充填理论论文

1、充填理论充填理论论文班级： 姓名： 学号： 日期： 指导老师： 充填采矿法的分类及发展前景（东北大学资源与土木工程学院）摘要随着科学技术的发展以及采矿技术的不断进步，矿井采矿施工技术也日新月异，其中采矿充填技术在各种矿井采矿工程施工技术中，以其高回采率、良好的安全性以及更加环保等优点得以广泛应用，甚至在我国矿井采矿工程中发挥着无可替代的作用。基于此，文章介绍了充填采矿法在国内外的发展现状及其安全性高、回采率高、对地表生态环境破坏较小等一系列不可替代的优点，论述了干式充填法、水砂充填法、胶结充填法和充填法的适用条件、发展方向，提出了随着科学技术的进步，充填采矿法必将成为矿床地下开采中的最主要的采

2、矿方法，对采矿充填技术的发展方向与前景进行了探讨。关键词 矿山开采 采矿充填技术 干式充填Classification and development prospect of filling mining method（School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University）AbstractAlong with the science and technology development and mining technology continues to progress, mining construction t

3、echnology is also changing, which cut and fill mining technology in various mine mining engineering construction technology, with its high recovery rate, good safety and more environmental protection and other advantages can widely used, even in the mine mining engineering in our country plays an ir

4、replaceable role. Based on this, the paper introduces the development status of filling mining method in the domestic and foreign, and its safety, high recovery rate, and the destruction of surface ecological environment. The paper discusses the suitable conditions and development direction of dry f

5、illing method, filling method, cemented filling method and filling method.Key words Mine exploitation Mining filling technology Dry filling引言随着社会的不断发展和科学技术的不断进步，传统的采矿技术已经呈现出明显的滞后性，不能与新时代下的社会发展需求所匹配。而面对这样的形势，具有高回采率、良好的安全性以及更加环保等优点的采矿充填技术顺势而生。采矿充填技术的核心充填，主要是选用碎石、砂砾、煤灰渣、石块等基质，对在地下采矿作业时挖出的采空区进行回填。大量实践应用

6、表明，相比于传统采矿技术，充填采矿法优势明显：能够有效增强采煤区的地层稳定性，避免采空区发生塌陷；能够提高矿产资源的回收率，大大提高可持续发展能力；而选用的填充材料都是一些废石，经济性好；在尾砂回填后，能够有效减少潜在危害以及次生灾害发生的可能；另外，还能大幅缓解矿井深处的高温高应力所带来的危险，确保生产安全。采矿充填技术的发展和成熟应用，在大幅提高采矿企业经济效益的同时，还能够不断推动采矿相关技术的进步。1. 国内外充填法采矿的现状及发展1.1国外充填法采矿的现状充填采矿在国外较早引起了人们的重视，为了控制采区的地表移动，美国一个煤矿首次应用了水砂充填法采矿。在20世纪50年代，澳洲一些地下

7、金属矿山，以水力充填取代了早期使用的干式充填。1969年澳大利亚科学与工业研究院开展了机械落矿充填采矿法的相关问题研究，10余年后在水力充填等领域取得了显著成绩。1977年芒特艾萨矿与新南威尔士大学矿业学院合作研究出了低成本胶结充填技术。目前南非由于矿体开采深度日益加大，充填是南非许多深采矿山的既定工艺，也是支护的主要方法。加拿大矿山充填已经历将近100a，1993年加拿大发展了膏体充填技术，目前仍继续使用这种工艺，地下硬岩采矿企业几乎都采用充填工艺。加拿大应用高浓度充填有两个途径：干式大体积废石充填料和经过脱水的选厂尾矿。前者正在广泛使用，对后者的使用最近几年也有了提高。可以说10a内加拿大

8、矿山采用高浓度尾砂充填料将会成为规范。由于经济的需要，许多矿山应用了空场法采矿，并进行嗣后充填。特别是在20世纪50一60年代后，各国都加大了充填采矿法所占的比重，有关国家还围绕灾害控制制定了相应规范。1.2国内充填法采矿的现状充填采矿法在我国有色矿山的应用历史悠久。50年代中期，充填法在有色金属地下矿山中占有较大比重。然而由于充填采矿法具有矿石回收率高，特别适合于不稳固矿岩条件下的高品位矿石回采的特点，因此一些矿山、科研和设计单位一直对其进行研究探索。随着采场装运设备的发展，80年代以来充填法取得了重大进展。由于实现了采场机械化回采和充填，充填采矿法已从一种低产、低效采矿法发展成为一种高产、

