我国矿产资源充填技术及绿色开采方式研究

李 雷

（冀中能源股份有限公司邢台矿，河北 邢台 054000）

矿产资源作为工业化发展过程中必不可少的能源之一，在给社会发展提供助力的同时，其开采过程也给环境造成了较为严重的损害。在过去对矿产进行开采过程中，由于环保理念的缺乏，导致施工工程所在区域周边都产生了较大的污染。而且不合理开采技术的使用还会致使地面塌陷、地表裂缝等情况，不仅影响周边地表建筑的安全，还极易引起水土流失等问题，严重影响了人们的生存环境。基于此，必须要对矿产资源开采技术进行改进，坚持绿色开采理念，创新开采技术，保证可持续发展。而充填开采技术就是在这一背景下应运而生的，且经由此技术的应用，不仅极大地提升了对矿井废料的利用效率，减少了对环境的污染，还在一定程度上减少了对环境的破坏。

1 矿产充填开采技术类别

在对矿产资源进行开采过程中，首当其中要面临的就是污水的排放问题，若未能做好对这些污水的有效净化，污水在排放出来后必然会对地表以及地下水源造成污染。再加上过去在对矿产资源进行开采时所应用的机械也较为落后，因此伴随着开采的不断深入，其所排放出的污染气体也逐渐增多，给工程周边的居民造成了诸多困扰。基于此，对于开采企业而言，必须应当在开采方式上有所改进，通过开采技术的不断提升以及结合先进开采设备的使用，来保障周边的生态环境，推进人与自然的协调发展。

充填开采其实就是指通过才矿产采空区填入粉尘、河砂以及矸石等，来减少地面因采出而导致的变形，避免地面下沉的一种技术措施。这一技术的优点在于可以有效减少工作面的压力，对资源的回收率较高，且对于开采所产生的废料，在矿井内即可实现处理，因此可极大地减少对环境的污染[1]。

1.1 采矿充填开采技术分类

当前现有的采矿充填开采技术主要有如下三类，第一类的主要依据充填材料进行划分，如可分为矸石充填、高水充填以及废弃物充填等。其中矸石充填主要是指将矸石破碎后直接填充入采空区；而高水充填则主要是通过将石灰及石膏等进行混合制成高水后进行充填的方式，最后废弃物充填，顾名思义就是指采用废弃的石料或建筑废料等作为采空区的填充料。第二类则主要依据填充材料的含水量来进行划分，如可分为固体填充、膏体填充以及浆料填充等。这三种填料的含水量依次递增，其中填充物为浆料时其填充物的含水量均超过50%。最后则是根据充填工作开展过程中所需要的动力源来进行划分，具体可分为自流充填、机械充填以及泵送充填等。其中，自流充填就是指依照填充物的自身重量来实现对填充物的运输及充填；而机械充填则指需要借助于传送带等机械来实现填充物料的传输及充填。最后则是泵送充填，也即通过将物料制作成为浆料，之后采用特定的传送泵来完成运输及充填。

1.2 常见的采矿充填开采技术

当前较为常用且常见的采矿充填开采技术主要有如下四中，分别为矿矸石充填开采、膏体充填开采、超高水充填开采以及高浓度胶结充填开采等。其中对于前三种充填开采技术，均是依据其充填物料的成分来进行命名的，其所运用的原理也较为简单。最后则是一种较为新颖的采矿充填开采技术，其优势在于不仅稳定性较高，其抗压能力也较大[2]。

1.2.1 超高水充填开采技术和高水充填开采技术

超高水充填开采技术中使用的填充材料主要为烧制矿物质以及复合速凝剂与矿物质组成的混合物。在填充过程中，首先将两种填充料各自加水分别制成浆液，之后将两种浆液混合后通过管路对工作面采空区进行填充。填充后经过一段时间，混合后的浆液就会发生凝聚及胶结，并最终形成具备一定强度的填充料。这一方式可以结合顶底板的现状对初凝时间进行初步判断，同时还能结合矿层角度的赋存状况对工作面进行不同方式的布置，其中当前较为理想的布置为仰斜开采充填。

图1 超高水充填开采

在进行高水充填开采时主要使用的材料以沙、赤坭以及尾矿等为基料组合而成的硅质材料，以及膨胀剂和石灰等辅料。将辅料与基料加水进行混合后制作出含水量在50%以上的充填料浆。此料浆的特点在于其具备较高的流动性以及较强的抗压性，而且还具备较为适宜的膨胀性。而在对其工作面进行布置时，其布置方式与超高水充填开采较为相似。

综合相关实践发现，采用如上两种充填开采技术，不仅经济效益高，节省开采成本，而且作业方式还具备较高的自动化水平，发生故障的概率较低。然而其不足之处在于由于填充浆液含水量均较高，因此较之于传统的充填方式，其所需要的凝固时间较长，因此在生产效率上有所下降。此外，采用此充填方式还对作业区域的充填空间具有较高的要求，尤其是对近水平矿层，其适应性较弱，施工后需要长期进行跟踪监测。

