非煤矿山中充填采矿法应用研究

原虎军，钟 超

（云南安益安全评价有限公司，云南 昆明 650200）

1 非煤矿山及充填采矿法

1.1 非煤矿山概述

从当前我国资源开发的角度来看，非煤矿山重点包含了金属矿石、放射性矿石、石油化工原料、建筑材料、辅助原料等资源。由于非煤矿山的种类多，在资源开发的过程中，需从资源种类、分布条件等现实情况出发，选择最为恰当的开采工艺，以保障安全、高效开采目标的实现。一般情况下，针对非煤矿山的开采作业，多采用的是空场、充填和崩落的开采工艺。

1.2 充填采矿法及其优缺点

在非煤矿山开采作业中，充填采矿法是一种十分有效的开采工艺，在充填采矿法下，在回采工作面逐步推进的过程中，即使用充填材料充填采空区，保持回采工作面推进与采空区充填的同步性。从非煤矿山的开采作业中，充填是回采中的关键工序，通过这一方式的应用，有效实现了对开采过程中地压的科学控制。在充填采矿法应用时，存在充填材料和输送方式的差异，根据这些差异，充填采矿法有细分为了以下几种：

（1）充填材料为废石、干砂的干式充填采矿法。

（2）充填材料为尾砂、河砂和碎石的水力充填。

（3）以尾砂、碎石为基础原料，随后经由水泥、胶凝材料胶结为新的充填体的胶结充填[1]。

充填采矿法在技术优缺点主要表现在以下方面：

（1）优点：在工艺应用过程中，开采准切割工程量相对较小，工艺适用性非常强，各种形态的矿体中，都可以灵活应用这一工艺，在具体的实施过程中，矿石损失和贫化非常小，能够对周边围岩起到一定的保护作用，避免围岩移动所造成的诸多不利影响[2]。

（2）缺点：与传统的回采开采工艺相比，充填采矿法中添加了充填程序，使得整个的回采流程更为复杂，对于企业而言，会增加开采成本，甚至在一些时候会出现开采成本急剧增加而生产力低下的问题。充填采矿法应用时，回采机械化目标很难实现，整体的开采效率非常低，在开采过程中的人力、物力投入非常大。

2 工程概况

以某金矿为例，在发现的最初阶段采用的是露天开采作业，经由几年的开采，转入地下开采作业。在矿区在开采的过程中，一直采用的是探采相结合的矿石回收工艺，房柱法和浅孔留矿采矿法是核心工艺，这些工艺应用时，年采出矿石量达到了3万～5万t。在回采过程中，顶板和巷道塌陷区的存在增大了开采难度，在此条件下，往往会另外挖掘出一条巷道，绕过塌陷区来进行开采作业。根据有关实践，最大的回采高度达到了8m～10m，在此金矿中，大量的采空区未进行相应的处理，使得采空区顶板以上中段矿体难以被实现回收和利用，保留矿柱的比例较大，存在极为严重的矿石损失。针对这一现状，必须要进行采矿工艺的改进。

从该金矿的分布条件来看，矿床赋存于砂砾岩地层中，矿体大部分呈不规则的长条脉状和发散状，沿着自身的走向和倾向存在膨胀、缩小、分支和复合的情况。矿带分布和形成受到东西向断裂破碎带的影响，沿着断裂破碎带存在有次生方解石脉、断层泥充填的情况。矿床西高东低，地形坡度达到了30°～50°，主体山脉为东西向，支脉为南北向，其中，存在有大量的沟谷分布。矿区地下水主要以降水补给为主，存在岩溶裂隙发育。

3 矿区开采面临的困境

根据对此矿区综合条件的分析，在开采过程中可能面临着以下难题：

（1）矿区岩石的质量较差，尤其是在矿体顶板存在着严重的节理裂隙发育，当采矿区跨度达到一定的范围以后，采空区的稳定性与安全性难以保持。

（2）随着开采作业等进行，形成的采空区较多，没有进行相应的控顶处理、采空区处理，形成了采空区群，这种情况下，采空区的一些资源难以得到回收和利用。

（3）矿区尚未形成完善的开采系统，开采过程中的诸多问题难以得到有效的处理。

（4）房柱法的生产效率低下，存在较高的矿石损失，亟需进行工艺和技术改进[3]。

4 采矿方法

4.1 采矿方法的选择

根据矿体的分布特征，综合考虑现实情况，可供选择的采矿方式是空场法、崩落法和充填法。如果在开采过程中采用的是崩落法，在开采时存在较大的矿石损失，且矿体贫化大、采切比较大，整体的开采成本非常高；而空场法下，矿石损失比同样达到了30%以上，同样面临着贫化高的问题，随着采空作业的逐步推进，顶板冒落、矿体压垮现象凸显，在开采过程中存在着极大的安全威胁。最终来分析，采用充填法更为适用，选用上向水平分层胶结充填法，在实际的应用中，选用预控顶房柱法的采准布置、顶板处理方法。