9、高效采矿法，因而许多矿山开始采用充填采矿法，充填采矿法在我国将进入一个新的发展时期。2.充填采矿法的分类充填采矿法依据充填材料的不同可分为：干式充填法；水砂充填法；胶结充填法。其发展经历了由干式充填到最初为不含胶结剂的水砂充填，以后发展了胶结充填，并使充填体的浓度逐步提高，逐步发展到高浓度的似膏体充填、膏体充填。2.1干式充填法干式充填采矿法用矿车、风力或其它机械输送干充填料(如废石、砂石等)充填采空区，也是充填采矿技术最早采用的方法。原苏联及日本、澳大利亚曾广泛采用，20世纪50年代，我国有色金属矿山50以上使用干式充填采矿法。用此法采出的矿石占总矿石量的13之多。采用此法应注意以下几个问题

10、。(1)为了使充填工作能延续进行，应有充分的充填料和储存场地，填料不能有太高的含硫量和放射性物质，含泥量亦不宜超过15。(2)充填料井的位置应选择在便于运输和稳固地层中。井口应加固并装上格筛，使填料尺寸不至于过大。井口下部宜装有闸门，以策安全和延续放料。(3)充填时宜有序分层装填，层间可视情况铺垫人工织物或荆巴、柴棍类填充物，以增加填料稳定性。(4)在回采区中可用人工隔离墙替代自然间柱，宜利用钢筋混凝土假巷替代底柱和用水泥砂浆垫板作底板，以减少矿物贫化。(5)加强采场内通风，如有氧气析出应将氡气浓度降至对人体无害标准，一般可以1爱曼为标准。随着充填技术的发展，干式充填法因工艺繁杂，劳动力需求大

11、，作业成本高，采场充填时间长，矿石贫化率高，生产率低，采场充填时不能进行回采等缺点，已不能满足“三强”(强采、强出、强充)采矿生产的需要。因而，国内干式充填法所占的比重逐年下降。但能适应矿体产状复杂变化的矿区，因此至今仍有矿山使用此法。2.2水砂充填法利用砂浆泵或自流方式，将选厂尾砂、冶炼场炉渣、碎石砂石等固液两相浆体输送到井下，作为充填料来充填采空区。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、澳大利亚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，美国和加拿大开发了基于采用选厂分级尾砂进行水砂充填的充填工艺，在悬浮液输

12、送固体物料、水力旋流器脱泥等方面取得了进步，实现了低浓度(35一70)泵压或自流输送的水力充填采矿。我国的水砂充填工艺从20世纪60年代开始采用，1965年首次采用了尾砂水力充填采空区工艺，有效地减缓了地表下沉，取得了较好的效果；70年代一些矿山都先后成功应用了尾砂水力充填工艺；进入80年代后，分级尾砂充填工艺与技术应用更加广泛，有60余座有色、黑色和黄金矿山都推广应用了该项工艺技术。采用此法时应充分考虑到围岩矿体的稳固性、地表沉陷的可能性及回采巷道的尺寸。为提高水砂充填的工艺效果应注意以下几点。(1)尽量采用混料硐室制备砂浆，使混料工艺达到机械化、自动化，以提高水砂比，增强充填体强度。根据国

13、外经验采用混料硐室制浆，使水砂比由原来的3050：1降到151o：1，浆体浓度达60以上。(2)使充填料输送自动化，以提高水砂充填的速度。水砂充填一般要求构筑专门的护壁和隔墙，但是我国水砂充填多数采用敞开式混料沟方式混料，造成水砂比过大，混料不匀，质量难以控制。加上水砂充填工艺较为复杂(需砌筑溜矿井和人行滤水井，构筑混凝土隔墙，铺设混凝土底板等)，从采场渗出的泥水污染巷道、水沟和水仓，清理工作量大、排水费用高、充填量小，对回采的安全问题和充填体压缩沉降均未很好解决。因此，充填体强度一般不高，不能从根本上阻止岩石移动，使其应用范围受到很大限制，发展胶结充填已成为当今的必然趋势。2.3胶结充填法胶

