] 陈庆发，苏家红.协同开采及其技术体系[J].中南大学学报:自然科学版，2013，44(2)：732-737.

[6] 陈庆发，周科平，古德生，等.采空区协同利用机制[J].中南大学学报:自然科学版，2012，43(3):1081-1086.

[7] 陈庆发，吴仲雄.大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿方法.中国，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

国家自然科学基金项目资助(编号：51464005)

陈庆发(1979-)，男，博士，2002年毕业于南方冶金学院采矿工程专业，教授、硕士生导师，主要从事采矿工程方面的教学与研究工作。E-mail：chqf98121@163.com。

TD851

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1004-4051(2015)12-0086-03