1.2.2 膏体充填开采

在进行膏体充填开采时，所采用的充填材料主要为矿井内的水、粉尘、矸石粉以及一些胶固材料等。在充填是需要首先在地面指定位置处布置充填站，之后需要将充填物料进行破碎及搅拌使之成为膏状；其次则需要在矿井设置相应的充填管路，并在地面进行钻孔的方式实现对采空区的充填。在膏体充填开采中，还有一种技术为似膏体充填开采，这一技术所使用的充填物主要为矿井水、添加剂以及破碎后的矸石。在充填时需要在矿井内首先将原生矸石进行破碎，之后再与水及添加剂进行混合搅拌，最后通过泵送剂管道加压的方式实现充填。而通过在似膏体中加入适量膨胀剂还能使得充填物凝固之后产生一定的膨胀效果。

两种充填开采技术对比而言，其优势在于可以在很大程度上实现对采矿中的粉尘以及矸石等物料的回收利用，充填成本也较低，且在充填物料凝固后期强度也较高，便于控制。但其缺点在于所消耗的时间较长，制约了采矿生产效率的提升。其次则是在物料的管理上也存在较大的难度，应当时刻避免物料在运输过程中发生凝固[3]。

1.2.3 矿产中矸石充填开采技术

矿产中矸石充填开采技术主要有如下三种技术形式，首先是原生矸石普采技术，这一技术在操作上较为简便，且对于装置的数量要求较少，较多用于高档普采及炮采中。充填所用的原生矸石通过皮带实现自动化充填；而与矸石普采充填不同，综采充填主要采用综采支架后悬挂底槽可抽拉的刮板输送机以及压实设备来实现对矸石的充填，其工作效率更高。最后是矸石低压风力充填技术，这一技术与泵送充填较为相似，都是借助管道来实现对充填物料的输送，最长可输送距离为1400m。

图2 矸石充填开采示意图

1.2.4 高浓度胶结充填开采技术

在这一充填开采技术中，充填物料主要为胶结填充材料，其来源较为广泛，并且较之于传统的活性凝胶材料，其物理性能更加优越，并能实现对开采环境的进一步保护。其中当前较为常见的胶结充填材料主要为矿渣胶结料、高水固化材料以及赤泥胶结材料等。

2 绿色开采技术的运用

2.1 绿色开采技术的重要性

由于在矿产开采过程中必然会伴随着土壤及矸石的产生，而通过绿色开采可成功实现对矿产中废土的回收，降低矿产开采对当地土地资源的破坏；其次是绿色开采可实现对地表水资源的保护；最后则是在开采过程中通过绿色开采技术可以成功将混合气体进行分离，并实现对有害气体的回收及分类，且可对其排放进行控制以减少对大气的污染，并减少周边酸雨的形成。总而言之，通过绿色开采的使用可以从源头上减少有害气体的排放，保护大气环境。

2.2 采矿过程绿色开采技术及应用

2.2.1 分层注浆开采技术及应用

通过分层注浆机充填可以有效避免矿场以及周边土地资源的破坏，通过配合适宜的矿路支护技术，可以保护矿层，净化空气以及减少矸石排放的目的。而且通过将矿产周边进行注浆机离层充填后，还能避免矿山地面塌陷情况的发生。

2.2.2 矿产资源与有害气体共采技术

这一技术主要是指在开采时，通过采取相应措施来对抽采技术进行优化。具体措施主要有，首先是通过采用高分辨率地震勘探技术，将开采区域内的地质情况以及矿层分布情况进行呈现后，对矿层厚度进行预测，之后再结合勘探结果对开采区内有害气体的分布情况及含量进行预测，指导后期的共采实施；其次是通过设置分区，开提升井下工作的安全性，减少开采工程量及成本，缩短工期。最后未在最大程度上减少工作面的搬家情况，可以在对采取进行划分时扩大采取面积，此外还可以在矿层的顶底板中布置巷道以助力有害气体的抽采。

2.2.3 支护技术减少矸石排放

由于矸石的排放会对周边环境造成影响，因此可在矿层之中设置相应的巷道以减少矸石的排放，然而由于巷道周边围岩经常会出现较大程度的变形，因此在进行充填是可结合使用可缩性支架以及在巷道旁进行充填的方式。但这一技术的应用难度较大，且尚不成熟。

2.2.4 矿产资源地下气化技术

这一技术主要通过热化学反应将矿产资源转化为可燃气体，如此一来不仅可以有效改善采矿的作业环境，还能在一定程度上减少矿产资源对外界环境的影响[4]。

3 结语

伴随着矿产开采过程中各种问题的发生，充填开采以及绿色开采必然会成为开采的主流趋势。然而针对不同的矿体而言，在开采过程中应当因地制宜采取适宜的开采技术。因此，开采企业也应当重视对开采技术的创新及改进，从而在提升自身竞争力的同时也能提升开采工作的安全性及高效性。经由开采实践及相关研究调查发现，充填开采技术的使用不仅可以有效节约开采成本，还能进一步提升矿产开采企业的生产及管理水平，提升矿产开采效益，并助力企业实现经济效益及社会效益的双丰收。