14、结充填法一般采用以碎石、河砂或尾砂或戈壁集料为骨料(间或掺入块石)，与水泥或石灰类胶结材料经拌合形成浆体或膏体，以管道泵送或重力自流方式输送到充填区的充填。与水砂充填相比，胶结充填的充填料强度大，充填速度快，充填量大，工艺简单。随着材料科学的发展，目前胶结材料类型、品种多样，加上掺合料的多样化，使胶体、浆体或膏体的成份愈加复杂和多样，再加上浆体泵送工艺的发展，使胶结充填出现了空前的繁荣局面。2.3.1尾砂胶结充填20世纪6070年代，中国开始开发和应用尾砂胶结充填技术。这一时期的胶结充填均为传统的混凝土充填，即完全按建筑混凝土的要求和工艺制备和输送胶结充填料，这种传统的粗骨料胶结充填输送工艺复

15、杂，对物料的级配要求较高，因而一直未获得大规模推广使用，到20世纪7080年代，几乎被细砂胶结充填完全取代。细砂胶结充填以尾砂、天然砂和棒磨砂等材料作为充填骨料，以水泥为主要胶结剂，集料与胶结剂通过搅拌制备成料浆后，以两相流管道输送方式输入采场进行充填。因而细砂胶结充填兼有胶结强度和适于管道水力输送的特点。尾砂胶结充填虽然具有较高的生产能力和良好的管道输送特性，但由于使用大量水泥作为胶结剂，使充填成本增加，而且受自流管道输送浓度限制，普通的尾砂胶结充填质量浓度不高(一般70以下)，充人采场后，大量的水份必须通过滤水设施排出，不仅增加了排水费用、污染了井下环境，而且降低了充填体强度。2.3.2块

16、石胶结充填国外块石胶结充填已有多年的历史，块石胶结充填技术在国外一些矿山用作空场法嗣后充填。该方法从70年代在澳大利亚艺特艾萨矿的大规模试验取得成功后，即在许多国家得到了全面的发展。该技术是根据混凝土理论，在废石干式充填和砂浆胶结充填基础上发展起来的一种新型充填工艺。其实质是利用块石或井下掘进废石或将一定量的粗骨料和胶结料浆混合作为充填骨料，水泥砂浆填充块石间隙将其胶结成一个整体，充填于采场或采空区，并使之成为胶结整体，以控制矿山地压、防止地表塌陷。它可分为嗣后充填和分层充填两大类。嗣后充填实质上是向采空区倾卸废石，同时按一定配比注入水泥砂浆或水泥浆，使料浆包裹废石形成胶结充填体。或者将块石与

17、水泥砂浆按照一定的配比分别输送至井下，同时同点下放到采空区自行混合形成胶结体。分层充填是将废石放到充填工作面，用电耙或铲运机平场后，再用胶结料浆浇面以减少矿石损失和贫化。由于分层充填需电耙或铲运机平场，工艺复杂，因此，块石胶结充填更多地应用于阶段空场法、VCR法、分段空场法、留矿法等大空场采矿法的嗣后充填。块石砂浆胶结充填的块石粒径一般小于300ram，砂浆为尾砂浆或细砂浆。与尾砂胶结充填相比，可以节约水泥60，成本降低近50，而同龄期抗压强度可提高12倍。同时，由于块石与砂浆分开输送，利用砂浆的穿透性固结块石，无需搅拌，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

18、提高，工艺更为简单，工人劳动强度大大降低。2.3.3高浓度全尾砂胶结充填为了提高尾砂利用率和充填浓度，70年代后期，开始探索实现全尾砂高浓度充填技术的途径。80年代以来，全尾砂胶结充填技术首先在德国、南非等国进行了试验研究，取得了一定成果，并在一些矿山试验应用，如南非的西德瑞方登金矿。全尾砂在井下脱水后，砂浆质量浓度达到70一78。该工艺是以物理化学和胶体化学的理论为基础，直接采用选厂的尾砂浆，经高效浓密机和真空过滤机两段脱水获取湿尾砂，应用带破拱架的振动放矿装置和强力机械搅拌装置，将全粒级尾砂与适量的水泥和水合成高浓度的均质胶结充填料，以管路输送、宾汉流体的方式充人采场。尾砂流量、水泥流量、

