非煤礦山中充填采礦法應用研究

原虎軍，鐘 超

（云南安益安全評價有限公司，云南 昆明 650200）

1 非煤礦山及充填采礦法

1.1 非煤礦山概述

從當前我國資源開發的角度來看，非煤礦山重點包含了金屬礦石、放射性礦石、石油化工原料、建筑材料、輔助原料等資源。由于非煤礦山的種類多，在資源開發的過程中，需從資源種類、分布條件等現實情況出發，選擇最為恰當的開采工藝，以保障安全、高效開采目標的實現。一般情況下，針對非煤礦山的開采作業，多采用的是空場、充填和崩落的開采工藝。

1.2 充填采礦法及其優缺點

在非煤礦山開采作業中，充填采礦法是一種十分有效的開采工藝，在充填采礦法下，在回采工作面逐步推進的過程中，即使用充填材料充填采空區，保持回采工作面推進與采空區充填的同步性。從非煤礦山的開采作業中，充填是回采中的關鍵工序，通過這一方式的應用，有效實現了對開采過程中地壓的科學控制。在充填采礦法應用時，存在充填材料和輸送方式的差異，根據這些差異，充填采礦法有細分為了以下幾種：

（1）充填材料為廢石、干砂的干式充填采礦法。

（2）充填材料為尾砂、河砂和碎石的水力充填。

（3）以尾砂、碎石為基礎原料，隨后經由水泥、膠凝材料膠結為新的充填體的膠結充填[1]。

充填采礦法在技術優缺點主要表現在以下方面：

（1）優點：在工藝應用過程中，開采準切割工程量相對較小，工藝適用性非常強，各種形態的礦體中，都可以靈活應用這一工藝，在具體的實施過程中，礦石損失和貧化非常小，能夠對周邊圍巖起到一定的保護作用，避免圍巖移動所造成的諸多不利影響[2]。

（2）缺點：與傳統的回采開采工藝相比，充填采礦法中添加了充填程序，使得整個的回采流程更為復雜，對于企業而言，會增加開采成本，甚至在一些時候會出現開采成本急劇增加而生產力低下的問題。充填采礦法應用時，回采機械化目標很難實現，整體的開采效率非常低，在開采過程中的人力、物力投入非常大。

2 工程概況

以某金礦為例，在發現的最初階段采用的是露天開采作業，經由幾年的開采，轉入地下開采作業。在礦區在開采的過程中，一直采用的是探采相結合的礦石回收工藝，房柱法和淺孔留礦采礦法是核心工藝，這些工藝應用時，年采出礦石量達到了3萬～5萬t。在回采過程中，頂板和巷道塌陷區的存在增大了開采難度，在此條件下，往往會另外挖掘出一條巷道，繞過塌陷區來進行開采作業。根據有關實踐，最大的回采高度達到了8m～10m，在此金礦中，大量的采空區未進行相應的處理，使得采空區頂板以上中段礦體難以被實現回收和利用，保留礦柱的比例較大，存在極為嚴重的礦石損失。針對這一現狀，必須要進行采礦工藝的改進。

從該金礦的分布條件來看，礦床賦存于砂礫巖地層中，礦體大部分呈不規則的長條脈狀和發散狀，沿著自身的走向和傾向存在膨脹、縮小、分支和復合的情況。礦帶分布和形成受到東西向斷裂破碎帶的影響，沿著斷裂破碎帶存在有次生方解石脈、斷層泥充填的情況。礦床西高東低，地形坡度達到了30°～50°，主體山脈為東西向，支脈為南北向，其中，存在有大量的溝谷分布。礦區地下水主要以降水補給為主，存在巖溶裂隙發育。

3 礦區開采面臨的困境

根據對此礦區綜合條件的分析，在開采過程中可能面臨著以下難題：

（1）礦區巖石的質量較差，尤其是在礦體頂板存在著嚴重的節理裂隙發育，當采礦區跨度達到一定的范圍以后，采空區的穩定性與安全性難以保持。

（2）隨著開采作業等進行，形成的采空區較多，沒有進行相應的控頂處理、采空區處理，形成了采空區群，這種情況下，采空區的一些資源難以得到回收和利用。

（3）礦區尚未形成完善的開采系統，開采過程中的諸多問題難以得到有效的處理。

（4）房柱法的生產效率低下，存在較高的礦石損失，亟需進行工藝和技術改進[3]。

4 采礦方法

4.1 采礦方法的選擇

根據礦體的分布特征，綜合考慮現實情況，可供選擇的采礦方式是空場法、崩落法和充填法。如果在開采過程中采用的是崩落法，在開采時存在較大的礦石損失，且礦體貧化大、采切比較大，整體的開采成本非常高；而空場法下，礦石損失比同樣達到了30%以上，同樣面臨著貧化高的問題，隨著采空作業的逐步推進，頂板冒落、礦體壓垮現象凸顯，在開采過程中存在著極大的安全威脅。最終來分析，采用充填法更為適用，選用上向水平分層膠結充填法，在實際的應用中，選用預控頂房柱法的采準布置、頂板處理方法。