4.2 采场布置和结构参数

上向分层充填法在应用的过程中，必须要保障采场布置的科学性，并从根本上对各个结构参数加以科学设计。根据矿体分布特征，采场布置需与矿体走向保持垂直性，其长度需与矿体水平厚度保持一致，宽度为20m；矿房矿柱需保持交替布置的方式，并将宽度保持在10m左右；回采的过程中，必须要对最小控顶高度和最大控顶高度加以科学控制。

4.3 采切布置

在每个矿房上，分别沿上盘布置一条切割上山，在开采作业中，将其作为回采自由面，并且切割上山兼作通风上山和充填井，在矿房下盘位置，需进行人行井的科学布设，并将其作为泄水通道。

4.4 回采工艺

在回采过程中，需利用专业的设备来完成相应的回采作业，使用YT-28型气腿式凿岩机挑采2m，不出矿，工人站在矿堆上打水平孔压顶回采到设计高度，在每次爆破以后，其通风时间需保持在40min以上，当工作面的全部炮烟排净以后，相关人员需立即对顶板加以检查，如果存在浮石，要及时加以清理。当保障了采场符合安全性标准以后，需由铲运机来将全部崩落的矿石卸入分段溜矿井，随后，用农用小四轮经阶段平硐运到硐外矿堆。

（1）回采顺序。在回采工艺应用的过程中，如果要实现对地压的科学控制，往往需遵循一定的回采顺序，保持从中央向两翼间隔采场的回采方式，如图1所示。

图1 最优采场回采顺序

由于存在免压拱理论和砌体梁假说，当两个间隔采场保持了回采的同步性时，必须要使得中央采场超前两翼采场回采，如图3所示。

图2 超前回采示意图

（2）通风。在此金矿开采作业中，充填采矿法在应用的过程中同样需要保障良好的通风性，在设计中，采用的是抽出式通风方式，在这一通风方式下，风流会逐步经由阶段斜坡、分段平巷和采场联络道进入采场，在对工作面加以冲洗处理以后，污风会经由充填回风井排入上阶段的回风平巷内，这种情况下，如果要保障良好的通风效果，需在回风充填井顶部进行局扇的设置。

（3）采场顶板管理。在爆破落矿处理以后，工作面巷道中可能存在爆破所产生的炮烟，当利用通风系统将全部的炮烟排放完以后，有关的作业人员需立即进入采场来进行敲帮问顶处理，以通过这种方式来对采场的浮石加以有效处理，保障顶板的稳定性和安全性。

4.5 填充工艺

（1）在此矿区内，由于矿区环境的特殊性，需将充填系统设置在地面，充填材料主要为尾砂、卵石，这些材料由矿石车来运输，随后，经由铲运车送到充填站堆料场。由于在此矿区内采用的是胶结充填法，结合开采的现实要求，需采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥作为胶结材料。充填系统工艺流程如图3所示。

图3 填充系统工艺流程简图

（2）充填步骤。在每分层进路出矿结束以后，需保障充填的及时性，以通过这种方式来将地压控制在合理的范围内，并有效应对围岩变形，使得相邻进路的回采更具安全性与高效性。对于进路采空区而言，需采用1：8的碎石胶结材料加以充填处理，而在回采的第一、二分层均采用1：4高配比胶结体来进行假底的构筑。在采场出矿结束以后，有关人员需将相应的设备及时移出采场，随后进行挡墙的构筑，对采区加以密封处理。在采区封闭处理的过程中，要用木板将采区的各个进路口加以封闭处理，在此过程中，要在上部留出入口和观察窗，随着充填料的逐步升高，木板也应该相应加高，并要对木板和岩壁之间的空隙加以有效处理。在所有的充填准备作业结束以后，要根据相应的配合比设计来开展采场充填作业，充填作业开展的过程中，需将充填天井作为中心，遵循由远到近的分段充填原则和顺序，为了避免在充填过程中崩落粉矿深入充填体中，在每一分层的充填体表面，均需要铺设一层0.2m厚的混凝土底板。

5 结语

近年来，随着各个非煤矿山开采规模的逐步增大，各个企业在开采的过程中越来越重视技术引进，充填采矿法是一种十分有效的开采方式，在这一开采工艺应用时常常会出现诸多的问题，如果能够有效进行充填采矿法的工艺改进，满足非煤矿产资源分布的现实需求，就可以充分发挥这一采矿工艺优势，提升采矿效率与产量。