19、加水量和混合料的质量浓度等参数均由微机处理系统自动检测。全尾砂胶结充填的尾砂利用率达到95以上。该技术的成功应用，解决了许多矿山充填料不足的问题，而且有效地避免环境污染，大大减少尾矿库筑坝费用。但该工艺需用机械方法进行浓缩、过滤，工艺复杂，成本较高。2.3.4膏体泵送充填膏体充填在最近的10多年中发展极为迅速，世界上一些矿业发达的国家投入了大量的人力、物力、研究和开发应用膏体充填技术。传统的水力充填工艺，料浆浓度很难提高到70以上，且通常需要对尾砂进行分级脱泥，其结果是充填尾砂的利用率低，充人采场后的充填体需脱水。脱水时会带走充填料中的水泥，造成水泥流失，削弱充填体的强度，且造成井下严重污染。

20、提高充填料浆的浓度是解决这类问题的关键。但由于受管道自流输送的限制，要想进一步提高料浆浓度，必须借助适当的设备，实现膏体充填。膏体充填技术已先后在南非几个大金矿陆续推广使用，效果良好。由于膏体充填综合运用了现代工业的多项高新技术，如微细颗粒材料浓缩脱水技术与设备、高浓度浆体泵送设备、活化搅拌设备、计算机在线控制技术等，是现代采矿工业中一项技术含量最高的新技术之一。其充填材料是使用全尾砂或全尾砂与碎石的混合料。由于膏体充填料浆可使用全尾砂，充填料充人采场后浆无需脱水，又不会出现离析现象，因而减少了井下充填水污染及排水费用，充填体强度高且水泥耗量小，可以适当降低充填成本，凝固时间相对于自流充填短，

21、可以减小充填作业循环周期，充填体易于接顶，有利于采场稳定和采矿作业安全性，膏体的稳定性、和易性和可泵性，决定了进行长距离输送时不会造成堵管，从而解决了实际操作中长距离管道输送的问题等。水泥的添加方式通常有两种，其一将水泥制成砂浆后在井下泵站内添加；其二在膏体出口前约30m处安装一个45°角的喷射头，由压风吹入干水泥，使之与膏体混合。但该系统目前也存在一些缺点，如充填系统投资高，充填倍线要求大或需大功率泵送设备，充填管道容易堵塞等。从世界范围以及长远发展来看，膏体充填技术是充填采矿技术发展的方向。2.3.5高水速凝充填高水速凝充填是与迄今为止的充填理念完全不同的一种新型充填工艺，它不刻

22、意强调提高充填料浆的质量浓度，而是利用高水速凝材料混合后形成的钙矾石具有较强固水能力的特点，实现较广范围内浓度的胶结充填。该技术的优点是：可将高比例水凝结为固态结晶体；充填料浆凝固快，早期强度高，可以通过添加剂缩短采场回采周期，提高了采场生产率；井下不脱水，无环境污染；易于实现中低浓度料浆的水力输送。但高水速凝充填也存在许多不足之处，如充填料输送、混合工艺复杂；高水材料配比要求严格，否则会造成不凝固的现象；在干燥条件下充填体易失水粉化；高水材料来源困难，充填成本高等。3. 采矿充填技术的发展方向与前景3.1充填材料的进一步研发采矿充填技术不断发展的重要标志之一，就是充填材料的革新变化。主要体现

23、在更加具有成本优势、填充效果更好。例如利用的新型充填材料往往选择矿渣水泥、普通水泥等价格相对便宜的材料为骨料，选择高水速凝材料并适当掺入熟石灰为胶结剂。3.2先进填充采矿技术的运用传统的采矿工程施工，对作业周边区域的生态环境甚至可能造成难以修复的破坏，这与现代社会的环境保护要求以及可持续发展理念已经远远不相符。而在先进充填采矿技术中，也将环保、绿色节能的要求涵盖在内，并不断加强相关采矿新技术的研发。环保型的采矿充填技术，主要体现在两个方面：一个是在采矿工程中加以绿色概念，注重环境保护，选用更加绿色无污染的环保型填充材料，例如矿石废料等；另外一个则是施工过程中的更加节能、更加经济，尽量减少能源的消耗和资源的消耗。3.3充填设备的改进充填采矿技术的不断发展，也体现在作业方式以及相关操作设备、充填仪器的更新换代上。其中在各类充填设施中，充填料贮仓发挥着至关重要的作用，因为它直接决定了充填材料的质量以及最终的充填效果，然而在传统的充填工艺中却未对其给予足够的重视。而在新型充填技术中，则采用了加以改良的立式充填料贮仓，能够有效保证充填料质量。而在尾砂处理环节则采用精度非常高的水力