4.2 采場布置和結構參數

上向分層充填法在應用的過程中，必須要保障采場布置的科學性，并從根本上對各個結構參數加以科學設計。根據礦體分布特征，采場布置需與礦體走向保持垂直性，其長度需與礦體水平厚度保持一致，寬度為20m；礦房礦柱需保持交替布置的方式，并將寬度保持在10m左右；回采的過程中，必須要對最小控頂高度和最大控頂高度加以科學控制。

4.3 采切布置

在每個礦房上，分別沿上盤布置一條切割上山，在開采作業中，將其作為回采自由面，并且切割上山兼作通風上山和充填井，在礦房下盤位置，需進行人行井的科學布設，并將其作為泄水通道。

4.4 回采工藝

在回采過程中，需利用專業的設備來完成相應的回采作業，使用YT-28型氣腿式鑿巖機挑采2m，不出礦，工人站在礦堆上打水平孔壓頂回采到設計高度，在每次爆破以后，其通風時間需保持在40min以上，當工作面的全部炮煙排凈以后，相關人員需立即對頂板加以檢查，如果存在浮石，要及時加以清理。當保障了采場符合安全性標準以后，需由鏟運機來將全部崩落的礦石卸入分段溜礦井，隨后，用農用小四輪經階段平硐運到硐外礦堆。

（1）回采順序。在回采工藝應用的過程中，如果要實現對地壓的科學控制，往往需遵循一定的回采順序，保持從中央向兩翼間隔采場的回采方式，如圖1所示。

圖1 最優采場回采順序

由于存在免壓拱理論和砌體梁假說，當兩個間隔采場保持了回采的同步性時，必須要使得中央采場超前兩翼采場回采，如圖3所示。

圖2 超前回采示意圖

（2）通風。在此金礦開采作業中，充填采礦法在應用的過程中同樣需要保障良好的通風性，在設計中，采用的是抽出式通風方式，在這一通風方式下，風流會逐步經由階段斜坡、分段平巷和采場聯絡道進入采場，在對工作面加以沖洗處理以后，污風會經由充填回風井排入上階段的回風平巷內，這種情況下，如果要保障良好的通風效果，需在回風充填井頂部進行局扇的設置。

（3）采場頂板管理。在爆破落礦處理以后，工作面巷道中可能存在爆破所產生的炮煙，當利用通風系統將全部的炮煙排放完以后，有關的作業人員需立即進入采場來進行敲幫問頂處理，以通過這種方式來對采場的浮石加以有效處理，保障頂板的穩定性和安全性。

4.5 填充工藝

（1）在此礦區內，由于礦區環境的特殊性，需將充填系統設置在地面，充填材料主要為尾砂、卵石，這些材料由礦石車來運輸，隨后，經由鏟運車送到充填站堆料場。由于在此礦區內采用的是膠結充填法，結合開采的現實要求，需采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥作為膠結材料。充填系統工藝流程如圖3所示。

圖3 填充系統工藝流程簡圖

（2）充填步驟。在每分層進路出礦結束以后，需保障充填的及時性，以通過這種方式來將地壓控制在合理的范圍內，并有效應對圍巖變形，使得相鄰進路的回采更具安全性與高效性。對于進路采空區而言，需采用1：8的碎石膠結材料加以充填處理，而在回采的第一、二分層均采用1：4高配比膠結體來進行假底的構筑。在采場出礦結束以后，有關人員需將相應的設備及時移出采場，隨后進行擋墻的構筑，對采區加以密封處理。在采區封閉處理的過程中，要用木板將采區的各個進路口加以封閉處理，在此過程中，要在上部留出入口和觀察窗，隨著充填料的逐步升高，木板也應該相應加高，并要對木板和巖壁之間的空隙加以有效處理。在所有的充填準備作業結束以后，要根據相應的配合比設計來開展采場充填作業，充填作業開展的過程中，需將充填天井作為中心，遵循由遠到近的分段充填原則和順序，為了避免在充填過程中崩落粉礦深入充填體中，在每一分層的充填體表面，均需要鋪設一層0.2m厚的混凝土底板。

5 結語

近年來，隨著各個非煤礦山開采規模的逐步增大，各個企業在開采的過程中越來越重視技術引進，充填采礦法是一種十分有效的開采方式，在這一開采工藝應用時常常會出現諸多的問題，如果能夠有效進行充填采礦法的工藝改進，滿足非煤礦產資源分布的現實需求，就可以充分發揮這一采礦工藝優勢，提升采礦效率與產量。